Fermentation engineering
下游工程
DOWNSTREAM PROCESSES - product extraction, purification & assay - waste treatment -by product recovery
FERMENTATION Process Control
(4)
(5)
一,建立分离纯化工艺的根据
1,含目的产物的起始物料的特点 , 2,物料中杂质的种类和性质 , 3,目的产物特性 , 4,产品质量的要求 ,
(1)菌种类型及其代谢特性:包括菌种的生物学性质,产物和副 )菌种类型及其代谢特性:包括菌种的生物学性质, 产物种类,产物在细胞内所处的位置,表达方式(胞内,胞外, 产物种类,产物在细胞内所处的位置,表达方式(胞内,胞外, 包含体) 代谢物种类,产物类似物, 包含体),代谢物种类,产物类似物,毒素和能降解产物的酶类 等; (2)原材料和培养基的来源及其质量; )原材料和培养基的来源及其质量; (3)生产工艺和条件:包括灭菌方式和条件,生产方式(连续, )生产工艺和条件:包括灭菌方式和条件,生产方式(连续, 批式,半连续) 生产周期,生产能力, 批式,半连续),生产周期,生产能力,工艺控制条件因素几方 式等; 式等; (4)初始物料的物理,化学和生物学特性:包括产物浓度,主要 )初始物料的物理,化学和生物学特性:包括产物浓度, 杂质种类和浓度, 盐的种类和浓度, 溶解度, , 黏度, 杂质种类和浓度 , 盐的种类和浓度 , 溶解度 , pH,黏度 , 流体 力学性质和热力学性质. 力学性质和热力学性质.
Fermentation engineering
上游工程
UPSTREAM PROCESSES - genetics, cell … - inoculum development - media formulation - sterilization - inoculation
FERMENTATION Process Control
会召开了专门讨论下游加工过程的国际会议;我国也于1989 1989年 会召开了专门讨论下游加工过程的国际会议;我国也于1989年 在济南召开了一次专门会议; 在济南召开了一次专门会议;近十年来国内外有关生物分离或蛋白 下游加工过程的重要性.(组成, 下游加工过程的重要性 质纯化的专著陆续出版. .(组成 费用和关注程度) 质纯化的专著陆续出版. .(组成,费用和关注程度)
第六节 发酵产物分离过程
Fermentation engineering
发 酵 工 程 组 成
上游工程 UPSTREAM PROCESSES 从广义上讲,由三部分组成: 上游工程,发酵工程, 上游工程,发酵工程,下游工程
下游工程
FERMENTATION Process Control
DOWNSTREAM PROCESSES
预处理的方法
采用絮凝或凝聚的方法, 采用絮凝或凝聚的方法,设法增大悬浮液中 絮凝或凝聚的方法 固体粒子的大小,提高其沉降速度; 固体粒子的大小,提高其沉降速度; 采用稀释,加热等方法降低粘度, 采用稀释,加热等方法降低粘度,以利于过 滤;
凝聚和絮凝技术
凝聚和絮凝技术能有效地改变细胞, 凝聚和絮凝技术能有效地改变细胞, 菌体 和蛋白质等胶体粒子的分散状态, 和蛋白质等胶体粒子的分散状态 ,使它们 聚集起来,增大体积,以便于过滤, 聚集起来 , 增大体积, 以便于过滤, 常用 于菌体细小而且粘度大的发酵液的预处理 中.
生物产品分离纯化的主要特点
(1) 目的产物在初始原料中的含量较低 目的产物在初始原料中的含量较低; 在初始原料中的含量较低
(2)含目的产物的初始物料组成复杂 除了目的产物外, 还 含目的产物的初始物料组成复杂 除了目的产物外, 含目的产物的初始物料组成复杂,除了目的产物外 有大量的细胞, 代谢, 残留培养基, 无机等, 有大量的细胞 , 代谢 , 残留培养基 , 无机等 , 特别 是产物类似物对目的产物的分离纯化影响很大; 是产物类似物对目的产物的分离纯化影响很大;
物料中杂质的含量,性质,结构, 物料中杂质的含量,性质,结构,相对 分子质量,电荷性质及数量, 分子质量,电荷性质及数量,生物学特 性,稳定性,溶解度,分配系数,挥发 稳定性,溶解度,分配系数, 性,吸附性能等. 吸附性能等.
产物的化学,物理和生物学特性, 产物的化学,物理和生物学特性,包括 化学组成,相对分子质量,等电点, 化学组成,相对分子质量,等电点,电 荷分布及密度,溶解度,稳定性, 荷分布及密度,溶解度,稳定性,疏水 扩散性,扩散系数,分配系数, 性,扩散性,扩散系数,分配系数,吸 附性能,生物学活性,亲和性, 附性能,生物学活性,亲和性,配基种 表面活性等. 类,表面离纯化过程可分为4个阶段: 一般分离纯化过程可分为4个阶段:
1) 2) 3) 4) 培养液(发酵液)的预处理和固液分离; 培养液(发酵液)的预处理和固液分离; 初步纯化(提取); 初步纯化(提取); 高度纯化(精制); 高度纯化(精制); 成品加工. 成品加工.
预处理和固液分离 :目的是分离发酵液中
产品质量标准和用途对产品纯度, 产品质量标准和用途对产品纯度,生物 活性,比活的要求. 活性,比活的要求.包括允许的杂质种 类和最大允许含量, 类和最大允许含量,特殊杂质的种类和 最大允许量,以及杂质对使用的影响, 最大允许量,以及杂质对使用的影响, 产品剂型,贮存稳定性等. 产品剂型,贮存稳定性等.
的菌体细胞和不溶性固体杂质. 的菌体细胞和不溶性固体杂质.
初步分离 :目的是除去与产物性质差异较
大的杂质,为精制工序创造有利条件. 大的杂质,为精制工序创造有利条件.
高度纯化 :去除与产物的物理化学性质比
较接近的杂质. 较接近的杂质.
成品制作 :成品形式由产品的最终用途决
定.
下 游 加 工 过 程 的 一 般 流 程
下游加工过程在生物技术中的地位
组成:下游加工过程是生物技术的重要组成部分, ①组成:下游加工过程是生物技术的重要组成部分,发酵液或反应 下游技术(工程) ):对于由 下游技术(工程) (downstream ): 液需要经过下游加工过程才能成为成品; 液需要经过下游加工过程才能成为成品; processing):对于由
(3) 目的产物的稳定性差,具有生物活性的物质对 pH, 目的产物的稳定性差, 稳定性差 , 温度,金属离子, 有机溶剂,剪切力, 温度 , 金属离子 , 有机溶剂 , 剪切力 , 表面张力 等十分敏感,容易是其失活,变性; 等十分敏感,容易是其失活,变性; 种类繁多,包括大, 小分子, 种类繁多 , 包括大 , 中 , 小分子 , 结构简单或复 杂的有机化合物,以及结构复杂又性质各异的生物 杂的有机化合物, 活性物质; 活性物质; 应用面广,对其质量,纯度要求高, 应用面广 , 对其质量 , 纯度要求高 , 甚至要求无 菌,无热源. 无热源.
凝聚是在中性盐作用下, 凝聚是在中性盐作用下,而使胶体体系不稳 定的现象. 定的现象. 常 用 的 凝 聚 剂 电 解 质 有 : Al2(SO4)318H2O( 明 矾 ) ; AlC136H2O ; FeC13;ZnSO4;MgCO3等.
絮凝是指在某些高分子絮凝剂存在下, 絮凝是指在某些高分子絮凝剂存在下 , 使胶 粒形成粗大的絮凝团的过程, 粒形成粗大的絮凝团的过程 , 是一种以物理 的集合为主的过程. 的集合为主的过程.
生物界自然产生的或由微生物菌体发酵的, 生物界自然产生的或由微生物菌体发酵的,动植物细胞组 费用:传统发酵工业中下游部分的费用占整个工厂投资费用的6 ②费用:传统发酵工业中下游部分的费用占整个工厂投资费用的6 而对重组DNA生产蛋白质等基因工程产品, 0%,而对重组DNA生产蛋白质等基因工程产品 织培养的, DNA生产蛋白质等基因工程产品,下游加工的费 织培养的,酶反应等各种生物工业生产过程获得的生物原 用可占整个生产费用的80 80% 90% 用可占整个生产费用的80%-90%; 经提取分离,加工并精制目的成分, 料,经提取分离,加工并精制目的成分,最终使其成为产 关注程度:英国政府工业部于1983年发起生物分离计划( 1983年发起生物分离计划 ③关注程度:英国政府工业部于1983年发起生物分离计划(B 品的技术. ,专门研究下游加工过程;1987年英国化学工业 品的技术. 专门研究下游加工过程;1987年英国化学工业 IOSEP) IOSEP)
凝聚和絮凝机理 凝聚和絮凝机理
凝聚: 凝聚 : 电解质将胶体粒子表面上的电荷中 减少存在于胶体粒子间的静电斥力, 和 , 减少存在于胶体粒子间的静电斥力 , 范德华吸引力占优势, 范德华吸引力占优势 , 这样胶体就会凝 聚成较大, 聚成较大,较密实的粒子 絮凝: 在某些高分子絮凝剂存在下, 絮凝 : 在某些高分子絮凝剂存在下 , 使胶 粒形成粗大的絮凝团使之更容易过滤. 粒形成粗大的絮凝团使之更容易过滤.
真菌的菌丝比较粗大, 发酵液容易过滤, 真菌的菌丝比较粗大 , 发酵液容易过滤 , 常 不需特殊处理. 其滤渣呈紧密饼状物, 不需特殊处理 . 其滤渣呈紧密饼状物 , 很容 易从滤布上刮下来, 易从滤布上刮下来 , 故可采用鼓式真空过滤 机过滤. 机过滤. 放线菌发酵液菌丝细而分枝, 交织成网络状. 放线菌发酵液菌丝细而分枝 , 交织成网络状 . 还含有很多多糖类物质, 粘性强, 还含有很多多糖类物质 , 粘性强 , 过滤较困 难 , 一般需经预处理 , 以凝固蛋白质等胶体 . 一般需经预处理, 以凝固蛋白质等胶体. 细菌发酵液的菌体更细小, 因此, 细菌发酵液的菌体更细小 , 因此 , 过滤十分 困难, 如不用絮凝等方法预处理发酵液, 困难 , 如不用絮凝等方法预处理发酵液 , 往 往难以采用常规过滤的设备来完成过滤操作. 往难以采用常规过滤的设备来完成过滤操作 .
目 的——除去部分可溶性杂质和改变滤 ——除去部分可溶性杂质和改变滤 液性质,以利于提取和精制的顺利进行. 液性质,以利于提取和精制的顺利进行.