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结晶技术在发酵工业中的应用新进展:发酵工程师知识扩展篇

 一般而言, 下游过程中的产品纯化、回收的费用一般占整个生化过程60 ~ 95 % , 决定了整个生化过程的经济可行性。另外, 由于通过培养、发酵、酶等反应产生的生化产物的分子大小迥异, 组分涉及粒子、胶体、 微生物、小分子溶质等复杂组分, 而且大多数生化产 物具有热敏性, 用于食品、医药行业的又要求无毒, 这样一来就使传统的分离和纯化方法的使用受到限制, 因而, 研究开发新型的, 和上游技术相配合使用 的分离技术是十分必要的。

  工业结晶技术是一种高效、低能耗、低污染,并能控制固体特定物理形态的分离纯化技术,是发酵工业生产过程中重要的单元操作之一,现已广泛应用于抗生素、氨基酸、有机酸、蛋白酶等发酵产品的提取和精制过程中。结晶过程具有很高的选择性, 只有同类物质的分子或离子才更容易结合成晶体, 因此析出的晶体纯度很高。随着发酵工业的发展, 应用结晶技术生产高纯度的大量生物产品已成为一个颇具潜力的工业领域。


结晶在抗生素发酵中的应用

目前,抗生素工业中常用的结晶方法有4 种:

1)冷却结晶法。此法适用于溶解度随温度降低而显著减小的物系,例如四环素的生产。

2)蒸发结晶法。主要适用于溶解度随温度降低变化不大的物系或具有逆溶解度的物系。如工业生产中蒸发与冷却结合制备制菌霉素。

3)化学反应结晶法。向母液中加入反应液或调节pH,使新物质产生,当该物质的浓度超过其溶解度时,便以晶体形式析出。如工业生产中青霉素的乙酸丁酯提取液加入乙酸钾—乙醇溶液反应得到青霉素钾盐结晶。

4) 溶析结晶法。加一种物质使溶液中溶质的溶解度降低形成过饱和溶液而结晶析出。如工业生产中盐酸林可霉素结晶液中加入丙酮得到盐酸林可霉素结晶。

 

近年来,又发展出了许多新兴结晶技术,如诱导结晶技术、膜结晶技术、气体抗溶剂结晶技术等,为 抗生素的分离纯化提供了丰富的技术储备。

 

 

新兴结晶技术

 

溶剂诱导结晶

溶剂诱导结晶(SINC)又称为液体诱导结晶,它是结晶性高聚物在溶剂(或包括其蒸汽)作用下,在低于通常Tg下诱导结晶,而在高于通常Tg时能加速结晶的现象。其过程大致包括以下几个阶段。溶剂通过扩散进入高聚物 ; 溶剂与高聚物之间的相互作用 ,破坏了高聚物链段间的力 , 提高了聚合物链段的活动性 。 如果聚合物与溶剂间的相互作用足够强 ,聚合物大分子可能会发生重排 ,变成结晶态 ( 已经知道 ,对于热诱导结晶 ,这些稳定的晶体会慢慢发展为更加有序的球晶) 。因此 ,与聚合物有强烈相互作用的溶剂能够诱导结晶 。

膜结晶

膜蒸馏与结晶技术的耦合过程-膜结晶,作为一种新型的分离技术适应时代的需要应运而生。其基本的原理是通过膜蒸馏来脱除溶液中的水,浓缩溶液,使溶液达到过饱和并通过膜表面的诱导作用而形成晶体。与常规结晶技术相比,膜结晶具有过程可控、结晶诱导时间短、初始蛋白浓度低、成核难度低等优点。用膜结晶技术结晶蛋白质溶液可得到适合X-射线衍射分析的大分子蛋白质晶体,从而有利于了解蛋白质的生物活性或设计在病理学中有特殊靶点的新型药物,这对蛋白质与酶的科学研究有着重要的意义

气体抗溶剂结晶技术

超临界流体作为反萃剂, 目标固体物质( 以蛋白质为例) 与溶剂互溶, 而在超临界流体中的溶解度很小, 当超临界流体与溶剂接触时, 由于溶液稀释而膨胀, 降低了原溶剂对溶质的溶解能力, 在短时间内形成较大的过饱和度而使溶质结晶析出, 形成纯度高、 粒径分布均匀的微细颗粒 。

结晶在氨基酸发酵中的应用

许多氨基酸存在多晶型现象,不同的晶型具有不同的生物利用度,通过结晶的方法可以对氨基酸的晶型进行有效的控制,Jochen Scholl 通过控制结晶条件,达到L-谷氨酸由亚稳的α 晶型向稳定的β 晶型的转换过程。Mihasina Rabesiaka 等通过降温结晶的方法在其水溶液中结晶得到了纯α 晶型甘氨酸以及α 和γ 混合晶型甘氨酸。

结晶在有机酸发酵中的应用

 有机酸发酵液中除含有目的产物外,还含有纤维、 菌体、有机杂酸等杂质,结晶是其中的一个重要环节, 可广泛应用于柠檬酸、乳酸、丁二酸、酒石酸等有机酸的生产中。比如乳酸的提纯工艺中最常用的为钙盐法,其中乳酸钙的结晶工艺决定了乳酸的最终收率,目前已经超过76%。

结晶在蛋白酶发酵中的应用

蛋白酶是近些年发展起来的新型发酵产品。结晶技术也在一些蛋白酶的发酵后提取工艺中得到了应用。刘均洪等进行了低酶液纯度的过氧化物酶快速结晶实验,经丙酮-硫酸铵协同沉淀纯化后, 快速加入硫 酸铵,得到了尺寸为40μm × 30μm 的过氧化氢酶晶体。Shirley M. Roberts 等对纤维素酶以及其它一些糖苷水解酶类的结晶方法和晶体结构进行了分析,表明这些酶类均可以通过结晶的方法得到。

存在的主要问题

结晶收率的高低主要取决于分离物系的溶解性质,这就使得结晶收率难以得到大幅提高,有部分产物仍留在母液中,而且在发酵液中除目的产物外,还含有杂蛋白、 残留碳源氮源、色素等杂质,这些杂质不但影响了结晶收率,而且在结晶后大部分均留在母液中,随着母液的多次循环利用,这些杂质的浓度越来越高,最终使得母液无法再次利用。

介稳区宽度及过饱和度测定

溶液结晶中, 只有达到介稳区, 才有可能产生晶体。 过饱和度是结晶的驱动力, 由于不同过饱和度会产生不 同的生长机制, 故对晶体生长速度、质量和外形等影响 都很大。只有按实际结晶过程来测定出极限溶解度曲线, 并圈出介稳区才有实用价值。介稳区宽度可用温度 差(△Tmax)表示, 也可用浓度差(△cmax )表示, 如图4 所 示。


 

 

文献引用 

1、 墨玉欣《结晶技术在发酵工业中的应用新进展

2、 梅余霞, 方柏山《源于发酵液的木糖醇的结晶热力学研究》

3、赵华威 梁玉气体抗溶剂结晶技术的初步研究

4、百度百科等

向原作者致敬! 

 

 
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