課件--發(fā)酵和分離的耦合技術(shù).

1、發(fā)酵和分離的耦合技術(shù)發(fā)酵和分離的耦合技術(shù)發(fā)酵過程的發(fā)酵過程的瓶頸：瓶頸：普遍存在著產(chǎn)物或副產(chǎn)物的普遍存在著產(chǎn)物或副產(chǎn)物的抑制作用抑制作用第一節(jié)第一節(jié) 概述概述降低生物催化劑的活力，降低生物催化劑的活力，抑制細(xì)胞生長(zhǎng)抑制細(xì)胞生長(zhǎng)制約制約發(fā)酵發(fā)酵過程過程的的效率效率解決產(chǎn)物抑制的方法：解決產(chǎn)物抑制的方法：利用工程手段及時(shí)分離出產(chǎn)物利用工程手段及時(shí)分離出產(chǎn)物消除抑制，提高細(xì)胞或催化劑的活性消除抑制，提高細(xì)胞或催化劑的活性生物反應(yīng)生物反應(yīng)-分離耦合過程分離耦合過程生物反應(yīng)生物反應(yīng)-分離耦合過程分離耦合過程Integrated bioreaction-separation processin situ

2、product removal定義：定義： 在生物反應(yīng)發(fā)生的同時(shí)，選擇一種合適在生物反應(yīng)發(fā)生的同時(shí)，選擇一種合適的分離方法及時(shí)地將對(duì)生物反應(yīng)有抑制的分離方法及時(shí)地將對(duì)生物反應(yīng)有抑制或毒害作用的產(chǎn)物或副產(chǎn)物選擇性地從或毒害作用的產(chǎn)物或副產(chǎn)物選擇性地從細(xì)胞或生物催化劑細(xì)胞或生物催化劑周圍移走周圍移走的的過程過程生物反應(yīng)生物反應(yīng)- -分離耦合過程的種類分離耦合過程的種類選擇一種合適的分離技術(shù)選擇一種合適的分離技術(shù)生物反應(yīng)與分離耦合的關(guān)鍵來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物或副產(chǎn)物的移走來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物或副產(chǎn)物的移走分離技術(shù)的選擇依據(jù)分離技術(shù)的選擇依據(jù) 充分考慮產(chǎn)物的充分考慮產(chǎn)物的理化特性和生物學(xué)特性理化特性和生物學(xué)特性以選擇最佳的

3、分離技術(shù)，要具有較大的分離系數(shù)和較好的選擇性 分離技術(shù)應(yīng)具備分離技術(shù)應(yīng)具備生物相容性生物相容性即合適的分離技術(shù)應(yīng)對(duì)生物反應(yīng)不造成負(fù)面影響，不會(huì)造成生物催化劑或細(xì)胞的失活、變性和死亡，也不會(huì)改變生物反應(yīng)的代謝和調(diào)節(jié)機(jī)制，同時(shí)也不會(huì)對(duì)產(chǎn)品造成污染 耦合過程環(huán)境的耦合過程環(huán)境的流體特性流體特性必需關(guān)注必需關(guān)注因?yàn)榱黧w力學(xué)性質(zhì)決定并影響分離過程的傳質(zhì)，從而分離的容量和速度會(huì)受到極大的影響，如高粘度的非牛頓型流體就不適合用膜分離技術(shù) 分離劑應(yīng)易于與反應(yīng)體系分離，產(chǎn)物應(yīng)易于從分離劑中提出來，分離劑應(yīng)易于與反應(yīng)體系分離，產(chǎn)物應(yīng)易于從分離劑中提出來，再生后的分離劑應(yīng)可以再生后的分離劑應(yīng)可以重復(fù)利用重復(fù)利用 工

4、程及經(jīng)濟(jì)因素工程及經(jīng)濟(jì)因素理想的分離技術(shù)應(yīng)是操作費(fèi)用低、性能穩(wěn)定、工程上易實(shí)現(xiàn)、壽命長(zhǎng)的技術(shù)選擇合適的分離技術(shù)的前提條件選擇合適的分離技術(shù)的前提條件充分了解目標(biāo)產(chǎn)物的理化性質(zhì)充分了解目標(biāo)產(chǎn)物的理化性質(zhì)包括分子量、疏水性、揮發(fā)性、荷電性及包括分子量、疏水性、揮發(fā)性、荷電性及特異性的親和力等。特異性的親和力等。發(fā)酵分離耦合過程的發(fā)展趨勢(shì)發(fā)酵分離耦合過程的發(fā)展趨勢(shì) 生物反應(yīng)體系不斷廣延生物反應(yīng)體系不斷廣延研究和應(yīng)用對(duì)象除了初級(jí)代謝產(chǎn)物以外，更多地轉(zhuǎn)向高附加值的藥物產(chǎn)品研究和應(yīng)用對(duì)象除了初級(jí)代謝產(chǎn)物以外，更多地轉(zhuǎn)向高附加值的藥物產(chǎn)品(如抗生如抗生素等素等)、食品添加劑、食品添加劑(維生素、色素、香料等

5、維生素、色素、香料等)和一些高分子量的產(chǎn)物和一些高分子量的產(chǎn)物(如酶、治療用如酶、治療用的蛋白質(zhì)、單抗、生物堿等的蛋白質(zhì)、單抗、生物堿等) 耦合過程的內(nèi)涵不斷深化耦合過程的內(nèi)涵不斷深化有抑制或毒害作用的副產(chǎn)物的選擇性分離；選擇性地供給營(yíng)養(yǎng)底物；不可發(fā)酵底物有抑制或毒害作用的副產(chǎn)物的選擇性分離；選擇性地供給營(yíng)養(yǎng)底物；不可發(fā)酵底物或老齡化細(xì)胞的分離等?；蚶淆g化細(xì)胞的分離等。 新分離技術(shù)不斷出現(xiàn)新分離技術(shù)不斷出現(xiàn)如基于分子識(shí)別的分離方法如基于分子識(shí)別的分離方法 耦合過程的工藝中多種分離技術(shù)的集成耦合過程的工藝中多種分離技術(shù)的集成常用的發(fā)酵分離耦合技術(shù)常用的發(fā)酵分離耦合技術(shù) 透析培養(yǎng)透析培養(yǎng) 膜分離和

6、培養(yǎng)耦合膜分離和培養(yǎng)耦合 發(fā)酵與蒸餾耦合發(fā)酵與蒸餾耦合 萃取發(fā)酵萃取發(fā)酵 吸附培養(yǎng)吸附培養(yǎng)透析透析定義：定義：當(dāng)化學(xué)膜的兩側(cè)當(dāng)化學(xué)膜的兩側(cè)物質(zhì)濃度存在差異物質(zhì)濃度存在差異時(shí)，物質(zhì)就會(huì)從濃度高的一側(cè)向濃度低的時(shí)，物質(zhì)就會(huì)從濃度高的一側(cè)向濃度低的一側(cè)滲透，直到兩側(cè)濃度相等。一側(cè)滲透，直到兩側(cè)濃度相等。第二節(jié)第二節(jié) 透析培養(yǎng)透析培養(yǎng)例子：例子：透析培養(yǎng)是人們模擬生活中的某些現(xiàn)象，透析培養(yǎng)是人們模擬生活中的某些現(xiàn)象，采用人工膜進(jìn)行透析培養(yǎng)來研究它們的機(jī)采用人工膜進(jìn)行透析培養(yǎng)來研究它們的機(jī)制。制。比如比如雞胚的絨毛膜雞胚的絨毛膜為天然膜，這種漿膜下為天然膜，這種漿膜下層為營(yíng)養(yǎng)儲(chǔ)庫，通過膜面不斷地提供各種

7、層為營(yíng)養(yǎng)儲(chǔ)庫，通過膜面不斷地提供各種細(xì)胞生長(zhǎng)與繁殖的養(yǎng)料細(xì)胞生長(zhǎng)與繁殖的養(yǎng)料透析透析培養(yǎng)培養(yǎng)定義：指在圍有定義：指在圍有半透膜半透膜的培養(yǎng)環(huán)境中，使的培養(yǎng)環(huán)境中，使微生物生長(zhǎng)的方法。微生物生長(zhǎng)的方法。營(yíng)養(yǎng)物營(yíng)養(yǎng)物透過半透膜擴(kuò)散到透析袋內(nèi)，微生透過半透膜擴(kuò)散到透析袋內(nèi)，微生物利用其營(yíng)養(yǎng)而生長(zhǎng)。物利用其營(yíng)養(yǎng)而生長(zhǎng)。微生物微生物因?yàn)椴荒芡高^膜而留在透析袋因?yàn)椴荒芡高^膜而留在透析袋代謝產(chǎn)物代謝產(chǎn)物透過膜擴(kuò)散到培養(yǎng)基中。透過膜擴(kuò)散到培養(yǎng)基中。結(jié)果使維持生長(zhǎng)的培養(yǎng)基被簡(jiǎn)化，抑制生結(jié)果使維持生長(zhǎng)的培養(yǎng)基被簡(jiǎn)化，抑制生長(zhǎng)的因子減少，從而達(dá)到促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)的因子減少，從而達(dá)到促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)的目的。長(zhǎng)的目的。

8、圖圖9-1 Gallup-Gerhardt透析培養(yǎng)器系統(tǒng)透析培養(yǎng)器系統(tǒng)左-培養(yǎng)基室， 中-透析器，右-培養(yǎng)室，P-泵，v-閥門。箭頭表示培養(yǎng)基和培養(yǎng)物循環(huán)方向 在培養(yǎng)室中可獲得較為在培養(yǎng)室中可獲得較為純純化化的細(xì)胞或高分子產(chǎn)物的細(xì)胞或高分子產(chǎn)物 透析培養(yǎng)時(shí)細(xì)菌的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)透析培養(yǎng)時(shí)細(xì)菌的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期有明顯的延長(zhǎng)，從而獲得期有明顯的延長(zhǎng)，從而獲得稠密稠密的細(xì)菌體的細(xì)菌體 透析培養(yǎng)的細(xì)菌無論是在培透析培養(yǎng)的細(xì)菌無論是在培養(yǎng)中或者經(jīng)過洗滌和貯存后都能養(yǎng)中或者經(jīng)過洗滌和貯存后都能保持一定保持一定活力活力微生物透析培養(yǎng)有下列主要特點(diǎn)：微生物透析培養(yǎng)有下列主要特點(diǎn)：膜分離膜分離定義：膜分離技術(shù)是利用膜的選擇性

9、，以定義：膜分離技術(shù)是利用膜的選擇性，以膜的兩側(cè)存在膜的兩側(cè)存在一定量的能量差一定量的能量差作為推動(dòng)力作為推動(dòng)力，由于溶液中各組分透過膜的遷移速率不，由于溶液中各組分透過膜的遷移速率不同而實(shí)現(xiàn)的分離。同而實(shí)現(xiàn)的分離。第三節(jié)第三節(jié) 膜分離和培養(yǎng)耦合膜分離和培養(yǎng)耦合膜的分類膜的分類截留離子截留離子只能水通過只能水通過小分子小分子大直徑的菌體、懸浮固體等大直徑的菌體、懸浮固體等大分子大分子微濾（MF）膜、超濾（UF）膜、納濾（NF）膜、反滲透（RO）膜 孔的性質(zhì)孔的性質(zhì)(包括孔徑、孔分布和孔隙度包括孔徑、孔分布和孔隙度) 水通量水通量 截留率的截?cái)喾肿恿拷亓袈实慕財(cái)喾肿恿?抗壓能力抗壓能力 pH適用

10、范圍適用范圍 對(duì)熱和溶劑的穩(wěn)定性。對(duì)熱和溶劑的穩(wěn)定性。表征膜性能的參數(shù)表征膜性能的參數(shù) 膜生物反應(yīng)器連續(xù)發(fā)酵法制取二羥基丙酮的研究膜生物反應(yīng)器連續(xù)發(fā)酵法制取二羥基丙酮的研究醋酸桿菌醋酸桿菌膜生物反應(yīng)器（膜生物反應(yīng)器（MBR）連續(xù)發(fā)酵）連續(xù)發(fā)酵二羥基丙酮二羥基丙酮膜分離和發(fā)酵耦合的應(yīng)用舉例膜分離和發(fā)酵耦合的應(yīng)用舉例圖圖9-6 膜分離耦合連續(xù)發(fā)酵裝置圖膜分離耦合連續(xù)發(fā)酵裝置圖1.培養(yǎng)液儲(chǔ)罐；2. 發(fā)酵罐；3. 溫控器；4. 泵；5. 5% NaOH；6. 空氣過濾器；7. 膜組件；8. 控制儀；9. 電極；10. 產(chǎn)物收集罐；11. 發(fā)酵液收集罐；12. 尾氣 中空纖維膜組件中空纖維膜組件 真空發(fā)

11、酵真空發(fā)酵原理：在發(fā)酵的同時(shí)，保持發(fā)酵罐內(nèi)一定的原理：在發(fā)酵的同時(shí)，保持發(fā)酵罐內(nèi)一定的真空度真空度，使發(fā)酵液處于沸騰狀態(tài)，將，使發(fā)酵液處于沸騰狀態(tài)，將易揮發(fā)易揮發(fā)的產(chǎn)物的產(chǎn)物從發(fā)酵液中分離出來，從而達(dá)到消除從發(fā)酵液中分離出來，從而達(dá)到消除代謝終產(chǎn)物的抑制和邊發(fā)酵邊分離的目的。代謝終產(chǎn)物的抑制和邊發(fā)酵邊分離的目的。揮發(fā)出來的產(chǎn)物可以通過冷凝、吸附、吸收揮發(fā)出來的產(chǎn)物可以通過冷凝、吸附、吸收等方法加以回收。等方法加以回收。第四節(jié)第四節(jié) 發(fā)酵與蒸餾耦合發(fā)酵與蒸餾耦合由于一種物質(zhì)的沸點(diǎn)是隨氣壓變化而改變的，氣壓越低由于一種物質(zhì)的沸點(diǎn)是隨氣壓變化而改變的，氣壓越低沸點(diǎn)也越低。沸點(diǎn)也越低。例如酒精在例如酒

12、精在760.0 mmHg氣壓下的沸點(diǎn)為氣壓下的沸點(diǎn)為78.15 ，在，在129.7 mmHg下沸點(diǎn)降到下沸點(diǎn)降到39.20 ；在；在70.0 mmHg下則下則降至降至27.96 因此，在酒精發(fā)酵時(shí)維持發(fā)酵罐內(nèi)一定的低氣壓因此，在酒精發(fā)酵時(shí)維持發(fā)酵罐內(nèi)一定的低氣壓(或叫真或叫真空度空度)，就能使發(fā)酵醪液處于沸騰狀態(tài)，酒精蒸汽被蒸餾，就能使發(fā)酵醪液處于沸騰狀態(tài)，酒精蒸汽被蒸餾出去，從而使醪液中始終保持低濃度酒精，這樣就不會(huì)出去，從而使醪液中始終保持低濃度酒精，這樣就不會(huì)發(fā)生高濃度酒精的抑制作用發(fā)生高濃度酒精的抑制作用真空發(fā)酵的依據(jù)真空發(fā)酵的依據(jù)按照真空發(fā)酵的原理，只需將按照真空發(fā)酵的原理，只需將

13、一個(gè)一個(gè)真空發(fā)酵罐真空發(fā)酵罐 一部真空壓縮機(jī)（一部真空壓縮機(jī)（真空泵真空泵）連接起來）連接起來 并將抽出的氣體（包括乙醇和水蒸汽、并將抽出的氣體（包括乙醇和水蒸汽、CO2）經(jīng)過）經(jīng)過分分凝器、總凝器凝器、總凝器凝結(jié)送到凝結(jié)送到收集器收集器即可構(gòu)成一套真空發(fā)酵的裝置。即可構(gòu)成一套真空發(fā)酵的裝置。真空發(fā)酵的工藝真空發(fā)酵的工藝萃取萃取萃取是萃取是用一種溶劑用一種溶劑（如有機(jī)溶劑）將（如有機(jī)溶劑）將溶質(zhì)溶質(zhì)（如發(fā)（如發(fā)酵產(chǎn)物）從另一種溶劑酵產(chǎn)物）從另一種溶劑（如水）（如水）中抽提出來的分中抽提出來的分離技術(shù)。離技術(shù)。將萃取引入發(fā)酵過程，實(shí)現(xiàn)邊發(fā)酵邊萃?。ㄔ诰€將萃取引入發(fā)酵過程，實(shí)現(xiàn)邊發(fā)酵邊萃?。ㄔ诰€萃?。┊a(chǎn)物，用來消除終產(chǎn)物抑制，就形成了一萃取）產(chǎn)物，用來消除終產(chǎn)物抑制，就形成了一個(gè)新的概念個(gè)新的概念萃取發(fā)酵萃取發(fā)酵第五節(jié)第五節(jié) 萃取發(fā)酵萃取發(fā)酵萃取溶劑的選擇依據(jù)萃取溶劑的選擇依據(jù) 溶劑應(yīng)當(dāng)有溶劑應(yīng)當(dāng)有較大的分配系數(shù)較大的分配系數(shù)分配系數(shù)K=C1/C2=萃取相的濃度/萃余相的濃度分配系數(shù)是決定溶質(zhì)能否分離的參數(shù)K值越大，越容易把物質(zhì)從水相中萃取到所選溶劑中 溶劑的溶劑的生物相容性好生物相容性好，即對(duì)微生物無毒或毒性低，即對(duì)微生物無毒或毒性低生物相容性指數(shù)LogP將細(xì)胞固定化，