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第七章 发酵产物的分离和精制 第一节 概述 第二节 发酵液的预处理和固液分离 第三节 菌体的破碎 第四节 纯化 第五节 成品加工 第一节 概述 发酵产物的分离和精制可称为发酵液后处理、下游加工过程 (downstream processing):对于由微生物菌体发酵的、动植物细胞组织培养的、酶反应等各种生物工业生产过程获得的生物原料,经提取分离、加工并精制目的成分,最终使其成为产品的技术。 1. 发酵液的特点 含水多,产物含量低; 含菌体蛋白; 溶有原来培养基成分; 相当多的副产物和色素; 易被杂菌污染或使产物进一步分解; 易起泡,粘性物质多。 2. 下游加工过程的四个原则 时间短; 温度低; pH适中(选择在生物物质的温度范围内); 严格清洗消毒(包括厂房、设备及管路,注意死角),这和传统产品抗生素的生产是一致的。 3.下游加工过程的一般流程 下游加工过程的四个方面: 培养液(发酵液)的预处理和固液分离; 初步纯化(提取); 高度纯化(精制); 成品加工。 4.单元操作 过滤、离心——固液分离; 蒸发、蒸馏、结晶——进一步纯化; 萃取——浓缩或提取液相中的成分; 离子交换、层析、膜技术、超滤; 干燥 第二节 发酵液的预处理和固液分离 目的 不仅在于分离细胞、菌体和其它悬浮颗粒(细胞碎片、核酸和蛋白质的沉淀物), 还希望除去部分可溶性杂质和改变滤液的性质,以利于后继各步操作。 一、发酵液预处理 (一)菌丝体及蛋白质的处理 等电点沉淀 热处理变性 化学变性 加各种沉淀剂沉淀 加入凝聚剂 加入絮凝剂 吸附 (二)多糖 如用淀粉酶酶解不溶性多糖,降低发酵液粘度,提高滤速。 (三)高价金属离子的去除 离子交换法 沉淀法 Ca2+ ——草酸、草酸钠,→形成草酸钙沉淀(注意回收草酸) ; Mg2+ ——三聚磷酸钠,→形成三聚磷酸钠镁可溶性络合物; Fe2+ ——黄血盐,→普鲁士兰沉淀 二、发酵液的固液分离 重力沉降 浮选 通气,产生气泡,使固体附着在气泡表面除去。 用于固液比重差小、直径5~30μm颗粒的分离,污水处理 旋液分离 旋风分离器 介质过滤 离心 板框过滤机 广泛应用于培养基制备的过滤及霉菌、放线菌、酵母菌和细菌等多种发酵液的固液分离。适合于固体含量1-10%的悬浮液的分离。 优点:结构简单,装配紧凑,过滤面积大;能耐受较高的压力差,能适应不同过滤特性的发酵液的过滤;辅助设备少、维修方便、价格低、动耗少等。 缺点:设备笨重、间歇操作、劳动强度大、卫生条件差、辅助时间多、生产效率低。 第三节 菌体的破碎 1、高压匀浆机 有一个或数个往复运动的柱塞,物料在柱塞作用下进入可调节压力大小的阀组中,经过特定宽度的限流缝隙(工作区)后,瞬间失压的物料以极高的流速(1000-1500米/秒)喷出,碰撞在碰撞阀组件之一的冲击环上,产生三种效应:空穴效应、撞击效应、剪切效应。经过这三种效应处理过后,物料粒径可均匀细化到100nm以下,破碎率大于95%。 主要应用:*大肠杆菌细胞破碎*酵母等真菌破碎*曲霉等厚壁菌破碎*藻类等单细胞破碎 2、超声破碎法(Ultrasonication) 在15-25 kHz的频率下操作。其原理可能与空化现象(cavitation phenomena)引起的冲击波和剪切作用有关。 空穴泡由于受到超声波的迅速冲击而闭合,从而产生一个极为强烈的冲击波压力,由它引起的粘滞性旋涡在介质中的悬浮细胞上造成了剪切应力,促使细胞液体发生流动,从而使细胞破碎。 一般杆菌比球菌易破碎,G-细菌比G+细菌易破碎,对酵母菌的效果较差, 在实验室小规模细胞破碎中常用。 3、酶解法 (1)外加酶法 常用的溶酶有溶菌酶、β-1,3-葡聚糖酶、β-1,6-葡聚糖酶、蛋白酶、甘露糖酶、糖苷酶、肽键内切酶、壳多糖酶等,而细胞壁溶解酶是几种酶的复合物。 溶菌酶主要用于细菌类,利用溶酶系统处理细胞时必须根据细胞壁的结构和化学组成选择适当的酶,并确定相应的次序。如对酵母细胞采用酶法破碎时,先加入蛋白酶作用蛋白质-甘露聚糖结构,使二者溶解,再加入葡聚糖酶作用裸露的葡聚糖层,最后只剩下原生质体,这时若缓冲液的渗透压变化,则细胞膜破裂,释出胞内产物。 优点:选择性释放产物,条件温和,核酸泄出量少,细胞外形完整。 缺点:溶酶价格高,溶酶法通用性差(不同菌种需选择不同的酶),产物抑制的存在,在溶酶系统中,甘露糖对蛋白酶有抑制作用,葡聚糖抑制葡聚糖酶。 (2)自溶法(Autolysis) 诱发微生物产生过剩的溶胞酶或激发自身溶胞酶的活力,以达到细胞自溶的目的。影响自溶过程的主要因素有温度、时间、pH值、激活剂和细胞代谢途径等。缺点是:对不稳定的微生物,易引起所需蛋白质的变性,自溶后细胞悬浮液粘度增大,过滤速度下降。 第四节 纯化 一、发酵
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