生化分离工程绪论

2005 3 21 1 生化分离工程 2005 3 21 2 目的与要求 掌握萃取分离 膜分离 色谱分离 亲和分离等的基本原理及其特点 能在实际工作中掌握几种分离技术的工艺过程及熟悉相关设备 能在生物产品产业化研究及工艺设计中合理应用相应分离技术 2005 3 21 3 主要内容 1 绪论2 萃取分离3 膜分离4 色谱分离5 亲和纯化 2005 3 21 4 教材及参考资料 孙彦 生物分离工程 化学工业出版社 2001严希康 生化分离工程 化学工业出版社 2001刘国诠 生物工程下游技术 第二版 化学工业出版社 2003毛忠贵 生物工业下游技术 中国轻工业出版社 1999欧阳平凯 胡永红 生物分离原理与技术 化学工业出版社 1999 刘茉娥 膜分离技术 化学工业出版社 2000张镜澄 超临界流体萃取 化学工业出版社 2000 2005 3 21 5 国内杂志 膜科学与技术化工进展生物工程学报现代化工化工学报高校化学工程学报化学工程CHINJCHEMENGI离子交换与吸附化学工业与工程 SCI杂志 BIOTECHNOLBIOENG JCHROMATOGA CHEMENGSCI SEPARPURIFMETHOD 2005 3 21 10 1 绪论 1 1生化分离工程的研究对象1 2生化分离工程的重要性1 3生化分离工程的特点1 4生化分离工程的一般工艺过程1 5生化分离工程的发展动态 2005 3 21 11 1 1生化分离工程的研究对象 定义对于由生物界自然产生的或由微生物菌体发酵的 动植物细胞组织培养的 酶反应等各种生物工业生产过程获得的生物原料 经提取分离 加工并精制目的成分 最终使其成为产品的技术 2005 3 21 12 1 2生化分离工程的重要性 生物技术产品一般存在于一个复杂的多相体系中 唯有经过分离和纯化等下游加工过程 才能制得符合使用要求的产品 因此产品的分离纯化是生物技术工业化的必需手段 2005 3 21 13 在生物产品的开发研究中 分离过程的费用占全部研究费用的50 以上 在产品的成本构成中 分离与纯化部分占总成本的40 80 精细 药用产品的比例更高达70 90 显然开发新的分离和纯化工艺是提高经济效益或减少投资的重要途径 生化分离是生物技术产品产业化的必经之路 故而越来越受到人们的重视 2005 3 21 14 1 3生物技术下游加工过程的特点 生物技术产品以粗料发酵为主 粗原料增加了下游操作成本 包括发酵废液的处理成本 其中清液 精料 发酵将是一个方向 目前发酵或培养大多是分批操作 各批发酵液产物浓度和其他物性会出现差异 实际生产中也会出现染菌的发酵液 因而需要技术的适应面宽 操作弹性大 2005 3 21 15 生物活性物质产品的稳定性制约了下游技术的可选范围 发酵液放罐后 应及时快速操作 菌体也可能自溶容易被杂菌污染引起产物的破坏和降解 如原料液中常存在降解目标产物的杂质 如可水解目标蛋白质的蛋白酶 因此要求采用快速的分离纯化方法除去影响目标产物稳定性的杂质 2005 3 21 16 原料液中目标产物的浓度一般都很低 如L 异亮氨酸为2 4 青霉素为3 6 庆大霉素为0 2 胰岛素仅为0 001 原料液中常存在与目标分子结构极其相似的分子及异构体 当生物技术产品是食品或药物时 溶剂的使用受到一定的限制 萃取 色谱 膜分离会受到一定的限制 2005 3 21 17 1 4生化分离工程工艺过程 某一具体产品的分离提取工艺还与下列情况有关 产物本身的性质 是胞内产物还是胞外产物 原料中产物和主要杂质浓度 产物和主要杂质的理化特性及差异 产品用途和质量标准 产品的市场价格 废液的处理方法等 可分为4个阶段 即预处理 提取 精制 成品制作 如图1 1所示 预处理 细胞分离 细胞破壁 碎片分离 提取 精制 成品制作加热过滤匀浆法离心沉淀 重 结晶浓缩调pH离心研磨法双水相吸附离子交换干燥絮凝膜分离酶解法膜分离萃取色谱分离无菌过滤超滤膜分离结晶图1 1生化分离工程一般工艺过程 2005 3 21 19 一般情况下 原料中产品浓度越低 下游技术的成本越高 下游技术的步骤越多 总收率也越低 90 6 53 1 95 6 73 5 重复提取是提高总收率的一个有效方法 如谷氨酸一步等电点结晶 结晶母液如再经过一次离子交换提取 75 1 75 65 91 25 2005 3 21 20 1 5生化分离工程的发展动态 生化分离工程研究动态 传统分离技术的提高和完善新技术的研究和开发下游工程与上游工程相结合强化化学作用对下游工程的影响改进上游因素 简化下游过程 2005 3 21 21 传统分离技术的提高和完善蒸馏 蒸发 过滤 离心 结晶和离子交换等传统技术由于应用面广且相对成熟 对它们的提高和完善将会推动大范围的技术进步 各种新型高效的过滤机械和离心机械的问世 也从一个侧面推动生物工业向更大规模方向发展 适合于大规模工业化生产的传统技术经过改造提高后 适应面会更宽 效率会更高 仍然显示出强劲的生命力 新技术的研究和开发新型分离介质的研究开发膜 树脂和凝胶是主要的新型分离介质 从半渗透膜开始 膜技术已经逐步发展成一个庞大的膜家族 图1 2 膜离子交换膜过滤膜气体分离膜液膜渗析膜新分离膜微滤超滤反渗纳米乳化支持渗透蒸膜萃膜蒸膜吸膜膜透膜滤膜液膜液膜发膜取膜溜膜收膜图1 2膜技术家族图 2005 3 21 23 色谱分离是有机化学和生物化学中大分子分离的一项十分重要的分离技术 属精细分离 如琼脂糖凝胶作为基质 与各种配基结合后制成各种色谱分离介质 开发出一大类各具特色的 对分离生物大分子十分有效的色谱分离技术 2005 3 21 24 子代分离技术各种分离纯化技术相互结合 交叉 渗透 形成形成了所谓融合技术或子代分离技术 如膜技术和萃取 蒸馏 蒸发技术相结合形成了膜萃取技术 膜蒸馏及渗透蒸发技术 又如膜分离过程与亲和配基相结合 形成了亲和膜分离过程 离心分离与膜分离过程相结合 形成了膜离心分离过程等等 2005 3 21 25 其他新兴下游技术由溶剂萃取技术衍生出一大批生化分离技术 如菌体絮凝技术菌体细胞破碎超临界CO2萃取反胶团萃取液膜分离电泳分离磁性亲和分离 2005 3 21 26 聚焦色谱 Chromatofocusing 径向流色谱 radialflowchromatography 连续环状色谱 continuousannularchromatography 高速逆流色谱 highspeedcountercurrentchromatography 拟移动床色谱 SimulatedMovingBedChromatography 2005 3 21 27 下游工程与上游工程相结合发酵与分离耦合过程的研究这一新的技术思路在70年代首先用于厌氧发酵 乙醇发酵过程中 取得了令人满意的效果 近年来逐步发展到用于好氧发酵过程中来 发酵 分离耦合过程的优点是可以解除终产物的反馈抑制效应 同时简化产物提取过程 缩短生产周期 收到一举数得的效果 2005 3 21 28 强化化学作用对下游工程的影响强化化学作用对体相分离能力的影响 一是选择适当的分离剂 增大分离因子 增加对某一组分的选择性 二是向分离体系投入附加组分 改变原来体系的化学位 从而增大分离因子 如手性物质的分离 强化化学作用对相界面传质速率的影响 利用一些相转移促进剂来增大相间的传质速率 如亲和色谱 亲和吸附 亲和过滤 亲和膜分离等 2005 3 21 29 改进