1、发酵和分离的耦合技术发酵和分离的耦合技术发酵过程的发酵过程的瓶颈：瓶颈：普遍存在着产物或副产物的普遍存在着产物或副产物的抑制作用抑制作用第一节第一节 概述概述降低生物催化剂的活力，降低生物催化剂的活力，抑制细胞生长抑制细胞生长制约制约发酵发酵过程过程的的效率效率解决产物抑制的方法：解决产物抑制的方法：利用工程手段及时分离出产物利用工程手段及时分离出产物消除抑制，提高细胞或催化剂的活性消除抑制，提高细胞或催化剂的活性生物反应生物反应-分离耦合过程分离耦合过程生物反应生物反应-分离耦合过程分离耦合过程Integrated bioreaction-separation processin situ
2、product removal定义：定义：在生物反应发生的同时，选择一种合适在生物反应发生的同时，选择一种合适的分离方法及时地将对生物反应有抑制的分离方法及时地将对生物反应有抑制或毒害作用的产物或副产物选择性地从或毒害作用的产物或副产物选择性地从细胞或生物催化剂细胞或生物催化剂周围移走周围移走的的过程过程生物反应生物反应-分离耦合过程的种类分离耦合过程的种类选择一种合适的分离技术选择一种合适的分离技术生物反应与分离耦合的关键来实现产物或副产物的移走来实现产物或副产物的移走分离技术的选择依据分离技术的选择依据 充分考虑产物的充分考虑产物的理化特性和生物学特性理化特性和生物学特性以选择最佳的分离技
3、术，要具有较大的分离系数和较好的选择性 分离技术应具备分离技术应具备生物相容性生物相容性即合适的分离技术应对生物反应不造成负面影响，不会造成生物催化剂或细胞的失活、变性和死亡，也不会改变生物反应的代谢和调节机制，同时也不会对产品造成污染 耦合过程环境的耦合过程环境的流体特性流体特性必需关注必需关注因为流体力学性质决定并影响分离过程的传质，从而分离的容量和速度会受到极大的影响，如高粘度的非牛顿型流体就不适合用膜分离技术 分离剂应易于与反应体系分离，产物应易于从分离剂中提出来，分离剂应易于与反应体系分离，产物应易于从分离剂中提出来，再生后的分离剂应可以再生后的分离剂应可以重复利用重复利用 工程及经
4、济因素工程及经济因素理想的分离技术应是操作费用低、性能稳定、工程上易实现、寿命长的技术选择合适的分离技术的前提条件选择合适的分离技术的前提条件充分了解目标产物的理化性质充分了解目标产物的理化性质包括分子量、疏水性、挥发性、荷电性及包括分子量、疏水性、挥发性、荷电性及特异性的亲和力等。特异性的亲和力等。发酵分离耦合过程的发展趋势发酵分离耦合过程的发展趋势 生物反应体系不断广延生物反应体系不断广延研究和应用对象除了初级代谢产物以外，更多地转向高附加值的药物产品研究和应用对象除了初级代谢产物以外，更多地转向高附加值的药物产品(如抗生如抗生素等素等)、食品添加剂、食品添加剂(维生素、色素、香料等维生素
5、、色素、香料等)和一些高分子量的产物和一些高分子量的产物(如酶、治疗用如酶、治疗用的蛋白质、单抗、生物碱等的蛋白质、单抗、生物碱等)耦合过程的内涵不断深化耦合过程的内涵不断深化有抑制或毒害作用的副产物的选择性分离；选择性地供给营养底物；不可发酵底物有抑制或毒害作用的副产物的选择性分离；选择性地供给营养底物；不可发酵底物或老龄化细胞的分离等。或老龄化细胞的分离等。新分离技术不断出现新分离技术不断出现如基于分子识别的分离方法如基于分子识别的分离方法 耦合过程的工艺中多种分离技术的集成耦合过程的工艺中多种分离技术的集成常用的发酵分离耦合技术常用的发酵分离耦合技术 透析培养透析培养 膜分离和培养耦合膜
6、分离和培养耦合 发酵与蒸馏耦合发酵与蒸馏耦合 萃取发酵萃取发酵 吸附培养吸附培养透析透析定义：定义：当化学膜的两侧当化学膜的两侧物质浓度存在差异物质浓度存在差异时，物质就会从浓度高的一侧向浓度低的时，物质就会从浓度高的一侧向浓度低的一侧渗透，直到两侧浓度相等。一侧渗透，直到两侧浓度相等。第二节第二节 透析培养透析培养例子：例子：透析培养是人们模拟生活中的某些现象，透析培养是人们模拟生活中的某些现象，采用人工膜进行透析培养来研究它们的机采用人工膜进行透析培养来研究它们的机制。制。比如比如鸡胚的绒毛膜鸡胚的绒毛膜为天然膜，这种浆膜下为天然膜，这种浆膜下层为营养储库，通过膜面不断地提供各种层为营养储
7、库，通过膜面不断地提供各种细胞生长与繁殖的养料细胞生长与繁殖的养料透析透析培养培养定义：指在围有定义：指在围有半透膜半透膜的培养环境中，使的培养环境中，使微生物生长的方法。微生物生长的方法。营养物营养物透过半透膜扩散到透析袋内，微生透过半透膜扩散到透析袋内，微生物利用其营养而生长。物利用其营养而生长。微生物微生物因为不能透过膜而留在透析袋因为不能透过膜而留在透析袋代谢产物代谢产物透过膜扩散到培养基中。透过膜扩散到培养基中。结果使维持生长的培养基被简化，抑制生结果使维持生长的培养基被简化，抑制生长的因子减少，从而达到促进微生物的生长的因子减少，从而达到促进微生物的生长的目的。长的目的。图图9-1
8、 Gallup-Gerhardt透析培养器系统透析培养器系统左-培养基室，中-透析器，右-培养室，P-泵，v-阀门。箭头表示培养基和培养物循环方向 在培养室中可获得较为在培养室中可获得较为纯纯化化的细胞或高分子产物的细胞或高分子产物 透析培养时细菌的对数生长透析培养时细菌的对数生长期有明显的延长，从而获得期有明显的延长，从而获得稠密稠密的细菌体的细菌体 透析培养的细菌无论是在培透析培养的细菌无论是在培养中或者经过洗涤和贮存后都能养中或者经过洗涤和贮存后都能保持一定保持一定活力活力微生物透析培养有下列主要特点：微生物透析培养有下列主要特点：膜分离膜分离定义：膜分离技术是利用膜的选择性，以定义：膜
9、分离技术是利用膜的选择性，以膜的两侧存在膜的两侧存在一定量的能量差一定量的能量差作为推动力作为推动力，由于溶液中各组分透过膜的迁移速率不，由于溶液中各组分透过膜的迁移速率不同而实现的分离。同而实现的分离。第三节第三节 膜分离和培养耦合膜分离和培养耦合膜的分类膜的分类截留离子截留离子只能水通过只能水通过小分子小分子大直径的菌体、悬浮固体等大直径的菌体、悬浮固体等大分子大分子微滤（MF）膜、超滤（UF）膜、纳滤（NF）膜、反渗透（RO）膜 孔的性质孔的性质(包括孔径、孔分布和孔隙度包括孔径、孔分布和孔隙度)水通量水通量 截留率的截断分子量截留率的截断分子量 抗压能力抗压能力 pH适用范围适用范围
10、对热和溶剂的稳定性。对热和溶剂的稳定性。表征膜性能的参数表征膜性能的参数 膜生物反应器连续发酵法制取二羟基丙酮的研究膜生物反应器连续发酵法制取二羟基丙酮的研究醋酸杆菌醋酸杆菌膜生物反应器（膜生物反应器（MBR）连续发酵）连续发酵二羟基丙酮二羟基丙酮膜分离和发酵耦合的应用举例膜分离和发酵耦合的应用举例图图9-6 膜分离耦合连续发酵装置图膜分离耦合连续发酵装置图1.培养液储罐；2.发酵罐；3.温控器；4.泵；5.5%NaOH；6.空气过滤器；7.膜组件；8.控制仪；9.电极；10.产物收集罐；11.发酵液收集罐；12.尾气 中空纤维膜组件中空纤维膜组件 真空发酵真空发酵原理：在发酵的同时，保持发酵
11、罐内一定的原理：在发酵的同时，保持发酵罐内一定的真空度真空度，使发酵液处于沸腾状态，将，使发酵液处于沸腾状态，将易挥发易挥发的产物的产物从发酵液中分离出来，从而达到消除从发酵液中分离出来，从而达到消除代谢终产物的抑制和边发酵边分离的目的。代谢终产物的抑制和边发酵边分离的目的。挥发出来的产物可以通过冷凝、吸附、吸收挥发出来的产物可以通过冷凝、吸附、吸收等方法加以回收。等方法加以回收。第四节第四节 发酵与蒸馏耦合发酵与蒸馏耦合由于一种物质的沸点是随气压变化而改变的，气压越低由于一种物质的沸点是随气压变化而改变的，气压越低沸点也越低。沸点也越低。例如酒精在例如酒精在760.0 mmHg气压下的沸点为
12、气压下的沸点为78.15，在，在129.7 mmHg下沸点降到下沸点降到39.20；在；在70.0 mmHg下则下则降至降至27.96 因此，在酒精发酵时维持发酵罐内一定的低气压因此，在酒精发酵时维持发酵罐内一定的低气压(或叫真或叫真空度空度)，就能使发酵醪液处于沸腾状态，酒精蒸汽被蒸馏，就能使发酵醪液处于沸腾状态，酒精蒸汽被蒸馏出去，从而使醪液中始终保持低浓度酒精，这样就不会出去，从而使醪液中始终保持低浓度酒精，这样就不会发生高浓度酒精的抑制作用发生高浓度酒精的抑制作用真空发酵的依据真空发酵的依据按照真空发酵的原理，只需将按照真空发酵的原理，只需将 一个一个真空发酵罐真空发酵罐 一部真空压缩
13、机（一部真空压缩机（真空泵真空泵）连接起来）连接起来 并将抽出的气体（包括乙醇和水蒸汽、并将抽出的气体（包括乙醇和水蒸汽、CO2）经过）经过分分凝器、总凝器凝器、总凝器凝结送到凝结送到收集器收集器即可构成一套真空发酵的装置。即可构成一套真空发酵的装置。真空发酵的工艺真空发酵的工艺萃取萃取萃取是萃取是用一种溶剂用一种溶剂（如有机溶剂）将（如有机溶剂）将溶质溶质（如发（如发酵产物）从另一种溶剂酵产物）从另一种溶剂（如水）（如水）中抽提出来的分中抽提出来的分离技术。离技术。将萃取引入发酵过程，实现边发酵边萃取（在线将萃取引入发酵过程，实现边发酵边萃取（在线萃取）产物，用来消除终产物抑制，就形成了一萃
14、取）产物，用来消除终产物抑制，就形成了一个新的概念个新的概念萃取发酵萃取发酵第五节第五节 萃取发酵萃取发酵萃取溶剂的选择依据萃取溶剂的选择依据 溶剂应当有溶剂应当有较大的分配系数较大的分配系数分配系数K=C1/C2=萃取相的浓度/萃余相的浓度分配系数是决定溶质能否分离的参数K值越大，越容易把物质从水相中萃取到所选溶剂中 溶剂的溶剂的生物相容性好生物相容性好，即对微生物无毒或毒性低，即对微生物无毒或毒性低生物相容性指数LogP将细胞固定化，可以较大程度地减少溶剂和生物细胞的接触，因而有效地缓解溶剂的毒害作用 溶剂在水相中不易乳化，也溶剂在水相中不易乳化，也不与水互溶不与水互溶溶剂溶剂粘度较低粘度较低溶剂溶剂易从产物中分离出来易从产物中分离出来在微生物发酵培养的过程同时利用吸附剂除去在微生物发酵培养的过程同时利用吸附剂除去有害成分或提取回收有用目标产物称为生物反有害成分或提取回收有用目标产物称为生物反应过程的吸附分离技术应过程的吸附分离技术第六节第六节 吸附培养吸附培养
