生物制药技术 发酵产物的提取与精制 第八单元电子教材.doc

第八单元 发酵产物的提取与精制 任务一 概论 发酵产品系通过微生物发酵过程、酶反应过程或动植物细胞大量培养获得。从上述发酵液、反应液或培养液中分离、精制有关产品的过程称为发酵产物的提取与精制。它由一些化学工程的单元操作组成，但由于生物物质的特性，有其特殊要求，而且其中某些单元操作一般化学工业中应用较少。这一过程复杂而又必不可少，无论是在投资费用还是生产费用中，其所占总额的比例往往超过50%，传统发酵工业(如抗生素、乙醇、柠檬酸)，分离和精制部份占整个工厂投资费用的60%。对重组DNA发酵、精制蛋白质的费用可占整个生产费用的80%~90%。提取与精制技术直接影响到发酵产物的质量和得率，从而影响到生产的经济效益，因此发展高效提取与精制技术成为发酵制药领域的一个重要研究方向。 发酵液是微生物利用基质中的营养物质进行生长、繁殖和代谢，最终获得的一种浑浊体系，不同于一般的化学品，具有自身的特点。 1.发酵液是多组分混合物 培养液(或发酵液)是复杂的多相系统，不仅包含营养基质中本身固有的各类营养物质（如糖、蛋白质、无机盐、维生素等），还含有微生物代谢途径的中间产物（如氨基酸、有机酸等）、副产物和目标产物，细胞碎片等。分散在其中的固体和胶状物质，具可压缩性，其密度又和液体相近，加上粘度很大，使从培养液中分离固体很困难。 2.发酵液中产物浓度较低 培养液中所含欲提取的生物物质浓度很低，但杂质含量却很高，特别是利用基因工程方法产生的蛋白质常常伴有大量性质相近的杂质蛋白质。 3.大多数发酵产物的稳定性差 欲提取的生物物质通常很不稳定，遇热、极端pH、有机溶剂会引起失活或分解，特别是蛋白质的生物活性和一些辅助因子、金属离子的存在和分子构型有关。一般认为剪切力会影响空间构型，对蛋白质的活性影响很大。 发酵产物的提取与精制包括目标产物的提取、浓缩、纯化及成品化等过程，一般工艺过程如图8-1所示。 图8-1 发酵产物的提取与精制工艺过程 任务二 发酵液的预处理和固液分离 从发酵液中分出固体通常是发酵产物提取与精制的第一步操作，这是一步很困难的操作。发酵液预处理的目的，就在于改变发酵液的性质，以利于固液分离。例如，在活性物质稳定性的范围内，通过酸化、加热、以降低发酵液的黏度。另一种有效的方法是加入絮凝剂，使细胞或溶解的大分子聚结成较大的颗粒。 在固液分离中，传统的板框压滤机和鼓式真空过滤机在某些场合仍在使用，例如处理较粗大的真菌菌丝体时，但在很多场合会遇到困难。一种较好的解决办法是在鼓式真空过滤机转鼓的表面预先铺一层2～10 cm厚的助滤剂层，过滤时形成的滤饼不断地用缓慢前进的刮刀，连同极薄的一层助滤剂(约百分之几毫米厚)一起刮去，但当滤饼用做饲料时，此法就不能采用。此外，离心分离也是常用的方法，较新的装置是倾析式离心机，适用于含固量较多的发酵液。 一种新的过滤方法是利用微滤膜或超滤膜进行错流过滤，此时无滤饼形成，对细菌悬浮液，滤速达67～118 L／(m2·h)，此法的缺点是不能将液固相分离完全。 任务三 微生物细胞的破碎 微生物的代谢产物有的分泌到细胞或组织之外，例如细菌产生的碱性蛋白酶，霉菌产生的糖化酶等，称为胞外产物。还有许多是存在于细胞内，例如青霉素酰化酶，碱性磷酸酯酶等，称为胞内产物。 对于胞外产物只需直接将发酵液预处理及过滤，获得澄清的滤液，作为进一步纯化的出发原液，对于胞内产物，则需首先收集菌体进行细胞破碎，使代谢产物转入液相中，然后，再进行细胞碎片的分离。 一、微生物细胞的破碎技术 常见的细胞破碎方法有：机械方法（球磨机、高压匀浆器、X-press法、超声波破碎）和非机械方法（酶解法、渗透压冲击、冻结和融化、干燥法、化学法）。 1.球磨机 研磨是常用的一种方法，它将细胞悬浮液与玻璃小珠、石英砂或氧化铝一起快速搅拌或研磨，使达到细胞的某种程度破碎。这些装置的主要缺点是在破碎期间样品温度迅速升高，通过用二氧化碳来冷却容器可得到部分解决。 2.高压匀浆器 图8-2 高压匀浆阀结构示意图 1.细胞悬浮液 2.加工后的细胞匀浆液 3.阀座 4.碰撞环 5.阀杆 3.X-press法 一种改进的高压方法是将浓缩的菌体悬浮液冷却至-25?C至-30 ?C形成冰晶体，利用500 MPa以上的高压冲击，冷冻细胞从高压阀小孔中挤出。细胞破碎是由于冰晶体的磨损，包埋在冰中的微生物的变形所引起的。 该法的优点是适用的范围广，破碎率高，细胞碎片的粉碎程度低以及活性的保留率高，该法对冷冻—融解敏感的生化物质不适用。 4.超声波法 细胞的破碎是由于超声波的空穴作用，从而产生一个极为强烈的冲击波压力，由它引起的粘滞性漩涡在介质中的悬浮细胞上造成了剪切引力，促使细胞内液体发生流动，从而使细胞破碎。 对于不同菌种的发酵液、超声波处理的效果不同，杆菌比球