生物分离工程

绪论1.1生物分离工程在生物技术中的地位

1.1.1定义

生物产品 ①生物界自然产生②微生物菌体发酵过程——>发酵液分离③动植物细胞培养过程——>反应液

生物产品④酶反应过程

——>培养液精制

生物分离工程从发酵液、反应液和培养液中分离、精制有关产品的过程称为生物分离工程（Bio-SeparationsEngineering）亦称下游技术（DownstreamProcessing）

1.1.2在生物技术中的地位生物产品的成本构成传统液体混合物产品（分离成本约10%）

啤酒、葡萄酒等发酵饮料（简单固液分离和无菌处理）小分子生物产品（分离成本约30%，分离、精制部分的投资占整个投资的60%）酒精，丙酮，丁醇，抗生素，有机酸，核酸，酶制剂，单细胞蛋白生物活性产品（分离成本约占整个生产费用的80%-90%）动物细胞培养植物细胞培养基因工程发酵产品1.1.2在生物技术中的地位生物分离工程的落后阻碍生物技术的发展一方面生物技术（基因工程、细胞工程）的新成果没有合适的提取和精制的方法就不能转化为生产力。另一方面，如果提取和精制方法落后，收率太低，成本太高，其生物产品的竞争力就不强（如甘油、衣康酸等）。发酵液中目标物浓度与产品售价1.2生物工业下游技术的特点1.2.1原料及产品特性成分复杂目标产物浓度低收率低易失活不稳定性几种典型产品的发酵液的浓度浓度（g/L）含量（%）抗生素252.5氨基酸10010酒精10010有机酸10010酶202R-DNA蛋白质11收率计算由于起始浓度低，杂质多，而产品要求纯度高，因此常需好几步操作，其结果使得生物产品的收率较低。例：假设每步操作的收率为90%，若包含3步操作，则总收率为72.9%，若包含6步操作，则总收率真为53.1%。1.2.2生物分离过程设计的原则

时间短(放罐后必须尽快提取)温度低。PH适中清洁卫生，勤清洗消毒。生物安全（bio-safety）问题，要在密闭状态下防止菌体扩散。

发酵液放罐后，由于条件改变，会继续按另外的途径进行生物反应，使产物浓度下降或部分失活，特别是杂菌的感染，会引起产品的破坏。因些，对于初级提取或分离设备，往往不能按一天的生产能力来设计。例：某生物产品厂，每天发酵3个罐，发酵液总量为90m3，发酵醪成熟后要求在3h内完成初步分离，则该厂初步分离设备的产能力应生≥10m3/h。生产能力设计1.2.3生物分离过程的选择①（根据）目标产物的分子结构，物理化学特性，分子量大小等。②主要杂质的成分与含量尤其是分子结构，大小和理论性质与目标产物接近的杂质。③目标产物在分离中的稳定性如耐酸碱性，耐高温，耐有机溶剂。1.3生物下游加工过程的一般步骤工业应用的生物分离技术①回收技术:絮凝，离心，过滤，微过滤。②细胞破碎技术:球磨，高压匀浆，化学破碎技术③初步纯化技术:沉淀，离子交换，萃取，膜分离技术，盐析法，有机溶剂沉淀④

高度纯化技术:离子交换，结晶，重结晶，各类层析如：亲和，疏水，聚焦，离子交换，凝胶等⑤

成品加工喷雾干燥，气流干燥，沸腾干燥，冷冻干燥，结晶1.4分离效率的评价评价一个分离过程的效率主要有三个标准。即：目标产物浓缩程度(concentrationfactor)

分离纯化程度(separationfactor)

回收率(recoveryrate)生物反应过程示意图分离过程评价C、P、W分别为原料、产品、废料F为流速c、T、X分别为浓度、目标产物、杂质

分离效率评价1.5生物分离工程的发展方向1.5.1新型分离方法的研究与开发①膜分离技术完善与推广应用②亲和技术③色谱分离技术④吸附技术⑤新型萃取技术⑥复合（集成）分离技术的研究1.5生物分离工程的发展方向1.5.2上游技术对下游过程的影响①将胞内产物变为胞外产物②选择便于产品分离的培养基③通过代谢工程和基因工程的方法，减少影响目标产物分离的副产物的形成。1.5生物分离工程的发展方向1.5.3原位分离技术研究

——发酵培养与产品分离耦合技术（1）避免或减少产物反馈抑制作用（2）减少生物活性物质产品的失活损失生物分离工程的研究方向（1）基础理论研究（2）开发新型和经济高效的下游加工技术（3）工程问题的研究（4）向清洁生产工艺转变现代生物分离工程的研究方向与特点（1）大规模，高选择性（液膜萃取，逆胶束萃取，两水相萃取，反渗透，纳米过滤，渗透蒸发，亲和膜过滤，亲和错流过滤，亲和沉淀，分子模板，分子筛，分子蒸馏）（