生化工程下游技術(shù)-課件-第2章

第二章下游技術(shù)理論基礎(chǔ)

第一節(jié)細(xì)胞中分子分布規(guī)律第二節(jié)分離基本原理第三節(jié)下游技術(shù)中的物理學(xué)過程第四節(jié)下游技術(shù)中的化學(xué)過程第五節(jié)下游技術(shù)中的生物過程

第一節(jié)細(xì)胞中分子分布規(guī)律

各種類型的細(xì)胞其組成分子種類各異，差異有大有小。在同一個細(xì)胞內(nèi)各類的分子分布大致的規(guī)律：在真核細(xì)胞中，脫氧核糖核酸（DNA）大部分存在于細(xì)胞核內(nèi)，只有極少量存在于線粒體或葉綠體中。而核糖核酸（RNA）則主要存在于細(xì)胞質(zhì)中。電子傳遞系統(tǒng)組成物質(zhì)，包括黃素蛋白，細(xì)胞色素c、c1、a、a3以及糖類分解，脂肪酸會成和氧化，氧化磷酸化等有關(guān)酶系大部分存在于線粒體中。蛋白質(zhì)（包括酶）和核酸兩大類大分子在細(xì)胞內(nèi)分布情況，以肝細(xì)胞為例見表l。第二節(jié)分離基本原理

根據(jù)混合物中的不同組份分配率的差別把它們分配于可用物理方法分離的兩個或幾個物相中（如有機(jī)溶劑抽提、鹽析、結(jié)晶等）。將混合物置于某一物相（大多數(shù)是液相）中，外加一定作用力，使各組份分配于不同區(qū)域，從而達(dá)到分離目的（如電泳、超離心、超濾等）。除了一些小分子如氨基酸、脂肪酸、某些維生素及固醇類外，幾乎所有機(jī)體中大分子物質(zhì)都不能融化，也不能蒸發(fā)，只限于分配在固相和液相中，并在這兩相之間相互交替進(jìn)行分離純化。

⑴．

形狀和大小:凝膠過濾、超濾、透析⑵電離性質(zhì):離交色譜、電泳（除SDS）⑶極性（疏水性）:分配、吸附、疏水色譜⑷生物功能或特殊化學(xué)基團(tuán):親和色譜⑸等電點pI:色譜聚焦、電聚焦⑹．溶解性:鹽析、有機(jī)溶劑提取、結(jié)晶⑺．密度、大小:超離心

分離依據(jù)

分離技術(shù)

推動力流體動力（如色譜）電場力（如電泳)重力離心力（如沉降）其他作用力,如擴(kuò)散、滲透中的分子運(yùn)動等。許多分離方法常常不止一種推動力，而是幾種推動力聯(lián)合起作用。阻滯力一般包括：（l）在均一溶液中分子的摩擦效應(yīng)；（2）極化分子的靜電作用；（尤其是生物大分子溶質(zhì)與溶液中其他溶質(zhì)分子的靜電引力，往往造成這些大分子溶質(zhì)流動時遇到的主要阻礙力。）（3）在兩相體系中，溶質(zhì)在兩相中的分配系數(shù)及分子篩效應(yīng)等。（4）吸附作用、滲透作用及其他因素所引起的阻滯力。各種分離方法中推動力及阻滯力

第三節(jié)下游技術(shù)中的物理學(xué)過程一、基礎(chǔ)物性各種物質(zhì)都有其固有的性質(zhì)，利用物質(zhì)性質(zhì)上的差異，可以區(qū)分不同的物質(zhì)，并可對混合物進(jìn)行分離和精制。從工程學(xué)的角度來說：

物性差異越大作為分離基礎(chǔ)的實際利用價值越大。二、分類

以物理學(xué)過程為基礎(chǔ)的分離操作,大致可分為三類。1.

平衡分離過程建立在相平衡關(guān)系上的。利用相的組成差別進(jìn)行混合物體系的分離。這種操作是建立在相平衡關(guān)系上的。利用相的組成差別進(jìn)行混合物體系的分離。表2．l為平衡分離的代表性單元操作。大部分平衡分離操作都包含在內(nèi)。物性：蒸氣壓、溶解度單元：蒸發(fā)、結(jié)晶2.擬平衡(速度差)分離操作混合物體系之外加一個勢能場，在它的作用下，形成分離場。使被分離物在分離場的端面上濃縮，或者在分離場內(nèi)形成一個穩(wěn)定的濃度分布。物性：密度、電荷單元：超速高心分離、離心分離、電泳3.非平衡(速度差)分離操作平衡和擬平衡分離操作以外均劃歸其中。物性：粒子大小、擴(kuò)散系數(shù)、滲透系數(shù)單元：過濾、透過汽化

三、平衡論

1.相平衡基礎(chǔ)多組分混合物體系，達(dá)到相平衡的條件是各相溫度，壓力相等，各相中各成份的逸度相等。當(dāng)系統(tǒng)整體的溫度和壓力均相同，多相系統(tǒng)達(dá)到相平衡時，可用吉布斯相律描述。

吉布斯(Gibbs)于1876年推導(dǎo)出的相律已成為多相平衡體系研究的熱力學(xué)基礎(chǔ)，它表示平衡體系中相數(shù)P、獨立組分?jǐn)?shù)C和描述該平衡體系的變數(shù)F之間的關(guān)系：

F=C–P+2

其中F為平衡體系的自由度數(shù)，是完整地描述體系狀態(tài)所需要的獨立強(qiáng)度變量數(shù)。在分離過程中主要的三個強(qiáng)度變量是溫度、壓力和組分(濃度)

。

對純物質(zhì)，組分?jǐn)?shù)C=1，則F=3-P，如相圖中液相區(qū)域，F(xiàn)=2。因此，在該區(qū)域內(nèi)任一位置必須由溫度和壓力兩個變量來確定。在氣-液平衡線上P=2，只要確定一個變量，即溫度或者壓力，其狀態(tài)就確定了。

2.

氣液平衡對于非理想溶液，組分i在平衡氣相中的分壓pi

和其液相組成xi關(guān)系

其中pi0

純組分i

的飽和蒸汽壓

αi組分i

的活度

γi

組分

i

的活度系數(shù)當(dāng)γi=1時，即為理想溶液則（即拉烏爾定律）而揮發(fā)度相對揮發(fā)度

3.溶解度

（1）氣體在液相中的溶解度

亨利定律

其中

pi

組分i的氣相分壓

P總壓

H亨利常數(shù)

xi

，yi

分別為組分

i的液相和氣相摩爾分率。

亨利定律是氣體吸收的理論基礎(chǔ)。

（2）固體在液相中的溶解度

純固體物質(zhì)在液相中的溶解度用液相溶質(zhì)摩爾濃度

xi表示，假定固體摩爾融解熱ΔH不變，xi與溫度

T間的關(guān)系為

其中，Tm

為固體熔點。4.高壓氣體中的溶解度超過臨界溫度和臨界壓力的氣體稱為超臨界氣體，其特征是各種物質(zhì)在超臨界氣體中的溶解度較大，而且在臨界點附近溶解度變化很大，利用這個性質(zhì)的萃取技術(shù)稱為超臨界萃取技術(shù)。

5.液液平衡

溶質(zhì)在互不溶解的A、B兩相中溶解分配，其平衡濃度分別為

xA

、xB

。則分配系數(shù)在平衡狀態(tài)時，分配系數(shù)K與活度系數(shù)有關(guān)，設(shè)γ為活度系數(shù)，則

即有

6.吸附平衡

物質(zhì)從流體相（氣、液）濃縮到固體表面從而達(dá)到分離的過程稱為吸附過程。吸附平衡常用蘭米爾方程(單分子層吸附等溫線方程式)來描述。

實際應(yīng)用中,用得更多的是弗羅因德利希(Freundlich)方程式

液相吸附常用下式：

當(dāng)溫度一定時，吸附量與濃度之間的函數(shù)關(guān)系稱為吸附等溫線。

qo和K是經(jīng)驗常數(shù)，c代表溶液中溶質(zhì)濃度蛋白質(zhì)分離提純時適合此吸附方程例如：在生物制品進(jìn)行吸附或離子交換分離時，通常遵循Langmuir吸附方程.

應(yīng)用離子交換樹脂作為吸附劑分離抗菌素，飽和吸附量為0.06Kg（抗菌素）/Kg（干樹脂）；當(dāng)抗菌素濃度為0.02Kg/m3時，吸附量為0.04Kg/Kg；假定此吸附屬于Langmuir等溫吸附，求料液含抗菌素0.2Kg/m3時的吸附量。7.

固體吸收平衡

通常，溶解是指氣體或固體成份移向液體的過程，而將氣體、液體成份移向固體的過程稱為（固體）吸收。氣體的吸收平衡通常用亨利（Henry）定律表示：在具有內(nèi)部微小空隙的玻璃體狀高分子中，隨著溶質(zhì)分壓的上升，溶解度系數(shù)本身也漸漸增大。這是因為微小孔隙表面吸附了溶質(zhì)氣體分子（氣體的二重吸收學(xué)說）。假定這種吸附是郎繆爾（Langmuir）吸附，全吸收量可用下式表示：

四、傳遞現(xiàn)象平衡(包括擬平衡)操作中，分離體系在達(dá)到平衡之前，要經(jīng)歷一個非平衡過程。多數(shù)平衡分離操作中,物質(zhì)通過異相界面的物質(zhì)傳遞速度是個重要的問題，而界面上的擴(kuò)散阻力占最主要的部分。減少界面阻力是物質(zhì)傳遞的主要任務(wù)之一。1.傳遞通量流體在分離場內(nèi)的傳遞現(xiàn)象可用經(jīng)典流體力學(xué)中動量（通量）傳遞、熱量（通量）傳遞和質(zhì)量（通量）傳遞規(guī)律和作用于分離場的外加勢能場來描述。

第四節(jié)

下游技術(shù)中的化學(xué)過程

利用化學(xué)作用達(dá)到物質(zhì)分離的目的。物質(zhì)間的化學(xué)作用含有數(shù)

KJ/mol以上的能量變化。作用力強(qiáng)，含有氫鍵、電荷移動、靜電引力以及化學(xué)結(jié)合力等。選擇性更強(qiáng)，在高度選擇性的精密分離中占有重要地位。一、化學(xué)性分子識別

1.分子間相互作用分子間的相互作用力有范德華力、氫鍵力、疏水性相互作用力。

2.分子識別分子識別是指提取介質(zhì)與目的物的關(guān)系就象鑰匙和鎖孔的關(guān)系。分離的準(zhǔn)確度和精確度都大大提高，這對于低濃度、高附加值的目的物分離意義特別重要。環(huán)狀糊精、皇冠醚、沸石都具有分子識別的功能?！盎使诿选蓖瑯泳哂蟹肿幼R別功能?；使诿延卸喾N，均為大環(huán)狀化合物中心有孔，一些金屬離子和氨基酸分子等正好能進(jìn)人其中。圖2為二苯-18-皇冦醚-6的結(jié)構(gòu)。進(jìn)入中心孔的化合物有的能與皇冠醚中的氧原子形成配位鍵?；使诿逊N類個同，對金屬離子的選擇性也不同但多數(shù)對Na+、K+等堿金屬離子的結(jié)合力較強(qiáng)。對于氨基酸，利用其構(gòu)象差異可進(jìn)行D-型和L-型旋光體拆分。在應(yīng)用上，除了分子大小識別之外，也可進(jìn)行電荷分布等更精密的識別性質(zhì)的并用。一些無機(jī)吸附劑如泡沸石等（一類硅酸質(zhì)離子交換體）也具有分子大小識別功能（圖3）。具有細(xì)孔結(jié)構(gòu)的氧化鋁。硅石類陶瓷，孔徑接近分子水平時，則可用做分子篩（Moleculorsieve），對氣體分子選擇性吸附分離。調(diào)節(jié)其極性，在分配系數(shù)上造成差異，使分離度上升。另外，變壓法（Swing）也被用于從空氣中富集氧氣的應(yīng)用性研究中。二、下游技術(shù)中的化學(xué)反應(yīng)

下游技術(shù)中也大量利用化學(xué)反應(yīng)來達(dá)到選擇性分離純化或產(chǎn)品制造的目的。1）生成難溶鹽或沉淀物的反應(yīng)2）生成絡(luò)合物或鰲合某些金屬離子的反應(yīng)等。3)在醫(yī)藥、食品、化工等行業(yè)具有廣泛市場的山梨醇和木糖醇可以通過葡萄糖和木糖經(jīng)金屬鎳催化加氫工藝（高壓）獲得。4）在某些發(fā)酵產(chǎn)品或天然物質(zhì)中，利用有機(jī)化學(xué)反應(yīng)生成有特殊用途或更有價值的衍生物等方面的研究也較活躍。

下游技術(shù)中也大量利用化學(xué)反應(yīng)來達(dá)到選擇性分離純化或產(chǎn)品制造的目的。例如:檸檬酸工業(yè)中常用CaCO3或石灰乳與檸檬酸反應(yīng)生成溶解度很低的檸檬酸鈣鹽沉淀，以便于與發(fā)酵液中殘?zhí)羌捌渌扇苄噪s質(zhì)的分離。利用草酸與Ca2+反應(yīng)，生成不溶性鈣鹽的性質(zhì)可除去雜質(zhì)Ca2+。ZnSO4和貧血鹽常用來去除雜氨基酸和雜蛋白。根據(jù)氨基酸或短肽能絡(luò)合某些金屬離子的性質(zhì)，生產(chǎn)具有生理保健作用的功能性產(chǎn)品，以補(bǔ)充人體缺乏又不易被人體吸收的鈣、鐵、鋅等微量元素，如鈣吸收促進(jìn)劑CPP（酪蛋白磷酸肽，（Caseinphosphopeptide）等。在某些發(fā)酵產(chǎn)品或天然物質(zhì)中，利用有機(jī)化學(xué)反應(yīng)生成有特殊用途或更有價值的衍生物等為目的研究也較活躍。

化學(xué)反應(yīng)的選擇性，化學(xué)反應(yīng)的平衡和反應(yīng)速度往往是重要問題，必要時須進(jìn)行專門的考察。利用化學(xué)反應(yīng)來達(dá)到物質(zhì)分離純化或產(chǎn)品制造時，還需考慮在工業(yè)上是否產(chǎn)生污染問題。例如：早期谷氨酸工業(yè)的提取方法是鋅鹽法。它利用谷氨酸和硫酸鋅反應(yīng)生成不溶性谷氨酸鋅鹽沉淀的性質(zhì)提取回收谷氨酸。此法具有工藝設(shè)備簡單，提取收得率較高等優(yōu)點，但因提取廢液中殘留0.2％～0.3％的Zn2+，會造成環(huán)境污染，所以此法在工業(yè)生產(chǎn)上現(xiàn)已被廢除。

第五節(jié)

下游技術(shù)中的生物學(xué)過程一、特異性相互作用（鎖鑰關(guān)系）生物學(xué)分離過程的主要特征是生物高分子的特異性相互作用。主要以蛋白質(zhì)為代表的生物高分子，能分辯特定的物質(zhì)，再與其可逆性結(jié)合。這種現(xiàn)象是非常排他性的，特異性的結(jié)合，或稱為特異性相互作用。有時也被稱為生物親和力。具有特異性相互作用的生物高分子有：酶、抗體、植物凝血素、抗生物素蛋白(avidin)等結(jié)合性蛋白質(zhì)，還有肝素(磷脂)、明膠、核苷酸等。

特異性相互作用主要包括：

1.離子間的相互作用主要因氨基酸側(cè)鏈的電荷引起的靜電作用，如天門冬氨酸，谷氨酸等帶有的負(fù)電荷，精氨酸，賴氨酸等帶有的正電荷等。

2.氫鍵結(jié)合在配體含有O或N原子的場合下，能和結(jié)合部