生物分离工程概论

生物分离工程,主讲人：董冰雪,主要参考书,教学方式,讲授课堂提问及解答课堂讨论自学自卖网络辅助教学（课件共享）,考核方式,平时考核：30%课程考试：70%,联系方式,TELmail：dongbingxue2004,农业生物技术产品-彩色海芋,資料來源：邰港生技,渔业生物技术产品-观赏用荧光鱼,2009年8月5日，四只身体发出绿色荧光的小老鼠在广州动物园展出。这些来自中山大学实验室的老鼠是通过转基因方法植入了绿色荧光蛋白，这也是2008年诺贝尔化学奖的技术首次应用在广州的动物园展览中。,生物技术产品,生物技术（Biotechnology）涵义,所谓生物技术就是指利用培养微生物、动物细胞、植物细胞等来生产对人有用的产品。（Bybiotechnology,wemeantheuseofcarefullyculturedmicroorganisms,animalcells,andplantcellstoproduceproductsusefultohumans.）利用现代生物学方法（手段）加工成新产品（Theuseofbiologicalprocessestomanufactureproducts）。或者有机体的操作和应用有机体生产有用物质、改善人类生存环境的的技术,生物技术的种类,基因工程细胞工程酶工程发酵工程蛋白质工程,生物加工过程（Bioprocessing）,生物产物的生产过程称为生物加工过程。包括：优良生物物种的选育(上游）生物反应生产产品的过程（中游）目标产物的分离纯化过程（下游）,生物加工过程模式,生物原材料或细胞,基因工程（克隆技术或DNA重组技术）等,新的原材料或新的细胞,产品成型（附加值高）,分离提纯,加工或发酵表达,下游加工过程（downstreamprocessing）,14,生物产品生产过程示意图,本门课程解决的问题,从转基因羊的羊奶中提取出治疗心脏病的药物tPA,生物分离工程,概念：目标产物的(发酵表达)提取、浓缩、纯化及成品化。实质：是研究如何从混合物中把一种或几种物质分离出来的科学技术。重要性：是整个生物技术的一个重要组成部分，其成功与否，是决定一个生物技术成果能否转变为具有实用价值和具有竞争力的产品的重要因素。,Why?,重要性：下游加工过程的成本占整个生物加工过程的大部分(Therecoveryplantusuallyrepresentsamajorinvestmentand,consequentlytheseparationscostasubstantialfractionofthetotalcostofthefinalproduct)如：大多数酶的分离纯化成本约占70-85%基因工程表达产物：85-90%与环境保护有关,生物下游加工过程,生物产物的特殊性、复杂性、要求的严格性分子结构和构象上的要求高质量的要求（Biologicalproductsrequirehighquality：purity,sanitationandsafety)具有生物活性(biologicalactivity)生物活性物质的稳定性较差，易变性产品常存在于复杂的多相体系中,Reason,成分复杂（Complexcomponen）,固体成分包括完整有机体、培养基及底物中的不溶物（Solids:intactorganisms,fragmentedmycelia,insolublefractionsofmediumingredientsresidualsubstrates,insolubles）液体成分包括底物可溶物、代谢中产物及目标产物（Liquid:solubleportionsofresidualsubstrates,metabolicpathwayintermediatesanddesiredproducts）悬液中的目标产物浓度低（desiredproductsindilutesuspension）,生物下游加工过程,分离纯化技术应考虑问题：1.产物所存在的位置（是胞内产物还是胞外产物）2.产物及主要杂质的性质：（分子的大小、疏水性、电荷形式、溶解度、稳定性）等3.产物和主要杂质浓度4.目标产物的价值、用途和质量标准5.废液处理方法,21,生物分离过程的一般流程,生物工业下游技术大致可分为4个阶段,(1)预处理和固液分离：固液分离以除去发酵液中的不溶性固形物杂质和菌体细胞。过滤和离心相比，无论是投资费用还是运转费用，前者都要小得多，因而首选方法应是过滤。(2)提取(初步分离)：目的是除去与产物性质差异较大的杂质，是目的产物要求有较大浓缩比的过程。,生物工业下游技术大致可分为4个阶段,(3)精制(高度纯化)：目的是去除与产物的物理化学性质比较接近的杂质。通常采用色谱分离，结晶特别是重结晶。(4)成品制作：成品形式与产品的最终用途有关，有液态产品也有固态产品，美观的产品形态也是产品档次的一个标志。,分离机理与分离操作,利用目标产物与杂质之间在物理、化学、生物学性质上的差异进行分离。往往需利用多种分离机理，实施多步分离步骤。,分离机理与分离操作,根据物理性质的分离原理，分离操作可分为：机械分离分离对象：非均相物系分离机理：根据物质大小、密度差异进行分离分离方法：过滤、重力沉降和离心沉降等,分离机理与分离操作,传质分离分离对象：均相物系；速度分离分离机理：根据溶质在外力作用下产生的移动速度的差异实现分离。传质推动力主要有压力差、电位梯度和磁场梯度等；分离方法：超滤、反渗透、电渗析和电泳等；平衡分离（扩散分离）分离机理：根据溶质在两相中分配平衡状态的差异实现分离。传质推动力为偏离平衡态的浓度差；分离方法：萃取、结晶、吸附和离子交换等。,分离机理与分离操作,根据化学性质：分子间相互作用，分子识别根据生物学性质：生物亲和作用,回收率,生物下游加工过程的特点,1.操作条件应尽量减少生物物质的生物活性的丧失2.除去影响目标产物稳定性的杂质,如蛋白酶等3.生物产物一般用作医药、食品和化妆品，需除去热原、具有免疫原性的异体蛋白等有害物质4.原料液中目标产物的浓度一般都很低，大多需浓缩5.纯化时注意分离与目标产物在结构与理化性质上相似的杂质,生物下游加工过程的特点,6.获得高纯度的干燥产品（Gethighlypurifieddryproducts）7.需要几步（Severalsteps）8.分离过程精细，成本高（Separationsareelaborateandexpensive）9.清洁生产(Cleanerproduction),纯化方法选择的基本原则,1)尽可能简单、低耗、高效、快速。反面例子-中药现代化、超临界萃取；2)分离步骤尽可能少，每步收率尽可能高。A)分离步骤越多，回收率越低；如Y10=0.9510=0.63，Y5=0.955=0.77B)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。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。,生物技术产品及其下游加工过程的发展,早在公元前4228年就有了应用生物技术酿酒、制奶酪等的记载。Biotechnologyisasoldashistory,fortheearliestknowndocument(4228BC)includesadescriptionofbrewing.Bread,cheese,andyogurtareotherearlyexamplesofproductwhichdependonbiotechnology.,生物技术产品及其下游加工过程的发展,传统（第一代）生物技术产品及下游加工：19世纪60年代起发酵法生产丙酮、酒精、丁醇等下游加工技术：压滤、蒸馏、精馏等第二代生物技术产品及下游加工：20世纪40年代起抗生素、氨基酸、核酸、酶制剂等下游加工技术：化工单元操作或略加改造,Typicalproductsfromfermentation_productsConcentration(g/l)_Antibiotics25Aminoacids100Ethanol100Organicacids100Enzymes20r-DNAprotein10_,生物技术产品及其下游加工过程的发展,第三代生物技术产品及下游加工：20世纪70年代起现代生物技术产品：基因工程、酶工程、细胞工程等产品下游加工技术：超滤、层析、电泳、冷冻干燥等,生物技术产品及其下游加工过程的发展,已商品化生产的现代生物技术部分产品产品类型产品名称动物细胞培养生产的产品干扰素、单抗、乙肝疫苗等植物细胞培养生产的产品人参皂甙、长春花碱、紫草宁等基因工程发酵产品人胰岛素、干扰素、人生长因子等,生物工程下游技术的发展动态,传统分离技术的提高和完善新技术的研究和开发:新型分离介质、新兴分离技术清洁生产:清洁生产工艺(技术)、清洁产品、清洁能源,成本、质量、环境保护是发展方向和推动力,分离效率的评价,目标产品的浓缩程度目标产品的纯度目标产品的回收率成本任务：以低的投入（物力、财力和人力），获得高的产出（高得率、高纯度）,Whatwehavelearned?,WhatisBioprocessing?Thedefinitionandcharacteristicsofdownstreamprocessing.Theflowofdownstreamprocessing.Whichfactorsshouldbeconsideredduringis