【正文】 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，利用這個性質的萃取技術稱為超臨界萃取技術。 5．液液平衡 XA rB 分配系數 K=—— = —— XB rA XA ,XB — 溶質在 A、 B 兩相的平衡濃度。 rA、 rB — 活度。 6．吸附平衡 物質從流體相 (氣、液 )濃縮到固體表面從而達到分離的過程稱為吸附過程。 氣相： Q＝ kp1/n 液相： Q＝ kc1/n Q — 吸附量 (mol/kg 吸附劑 ) k— 吸附平衡常數 p— 吸附質分壓 c — 吸附質濃度 n— 大于 1 的常數。 7．固體吸收平衡 氣體、液體成分移向固體的過程稱為 (固體 )吸收。 P c= — =Sp H C—固體中的溶質濃度 P——氣相溶質分壓 H——亨利常數 S——溶解度系數 CD∞ Kp 全吸收量 C = CH+CD=Sp+ ———— 1+Kp CH— 亨利型吸收量 CD — 吸附型吸收量 CD∞ — 最大吸附型吸收量 (事實上為一常數） K — 常數 四、傳遞現象 平衡 (包括擬平衡 )操作中，分離體系在達到平拖之前，要 經歷一個非平衡過程。趨向平衡態(tài)的速度取決于體系內各組分的質量傳遞的阻力。嚴格地說，達到平衡態(tài)的時間要無限長。但從工業(yè)生產角度，達到適當平衡度即可。達到這個適當平衡度的速度越快，生產效率越高。 另一方面，對于利用組分傳遞速度差進行分離精制的非平衡 (速度差 )操作，一個產生速度差的組分傳遞阻力差的存在是不可缺少的。只要適當的分離場的狀態(tài)參數 (全壓、組成、溫度、外部勢能場等 )保持不變，各組分間的物質相對傳遞速度差就保持不變。 因對流傳遞的阻力比擴散傳遞的阻力小得多，界面流體的境界膜厚 度（膜內為擴散傳遞）要盡量薄。 1．傳遞通量 流體在分離場內的傳遞現象可用經典流體力學中動量 (通量 )傳遞、熱量 (通量 )傳遞和質量 t 通量 )傳遞規(guī)律 (見表 2—4)和作用于分離場的外加勢能場來描述。 存在異相傳遞的情況下，物質在異相之間的境界膜中的擴散速度往往成為物質傳遞速度的限制性因素。 9 進一步分析可知，動量是朝著動量濃度降低的方向傳遞的；熱 (能 )量是從高能量 (溫度 )區(qū)向低能量區(qū)傳遞的；而組分 A 向濃度梯度下降的方向運動。 2．固相內的分子擴散 如浸取操作。由于 固體中存在大量的水分，溶質通過這些水溶液進行的擴散符合 Fick 定律。 對于溶質 A 的擴散通量，簡化后為： dcA NA＝ DAB—— dH 式中： DAB— A 通過 B 的擴散系數 (m2／ s)，通常為常數 H— 距離 CA—固體中的溶質濃度。 3．多孔體內的擴散運動 在具有連續(xù)空隙的多孔體 (含粒子充填層 )內，分子在這種細孔中的移動，可分為 “細孔擴散 ”和 “表面擴散 ”兩種機理。 (1)微孔內擴散： 設多孔體內的空隙為 ?，有效擴散系數為 De，則： D ? De= —— ? d 式中 D——細孔空間的流體相中運動分子的擴散系數 ? d—— 與擴散有關的細孔曲折系數 (2)表面擴散： 細孔內物質運動的第二種形式是細孔內壁表面物理吸附的分子在保持被吸附狀態(tài)下進行的運動，稱為表面擴散。 吸附相＝狹義吸附相 +毛細管凝結相 4．粒子充填床層中的物質擴散 實體粒子充填床層內的擴散現象與多孔體內的情況基本相同。例外的情況是，當粒子充填層中的空隙比多孔體粒子內空隙大得多時，會引起流體透過方向上的返混。返混的規(guī)模與粒徑大致成一定比例。 在多孔性粒子的充填層內，粒子間的一次空隙與粒子內的二次空隙構成二元結構細孔網絡。在這種場合下，質量傳遞阻力應分別講行考察。 5．膜內 物質的質量傳遞 均質膜和多孔性膜中的質量傳遞機理不同。 均質膜持別是均質高分子膜內的質量傳遞是很復雜的，物質通過膜的傳遞速度是用膜兩端的濃度差和膜內溶解分子的擴散系數來表達的。擴散系數與穿膜物質的種類和濃度有關。 均質膜并非絕對 “均質 ”，也會有布朗運動和反混現象。 多孔性膜基本上與多孔體內質量傳遞相同。 第二節(jié) 下游技術中的化學過程 一、化學性分子識別 液液萃取：利用物質在溶劑中溶解度不同的分離。 如果在萃取溶劑中加入對原料中 目標物質有特異性作用的成分 (萃取劑、抽提劑 )，能達到高選擇性。 1．分子間相互作用 分子間的相互作用力除了眾所周知的范德華力、氫鍵力等，近年來備受注目的分子間作用力是疏水性相互作用力。 2 ．分子識別 酶和底物的專一性結合。鑰匙和鎖的關系。只有底物分子才能進入這個口袋。酶分子正是通過對底物的多點識別才顯示出它高效、專一的底物識別功能。 環(huán)狀糊精也有一定的分子識別功能。 它是由 6—8 個葡萄糖環(huán)狀結合而成的低聚糖．筒狀，內部具空洞結構。 “皇冠醚 ” 皇冠醚有多種 ，均為大環(huán)狀化合物。中心開孔，一些金屬離子和氨基酸分子等正好 10 能進入其中。 泡沸石（無機吸附劑如） 具有細孔結構的氧化鋁、硅石類陶瓷，孔徑接近分子水平時，則可用做分子篩。 二、下游技術中的化學反應 選擇性分離純化： 如檸檬酸工業(yè)中常用鈣鹽沉淀，以便于與發(fā)酵液中殘?zhí)羌捌渌扇苄噪s質的分離。 利用草酸與 Ca2+反應，生成不溶性鈣鹽可除去雜質 Ca2+ 。 ZnSO4 和黃血鹽用于除去雜氨基酸和雜蛋白。 產品制造： 氨基酸或短肽能絡合或螯合某些金屬離子生產保健產品。補充人體缺乏又 不易被人體吸收的鈣、鐵、鋅等微量元素，山梨醇和木糖醇可以通過葡萄糖和木糖經金屬鎳催化加氫工藝 (高壓 )獲得。 第三節(jié) 下游技術中的生物學過程 一、特異性相互作用 (鎖鑰關系） （一）可逆性結合作用（除共價結合外） 1．離子間的相互作用 2．氫鍵結合 3．硫水性相互作用 4．對金屬原子配傷 5．弱共價鍵結合 影響蛋白質立體構象的環(huán)境因素 ： (1)熱： 熱是影響蛋白質構象的最普通的因素。 (2)溫度： 溫度的上升，使原子、分子的熱運動更活潑，離子間的相互作用、氫鍵、金 屬原子配位作用等變弱。但疏水性的相互作用因溫度上升而加強。 (3)PH ： PH 對離子問的作用影響很大， pH 也對蛋白質側短上的氨基酸殘基的離解度影響很大。 (4)靜電性的環(huán)境變化： 如在溶液中加入在水中能離解為陽離子和陰離子的強電解質 (如食鹽等無機鹽 )。溶液離子強度增加，離子間相互作用變弱，氫鉸也受到同樣影響。 (5)試劑： 在試劑中，尿素、鹽酸肌、十二烷基磺酸鈉等會對蛋白質構象造成影響。 二、親和色譜 利用某些生物物質之間特異的親和力進行選擇性分離的色譜技術。 11 授 課章節(jié) 第三章 發(fā)酵液預處理 學時 2 教學目標與要求 1. 掌握發(fā)酵液過濾特性的改變的方法 2. 掌握發(fā)酵液的相對純化的方法 3. 掌握固液分離工程及設備 教學重點與難點 1. 凝聚與絮凝； 。 教學方法 講授；多媒體教學 主要 教學內容 Section 1: 發(fā)酵液過濾特性的改變 ◆ 微生物發(fā)酵液的特性 ◆ 改善發(fā)酵液過濾特性的物理化學方法 ◆ 凝聚與絮凝 Section 2: 發(fā)酵液的相對純化 ◆ 高價無機離子的除去 ◆ 雜蛋白質的除去 Section 3: 固液分離工程及設備 ◆ 離 心分離 ◆ 過濾 分離 需掌握的專業(yè)詞匯 Cell。 Cell biology。 Cell theory 研究進展和參考資料 韓貽仁．分子細胞生物學．第二版．北京：科學出版社， 2020 汪堃仁，薛紹白，柳惠圖．細胞生物學．第二版．北京：北京師范大學出版社， 1998 課后復習題 縱觀 cell biology 發(fā)展簡史，你認為該學科近百年來快速發(fā)展的主要原因是什么？ 12 第三章 發(fā)酵液預處理 發(fā)酵液成分 ： 微生物菌體及殘存的固體培養(yǎng)基外，還有未被微生物完全利用的糖類、無機鹽、蛋白質，以及微生物的各種代謝 產物。 目的 ： 分離菌體和其他懸浮顆粒，除去部分可溶性雜質和改變?yōu)V液的性質，以利于提取和精制后繼各工序的順利進行。 方法選擇 ： 對于胞外產物，經預處理應盡可能使目的產物轉移到掖相，然后經固液分離除去固相；對于胞內產物，則應首先收集菌體或細胞，經細胞破碎后 ,目的產物進入液相，隨后再將細胞碎片分離。 第一節(jié) 發(fā)酵液過濾特性的改變 微生物發(fā)酵液的特性可歸納為： ①發(fā)酵產物濃度較低，大多為 1％一 10％，懸浮掖中大部分是水； ②懸浮物顆粒小，相對密度與液相相差不大； ③固體粒子可壓縮性大； ④液相粘度大，大多為非牛頓 型流體； ⑤性質不穩(wěn)定，隨時間變化，如易受空氣氧化、微生物污染、蛋白酶水解等作用的影響。 這些特性使得發(fā)酵液的過濾與分離相當困難。 改善發(fā)酵液過濾特性的物理化學方法 ： 通過對發(fā)酵液進行適當的預處理，即可改善其流體性能，降低濾餅比阻，提高過濾與分離的速率。 一、降低液體粘度：加水稀釋法和加熱法 二、調整 pH：等電點沉淀法 三、凝聚與絮凝 四、加入助濾劑：助濾劑是一種不可壓縮的多孔微粒，它能使濾餅疏松，濾速增大。如：硅藻土、纖維素、石棉粉、珍珠巖、白土、炭粒、淀粉等。 五、加入反應劑：不影響目的產物 ，可消除發(fā)酵液中某些雜質對過濾的影響，提高過濾速率。 凝聚與絮凝 凝聚：指在電解質作用下，由于膠粒之間雙電層電排斥作用降低，電位下降，而使膠體體系不穩(wěn)定的現象。 凝聚值：使膠粒發(fā)生凝聚作用的最小電解質濃度。反離子的價數越高，該值就越小，即凝聚能力越強。 絮凝：指在某些高分子絮凝劑存在下，基于橋架作用，使膠粒形成較大絮凝團的過程。 絮凝劑：是一種能溶于水的高分子聚合物，其相對分子質量可高達數萬至一千萬以上，它們具有長鏈狀結構，其鏈節(jié)上含有許多活性官能團，包括帶電荷的陰離子或陽離 子基團以及不帶電荷的非離子型基團。 目前，最常用的絮凝劑是有機合成的聚丙烯酰胺。 第二節(jié) 發(fā)酵液的相對純化 發(fā)酵液中雜質很多，其中有些雜質不僅直接影響產品質量利收得率，同時對后繼提取和精制有很大影響。 一、高價無機離子的除去 發(fā)酵液中主要的無機離子有： Ca2+； Mg2+； Fe2+等。 二、雜蛋白質的除去 (1) 沉淀法：蛋白質是兩性物質，在酸性溶液中，能與一些陰離子（三氯乙酸鹽、水揚酸鹽）形成沉淀；在堿性溶液中，能與一些陽離子（ Ag+、 Cu2+、 Zn2+、 Fe3+等）形成沉淀。 (2) 變性法 ：使蛋白質變性的方法很多，如：加熱，調節(jié) PH，有機溶劑，表面活性劑等。其中最常用的是加熱法。 (3) 吸附法：加入某些吸附劑或沉淀劑吸附雜蛋白質而除去。 13 第三節(jié) 固液分離工程及設備 范圍：培養(yǎng)基、發(fā)酵液、某些中間產品和半成品。其中發(fā)酵液由于種類多、粘度大和成分復雜，分離最為困難。 方法：分離篩、重力沉降、浮選分離、離心分離和過濾等，其中用于發(fā)酵液固液分離的主要是離心分離和過濾分離。 一、離心分離 二、過濾分離 一、離心分離 原理：利用轉鼓高速轉動所產生的離心力．來實現懸浮液、 乳濁液的分離或濃縮。 優(yōu)點：分離速率快、分離效率高、液相澄清度好等。