生物分離原理及技術(shù) 總復(fù)習(xí)

1、生物分離技術(shù) 總復(fù)習(xí)一、 生物分離工程（Bioseparation)：對于由生物界自然產(chǎn)生的或由微生物菌體發(fā)酵的、動植物細(xì)胞組織培養(yǎng)的、酶反應(yīng)等各種生物工業(yè)生產(chǎn)過程獲得的生物原料，經(jīng)提取分離、加工并精制目的成分，最終使其成為產(chǎn)品的技術(shù)，又稱為下游加工過程（Downstream Processing）。1. 微生物發(fā)酵液的特性u 發(fā)酵產(chǎn)物濃度較低，處理體積量大；u 各類細(xì)胞的顆粒小，相對密度與液相相差不大；u 細(xì)胞含等固型物含水量大，可壓縮性大；u 液相粘度大，大多為非牛頓型流體；u 產(chǎn)品生物活性不穩(wěn)定；u 動植物細(xì)胞不耐剪切。2. 預(yù)處理的目的u 改變發(fā)酵液的物理性質(zhì)，促進(jìn)從懸浮液中分離固形物

2、的速度，提高固液分離器的效率；u 去除發(fā)酵液中的部分雜質(zhì)，以利于后續(xù)各步操作。u 盡可能使產(chǎn)物轉(zhuǎn)入便于后處理的一相中。3. 發(fā)酵液預(yù)處理的方法發(fā)酵液過濾特性的改變 降低液體粘度 調(diào)節(jié)懸浮液的pH值 凝聚和絮凝凝聚作用：在某些電解質(zhì)作用下，使擴(kuò)散雙電層的排斥電位降低，使破壞膠體系統(tǒng)的分散狀態(tài)，而使膠體粒子聚集的過程。絮凝作用：在某些高分子絮凝劑存在下，在懸浮粒子之間產(chǎn)生橋梁作用而使腳力形成粗大的絮凝團(tuán)的過程。 使用助濾劑 加入反應(yīng)劑初步純化 高價無機(jī)離子的去除 雜蛋白的去除二、 固液分離工程及設(shè)備1、過濾2、離心與沉降3、雙水相萃取4、擴(kuò)張床吸附1. 離心分離v 離心過濾：轉(zhuǎn)鼓周壁開孔，為過濾式

3、轉(zhuǎn)鼓，適合于固相含量較多，顆粒較粗的懸浮液分離v 離心沉降：轉(zhuǎn)鼓周壁無孔，為沉降式轉(zhuǎn)鼓，適合于固相含量較少，顆粒較細(xì)的懸浮液v 離心分離：轉(zhuǎn)鼓周壁無孔，轉(zhuǎn)數(shù)最高，適合于乳濁液的分離。2. 碟片式離心機(jī)3. 管式離心機(jī)見計算題三、 細(xì)胞破碎細(xì)胞破碎（cell rupture）技術(shù)是指利用外力破壞細(xì)胞膜和細(xì)胞壁，使細(xì)胞內(nèi)容物包括目的產(chǎn)物成分釋放出來的技術(shù)。（見計算題，滲透壓， p39）細(xì)胞破碎方法分類四、 萃 取 利用在兩個互不相溶的液相中各種組分（包括目的產(chǎn)物）溶解度的不同，從而達(dá)到分離的目的。1. 單級萃取過程的解析計算方法u 假定傳質(zhì)處于平衡狀態(tài)有y萃取相中溶質(zhì)的濃度x萃余相中溶質(zhì)的濃度由質(zhì)

4、量守恒定律：由以上兩式可得 其中萃取因子：若P為萃取回收率2. 多級萃取u 是工業(yè)生產(chǎn)最常用的萃取流程 分離效率高 產(chǎn)品回收率高 溶劑用量少 見計算，多次萃取3. 新型萃取技術(shù)u 超臨界萃取利用流體在臨界點(diǎn)附近某一區(qū)域內(nèi)，與待分離混合物中的溶質(zhì)具有異常相平衡行為和傳遞性能，且對溶質(zhì)溶解能力隨壓力和溫度改變而在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)變動這一特性而達(dá)到溶質(zhì)分離的一項技術(shù)。密度和萃取能力接近液體，粘度擴(kuò)散系數(shù)接近氣體。u 雙水相萃取當(dāng)兩種聚合物或一種聚合物與一種鹽溶于同一溶劑時，由于聚合物之間或聚合物與鹽之間的不相溶性，當(dāng)聚合物或無機(jī)鹽濃度達(dá)到一定值時，就會分成不互溶的兩相。u 反膠團(tuán)萃取五、 吸附與離子交

5、換1. 吸附是利用吸附劑對液體或氣體中某一組分具有選擇性吸附的能力，使其富集在吸附劑表面的過程。吸附過程通常包括：待分離料液與吸附劑混合、吸附質(zhì)被吸附到吸附劑表面、料液流出、吸附質(zhì)解吸回收等四個過程2. 常見的吸附類型及其主要特點(diǎn)物理吸附化學(xué)吸附吸附作用力 分子間引力化學(xué)鍵合力選擇性較差較高所需活化能低高吸附層單層或多層單層達(dá)到平衡所需時間快慢3. 工業(yè)用吸附劑硅膠活性氧化鋁活性炭大孔吸附樹脂分子篩4. 離子交換(ion exchange)u 概念：利用離子交換樹脂作為吸附劑，將溶液中的待分離組分，依據(jù)其電荷差異，依靠庫侖力吸附在樹脂上，然后利用合適的洗脫劑將吸附質(zhì)從樹脂上洗脫下來，達(dá)到分離、

6、濃縮和提純的目的。5. 離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)單元u 具有三維空間立體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)骨架u 聯(lián)接在骨架上的活性基團(tuán)（功能基團(tuán)）u 活性基團(tuán)所帶的相反電荷的活性離子 （可交換離子）6. 主要的多糖基離子交換樹脂u 離子交換纖維素 樹脂骨架為纖維素，根據(jù)活性基團(tuán)的性質(zhì)可分為陽離子交換纖維素和陰離子交換纖維素兩類 特點(diǎn)：骨架松散、親水性強(qiáng)、表面積大、交換容量大、吸附力弱、交換和洗脫條件溫和、分辨率高 常用的離子交換纖維素有： 甲基磺酸纖維素、羧甲基纖維素、二乙基氨基乙基纖維素六、 色譜技術(shù)色譜技術(shù)是利用混合物中各組分物理化學(xué)性質(zhì)的差異（如吸附力、分子形狀及大小、分子親和力、分配系數(shù)等），使各組分在兩相（一相

7、為固定的，稱為固定相；另一相流過固定相，稱為流動相）中的分布程度不同，從而使各組分以不同的速度移動而達(dá)到分離的目的。按機(jī)理分，有以下幾種： 吸附色譜疏水色譜 分配色譜正相（固極流非-極）與反相（固非流極-非）色譜 離子交換色譜 凝膠排阻色譜將樣品混合物通過一定孔徑的凝膠固定相，由于流經(jīng)提及的差異，使不同分子量的組分得以分離的色譜方法（大的先流出） 親和層析七、 膜分離與電泳u 膜分離的概念：利用膜的選擇性（孔徑大小），以膜的兩側(cè)存在的能量差作為推動力，由于溶液中各組分透過膜的遷移率不同而實(shí)現(xiàn)分離的一種技術(shù)。膜分離技術(shù)的類型和定義 （板式，管式，螺旋卷式，中空纖維式）u 膜分離過程的實(shí)質(zhì)是物質(zhì)透

8、過或被截留于膜的過程，近似于篩分過程，依據(jù)濾膜孔徑大小而達(dá)到物質(zhì)分離的目的，故而可以按分離粒子大小進(jìn)行分類：微濾（MF）懸浮物固體超濾（UF）大分子有機(jī)物，蛋白納濾 (NF) 有機(jī)酸，多糖，染料反滲透（RO）無機(jī)鹽電滲析強(qiáng)制膜分離八、 電泳u 電泳（Electrophoresis）是荷電物質(zhì)（電解質(zhì)）在電場作用下發(fā)生定向泳動的現(xiàn)象。u 電泳分離技術(shù)是利用荷電物質(zhì)在電場中泳動速度的差別進(jìn)行分離的方法。各類電泳的工作原理常規(guī)聚丙烯酰胺凝膠電泳可用于蛋白質(zhì)定量。電泳后的凝膠經(jīng)凝膠掃描儀掃描，從而給出定量的結(jié)果.凝膠掃描儀主要用于對樣品單向電泳后的區(qū)帶和雙向電泳后的斑點(diǎn)進(jìn)行掃描。SDS -聚丙烯酰胺凝

9、膠電泳可測定蛋白質(zhì)分子量.其原理是帶大量電荷的SDS結(jié)合到蛋白質(zhì)分子上克服了蛋白質(zhì)分子原有電荷的影響而得到恒定的荷/質(zhì)比。SDS聚丙烯酰胺凝膠電泳測蛋白質(zhì)分子量已經(jīng)比較成功，此法測定時間短，分辨率高，所需樣品量極少（1100g），但只適用于球形或基本上呈球形的蛋白質(zhì)，某些蛋白質(zhì)不易與SDS結(jié)合如木瓜蛋白酶，核糖核酸酶等，此時測定結(jié)果就不準(zhǔn)確.等電聚焦是將兩性電解質(zhì)加入盛有pH梯度緩沖液的電泳槽中，當(dāng)其處在低于其本身等電點(diǎn)的環(huán)境中則帶正電荷，向負(fù)極移動；若其處在高于其本身等電點(diǎn)的環(huán)境中，則帶負(fù)電向正極移動。當(dāng)泳動到其自身特有的等電點(diǎn)時，其凈電荷為零，泳動速度下降到零，具有不同等電點(diǎn)的物質(zhì)最后聚焦

10、在各自等電點(diǎn)位置，形成一個個清晰的區(qū)帶，分辨率極高。雙相電泳是等電聚焦電泳和SDS-PAGE的組合，即先進(jìn)行等電聚焦電泳（按照pI分離），然后再進(jìn)行SDS-PAGE（按照分子大?。?，經(jīng)染色得到的電泳圖是個二維分布的蛋白質(zhì)圖九、 沉 析u 沉析是利用沉析劑使所需提取的生化物質(zhì)或雜質(zhì)在溶液中的溶解度降低而形成無定形固體沉淀的過程，也稱為沉淀。1. 沉淀法的分類根據(jù)所加入的沉淀劑的不同，沉淀法可以分為：（1） 鹽析法；蛋白質(zhì)（酶）等生物大分子物質(zhì)在高濃度中性鹽存在下，溶解度降低而產(chǎn)生沉淀。（2） 等電點(diǎn)沉淀法；兩性電解質(zhì)在溶液PH處于等電點(diǎn)時， 分子表面凈電荷為零，導(dǎo)致賴以穩(wěn)定的雙電層及水合膜削弱或

11、破壞，分子間引力增加，溶解度下降，析出沉淀的操作（3） 有機(jī)溶劑沉淀法；向水中加入一定親水性的有機(jī)溶劑，降低溶質(zhì)的溶解度，使其沉淀析出的分離純化方法。（4）非離子型聚合物沉淀法；（5）聚電解質(zhì)沉淀法；（6）高價金屬離子沉淀法等。2. 鹽析過程u 當(dāng)中性鹽加入蛋白質(zhì)分散體系時可能出現(xiàn)以下兩種情況：（1）“鹽溶”現(xiàn)象低鹽濃度下，蛋白質(zhì)溶解度增大（2）“鹽析”現(xiàn)象高鹽濃度下，蛋白質(zhì)溶解度隨之下降，原因如下： 無機(jī)離子與蛋白質(zhì)表面電荷中和，形成離子對，部分中和了蛋白質(zhì)的電性，使蛋白質(zhì)分子之間的排斥力減弱，從而能夠相互靠攏； 中性鹽的親水性大，使蛋白質(zhì)脫去水化膜，疏水區(qū)暴露，由于疏水區(qū)的相互作用導(dǎo)致沉淀

12、；3. 鹽析法IgS=B-KI Ks分級鹽析法：在一定pH和溫度下，改變體系離子強(qiáng)度（鹽濃度）進(jìn)行鹽析的方法； 分級鹽析法：在一定離子強(qiáng)度下，改變pH和溫度進(jìn)行鹽析； 其中，Ks鹽析法由于蛋白質(zhì)對離子強(qiáng)度的變化非常敏感，易產(chǎn)生共沉淀現(xiàn)象，因此常用于提取液的前處理。 而鹽析法由于溶質(zhì)溶解度變化緩慢，且變化幅度小，因此分辨率更高，常用于進(jìn)一步的純化。十、 結(jié)晶u 結(jié)晶是新相生成的過程，是利用溶質(zhì)之間溶解度的差別進(jìn)行分離純化的一種擴(kuò)散分離操作，與沉淀的生成原理一致。u 溶液中的溶質(zhì)在一定條件下，因分子有規(guī)則的排列而結(jié)合成晶體，晶體的化學(xué)成分均一，具有各種對稱的晶型。1. 結(jié)晶的步驟u 過飽和溶液的形

13、成u 晶核的形成u 晶體生長 其中，溶液達(dá)到過飽和狀態(tài)是結(jié)晶的前提；過飽和度是結(jié)晶的推動力。2. 飽和曲線和過飽和曲線十一、 干燥Ø 干燥(Drying)是利用熱能除去濃縮懸浮液或結(jié)晶(沉淀)產(chǎn)品中濕分(水分或有機(jī)溶劑)的單元操作。Ø 通常是生物產(chǎn)品分離的最后一步，因此干燥的質(zhì)量直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和價值。1. 物料內(nèi)水分的種類物料與水分的結(jié)合方式：u 化學(xué)結(jié)合水：水分與物料的離子型結(jié)合和結(jié)晶型分子結(jié)合（結(jié)晶水），結(jié)晶水的脫除必將引起晶體的崩潰；u 物化結(jié)合水：包括吸附、滲透和結(jié)構(gòu)水分，其中吸附水分結(jié)合力最強(qiáng)u 機(jī)械結(jié)合水：毛細(xì)管水、濕潤水分、孔隙水份2. 平衡水分和自由水分

14、u 平衡水分：當(dāng)一種物料與一定溫度及濕度的空氣接觸時，物料勢必會放出或吸收一定量的水分，物料的含水量會趨于一定值。此時，物料的含水量稱為該空氣狀態(tài)下的平衡水分。平衡水分代表物料在一定空氣狀態(tài)下的干燥極限，即用熱空氣干燥法，平衡水分是不能去除的u 自由水分：在干燥過程中能夠除去的水分，是物料中超出平衡水分的部分3. 干燥機(jī)理Ø 在干燥過程中，當(dāng)物料中水分表面汽化的速率小于內(nèi)部擴(kuò)散的速率時，稱為表面汽化控制；Ø 強(qiáng)化措施（對對流干燥而言） ：提高空氣的溫度，降低相對濕度，改善空氣與物料的接觸和流動情況，均有助于提高干燥速率。Ø 當(dāng)物料中水分表面汽化的速率大于內(nèi)部擴(kuò)散的速率，稱為內(nèi)部擴(kuò)散控制。Ø 強(qiáng)化措施：從改善內(nèi)部擴(kuò)散著手，如：減少物料厚度、使物料堆積疏松、攪拌或翻動物料、采用微波干燥等。4. 恒速干燥階段u 濕物料表面為非結(jié)合水所濕潤，物料表面溫度是該空氣狀態(tài)下的濕球溫度；u 傳熱推動力（溫度差）以及傳質(zhì)推動力（飽和蒸汽壓差）是一個定值；干燥速率也是一個定值；u 該階段的干燥速率決定于物料表面水分汽化的速率、決定于水蒸氣通過干燥表面擴(kuò)散到氣相主體的速率。因此，又稱為表面汽化控制階段。u 此時的干燥速率幾乎等于純水的汽化速度，和物料濕含量、物料類別無關(guān)；u 影響因子主要有：空氣流速、空氣濕度、空