生物工业下游技术

1. 生物工业下游技术

2. 第六章 沉淀法和吸附法 第一节、沉淀法 一、盐析法； 二、有机溶剂沉淀法； 三、等电点沉淀法； 四、生成盐复合物沉淀法。 第二节、吸附法 一、吸附过程的基础理论 二、吸附类型 三、影响吸附过程的因素 四、大网格聚合物吸附

3. 第一节、 沉 淀 法 沉淀是通过改变条件或加入某种试剂，使溶液中的溶质由液相转变为固相析出的过程。 优点：成本低、设备简单、收率高、浓缩倍数高和操 作简单。 ①盐析法；多用于分离纯化各种蛋白质和酶。 ②有机溶剂沉淀法：多用于生物小分子、多糖及核酸等产品的分离纯化，也有用于蛋白质的沉淀。 ③等电点沉淀法：用于氨基酸、蛋白质及其他两性物质的沉淀。 ④生成盐复合物沉淀法：用于多种化合物，特别是小分子物质的沉淀。

4. 一、 盐析法 1、盐析原理 高浓度的中性盐能破坏蛋白质、酶等的胶体性质，中和微粒上的电荷，促使蛋白质等发生沉淀或絮凝现象。 IogS＝β-Ks•Ⅰ S—离子强度为Ⅰ时的蛋白质的溶解度； Ks—盐析常数，与温度和pH无关； β值—是溶质的特征常数，对于蛋白质而言，其大小主要取决于不同蛋白质的性质，它也与溶液的温度和pH值有关，但与盐的种类无关； 为便于计算，用盐的摩尔数m代替离子强度Ⅰ，则 IogS＝β-Ks• m

6. 2、影响盐析的主要因素 1 ） 蛋白质浓度与盐析的关系：高浓度蛋白质溶液可以减少盐的用量，但蛋白质浓度太高，会发生严重的共沉作用。 2） 离子强度和种类的影响：离子强度越大，蛋白质的溶解度越低。不同蛋白质盐析所需离子强度不同。可用不同的盐浓度将各种蛋白质分别沉淀析出。 3 ）温度对盐析的影响：升温，可增加许多无机盐和小分子有机物的溶解度。但在高盐浓度中，蛋白质等生物大分子物质的溶解度随温度的升高反而减小。 4 ） PH对盐析的影响：盐析pH的选择要以不降低产物的活性为原则。由于蛋白质在等电点时最易沉淀，可选择等电点的PH作为盐析的pH。

8. 二、等电点沉淀法 等电点沉淀法： 是利用两性电解质在电中性时溶解度最低的原理进行物质分离纯化的方法。 中性盐的浓度增加时，相应于最低溶解度的pH值向偏酸方向移动；同时最低溶解度会有所增大。 等电点沉淀法应在低离子强度下操作。 许多蛋白质的等电点都在偏酸性的范围内。 优点：许多无机酸的价格低廉，并能为食品标准允许。 缺点：酸化时，容易引起蛋白质失活，因为蛋白质对低PH比较敏感。

9. 三、有机溶剂沉淀法 1、有机溶剂沉淀的原理 许多水溶性有机溶剂如丙酮、乙醇、甲醇等能使溶于水的小分子生物物质以及核酸、多糖、蛋白质等生物大分子发生沉淀作用。其主要作用是降低水溶液的介电常数。 优点：分辨能力比盐析法高；一种溶质只在一个比较窄的有机溶剂范围内沉淀；沉淀不需脱盐；有机溶剂密度低，与沉淀物密度差大，容易进行固液分离；有机溶剂容易蒸发，不会在成品中残留，因此适用于食品、药品的制备。 缺点：容易引起蛋白质变性失活，有机溶剂易燃、易爆，对安全要求较高。需冷却、降温、低温操作。 对同一种溶剂，蛋白质的分子质量越大，沉淀所需有机溶剂的量越少。

10. 2、影响有机溶剂沉淀的因素 1、有机溶剂的种类：选择的溶剂必须能与水互溶，但与产物如蛋白质等不发生反应。 2、温度：降低温度可以增加收率。同时许多生物分子如蛋白质、核酸等对温度特别敏感，温度稍有升高，便发生变性； 3、pH：选择溶解度最低时的pH，有助于提高沉淀效果。因此在接近等电点处，以引起沉淀所需有机溶剂的量较少。合适的PH也可大大提高分离的分辨能力。 4、样品浓度和分子质量：低浓度样品需用有机溶剂的量较大，但共沉作用小，有利于提高分离的效果；但低浓度样品损失较大，回收率低，具有生理活性的样品容易产生稀释变性。 5、金属离子和离子强度：Mn2+、Fe2+、Co2+、Zn2+等阳离子能与蛋白质中的羧基、氨基和含有氮杂环的化合物结合，形成难溶复合物，有利于沉淀。但离子强度过大，不利分离。

11. 1、工艺流程： 2、提取过程的化学反应： 2C6H8O7•H2O+3CaCO3 →Ca3(C6H5O7)2•4H2O+3CO2↑+H2O Ca3(C6H5O7)2•4H2O+3H2SO4+ 4H2O → 2C6H8O7•H2O+3CaSO4 •2H2O 四、 生成盐复合物沉淀（柠檬酸钙盐沉淀）

13. 3、中和与酸解 中和：滤液中除含柠檬酸外，还含可溶性的残 糖以及蛋白质、金属离子等杂质。利用 柠檬酸钙难溶于水的特点，与杂质分离 的过程。 酸解：中和所得钙盐经过滤、洗涤，与硫酸反 应生成柠檬酸和硫酸钙沉淀，过滤，滤 液含较纯的柠檬酸。

14. 4、生产设备及操作 1）调浆：调浆罐，30—50%浓度； 2）中和：中和罐，滤液、钙浆泵入，搅拌， 70-90℃ ，控制 终点； 3）过滤：过滤槽、带式过滤机， 90℃热水逆流 洗涤； 4）酸解：酸解罐，搅拌，稀酸调浆，加热，加 硫酸，控制终点； 5）过滤：过滤槽、带式过滤机， 90℃热水逆流 洗涤，至PH大于4。

15. 第二节、吸附法 选择性吸附法用于：分离精制各种产品、空气的净化、除菌、脱色、除热源、去组胺等杂质。 一、吸附过程的基础理论 吸附作用：物质从流体相(气体或液体)浓缩到固体表 面的过程。 吸附剂：在表面上能够发生吸附作用的固体。 吸附物：被吸附的物质。 不同固体物质的表面自由能不同，所以对其他物质的吸附能力不同，表面自由能越高，吸附能力越强。 吸附作用力也是范德华力．它是一组分子引力的总称，包括三种力，即定向力、诱导力和色散力。

16. 1、定向力：是极性分子之间产生的作用力，是极性分子间的1、定向力：是极性分子之间产生的作用力，是极性分子间的 静电引力，分子的极性越大，力也越大。 2、诱导力：指极性分子和非极性分子之间的吸引力，极性分 子产生的电场作用会诱导非极性分子极化，两者之 间相互吸引而发生吸附作用。这种力与温度无关。 3、色散力：是非极性分子之间的引力，当分子外围电子运动 及原子核在零点附近震动，正负电荷中心出现瞬时 相对位移时，产生快速变化的瞬时偶极矩，能使外 围非极性分子极化，反过来又影响瞬时偶极矩的变 化而产生这种色散力。这种力也与温度无关。 此外，还有氢键力，这是介于库仑引力和范德华力之间的定向力，比诱导力和色散力都大。

17. 二、吸附类型 1、物理吸附： 吸附剂和吸附物通过分于间的引力产生的吸附。 特点： ① 吸附作用不仅局限于活性中心，而是整个自由界面； ② 分子被吸附后，一般动能降低，所以吸附是放热反 应； ③ 物理吸附的吸附热较小，吸附物分子的状态变化不 大，所需活化能很小，多数在较低的温度下进行； ④ 物理吸附是可逆的，吸附作用一般没有选择性。

18. 2、化学吸附 吸附剂与吸附物之间由于电子转移发生化学反应产生的吸附。 特点： ⑴ 需要一定的活化能； ⑵ 具有显著的选择性，即一种吸附剂只对某种或某几种物质有吸附作用； ⑶ 吸附速度较慢，升高温度速度增加； ⑷ 吸附后也较稳定，不易解吸，且解吸具有选择性； ⑸ 吸附热较大。 物理吸附与化学吸附虽有区别，但有时很难严格 划分，也可以在同一体系中向时发生。

19. 三、 影响吸附的因素 溶液中，固体吸附剂的吸附要考虑三种作用力： 1、界面层上固体与溶质之间的作用力； 2、固体与溶剂之间的作用力； 3、溶质与溶液之间的作用力。 影响吸附的因素： 1、吸附剂的性质；（容量大、速度快、机械强度高） 2、吸附物的性质；（极性宜从非极性中吸附极性物） 3、溶液PH的影响；（非极性宜从酸性中吸附有机酸） 4、温度的影响； （吸附热越大，受温度影响越大） 5、溶液中其他溶质的影响。（一般使吸附量下降）

20. 四、大网格聚合物吸附 大网格聚合物吸附剂：大网格离子交换树脂去其功能基团，仅保留其多孔骨架，不能发生离子交换，依靠树脂骨架与溶质分子之间的分子吸附。 优点：选择性好、容易解吸、机械强度高、可反复使用、流体阻力较小等。特别是其孔隙大小、骨架结构和极性均可按需要、通过原料和合成条件的改变而获得，因此可适用于各种有机物的吸附纯化。如头孢菌素、VB12、林可霉素等。 按其骨架的极性强弱分为三类： 1、非极性吸附剂：用苯乙烯和二乙烯聚合而成，故也称为芳香族吸附剂。 2、中等极性吸附剂：以多功能团的甲基丙烯酸甲酯作为树脂结构，也称作脂肪族吸附剂。 3、极性吸附剂：用氧化氮类、乙烯、吡啶等骨架聚合而成。