《生物分离与纯化技术》授课教案

生物分离与纯化技术授课教案第一章 绪论教学目的：熟悉生物物质的概念、种类和来源；了解分离纯化技术及其基本原理；熟悉分离纯化工艺的优化、放大和验证工作；掌握分离纯化的特点与一般步骤；了解生物分离纯化技术的发展历史；熟悉生物分离纯化技术的发展趋势。教学重点：生物物质的概念、种类和来源；分离纯化工艺的优化、放大和验证工作；分离纯化的特点与一般步骤；生物分离纯化技术的发展趋势。教学难点：分离纯化技术及其基本原理；分离纯化工艺的优化、放大和验证工作。教学课时：4学时教学方法：多媒体教学教学内容：第一节 生物分离与纯化的概念与原理一、生物物质的概念、种类和来源1.生物物质：氨基酸及其衍生物类、活性多肽类、蛋白质、酶类、核酸及其降解物、糖、脂类、动物器官或组织制剂、小动物制剂、菌体制剂。2.生物物质来源：动物器官与组织、植物器官与组织、微生物及其代谢产物、细胞培养产物、血液、分泌物及其代谢物二、生物分离纯化概念指从发酵液、动植物细胞培养液、酶反应液或动植物组织细胞与体液等中分离、纯化生物产品的过程。三、生物分离纯化技术生物技术上游：基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程及组织工程； 下游：生物产品的回收生物分离与纯化技术，主要包括离心技术、细胞破碎技术、萃取技术、固相析出技术、色谱技术和膜分离技术等。四、分离纯化基本原理有效识别混合物中不同组分间物理、化学和生物学性质的差别，利用能够识别这些差别的分离介质或扩大这些差别的分离设备来实现组分间的分离或目标产物的纯化。原理分离纯化技术产物举例带电性电泳离子交换色谱等电点沉淀蛋白质、核酸、氨基酸氨基酸、有机酸、抗生素、蛋白质、核酸蛋白质、氨基酸化学性质电渗析 离子交换色谱 亲和色谱氨基酸、有机酸、盐、水氨基酸、有机酸、抗生素、蛋白质、核酸蛋白质、核酸生物功能特性亲和色谱疏水色谱蛋白质、核酸蛋白质、核酸 原理分离纯化技术产物举例分子大小、形状离心超滤微滤透析电渗析凝胶色谱菌体、细胞碎片、蛋白质蛋白质、多醣、抗生素菌体、细胞尿素、盐、蛋白质氨基酸、有机酸、盐、水盐、分子大小不同的蛋白质溶解度、挥发性萃取盐析结晶蒸馏等电点沉淀有机溶剂沉淀氨基酸、有机酸、抗生素、蛋白质、香料蛋白质、核酸氨基酸、有机酸、抗生素、蛋白质乙醇、香精蛋白质、氨基酸蛋白质、核酸第二节 分离纯化策略一、生物分离纯化技术的特点1.环境复杂、分离纯化困难2.含量低、工艺复杂3.稳定性差、操纵要求严格4.目标产物最终的质量要求很高5.终极产品纯度的均一性与化学分离上纯度的概念并不完全相同二、 分离纯化方法选择的原则1.技术路线、工艺流程尽量简单化；2.尽可能采用低成本的材料与设备；3.将完整工艺流程划分为不同的工序；4.注意时效性；5.采用成熟技术和可靠设备；6.准备好书面标准操作程序等技术文件；7.检测纯化过程中产物产量和活性三、分离纯化的原材料选择与成品保存1.原材料的选择(1)来源(2)与目标产物含量相关的因素合适的生物品种合适的组织器官生物材料的种属特异性合适的生长发育阶段合适的生理状态2.天然生物材料的采后处理天然生物材料需要处理的原因细胞自溶导致目标产物失活或降解；易受微生物污染导致目标产物失活或降解。易受光照 、氧气等的作用导致其分子结构改变。一般植物材料需进行适当的干燥后再保存，动物材料需经清洗后速冻、有机溶剂脱水或制成丙酮粉在低温下保存。3.成品的保存(1)影响生物产品保存的主要因素空气温度水分光线pH保存期(2)蛋白质和酶制品的保存方法低温下保存制成干粉或结晶保存保存时添加保护剂 四、分离纯化的准备工作1.软件材料的准备2.硬件材料的准备五、分离纯化的基本步骤六、分离纯化技术的综合运用与工艺放大一种合格产品要运用多种分离设备和技术进行纯化，原因为：在每个工序中根据现有设备条件和目标产物的性质、规格、用途不同可采用多种分离纯化手段；每种分离纯化操作本身各项影响加工效果的因素都直接影响分离纯化的效果和成本；各工序间具有复杂的相互影响作用。 1.建立在制品、半制品成品上的检测方法是工艺优化的前提2.明确优化工艺的评判标准，处理好收率、纯度、经济性之间的平衡应将处理体积大、加工成本低的工序尽量前置，而价格昂贵、精制工序易放在工艺流程的后段。随产物纯度的提高，对工艺流程下游加工所用的设备、试剂的要求亦提高。七、分离纯化的中试放大1.中试放大具备的条件确定并系统鉴定了生物材料的资源目标产物的收率稳定即重复性好，质量可靠工艺路线和操作条件已经确定，并且已经建立了原料、半制品、产品的的分析检测方法 已经进行过物料平衡预算，并且建立了“三废”的处理和监测方法确立了中试规模及所需原材料的规格和数量建立了教完善的安全生产预警措施和方法2.中试放大中力求解决及注意的问题(1)进一步确定生产中所需原辅料的规格和来源(2)进一步确定生产设备的选型与设备材料的质量(3)进一步确定分离纯化操作的条件限度(4)研究和建立原辅材料、中间体及产品质量的分析方法和手段3.中试放大的方法经验放大法、相似放大法、数学模型放大法、步步为营法、一竿子插到底法4.中试放大的关键环节工艺路线及各工序操作步骤设备材质与型号的选择原辅材料、中间体的质量标准 操作条件物料衡算安全生产与“三废”防治原辅材料、中间体及产品的理化和生物学测定消耗定额、原料成本、操作工时与生产周期等的计算八、生物药品生产工艺的验证1.验证的概念证明任何程序、生产过程、设备、物料、活动或系统确实能达到预期结果的有文件明的一系列活动。2.药品生产验证的主要内容设备与厂房和公用设施验证、工艺验证、清洁验证、分析方法验证、计算机验证3.生产工艺验证关键工艺步骤的验证关键工艺参数的验证工艺一致性验证第三节 生物分离纯化技术的发展一、生物分离纯化技术的发展历史1.古代酿造业包括酿酒、制酱(油)、醋、酸奶和干酪等，都是家庭作坊式的，产物基本不经过后处理而直接使用。2.原始分离纯化时期（第一代生物技术产品）主要指19世纪60年代到20世纪40年代青霉素等抗生素出现之前的生物技术产业。3.传统分离纯化方法推广使用时期(传统第二代生物技术产品)以青霉素产品的出现为代表。这一时期的特点是产品类型多，分子结构较为复杂，对分离纯化提出了更高要求。这期间引进吸收了大量的近代化学工业的分离技术，据报道有80的化工单元操作技术被引进生物工业。4. 快速发展时期(第三代生物技术产品)一般认为以20世纪70年代末崛起的DNA重组技术及细胞融合技术为代表。如乙肝疫苗、干扰素等一批对人