第九章生化分离技术和生物化工产品课件

第九章 生化分离技术和生物化工产品 * 1 基本定义基本定义 l 生化分离工程的定义： 为提取生物产品时所需的原理、方法、技术及相 关硬件设备的总称，指从发酵液、动植物细胞培 养液、酶反应液和动植物组织细胞与体液等中提 取、分离纯化、富集生物产品的过程 (Downstream Processing)。 l 单元操作： 完成一道工序所需的一种方法和手段。 Date 2 生化产品的类型生化产品的类型 按用途分类 食品类。 保健品类。 医用类产品（ 1998年， 719种）。抗生素 112种 农业用产品（ 1998年， 36种）。 生物试剂类（ 1998年， 975种）。 按分子量大小分类 Mass 1000D： 酶、抗原、抗体、多肽、蛋白质类 按发酵时目的产物所在的位置分类 cell内：胰岛素、白细胞介素、干扰素、重组蛋白质 cell外：抗生素（青霉素、红霉素）、胞外酶（ -淀粉酶）等 Date 3 生化产品的特点 1)、应用面广。 医药卫生、环保、动植物生长调节、食品和试剂等 2)、种类繁多。分子量 X0X000000， 结构功能复杂，生物活性各异。 3)、目的产物在初始物料中的含量低。 青霉素（ 4.2%）、庆大霉素 （ 0.2%）、干扰素（ 50ug/ml）。 4)、 产品价格与产物浓度呈反比 : 5)、初始物料成分复杂。除少量产物外，还有大量的细胞及碎片、其他 代谢物（几百上千种）、培养基成分、无机盐等。 6)、生物活性物质的稳定性低。易变质、易失活、易变性，对温度、 pH 值、重金属离子、有机溶剂、剪切力、表面张力等非常敏感。 7)、产品的质量要求高，尤其是药品等。成品青霉素对其强致敏原 青霉 噻唑蛋白必须控制 RIA值（放射免疫测定）小于 100（ 1.510-6），蛋 白类药物（杂质 2%）、重组胰岛素（ Humulin） 中杂蛋白小于 0.01%。 Date 4 1)、生化产品的必经的过程。 2)、回收率不高。抗生素 (80%左右 )，蛋白质 (60-90%)。 3)、分离纯化昂贵。下游研究费用占整个 R 精细和药用产品的成本比率更高 ; 大多数酶 70%。 4)、基因工程的 R&D费用，下游占 50-80%。基因工程表达 产品成本 85-90%；劳动力和物力成本占整个劳动力的 70- 90%。 5)、中药现代化的重要技术平台。农学、 分离科学、生化分 析 、药学等 6)、提供产品竞争力的关键技术之一。 WTO， 降低生产成 本、提高产品标准。 7)、环境污染的治理 。 生化分离工作的重要性 Date 5 生化分离工作的一般过程 动、植物组织、体液等 胞外产物 提取 发酵液 预处理 c分离 c破碎 碎片分离 初步纯化 精制 制成 品 培养液 加 热 沉 淀 匀 化 离 心 沉 淀 分子筛 无菌过滤 酶反应 调 pH 离 心 超 声 萃 取 吸 附 离 子 超 滤 絮 凝 过 滤 胞 溶 过 滤 萃 取 亲 和 冻 干 错流过滤 研 磨 错流过滤 超 滤 吸 附 喷 干 憎 水 结 晶 电 泳 Date 6 生化分离工程的分类 Absorbance 1）、 非特异性吸附 抗生素 (吸附 ) 2）、 特异性吸附 抗体 2h 3）、 亲和吸附 抗原抗体 4）、 离子交换 抗生素 Chromatography 1）、 凝胶 抗生素、蛋白 质 (色谱或层析 ) 2）、 亲和色谱 抗体 6h 3）、 离子交换 蛋白质 Electric Field 1）、 磁性免疫微球 抗原抗体 (场致分离 ) 2）、 区带电泳 蛋白质 6h 3）、 等速电泳 蛋白类 4）、 等点聚焦电泳 蛋白类Date 7 预处理的目的 : l 改变发酵液的物理性质 (黏度、颗粒 、颗粒稳定性等 ) ， 固液分离速度 ，分离器分离效率 ； l 目标产物转移其中一相 (多数为液相 )； l 去杂质 预处理方法 l 加热：最简单和最廉价的处理方法。 黏度、促凝聚、 固体成分体积、破坏凝胶结构、增加空隙率、去蛋白 l 调 pH值：方法简单有效、成本低廉； l 凝聚：在凝聚剂 (如铝盐、铁盐、石灰和 NaCl)作用下 , 细胞蛋白质等 (准 )胶体去稳定，并聚集成 1mm大小的凝 聚块的过程。 悬浮液的预处理悬浮液的预处理 Date 8 Date 9 Date 10 方法选择的基本原则方法选择的基本原则 1)、尽可能简单、低耗、高效、快速。 2)、分离步骤尽可能少 。 Why? A)、 n -总回收率， n -各单元回收率。 分离步骤越多，回收率越低；如 10 = 0.9510 = 0.63， 5 = 0.955 =0.77 B)、 分离步骤多，设备投入大，人员物资消耗大，生 产周期长。 3)、 避免相同原理的分离技术多次重复出现。 比如，分子筛和超滤技术按分子量大小分离，重复应 用两次以上，意义就不大了。 Date 11 4)、 尽量减少新化合物进入待分离的溶液 。 A)、 引起新的化学污染； B)、 蛋白质的变性失活 5)、 合理的分离步骤次序。 原则是：先低选择性，后高选择性；先高通 量，后低通量；先粗分，后精分；先低成本 ，后高成本。 Date 12 设计前应了解的信息 在设计前，首先要掌握的产物物化性质， 主要包括： (1)、溶解度及影响因素，包括温度、 pH值、有机溶剂和盐等； (2)、分子量和分子形状。对于高分子物质非常有意义； (3)、沸点和蒸汽压。对于热稳定的小分子物质非常有意义； (4)、极性大小； (5)、分子电荷及影响因素，包括 pH值和盐等； (6)、功能团。功能团为萃取剂和特异性吸附的选择提供依据； (7)、免疫原性。设计亲和色谱； (8)、稳定性及其影响因素，包括温度 、 pH值、毒性试剂等 (如青 霉素低 pH不稳定 )； (9)、等电点 pI； Date 13 成品规格（或产品质量标准） 表 1.3 五肽胃泌素的上海市药品标准（ 1993年版 32页） 指标名称 指标 含量（ C37H49N7O9S） 97.0 比旋光度 -25 -29 吸收值比 A(280nm):A(288nm) = 1.12-1.22 氨基酸 各氨基酸之比为 1 干燥失重， % 0.5 进料的组成和物性 (1)、目的产物的浓度。高？低？ (2)、物料中的与目的产物相近物质组成的物理化学性质。 (3)、目的产物的定位。是胞内还是胞外？ (4)、菌种的种类和形态。 (5)、微生物的含量和发酵液的黏度。 Date 14 生产规模 危害性 (1)、离心产生的气溶胶、发酵产生的废气、干燥产生的粉 尘 等。 (2)、目的产物本