《生化分离工程》第一章 绪论

1、Bioseparation Engineering生化分离工程本课程的目标任务掌握沉淀、萃取、膜分离、层析、电泳等分离方法的基本原理及其特点。能在实际工作中掌握这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。考核计划期末闭卷考试成绩占60%。（试卷包括名词解释10、单项选择10、填空15、判断10、简答20、计算20、设计15）实验操作及实验报告占30%。作业及出勤占10%。第一章 绪 论主要内容1. 生化分离工程的研究对象2. 生化分离工程的重要性 3. 生化分离工程的特点4. 生化分离工程的一般工艺流程5. 生化分离方法的分类6. 分离方法选

2、择的基本原则7. 设计分离方案前应了解的信息8. 对环境的考虑9. 生化分离工程的发展动态1 生化分离工程的研究对象 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。2 生化分离工程的重要性 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。回收率不高。分离纯化昂贵。提供产品竞争力的关键技术之一。环境污染的治理。3 生化分离工程的特点发酵液或培养液是产物浓度很低的水溶液培养液是多组分的混合物生化产物的稳定性差对最终产品的质量要求很高4生化分离工程工艺流程产品的分

3、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。 分离工程的4个阶段：预处理、初步纯化、高度纯化和成品加工，如图1-1所示：图1-1 生化分离工程的一般工艺过程 预处理细胞分离加热调 pH絮凝细胞破碎过 滤离 心膜分离匀浆法研磨法酶解法碎片分离离 心双水相膜分离初步纯化沉 淀吸 附萃 取超 滤高度纯化层 析离子交换吸 附电 泳成品加工无菌过滤超 滤冷冻干燥喷雾干燥结 晶发酵液胞外产物一般情况下，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

4、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(175)6591.25 5 生化分离工程的分类（一）原 理 技 术 应 用Phase change 1) 蒸馏 乙醇沸点和蒸汽压 2) 精馏 有机溶剂回收0h 3) 蒸发 制盐、抗生素富集Extraction 1) 液-液萃取 抗生素分配系数 2) 液-固萃取 中药分离 3) 固相萃取 天然产物4h 4) 双水相萃取 酶 5) 反胶束萃取 DNA重组蛋白质 6) 超临界萃取 中药提取Density difference 1) 常规离心 细

5、胞分离比重、密度 2) 高速离心 细胞、病毒分离2h 3) 超速离心 病毒,细胞器,DNA生化分离工程的分类（二）原 理 技 术 应 用Membrane 1）常规过滤 发酵液膜分离 2）微滤 细菌、细胞碎片 3）超滤 蛋白质、酶 4）纳滤 有机物回收,污水治理 5）反渗透 海水淡化、污水处理Solubility 1）结晶 味精溶解度 2）盐析 蛋白质、酶 3）有机试剂 蛋白质 4）等电点法 蛋白质、酶生化分离工程的分类（三）原 理 技 术 应 用Absorbance 1）非特异性吸附 抗生素(吸附) 2）特异性吸附 抗体 3）亲和吸附 抗原抗体 4）离子交换 抗生素Chromatography

6、 1）凝胶 抗生素、蛋白质(色谱或层析) 2）亲和色谱 抗体 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 3）等速电泳 蛋白类 4）等点聚焦电泳 蛋白类6 分离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；正面例子2)、分离步骤尽可能少。 A) n 为总回收率，n 为各单元回收率。 分离步骤越多，回收率越低；如10 = 0.9510 = 0.63，5 = 0.955 =0.77B) 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譬如，分子

7、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。7 设计分离方案前应了解的信息1）在设计前，首先要掌握的产物物化性质，主要包括：溶解度及影响因素，包括温度、pH值、有机溶剂和盐等；分子量和分子形状；沸点和蒸汽压；极性大小；分子电荷及影响因素，包括pH值和盐等；功能团；免疫原性；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)；分子的淌度及影响因素，包括p

8、H值、离子强度和盐等；等电点pI。2）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） 97.0-103.0 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，% 0.53）进料的组成和物性目的产物的浓度。高？低？物料中的与目的产物相近物质组成的物理化学性质。目的产物的定位。是胞内还是胞外？菌种的种类和形态。微生物的含量和发酵液的黏度。4）生产规模 5）危害性离心产生的气溶胶、发酵产生的废气、干燥产生的粉尘等。目的产物本身的危害

9、性；抗肿瘤代谢类药物，类固醇类抗生素，激素类药物等。试剂危害。萃取试剂CCl4、甲苯、苯、二甲苯、CNBr。微生物的危害。重组DNA工程菌不能任意排放。这一菌种为新的物种，不能排除对生态系统和人的危害。6）分批分离还是连续纯化8 对环境的考虑1) 废水 A、除菌过滤和灭菌处理； B、符合BOD的要求；2) 废料 A、灭菌处理； B、综合利用：动物饲料、饲料添加剂，有机肥料3) 废气 A、除菌过滤和灭菌处理； B、废气（有机溶剂）回收4) 溶剂的回收 A、减少环境排放，减少污染； B、循环利用，减低成本 9 生化分离工程的发展动态9.1 传统分离技术的提高和完善9.2 新技术的研究和开发9.3

10、下游工程与上游工程相结合9.4 强化化学作用对下游工程的影响9.5 改进上游因素，简化下游过程9.1 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。9.2 新技术的研究和开发9.2.1 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）。图1-2

11、 膜技术家族图 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 膜超滤 膜反渗透膜纳米滤膜乳化液膜支持液膜渗透蒸 发膜膜萃取膜膜蒸发膜膜吸收膜 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。 9.2.2 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

12、离与膜分离过程相结合，形成了膜离心分离过程等等。9.2.3 其他新兴下游技术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9.3 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。 9.4 强化化学作用对下游工程的影响 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，

13、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。9.5 改进上游因素，简化下游过程培养基和发酵条件；代谢工程：一般以开发新物种和提高目的产物量为目标，现在除了达到以上目标外，还应设法增加产物的胞外分泌量，减少非目的产物的分泌（如色素、毒素、降解酶及其他干扰性杂质等）以及赋于菌种或产物以某种有益的性质以改善产物的分离特性，从而简化下游加工过程。教材及参考资料严希康.生化分离工程.化学工业出版社,2001孙彦.生物分离工程.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国内相关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CHIN J CHEM ENGI离子交换与吸附化学工业与工程SCI杂志BIOTECHNOL BIOENGJ SEP SCIJ CHE