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1、第三章第三章 生物制药的下游技术第一节 发酵液的预处理及固液分离概述发酵液的预处理和固液分离发酵液的预处理和固液分离生物分离过程的一般流程概述微生物或动植物细胞在合适的培养基，值，温度和通气微生物或动植物细胞在合适的培养基，值，温度和通气搅拌（或厌气）等发酵条件下进行生长和合成生物活性物质，搅拌（或厌气）等发酵条件下进行生长和合成生物活性物质，因为在其培养（发酵）液中包含了菌（细胞）体，胞内外代因为在其培养（发酵）液中包含了菌（细胞）体，胞内外代谢产物，胞内的细胞物质及剩余的培养基残分等。谢产物，胞内的细胞物质及剩余的培养基残分等。不管人们所需要的产物是胞内的还是胞外的或是菌体本身，不管人们所
2、需要的产物是胞内的还是胞外的或是菌体本身，都首先要进行培养液的预处理和菌体回收，只有将固，液分都首先要进行培养液的预处理和菌体回收，只有将固，液分离开，才能从澄清的滤液中采用物理、化学的方法提取代谢离开，才能从澄清的滤液中采用物理、化学的方法提取代谢产物，或从细胞出发进行破碎、碎片分离和提取胞内产物。产物，或从细胞出发进行破碎、碎片分离和提取胞内产物。一、发酵液的预处理和固液分离一、发酵液的预处理和固液分离 1 1、悬浮液的预处理、悬浮液的预处理 悬浮液的基本特性悬浮液的基本特性细胞的相对密度与培养液相似细胞的相对密度与培养液相似可压缩性，粘稠，流变行为复杂可压缩性，粘稠，流变行为复杂悬浮状态
3、稳定悬浮状态稳定为何要对发酵液进行预处理？为何要对发酵液进行预处理？悬浮液的预处理 由于所需的产品在培养液和菌体中浓度很低，并与由于所需的产品在培养液和菌体中浓度很低，并与许多杂质夹杂在一起，同时发酵液或生物溶液又属于许多杂质夹杂在一起，同时发酵液或生物溶液又属于非牛顿型流体，所以必须进行预处理。非牛顿型流体，所以必须进行预处理。发酵液的预处理和固液分离发酵液的预处理和固液分离2、预处理的目的、预处理的目的悬浮液的预处理预处理的目的主要有三个：预处理的目的主要有三个：改变发酵液的物理性质，促进从悬浮液中分离固形物的速改变发酵液的物理性质，促进从悬浮液中分离固形物的速度，提高固液分离器的效率；度
4、，提高固液分离器的效率；尽可能使产物转入便于后处理的一相中（多数是液相）；尽可能使产物转入便于后处理的一相中（多数是液相）；去除发酵液中的部分杂质，以利于后续各步操作。去除发酵液中的部分杂质，以利于后续各步操作。发酵液的预处理和固液分离发酵液的预处理和固液分离3、预处理的方法、预处理的方法悬浮液的预处理（1 1）凝聚和絮凝）凝聚和絮凝（2 2）加热法）加热法（3 3）调节悬浮液的）调节悬浮液的PHPH值值发酵液的预处理和固液分离发酵液的预处理和固液分离（1）凝聚与絮凝）凝聚与絮凝悬浮液的预处理凝聚与絮凝其处理过程就是将化学药剂预先投加到悬凝聚与絮凝其处理过程就是将化学药剂预先投加到悬浮液中，改
5、变细胞、菌体和蛋白质等胶体粒子的分散浮液中，改变细胞、菌体和蛋白质等胶体粒子的分散状态，破坏其稳定性，使它们聚集成可分离的絮凝体，状态，破坏其稳定性，使它们聚集成可分离的絮凝体，再进行分离。再进行分离。发酵液的预处理和固液分离发酵液的预处理和固液分离悬浮液的预处理凝聚和絮凝是两种方法，两个概念。凝聚和絮凝是两种方法，两个概念。凝聚：指在投加的化学物质（铝、铁的盐类或石灰等）作用凝聚：指在投加的化学物质（铝、铁的盐类或石灰等）作用下，下，胶体脱稳并使粒子相互聚集成胶体脱稳并使粒子相互聚集成 mm mm 大小块状凝聚体的大小块状凝聚体的过程。过程。絮凝：指使用絮凝剂（天然的和合成的大分子量聚电解质
6、）絮凝：指使用絮凝剂（天然的和合成的大分子量聚电解质）将胶体粒子交联成网，形成将胶体粒子交联成网，形成10mm10mm大小絮凝团的过程。大小絮凝团的过程。其中絮其中絮凝剂主要起架桥作用。凝剂主要起架桥作用。悬浮液的预处理凝聚：凝聚：胶体粒子胶体粒子(10-100nm)(10-100nm)中性盐促进下脱稳相互聚集成大中性盐促进下脱稳相互聚集成大粒子（粒子（1mm1mm）机理：机理：a a 中和粒子表面电荷中和粒子表面电荷 b b 消除双电层结构消除双电层结构絮凝：絮凝：大分子聚电解质将胶体粒子交联成网状，形成絮凝团大分子聚电解质将胶体粒子交联成网状，形成絮凝团的过程的过程机理：架桥作用机理：架桥
7、作用凝聚和絮凝在发酵液预处理中的应用凝聚和絮凝在发酵液预处理中的应用悬浮液的预处理凝聚和絮凝技术能有效的改变细胞菌体和蛋白质等胶凝聚和絮凝技术能有效的改变细胞菌体和蛋白质等胶体粒子的分散状态体粒子的分散状态, ,使其聚集起来使其聚集起来, ,增大体积以便固液增大体积以便固液分离分离, ,常用于菌体细小而且黏度大的发酵液的预处理中。常用于菌体细小而且黏度大的发酵液的预处理中。发酵液的预处理和固液分离发酵液的预处理和固液分离高分子絮凝剂的吸附架桥作用高分子絮凝剂的吸附架桥作用 悬浮液的预处理（2）常用的絮凝剂）常用的絮凝剂聚丙烯酰胺类和聚乙烯亚胺聚丙烯酰胺类和聚乙烯亚胺衍生物，根据活性基团在水中解
8、离情况不同，衍生物，根据活性基团在水中解离情况不同，可分为非离子型、阴离子型（含有羧基）和阳离子型（含有胺基）三类。可分为非离子型、阴离子型（含有羧基）和阳离子型（含有胺基）三类。由于聚丙烯酰胺类絮凝剂具有用量少，一般以由于聚丙烯酰胺类絮凝剂具有用量少，一般以ppmppm计量，絮凝体粗大，分计量，絮凝体粗大，分离效果好，絮凝速度快以及种类多等优点，所以适用范围广。离效果好，絮凝速度快以及种类多等优点，所以适用范围广。聚丙烯酸类阴离子絮凝剂和聚苯乙烯类衍生物。聚丙烯酸类阴离子絮凝剂和聚苯乙烯类衍生物。无机高分子聚合物也是较好的一类絮凝剂，如聚合铝盐和聚合铁盐等。无机高分子聚合物也是较好的一类絮凝
9、剂，如聚合铝盐和聚合铁盐等。天然有机高分子絮凝剂天然有机高分子絮凝剂，如壳聚糖和葡聚糖等聚糖类，还有明胶、骨胶、，如壳聚糖和葡聚糖等聚糖类，还有明胶、骨胶、海藻酸钠等。海藻酸钠等。微生物絮凝剂微生物絮凝剂是近年来研究和开发的新型絮凝剂，它是一类由微生物产生是近年来研究和开发的新型絮凝剂，它是一类由微生物产生的具有絮凝细胞功能的物质。主要成分是糖蛋白、粘多糖、纤维素及核酸的具有絮凝细胞功能的物质。主要成分是糖蛋白、粘多糖、纤维素及核酸等高分子物质。微生物絮凝剂和天然絮凝剂与化学合成的絮凝剂相比，最等高分子物质。微生物絮凝剂和天然絮凝剂与化学合成的絮凝剂相比，最大的优点是安全，无毒和不污染环境。大
10、的优点是安全，无毒和不污染环境。絮凝剂应用优化絮凝剂应用优化悬浮液的预处理 用量控制用量控制 最佳用量为粒子表面积约有一半被最佳用量为粒子表面积约有一半被 聚合物聚合物覆盖时所用的絮凝剂量。覆盖时所用的絮凝剂量。pH pH 控制。控制。固体浓度与粒子尺寸分布。固体浓度与粒子尺寸分布。电解质含量。电解质含量。后续工艺要求。后续工艺要求。（2 2）杂蛋白质的其它去除方法）杂蛋白质的其它去除方法悬浮液的预处理蛋白质一般以胶体状态存在于发酵液中，胶体粒子的蛋白质一般以胶体状态存在于发酵液中，胶体粒子的稳定性和其所带电荷有关。和氨基酸等两性物质一样，稳定性和其所带电荷有关。和氨基酸等两性物质一样，蛋白质
11、在酸性溶液中带正电荷，在碱性溶液中带负电蛋白质在酸性溶液中带正电荷，在碱性溶液中带负电荷，而在某一荷，而在某一pHpH下，净电荷为零，溶解度最小，可使下，净电荷为零，溶解度最小，可使其产生沉淀而除去，其产生沉淀而除去，称为等电点沉淀法称为等电点沉淀法。蛋白质的变性蛋白质的变性悬浮液的预处理蛋白质从有规则的排列变成不规则结构的过程称为蛋白质从有规则的排列变成不规则结构的过程称为变性变性。变性蛋白质溶解度较小。变性蛋白质溶解度较小。最常用的使蛋白质变性的方法是最常用的使蛋白质变性的方法是加热加热。加热还能使液体粘。加热还能使液体粘度降低，加快过滤速度。度降低，加快过滤速度。链霉素生产中，采用链霉素
12、生产中，采用调调pHpH至酸性（），加热至至酸性（），加热至7070，维持，维持半个小时的方法来去除蛋白质，能使过滤速度增大半个小时的方法来去除蛋白质，能使过滤速度增大10-10010-100倍，滤液粘度可降低倍，滤液粘度可降低1/61/6。柠檬酸发酵液，采用加热至柠檬酸发酵液，采用加热至8080以上，使蛋白质变性凝固以上，使蛋白质变性凝固和降低发酵液粘度，从而大大提高了过滤速度。和降低发酵液粘度，从而大大提高了过滤速度。吸附作用吸附作用 利用吸附作用也可除去蛋白质。利用吸附作用也可除去蛋白质。四环类抗生素生产中，采用黄血盐和硫酸锌的协同作用生四环类抗生素生产中，采用黄血盐和硫酸锌的协同作用生
13、成亚铁氰化锌钾成亚铁氰化锌钾K K2 2ZnZn3 3Fe(CN)Fe(CN)5 5 2 2的胶状沉淀来吸附蛋白质，的胶状沉淀来吸附蛋白质，利用此法除蛋白质已取得很好的效果。利用此法除蛋白质已取得很好的效果。在枯草杆菌发酵液中，常加入氯化钙和磷酸氢二钠，这两在枯草杆菌发酵液中，常加入氯化钙和磷酸氢二钠，这两者本身生成庞大的凝胶，把蛋白质、菌体及其它不溶性粒者本身生成庞大的凝胶，把蛋白质、菌体及其它不溶性粒子吸附并包裹在其中而除去，从而加快了过滤速度。子吸附并包裹在其中而除去，从而加快了过滤速度。高价无机离子的去除方法高价无机离子的去除方法为了去除钙离子，宜加入草酸。但草酸溶解度较小，故用量大时
14、，可为了去除钙离子，宜加入草酸。但草酸溶解度较小，故用量大时，可用其可溶性盐，如草酸钠。反应生成的草酸钙还能促使蛋白质凝固，用其可溶性盐，如草酸钠。反应生成的草酸钙还能促使蛋白质凝固，提高滤液（也称为原液）质量。但草酸价格较贵，应注意回收。如四提高滤液（也称为原液）质量。但草酸价格较贵，应注意回收。如四环类抗生素废液中，加入硫酸铅，在环类抗生素废液中，加入硫酸铅，在6060下反应生成草酸铅。后者在下反应生成草酸铅。后者在9090一一9595下用硫酸分解，经过滤、冷却、结晶后可以回收草酸。下用硫酸分解，经过滤、冷却、结晶后可以回收草酸。草酸镁的溶解度较大，故加入草酸不能除尽镁离子。要除去镁离子，
15、草酸镁的溶解度较大，故加入草酸不能除尽镁离子。要除去镁离子，可以加入三聚磷酸钠可以加入三聚磷酸钠Na5P3O10Na5P3O10，它和镁离子形成可溶性络合物：，它和镁离子形成可溶性络合物： Na5P3010 Na5P3010 Mg Mg2+2+ MgNa3P3O10 MgNa3P3O10 2Na 2Na+ + 用磷酸盐处理，也能大大降低钙离子和镁离子的浓度。用磷酸盐处理，也能大大降低钙离子和镁离子的浓度。要除去铁离子，可加入黄血盐，使形成普鲁士蓝沉淀要除去铁离子，可加入黄血盐，使形成普鲁士蓝沉淀: : 4Fe 4Fe3+3+ + 3K4Fe(CN)6 Fe4Fe(CN)63+ 12K + 3K
16、4Fe(CN)6 Fe4Fe(CN)63+ 12K+ +4 4、发酵液的固液分离、发酵液的固液分离发酵液的固液分离固液分离的目的包括两方面：固液分离的目的包括两方面：收集胞内产物的细胞或菌体，分离除去液相，或者是收集胞内产物的细胞或菌体，分离除去液相，或者是收集含生化物质的液相，分离除去固体悬浮物，如细收集含生化物质的液相，分离除去固体悬浮物，如细胞、菌体、细胞碎片、蛋白质的沉淀物和它们的絮凝胞、菌体、细胞碎片、蛋白质的沉淀物和它们的絮凝体等。体等。常用的方法为过滤和离心分离等化工单元操作。常用的方法为过滤和离心分离等化工单元操作。5、常见的固液分离方法、常见的固液分离方法发酵液的固液分离离心
17、沉降离心沉降微孔膜过滤微孔膜过滤 双水相萃取双水相萃取泡沫分离法泡沫分离法避开固液分离的探索扩张床吸附避开固液分离的探索扩张床吸附影响过滤的因素影响过滤的因素发酵液的固液分离菌种：真菌，放线菌，细菌菌种：真菌，放线菌，细菌培养基：黄豆，花生，淀粉，后期加油，培养基未用培养基：黄豆，花生，淀粉，后期加油，培养基未用完完发酵时间：菌丝自溶前放罐发酵时间：菌丝自溶前放罐黏度（发酵液）黏度（发酵液）6 6、过滤、过滤过滤操作是借助于过滤介质，在一定的压力差过滤操作是借助于过滤介质，在一定的压力差PP作用下，作用下，将悬浮液中的固体粒子截留，而与液体分离的技术。将悬浮液中的固体粒子截留，而与液体分离的技
18、术。衡量过滤特性的主要指标是滤饼的衡量过滤特性的主要指标是滤饼的重量比阻重量比阻rBrB，它，它表示单位表示单位滤饼厚度的阻力系数滤饼厚度的阻力系数，与滤饼的结构特性有关。，与滤饼的结构特性有关。对于不可压缩性滤饼，比阻值为常数，但对于可压缩性滤饼，对于不可压缩性滤饼，比阻值为常数，但对于可压缩性滤饼，比阻比阻rBrB，是操作压力差的函数，一般可用下式表示。，是操作压力差的函数，一般可用下式表示。改善过滤方法改善过滤方法助滤剂助滤剂：质地坚硬不可压缩性固体：质地坚硬不可压缩性固体机理：机理：表面吸附胶体及不可压缩型格子结构表面吸附胶体及不可压缩型格子结构使用方法：使用方法：a a 预先制成滤饼
19、预先制成滤饼b b 助滤剂混入悬浮液中一起过滤助滤剂混入悬浮液中一起过滤常用助滤剂常用助滤剂：硅藻土，珍珠岩，活性炭：硅藻土，珍珠岩，活性炭应用优化因素应用优化因素 a a 单位质量助滤剂的滤液最大产量单位质量助滤剂的滤液最大产量 b b 使用周期使用周期 c c 流速流速 7、固液分离设备、固液分离设备发酵液的固液分离 板框板框鼓式真空鼓式真空过滤过滤机机错错流流过滤过滤离心机离心机平抛式平抛式管式管式多室多室蝶式蝶式螺旋式螺旋式板框压滤机板框压滤机板框压滤机的过滤推动力来自泵产生的液压或进料贮槽中的气压。板框压滤机的过滤推动力来自泵产生的液压或进料贮槽中的气压。它最重要的特征是通过过滤介质
20、时产生的压力降可以超过它最重要的特征是通过过滤介质时产生的压力降可以超过0.1MPa,这是真空过这是真空过滤器无法达到的。滤器无法达到的。板框压滤机已有很长历史。板框压滤机已有很长历史。错流过滤错流过滤发酵液的固液分离微滤过程示意图微滤过程示意图, ,料液快速经过薄膜料液快速经过薄膜, ,以减少形成滤饼以减少形成滤饼平抛式平抛式a介质阻力大介质阻力大b 不能得到干滤饼不能得到干滤饼 c 需要大的膜面积需要大的膜面积 d 收率高收率高 （97-98%）e 质量好质量好f 减少处理步聚减少处理步聚g 染菌罐也能进行处理染菌罐也能进行处理管式管式分为分为:液液分离的连续式管式离心机液液分离的连续式管
21、式离心机液固分离的间歇式管式离心机。液固分离的间歇式管式离心机。结构简单结构简单转速很高转速很高有利于蛋白质的分离有利于蛋白质的分离间歇操作间歇操作 多室多室多室式离心机的转鼓内有若干同心圆筒组成多室式离心机的转鼓内有若干同心圆筒组成若干同心环状分离室若干同心环状分离室加长了被分离液体的流程，使液层减薄，增加长了被分离液体的流程，使液层减薄，增加了沉降面积，减少了沉降距离。加了沉降面积，减少了沉降距离。同时还有粒度筛分的作用，悬浮液中的粗颗同时还有粒度筛分的作用，悬浮液中的粗颗粒沉降到靠近内部的分离室壁上，细颗粒则粒沉降到靠近内部的分离室壁上，细颗粒则沉降到靠近外部的室壁上，澄清的分离液经沉降
22、到靠近外部的室壁上，澄清的分离液经溢流或由向心泵排出。溢流或由向心泵排出。常用于抗菌素液液萃取分离，果汁和酒类常用于抗菌素液液萃取分离，果汁和酒类饮料的澄清等。饮料的澄清等。螺旋卸料沉降离心机螺旋卸料沉降离心机有立式和卧式两种有立式和卧式两种卧螺机是一种全速旋转，连续进卧螺机是一种全速旋转，连续进料，分离和卸料的离心机。料，分离和卸料的离心机。最大离心力强度可达最大离心力强度可达6000操作温度可达操作温度可达300操作压力一般为常压操作压力一般为常压常用于胰岛素，细胞色素，胰酶常用于胰岛素，细胞色素，胰酶的分离等。的分离等。螺旋式螺旋式发酵液的固液分离螺旋卸料沉降离心机螺旋卸料沉降离心机有立
23、式和卧式两种有立式和卧式两种卧螺机是一种全速旋转，连续进料，分离和卸料的离卧螺机是一种全速旋转，连续进料，分离和卸料的离心机。心机。最大离心力强度可达最大离心力强度可达60006000操作温度可达操作温度可达300300操作压力一般为常压操作压力一般为常压常用于胰岛素，细胞色素，胰酶的分离等。常用于胰岛素，细胞色素，胰酶的分离等。碟式碟式是一种应用最为广泛的离心机是一种应用最为广泛的离心机有一个密封的转鼓，内装十至上百个锥顶角有一个密封的转鼓，内装十至上百个锥顶角为为60100锥形碟片。锥形碟片。固体的沉降距离极短，分离效果较好。固体的沉降距离极短，分离效果较好。碟片间的距离一般为碟片间的距离
24、一般为0.52.5mm,与被分离与被分离物料的性质有关。物料的性质有关。碟片式离心机碟片式离心机发酵液的固液分离是一种应用最为广泛的离心机是一种应用最为广泛的离心机有一个密封的转鼓，内装十至上百个锥顶角为有一个密封的转鼓，内装十至上百个锥顶角为6010060100锥形碟片。锥形碟片。固体的沉降距离极短，分离效果较好。固体的沉降距离极短，分离效果较好。碟片间的距离一般为碟片间的距离一般为0.52.5mm,0.52.5mm,与被分离物料的性质与被分离物料的性质有关。有关。包含体产物分离工艺包含体产物分离工艺（牛生长激素分离提取）（牛生长激素分离提取）发酵液的固液分离全发酵液提取全发酵液提取二、全发
25、酵液提取1.1.用用膜技术膜技术进行全发酵液提取进行全发酵液提取2.2.用用双水相双水相萃取进行全发酵液提取萃取进行全发酵液提取3.3.用用扩张床扩张床吸附进行全发酵液提取吸附进行全发酵液提取全发酵液提取 一种新型的生物分离技术概念被提出：一种新型的生物分离技术概念被提出：集成化分离技集成化分离技术术，即对已有的两种或两种以上的单元操作进行有效的组，即对已有的两种或两种以上的单元操作进行有效的组合，组成一种有效的单元操作，以达到提高产品收率、缩合，组成一种有效的单元操作，以达到提高产品收率、缩短纯化步骤、降低纯化费用和投资成本的目的。短纯化步骤、降低纯化费用和投资成本的目的。 基于以上两点，基
26、于以上两点，2020世纪世纪9090年代人们发展了一种集成年代人们发展了一种集成化分离技术化分离技术扩张床吸附技术。扩张床吸附技术。扩张床吸附技术扩张床吸附技术全发酵液提取 扩张床（扩张床（Expanded bedExpanded bed）亦称膨胀床是发展中的吸附分离技术。）亦称膨胀床是发展中的吸附分离技术。 九十年代初，英国剑桥大学的等通过对吸附剂本身物理性质的九十年代初，英国剑桥大学的等通过对吸附剂本身物理性质的改进及对层析柱和流体分布器的精心设计，得到了稳定、返混改进及对层析柱和流体分布器的精心设计，得到了稳定、返混小的扩张床。小的扩张床。 扩张床吸附集澄清、浓缩和初步纯化于一体的分离纯化技术。扩张床吸附集澄清、浓缩和初步纯化于一体的分离纯化技术。可以减少离心或过滤等单元操作步骤，节约操作周期。提高目可以减少离心或过滤等单元操作步骤，节约操作周期。提高目标产物的收率，降低了分离纯化的成本，被称为近几十年来出标产物的收率，降低了分离纯化的成本，被称为近几十年来出现的第一个新的单元操作。随着商业化吸附剂和装置的出现，现的第一个新的单元操作。随着商业化吸附剂和装置的出现，愈来愈多地引起人们的兴趣和关注。愈来愈多地引起人们的兴趣和关注。
