生物分离工程-第一章绪论课件

1、生物工程下游技术（Downstream technology of bioengineering）学时安排 （40学时）课堂授课 35 学时实验演示 3 学时（实验室） 讨论与交流 1 学时期末复习 1 学时答疑 2 学时（非课堂）自学 4 学时（非课堂）学时安排目录学时目录学时第一章 绪论3第六章 吸附分离技术 4第二章 细胞破碎 3第七章 色谱技术5第三章 生物大分子的初级分离技术 3第八章 电泳技术 4第四章 膜分离技术 5第九章 蛋白质的复性 2第五章 萃取技术 4第十章 干燥、结晶 2理论结合实验演示3讨论与交流、复习总结2参考书目参考教材：生物分离工程 孙彦编著，化学工业出版社，2

2、005年。主要参考书目 生物工程下游技术 刘国诠主编，2002年。 生物分离工程田瑞华，科学出版社，2008年 生物产品分离纯化技术 李从军等，华中师范大学出版社，2009年。Bioseparation Process ScienceAntonio A. Garca等。第一章 绪论3学时学习目的和要求 要求：对本课程有比较初步的认识；掌握：生物下游加工技术的特点；生物分离过程的单元操作原理；了解：生物分离技术的研究内容和发展情况；生物物质的种类和特性；下游加工过程的一般流程；应用：运用生物分离技术的评价方法分析实际问题。生物工程研究领域微生物培养动物细胞培养植物细胞培养天然资源生化材料海洋生物

3、培养生物工程的上中下游上游：菌种，基因工程，分子生物学，遗传学中游：微生物发酵工程，动植物细胞培养 海洋生物培养下游：生物分离工程菌种筛选摇瓶实验发酵罐实验何谓工程（学）？ The application of scientific and mathematical principles to practical ends such as the design, manufacture, and operation of efficient and economical structures, machines, processes, and systems. 将科学及数学原理运用于实际用途的

4、应用手段，如设计、制造并操纵高效、经济的结构、机器、过程及系统 -美国传统词典早期的生物工程的萌芽 美国和英国合作对青霉素进行生产研究（1941年），出现表面培养：1升扁瓶或锥形瓶，内装200mL麦麸培养基 40u/ml Alexander Fleming （1928）生物分离工程的萌芽Golden Time概念的提出血液制品的生产1953年，DNA双螺旋结构的发现1972年，美国斯坦福大学构建了第一个重组DNA分子1996年，克隆羊“多利”诞生在英国的罗斯林研究所1990-2006，人类基因组计划现在，生物信息、生物芯片、胚胎干细胞等生命科学的发展带动生物工程的进步现代生物技术的兴起 两项技

5、术 第一个含有外源基因的重组质粒在细菌内增殖成功（1973年） 细胞融合技术（1975年）直接结果： 上述两项技术的直接此前天然存在于生物体内极微量的生物物质得以通过大量生物培养方式进行商业的生产，出现了现代生物加工过程。 生物加工过程内容 优育生物物种的选育； 生物反应生产粗原料； 目标产物的分离纯化过程； 基因工程遗传与育种生物反应工程生物分离工程下游加工过程的沿革传统产业（第一代）19世纪60年代-20世纪50年代 酒精，丙酮，丁醇第二代生物技术产品 20世纪40年代 抗生素，有机酸，核酸，酶制剂，单细胞蛋白第三代 20世纪70年代中期动物细胞培养植物细胞培养基因工程发酵产品 生物下游加

6、工过程的一般步聚 结构基因组研究的制约因素 在蛋白质克隆和表达系统被不断优化的同时，分离纯化过程蛋白质的错误折叠及产物的不溶及聚合已成为结构基因组计划发展的制约因素。生物分离技术与化工分离技术的区别 化工分离技术：获得纯的化学物质生物分离技术：在得到纯的生物物质同时，还必须关注特定杂质的去除。 与传统的化学试剂的纯度概念不同，生物产物对有害物质有严格的控制，生产过程也要求有严格的管理，在最终产品中往往不允许有极微量的有害杂质存在。生物分离与一般化学分离方法的比较大约80%的化工分离方法可应用于生物分离技术；生物分离一般比化工分离难度大；成分复杂：固体成分包括完整有机体、培养基及底物中的不溶物。

7、液体成分包括底物可溶物、代谢中产物及目标产物。悬液中的目标产物浓度低：获得高纯度的干燥产品、需要几步、分离过程精细，成本高。 生物技术产品的类型按分子量大小小分子产品：（小于1000）抗生素，有机酸，氨基酸大分子产品：（大于1000）酶, 抗体，多肽，蛋白质按产品所处的位置细胞内: 胰岛素，干扰素，重组蛋白质细胞外：抗生素，胞外酶发酵液中主要的产品含量生物产品要求高质量：*purity（纯度）*sanitation（卫生）*biological activity（生物活性）分离过程的成本占产品总投资的大部分：因此必须仔细考虑和设计产品的回收和纯化过程。设计中应考虑下列问题：1. What is

8、 the value of the product? （产品价值）2. What is an acceptable product quality? (产品质量）3. Where is the product in each process stream? （产物在生产过程中出现的位置）4. Where are the impurities in each process stream?（杂质在生产过程中出现的位置）5. What are the unusual physicochemical properties of the product and the principal impuri

9、ties? （主要杂质独特的物化性质是什么？）6. What are the economics of various alternative separations? （不同分离方法的技术经济比较）生物分离技术的重要性 生物产物的特殊性；生物产物所处环境的复杂性；对生物产品要求的严格性； 最终结果：导致下游加工过程度成本往往占整个生物加工过程生产成本的大部分。下游加工技术的一般流程 生物下游加工过程是指目标产物的分离纯化过程，包括产物提取(isolation)产物浓缩(concentration)产物纯化(purification)成品化(polishing)注意：多步分离导致收率降低；Se

10、paration Processes: Extractors溶质在二个互不相容的溶剂的分配系数不同，所造成的溶质的转移。混合器和澄清器生物分离一般分四步A：不溶物的去除过滤离心细胞破碎产物浓度和质量得到了提高B:产物分离离子交换吸附萃取 a. 溶剂萃取 b. 反微团萃取 c. 超临界流体萃取 d. 双水相萃取 以上分离过程不具备特异性，只是进行初分,可提高产物浓度和质量C:产品纯化色谱电泳沉淀以上技术具有产物的高选择性和杂质的去除性D. Polishing （产品的精制） *crystallization（结晶） *drying （干燥） 中药动态水提取生产线流程图BeerStillageFe

11、rmenterBeer StillScreensRotarySprayDriedDriedNeutralCondenserRectifying ColumnPurifying ColumnCondenserHeadsWater Whiskey* Ethanol from fermentation.蒸馏器冷凝器冷凝器酒精可溶性产品FermenterFilterLimeH(2)SO(4)FilterCaSO(4)Spent BeerMyceliumFilterEvaporatorCentrifugeDrierBulkCarbon* Citric acid manufacture菌丝体 柠檬酸 石灰

12、膏剂 废FermentationFiltrationAcidSolventExtractionBaseStrippingWasteAcidFreshExtractionStrippingBaseSpent BeerCrystallizationDryingWaterWaste solventWaste waterBiomass* Penicillin production.反萃取 Production of bakers yeast面包酵母糖蜜 发酵麦芽汁Production of monosodium glutamate 味精注射器结晶 油水分离器 母液Recovery of an extr

13、acellular enzymeRecovery of intracellular enzymesRecovery of penicillin霉菌 菌丝体杂质 Recovery of single-cell protein on a methanol basis甲醇底物甲醇 絮凝 Recovery of toxoid vaccines类毒素疫苗Recovery of whole-cell vaccines澄清器分离技术的选择依据产物所处的位置；产物性质（分子大小、疏水性、电荷形式和溶解度等）；生物加工过程自身的规模和产品的商业价值；一种目标产物的分离手段往往不止一种，根据生产的规模和价值，选择

14、合适的分离技术 生物下游加工过程的特点 满足维持生物物质活性的要求满足快速分离的要求满足纯度和杂质去除的要求满足高效分离的要求满足成本优化的要求 生物分离本质 有效地识别混合物中不同溶质间物理、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和（或）扩大这些差别的分离设备实现溶质间的分离或目标组分的纯化。常用的分离技术及其机理物理性质力学性质重力、离心力、筛分热力学性质状态变化、相平衡传质性质粘度、扩散、热扩散电磁性质电泳、电渗、磁化化学性质化学热力学化学平衡反应动力学反应速率光化学性质激光激发、离子化生物学性质分子识别生物亲和作用、生物学识别输送性质生物膜输送反应、响应、控制免疫系统分

15、离过程分离效果的评价分离因子又称分离因子(separation factor)。表示某一单元分离操作或某一分离流程将两种物质分离的程度。通常有两种定义：(1)单级分离系数，表示物料中两种物质在某一单元分离操作(单级分离操作)前后相对含量的比值。(2)流程分离系数，表示物料中两种物质在经过某一分离流程前后相对含量的比值。收率纯化因子选择性: 又称分离系数(separation factor)，它的定义是：在一定的条件下，进行萃取分离时，被分离的某两种物质的分配系数的比值。即：=1/2。为分离系数(选择度)；1与2分别为物质1与物质2在相同萃取条件下的分配系数。表征了这两种物质萃取分离的难易程度或萃取剂的选择性。若=1，则这两种物质在此条件下不能萃取分离。若1，表明萃取剂对物质1能进行选择性萃取，且愈