完整版生物分离原理及技术总复习

生物分离技术生物分离技术 总复习总复习 一、生物分离工程（Bioseparation)： 对于由生物界自然产生的或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，又称为下游加工过程（Downstream ProcessingDownstream Processing）） 。。 1.微生物发酵液的特性 u u u u u u 发酵产物浓度较低，处理体积量大； 各类细胞的颗粒小，相对密度与液相相差不大； 细胞含等固型物含水量大，可压缩性大； 液相粘度大，大多为非牛顿型流体； 产品生物活性不稳定； 动植物细胞不耐剪切。 2.预处理的目的 u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； u去除发酵液中的部分杂质，以利于后续各步操作。 u尽可能使产物转入便于后处理的一相中理的一相中。 3.发酵液预处理的方法 发酵液过滤特性的改变 ① 降低液体粘度 ② 调节悬浮液的 pH 值 ③③ 凝聚和絮凝凝聚和絮凝 凝聚作用：在某些电解质作用下，使扩散双电层的排斥电位降低， 使破坏胶体系统的分散状态，而使胶体粒子聚集的 过程。 絮凝作用：在某些高分子絮凝剂存在下，在悬浮粒子之间产生桥梁作用而使脚力形成粗大的絮凝团的过程。 ④ 使用助滤剂 ⑤ 加入反应剂 初步纯化 ⑥ 高价无机离子的去除 ⑦ 杂蛋白的去除 二、二、固液分离工程及设备固液分离工程及设备 1、过滤 2、离心与沉降离心与沉降 3、双水相萃取 4、扩张床吸附 1.离心分离 ❖离心过滤：转鼓周壁开孔，为过滤式转鼓，适合于固相含量较多，颗粒较粗 的悬浮液分离 ❖离心沉降： 转鼓周壁无孔， 为沉降式转鼓， 适合于固相含量较少， 颗粒较细 的悬浮液 ❖离心分离：转鼓周壁无孔，转数最高，适合于乳浊液的分离。 2.碟片式离心机 2n2 3Q [(R 0 R 1 3)ctg]g 3g 3.管式离心机 (R 0 2R 1 2)l g 2 Q gln(R 0 /R 1 ) 见计算题 三、三、细胞破碎细胞破碎 细胞破碎（cell rupture）技术是指利用外力破坏细胞膜和细胞壁，使细胞内容物包括目的产 物成分释放出来的技术。 （见计算题，渗透压， p39） 细胞破碎方法分类 破碎方式破碎方式 机械法机械法非机械法非机械法 固体剪切固体剪切 作用作用 压榨压榨 液体剪切液体剪切 作用作用 高高 压压 匀匀 浆浆 超超 声声 破破 碎碎 干燥干燥 处理处理 酶溶法酶溶法 溶胞溶胞 作用作用 化学法化学法物理法物理法 珠磨法珠磨法 四、四、萃萃取取 利用在两个互不相溶互不相溶的液相中各种组分 （包括目的产物） 溶解度溶解度的不同，从而达到分离的目 的。 1.单级萃取过程的解析计算方法 u假定传质处于平衡状态 有 y－萃取相中溶质的浓度 x－萃余相中溶质的浓度 由质量守恒定律： 00 由以上两式可得 x x 0 1 E kL 其中萃取因子其中萃取因子： 若 P 为萃取回收率 E  H y  kx Hx  Ly  Hx  Ly y  kx0 1 E P  2.多级萃取 LyE  Hx01 E u是工业生产最常用的萃取流程 – 分离效率高 – 产品回收率高 – 溶剂用量少 En1E P n1E  1 见计算，多次萃取 3.新型萃取技术 u超临界萃取 利用流体在临界点附近某一区域内， 与待分离混合物中的溶质具有异常相平衡行为和传递性能， 且对溶质溶解能力随 压力和温度改变而在相当宽的范围内变动这一特性而达到溶质分离的一项技术。 密度和萃取能力接近液体， 粘度扩散 系数接近气体。 u双水相萃取 当两种聚合物或一种聚合物与一种盐溶于同一溶剂时， 由于聚合物之间或聚合物与盐之间的不相溶性， 当聚合物或无 机盐浓度达到一定值时，就会分成不互溶的两相。 u反胶团萃取 五、五、吸附与离子交换吸附与离子交换 1.吸附 是利用吸附剂对液体或气体中某一组分具有选择性吸附的能力，使其富集在吸附剂 表面的过程。 吸附过程通常包括：待分离料液与吸附剂混合、吸附质被吸附到吸附剂表面、料液流出、吸 附质解吸回收等四个过程 2. 2.常见的吸附类型及其主要特点常见的吸附类型及其主要特点 物理吸附物理吸附化学吸附化学吸附 吸附作用 力 选择性 分子间引力化学键合力 较差较高 所需活化 能 吸附层 低高 单层或多层单层 达到平衡 所需时间 快慢 3.工业用吸附剂 硅胶 活性氧化铝 活性炭 大孔吸附树脂 分子筛 4.离子交换(ion exchange) u概念：利用离子交换树脂作为吸附剂，将溶液中的待分离组分，依据其电荷差异， 依靠库仑力吸附在树脂上，然后利用合适的洗脱剂将吸附质从树脂上洗脱下来，达 到分离、浓缩和提纯的目的。 5.离子交换树脂的结构单元 u具有三维空间立体结构的网络骨架 u联接在骨架上的活性基团（功能基团） u活性基团所带的相反电荷的活性离子 （可交换离子） 6.主要的多糖基离子交换树脂 u离子交换纤维素 树脂骨架为纤维素，根据活性基团的性质可分为阳离子交换纤维 素和阴离子交换纤维素两类 特点：骨架松散、亲水性强、表面积大、交换容量大、吸附力弱、交换和洗脱条件 温和、分辨率高 常用的离子交换纤维素有： 甲基磺酸纤维素、羧甲基纤维素、二乙基氨基乙基纤维素 六、六、色谱技术色谱技术 色谱技术是利用混合物中各组分物理化学性质物理化学性质的差异（如吸附力、分子形状及大小、 分子亲 和力、分配系数等） ，使各组分在两相（一相为固定的，称为固定相固定相；另一相流过固定相， 称为流动相流动相）中的分布程度不同，从而使各组分以不同的速度移动而达到分离的目的。 按机理分，有以下几种： – 吸附色谱——疏水色谱 – 分配色谱——正相（固极流非-极）与反相（固非流极-非）色谱 – 离子交换色谱 – 凝胶排阻色谱凝胶排阻色谱 将样品混合物通过一定孔径的凝胶固定相， 由于流经提及的差异， 使不同分子量的组分得以分离的色谱方法 （大的先 流出） – 亲和层析 七、七、膜分离与电泳膜分离与电泳 u膜分离的概念： 利用膜的选择性选择性 （孔径大小） ， 以膜的两侧存在的能量差能量差作为推动力， 由于溶液中各组分透过膜的迁移率不同迁移率不同而实现分离的一种技术。 膜分离技术的类型和定义 （板式，管式，螺旋卷式，中空纤维式） u膜分离过程的实质是物质透过或被截留于膜的过程，近似于筛分过程，依据滤膜孔 径大小而达到物质分离的目的，故而可以按分离粒子大小进行分类： 微滤（微滤（MFMF））悬浮物固体 超滤（超滤（UFUF））大分子有机物，蛋白 纳滤纳滤 (NF)(NF) 有机酸，多糖，染料 反渗透（反渗透（RORO））无机盐 电渗析电渗析 强制膜分离强制膜分离 八、八、电泳电泳 u电泳（Electrophoresis）是荷电物质（电解质）在电场作用下发生定向泳动的现象。 u电泳分离技术是利用荷电物质在电场中泳动速度的差别进行分离的方法。 各类电泳的工作原理 常规聚丙烯酰胺凝胶电泳 可用于蛋白质定量。电泳后的凝胶经凝胶扫描仪扫描，从而给出定量的结果.凝