【正文】 3. 掌握固液分離工程及設(shè)備 教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn) 1. 凝聚與絮凝； 。 “皇冠醚 ” 皇冠醚有多種 ，均為大環(huán)狀化合物。 在多孔性粒子的充填層內(nèi)，粒子間的一次空隙與粒子內(nèi)的二次空隙構(gòu)成二元結(jié)構(gòu)細(xì)孔網(wǎng)絡(luò)。但從工業(yè)生產(chǎn)角度，達(dá)到適當(dāng)平衡度即可。 2．?dāng)M平衡 (速度差 )分離操作 在混合物體系本身所占有的空間之外加一個(gè)能引起物質(zhì)分離的勢能場，在它的作用下，形成分離場。 2．子代分離技術(shù) 各種分離純化技術(shù)相互結(jié)合、交叉、滲透，形成子代分離技術(shù)。 大分子產(chǎn)品：如酶蛋白，除具有一定氨基酸排列的一級結(jié)構(gòu)外，還具有一定立體構(gòu)象的二、三級結(jié)構(gòu)，甚至于四級結(jié)構(gòu)，才呈現(xiàn)出生物活性。 Cell biology。 產(chǎn)品的穩(wěn)定性：生物活性物質(zhì)的活性還易受溫度、 pH、金屬離子、無機(jī)鹽濃度、有機(jī)溶媒等環(huán)境因素的影響。 三、清潔生產(chǎn) 清潔生產(chǎn) (Cleaner Production)：是指將綜合預(yù)防的環(huán)境保護(hù)策略持續(xù)應(yīng)用于生產(chǎn)過程和產(chǎn)品中，以期減少對人類和環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。如表 2—3所示。只要適當(dāng)?shù)姆蛛x場的狀態(tài)參數(shù) (全壓、組成、溫度、外部勢能場等 )保持不變，各組分間的物質(zhì)相對傳遞速度差就保持不變。 均質(zhì)膜持別是均質(zhì)高分子膜內(nèi)的質(zhì)量傳遞是很復(fù)雜的，物質(zhì)通過膜的傳遞速度是用膜兩端的濃度差和膜內(nèi)溶解分子的擴(kuò)散系數(shù)來表達(dá)的。 二、下游技術(shù)中的化學(xué)反應(yīng) 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(zhì)的分離。 Cell theory 研究進(jìn)展和參考資料 韓貽仁．分子細(xì)胞生物學(xué)．第二版．北京：科學(xué)出版社， 2020 汪堃仁，薛紹白，柳惠圖．細(xì)胞生物學(xué)．第二版．北京：北京師范大學(xué)出版社， 1998 課后復(fù)習(xí)題 縱觀 cell biology 發(fā)展簡史，你認(rèn)為該學(xué)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(yù)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(jī)鹽、蛋白質(zhì)，以及微生物的各種代謝 產(chǎn)物。 一、高價(jià)無機(jī)離子的除去 發(fā)酵液中主要的無機(jī)離子有： Ca2+； Mg2+； Fe2+等。 濾餅過濾：過濾介質(zhì)為濾布，包括天然或合成纖維織布、金屬織布，及氈、石棉扳、玻璃纖維紙、合成纖維等無紡布。 Cell biology。 一、珠磨法 二、高壓勻 漿法 三、超聲破碎法 超聲破碎通常采用的超聲破碎機(jī)在 15—25kHz 的頻率下操作。 (4)變性劑 ： 變性劑與水中氫鍵作用，削弱溶質(zhì)分子間的疏水作用，從而使疏水性化合物溶于水溶液。 (3)溶質(zhì)質(zhì)點(diǎn) B 進(jìn)入溶劑 A 形成的空位； 此過程放出能量，放出能量的大小有以下規(guī)律： A、 B 均為非極性分子＜一非極性分子、另一極性分子 ＜均為極性分子＜ B 被 A 溶劑化 “相似相溶 ”原理 ” 分子之間可以有兩方面的相似：一是分子結(jié)構(gòu)相似，如分子的組成、官能團(tuán)、形態(tài)結(jié)構(gòu)的相似；二是能量 (相互作用力 )相似，如相互作用力有極性的和非極性的之分，兩種物質(zhì)如相互作用力相近，則能互相溶解。 根據(jù)萃取目標(biāo)物質(zhì)的介電常數(shù)，尋找極性相接近的溶劑作為萃取溶劑，也是溶劑選 擇的重要方法之一。但過多可能促使雜質(zhì)一起轉(zhuǎn)入溶劑相，必要時(shí)要考慮回收。 2．多級萃取設(shè)備 (1)脈動(dòng)篩板塔 (2)轉(zhuǎn)盤塔 第二節(jié) 超臨界流體萃取 一 . 序 言 超臨界流體萃取 :是將超臨界流體作為萃取溶劑的一種萃取技術(shù)，它兼有傳統(tǒng)的蒸餾和液液萃取的特征，是適用面更廣的一門新型分離技術(shù)。逐步增加溶劑 C02 的溶解能力，可以獲得各種質(zhì)量不同的萃取產(chǎn)物。 第三節(jié)、雙水相萃取技術(shù) 溶液的分相不一定完全依賴于有機(jī)溶劑，在一定條 件下，水相也可以形成兩相 (即雙水相系統(tǒng) )甚至多相。 物質(zhì)在兩相中的分配 和溶劑萃取法一樣，物質(zhì)在兩水相中的分配用分配系數(shù) K 表示。 幾種可能的表面活性劑聚集體的微觀構(gòu)造。 3．增溶作用 原先不溶或難溶性的生物大分子物質(zhì)向可溶性的、分子量較小的生物物質(zhì)轉(zhuǎn)變。一 Ks? m 影響鹽析的主要因素 1 ） 蛋白質(zhì)濃度與鹽析的關(guān)系：高濃度蛋白質(zhì)溶液可以減少鹽的用量，但蛋白質(zhì)濃度太高，會發(fā)生嚴(yán)重的共沉作用。 優(yōu)點(diǎn)：分辨能力比鹽析法高；一 ?種溶質(zhì)只在一個(gè)比 較窄的有機(jī)溶劑范圍內(nèi)沉淀；沉淀不需脫鹽；有機(jī)溶劑密度低，與沉淀物密度差大，容易進(jìn)行固液分離；有機(jī)溶劑容易蒸發(fā)，不會在成品中殘留，因此適用于食品、藥品的制備。 第二節(jié)、吸附法 選擇性吸附法用于：分離精制各種產(chǎn)品、空氣的凈化、除菌、脫色、除熱源、去組胺等雜質(zhì)。 四、生成鹽復(fù)合物沉淀 （檸檬酸鈣鹽沉淀） 工藝流程： 提取過程的化學(xué)反應(yīng)： 2C6H8O7?H2O+3CaCO3→ Ca3(C6H5O7)2?4H2O+3CO2↑ +H2O Ca3(C6H5O7)2?4H2O+3H2SO4+ 4H2O → 2C6H8O7?H2O+3CaSO4 ?2H2O 中和與酸解 中和：濾液中除含檸檬酸外，還含可溶性的殘?zhí)且约暗鞍踪|(zhì)、金屬離子等雜質(zhì)。 優(yōu)點(diǎn)：許多無機(jī)酸的價(jià)格低廉，并能為食品標(biāo)準(zhǔn)允許。 一、 鹽析法 鹽析原理 高濃度的中性鹽能破壞蛋白質(zhì)、酶等的膠體性質(zhì)，中和微粒上的電荷，促使蛋白質(zhì)等發(fā)生沉淀或絮凝現(xiàn)象。 二、浸取速率 浸取過程： (1)溶劑從溶劑主體傳遞到固體顆粒的表面； (2)溶劑擴(kuò)散滲入固體內(nèi)部和內(nèi)部微孔隙內(nèi)； (3)溶質(zhì)溶解進(jìn)入溶劑； (4)通過固體微孔隙通道中的溶液擴(kuò)散至固體表面并進(jìn)一步進(jìn)入溶劑主體 。 二、反膠團(tuán) 的形成 反膠團(tuán)的構(gòu)造： 在膠體化學(xué)中我們知道，如向水溶液中加入表面活性劑，并使其濃度超過一定數(shù)值時(shí)，表面活性劑就會在水相中形成膠體或微膠團(tuán)，它是表面活性劑的聚集體。 它是一條雙節(jié)線。 3） SC—CO2 的細(xì)胞破壁技術(shù) SC—CO2 的以下一些性質(zhì)有利于細(xì)胞破碎： ①在近臨界點(diǎn)， SC—CO2 的微小壓力變化導(dǎo)致其體積變化很大，其能量變化很大，所以 SC—CO2可破壞較厚的細(xì)胞壁，如常見的酵母等。 特性： 通過壓力或溫度的改變可有效地萃取和分離溶質(zhì)。 破乳方法： ； ：加電解質(zhì)個(gè)和離子型乳油液的電荷； ：加熱、稀釋、吸附等； ：加入表面活性更大，但因其碳鏈較短難以形成堅(jiān)固的保護(hù)膜的物質(zhì)，取代界面上的乳化劑； ：如在 o／ w 中加入親油性乳化刑，使乳化液有生成 w／ o 的傾向，但又不穩(wěn)定，從而達(dá)到破乳目的 。 pH 值還應(yīng)盡量選擇在使產(chǎn)物穩(wěn)定的范圍內(nèi)。 “相似 ”有兩個(gè)方面： 一是分子結(jié)構(gòu)相似，這相對容易考察；另一個(gè)是分子間作用能相似，即分子問相互作用力相似。 另外它還有生產(chǎn)能力大、周期短、便于連續(xù)操作、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制等優(yōu)點(diǎn)。 五、化學(xué)滲透法 (1)表面活性物質(zhì) ： 可促使細(xì)胞某些組分溶 解，其增溶作用有助于細(xì)胞的破碎。 機(jī)械法 ： 有珠磨法、高壓勻漿法、超聲破碎法等。 (2)在過濾介質(zhì)表面加以攪拌造成流動(dòng)，產(chǎn)生切向流。 種類：多，按其作用原理不同，可分為過濾式離心機(jī)和沉降式離心機(jī)兩大類。 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(tuán)的過程。 二、親和色譜 利用某些生物物質(zhì)之間特異的親和力進(jìn)行選擇性分離的色譜技術(shù)。 它是由 6—8 個(gè)葡萄糖環(huán)狀結(jié)合而成的低聚糖．筒狀，內(nèi)部具空洞結(jié)構(gòu)。返混的規(guī)模與粒徑大致成一定比例。嚴(yán)格地說，達(dá)到平衡態(tài)的時(shí)間要無限長。表 2—1 為平衡分離的代表性單元操作。 二、新技術(shù)的研究和開發(fā) 1．新型分離介質(zhì)的研究開發(fā) 膜、樹脂和凝膠是目前主要的新型分離 介質(zhì)。 小分子產(chǎn)品：因分子結(jié)構(gòu)簡單，性質(zhì)相對穩(wěn)定， 分離技術(shù)的可選范圍較大。 Cell theory 研究進(jìn)展和參考資料 韓貽仁．分子細(xì)胞生物學(xué)．第二版．北京：科學(xué)出版社， 2020 汪堃仁，薛紹白，柳惠圖．細(xì)胞生物學(xué)．第二版．北京：北京師范大學(xué)出版社， 1998 課后復(fù)習(xí)題 縱觀 cell biology 發(fā)展簡史，你認(rèn)為該學(xué)科近百年來快速發(fā)展的主要原因是什么？ 4 生物工業(yè)下游技術(shù) 第一章 緒 論 下游技術(shù)：對于由生物界自然產(chǎn)生的或由微生物菌體發(fā)酵的、動(dòng)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)過程獲得的生物源料，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)，通常稱為下游技術(shù)，也稱為下游工程或下游加工過程。制約了下游技術(shù)的可選范圍。 ?它包括三方面內(nèi)容，即清潔生產(chǎn)工藝 (技術(shù) )、清潔產(chǎn)品、清潔能源。 三、平衡論 1．相平衡基礎(chǔ) 多組分混合物體系達(dá)到氣液、液液、固液、氣固二相平衡的條件是各相溫度、壓力相等， 各相中各成分的逸度相等。 因?qū)α鱾鬟f的阻力比擴(kuò)散傳遞的阻力小得多，界面流體的境界膜厚 度（膜內(nèi)為擴(kuò)散傳遞）要盡量薄。擴(kuò)散系數(shù)與穿膜物質(zhì)的種類和濃度有關(guān)。 利用草酸與 Ca2+反應(yīng)，生成不溶性鈣鹽可除去雜質(zhì) Ca2+ 。 目的 ： 分離菌體和其他懸浮顆粒，除去部分可溶性雜質(zhì)和改變?yōu)V液的性質(zhì)，以利于提取和精制后繼各工序的順利進(jìn)行。 二、雜蛋白質(zhì)的除去 (1) 沉淀法：蛋白質(zhì)是兩性物質(zhì)，在酸性溶液中，能與一些陰離子（三氯乙酸鹽、水揚(yáng)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。濾餅過濾按推動(dòng)力的不同可以分為四種，即重力過濾、加壓過濾、真空過濾和離心過濾。 Cell theory 研究 進(jìn)展和參考資料 韓貽仁．分子細(xì)胞生物學(xué)．第二版．北京：科學(xué)出版社， 2020 汪堃仁，薛紹白，柳惠圖．細(xì)胞生物學(xué)．第二版．北京：北京師范大學(xué)出版社， 1998 課后復(fù)習(xí)題 縱觀 cell biology 發(fā)展簡史，你認(rèn)為該學(xué)科近百年來快速發(fā)展的主要原因是什么？ 15 第四章 微生物細(xì)胞破碎 微生物代謝產(chǎn)物大多分泌到細(xì)胞外，如大多數(shù)小分子代謝物、細(xì)茵產(chǎn)生的堿性蛋白酶、霉菌產(chǎn)生的糖化酶等，稱為胞外產(chǎn)物。其破碎機(jī)理尚未完全清楚，可能與空化現(xiàn)象引起的沖擊波和剪切作用有關(guān)。 化學(xué)滲透法有如下優(yōu)缺點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)： 16 (1)對產(chǎn)物釋放具有一定選擇性。與水 “相似 ”的物質(zhì)易溶于水，與油 “相似 ”的物質(zhì)易溶于油就是相似相溶原理的表現(xiàn)。 一個(gè)良好溶劑要滿足的要求： (1)有很大的萃取容量，即單位體積的萃取溶劑能萃取大量的產(chǎn)物； (2)有良好的選擇性，理想情況是只萃取產(chǎn)物而不萃取雜質(zhì)； (3)與被萃取的液相互溶度要小，且粘度界面張力小或適中，有利于相的分散和兩相分離； (4)溶劑的回收和再生容易； (5)化學(xué)穩(wěn)定性好，不易分解，對設(shè)備腐蝕性??； (6)經(jīng)濟(jì)性好．價(jià)廉易得； (7)安全性好，閃點(diǎn)高，對人體無毒性或毒性低。 (4)帶溶劑 能和產(chǎn)物形成復(fù)合物，使產(chǎn)物更易溶于有機(jī)溶劑相中，提高分配系數(shù)。 超臨界流體 ： 是狀態(tài)超過氣液共存時(shí)的最高壓力和最高溫度下物質(zhì)特有的點(diǎn) ——臨界點(diǎn)后的流體。 ２、拖帶劑的作用： 添加拖帶劑即輔助溶劑，可增加物質(zhì)的溶解度和萃取選擇性。于是有可能將水溶性的酶、蛋白質(zhì)等生物活性物質(zhì)從一個(gè)水相轉(zhuǎn)移到另一水相中，從而完成分離任務(wù)。 CT K= —— CB Ct、 CB——分別代表上相、下相中溶質(zhì)的濃度 K——與溫度、壓力以及溶質(zhì)和溶劑的性質(zhì)有關(guān)，與溶質(zhì)的濃度無關(guān)。 表面活性劑的類型： 陰離子型； 陽離子型； 非離子型。 4．固體原料的頂處理： 如粉碎、干燥等。 2） 離子強(qiáng)度和種類的影響：離子強(qiáng)度越大，蛋白質(zhì)的溶 解度越低。 缺點(diǎn)：容易引起蛋白質(zhì)變性失活，有機(jī)溶劑易燃、易爆，對安全要求較高。 一、 吸附過程的基礎(chǔ)理論 吸附作用：物質(zhì)從流體相 (氣體或液體 )濃縮到固體表面的過程。但離子強(qiáng)度過大，不利分離。許多蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)都在偏酸性的范圍內(nèi)。 ④生成鹽復(fù)合物沉淀法：用于多種化合物，特別是小分子物質(zhì)的沉淀。 切片：減小水溶劑從水相主體擴(kuò)散到每個(gè)細(xì)胞的距離，細(xì)胞基本上保持完好，水溶性物質(zhì)可以通過半透性細(xì)胞膜擴(kuò)散進(jìn)入水溶劑中，蛋白質(zhì)和膠體組分因透不過細(xì)胞膜而不能溶入水相。 反膠團(tuán)萃取的優(yōu)點(diǎn)： (1)有很高的萃取率和反蘋取率并具有選擇性； (2)分離、濃縮可同時(shí)進(jìn)行，過程簡便； (3)能解決蛋白質(zhì) (如胞內(nèi)酶 )在非細(xì)胞環(huán)境中迅速失活的問題； (4)由于構(gòu)成反膠團(tuán)的表面活性劑往往具有細(xì)胞破壁功效，因而可直接從完整細(xì)胞中提取具有活