生物分离工程-第一章绪论

1、生物工程下游技术生物工程下游技术（Downstream technology of bioengineering）学时安排学时安排 （40学时）学时）n课堂授课 35 学时n实验演示 3 学时（实验室） n讨论与交流 1 学时n期末复习 1 学时n答疑 2 学时（非课堂）n自学 4 学时（非课堂）学时安排学时安排目录目录学时学时目录目录学时学时第一章 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

2、总结2参考书目参考书目n参考教材：生物分离工程 孙彦编著，化学工业出版社，2005年。n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。第一章第一章 绪论绪论3学时学时内容提要内容提要n生物下游加工技术简介生物下游加工技术简介n生物下游加工过程的特点生物下游加工过程的特点n分离机理和分离操作分离机理和分离操作n生物物质生物物质n分离效率的评价分离效率的评价学习目的和要求学习目的和要求

3、n要求：要求：对本课程有比较初步的认识；对本课程有比较初步的认识；n掌握：掌握：生物下游加工技术的特点；生物分离过程生物下游加工技术的特点；生物分离过程的单元操作原理；的单元操作原理；n了解：了解：生物分离技术的研究内容和发展情况；生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；物物质的种类和特性；下游加工过程的一般流程；n应用：应用：运用生物分离技术的评价方法分析实际问运用生物分离技术的评价方法分析实际问题。题。生物工程研究领域n微生物培养n动物细胞培养n植物细胞培养n天然资源n生化材料n海洋生物培养生物工程产业领域n生物制药（抗生素，基因重组蛋白，氨基酸，

4、疫苗，菌苗，天然药物，生化药物，血液制品，抗体，多糖，多肽）n生物化工（乳酸，柠檬酸，苹果酸，丙烯酸，甘油，异丙醇，乙烯）n生物能源（甲醇，乙醇，生物柴油，生物汽油）n生物材料（明胶，胶原蛋白，人造皮肤，从造骨，人造脏器）n生物医学 （诊断试剂，基因治疗，人及生物克隆）n环境生物（环境治理，水污染，土壤污染，风沙治理）n生物食品（醋，啤酒业，酿酒，乳制品，奶制品）n生物资源（动物，植物，微生物）n生物农业 （基因食品，基因植物）生物工程的上中下游n上游：菌种，基因工程，分子生物学，遗传学n中游：微生物发酵工程，动植物细胞培养 海洋生物培养n下游：生物分离工程菌种筛选菌种筛选摇瓶实验摇瓶实验发酵

5、罐实验发酵罐实验n生物技术的目标就是指利用培养微生物、生物技术的目标就是指利用培养微生物、动物细胞、植物细胞来生产对人有用的动物细胞、植物细胞来生产对人有用的产品。产品。何谓工程（学）？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

6、科学及数学原理运用于实际用途的应用手段，将科学及数学原理运用于实际用途的应用手段，如设计、制造并操纵高效、经济的结构、机器、过如设计、制造并操纵高效、经济的结构、机器、过程及系统程及系统 -美国传统词典早期的生物工程的萌芽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：年），出现表面培养：1升扁瓶升扁瓶或锥形瓶，内装或锥形瓶，内装200mL麦麸培养基麦麸培养基 40u/ml Alexander Fleming （1928）生物工程的萌芽生物工程的萌芽生物分离工程的萌芽生物分离工程的萌芽Golden Time概念的提出血液制

7、品的生产n1953年，年，DNA双螺旋结构的发现双螺旋结构的发现n1972年，美国斯坦福大学构建了第一个重年，美国斯坦福大学构建了第一个重组组DNA分子分子n1996年，克隆羊年，克隆羊“多利多利”诞生在英国的罗诞生在英国的罗斯林研究所斯林研究所n1990-2006，人类基因组计划，人类基因组计划n现在，生物信息、生物芯片、胚胎干细胞等现在，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现代生物技术的兴起 n两项技术两项技术 第一个含有外源基因的重组质粒在细菌内增殖第一个含有外源基因的重组质粒在细菌内增殖成功（成功（1973年

8、）年） 细胞融合技术（细胞融合技术（1975年）年）n直接结果：直接结果： 上述两项技术的直接此前天然存在于生物体内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。进行商业的生产，出现了现代生物加工过程。 生物加工过程内容生物加工过程内容 n优育生物物种的选育；优育生物物种的选育； n生物反应生产粗原料；生物反应生产粗原料； n目标产物的分离纯化过程；目标产物的分离纯化过程； 基因工程基因工程遗传与育种遗传与育种生物反应工程生物反应工程生物分离工程生物分离工程下游加工过程的沿革下游加

9、工过程的沿革n传统产业（第一代）传统产业（第一代）n19世纪世纪60年代年代-20世纪世纪50年代年代 酒精，丙酮，丁醇酒精，丙酮，丁醇n第二代生物技术产品第二代生物技术产品 20世纪世纪40年代年代 n抗生素，有机酸，核酸，酶制剂，单细胞蛋白抗生素，有机酸，核酸，酶制剂，单细胞蛋白n第三代第三代 20世纪世纪70年代中期年代中期n动物细胞培养动物细胞培养n植物细胞培养植物细胞培养n基因工程发酵产品基因工程发酵产品 生物下游加工过程的一般步聚生物下游加工过程的一般步聚 结构基因组的研究内容结构基因组的研究内容Bottleneck结构基因组研究的制约因素结构基因组研究的制约因素 在蛋白质克隆和表

10、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生物分离技术与化工分离技术的区别 n化工分离技术：化工分离技术：获得纯的化学物质获得纯的化学物质n生物分离技术：生物分离技术：在得到纯的生物物质同时，还必在得到纯的生物物质同时，还必须关注特定杂质的去除。须关注特定杂质的去除。 与传统的化学试剂的纯与传统的化学试剂的纯度概念不同，生物产物对度概念不同，生物产物对有害物质有害物质有严格的控制，有严格的控制，生产生产过程过程也要求有严格的也要求有严格的管理，在最终产品中往往管理，在最终产品中往往不允许有极微量的有

11、害杂不允许有极微量的有害杂质存在。质存在。 工业应用的生物分离技术工业应用的生物分离技术n 回收技术回收技术: : 絮凝，离心，过滤，微过滤。絮凝，离心，过滤，微过滤。n 细胞破碎技术细胞破碎技术: : 球磨，高压匀浆，化学破球磨，高压匀浆，化学破n 碎技术碎技术n 初步纯化技术初步纯化技术: : 盐析法，有机溶剂沉淀，盐析法，有机溶剂沉淀，n 化学沉淀，大孔吸附树剂，膜分离技术化学沉淀，大孔吸附树剂，膜分离技术n 高度纯化技术高度纯化技术: : 各类层析，亲和，疏水，各类层析，亲和，疏水，n 聚焦，离子交换聚焦，离子交换n 成品加工：成品加工： 喷雾干燥，气流干燥，沸腾干喷雾干燥，气流干燥，

12、沸腾干n 燥，冷冻干燥，结晶燥，冷冻干燥，结晶生物分离与一般化学分离方法的比较生物分离与一般化学分离方法的比较n大约大约80%80%的化工分离方法可应用于生物分的化工分离方法可应用于生物分离技术；离技术；n生物分离一般比化工分离难度大；生物分离一般比化工分离难度大；n成分复杂：固体成分包括完整有机体、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。培养基及底物中的不溶物。液体成分包括液体成分包括底物可溶物、代谢中产物及目标产物。底物可溶物、代谢中产物及目标产物。n悬液中的目标产物浓度低：悬液中的目标产物浓度低：获得高纯度获得高纯度的干燥产品、需要几步、分离过程精细，的干燥产品、需要几

13、步、分离过程精细，成本高。成本高。 生物技术产品的类型生物技术产品的类型n按分子量大小按分子量大小n小分子产品：（小于小分子产品：（小于1000）抗生素，有机酸，氨基）抗生素，有机酸，氨基酸酸n大分子产品：（大于大分子产品：（大于1000）酶）酶, 抗体，多肽，蛋白质抗体，多肽，蛋白质n按产品所处的位置按产品所处的位置n细胞内细胞内: 胰岛素，干扰素，重组蛋白质胰岛素，干扰素，重组蛋白质n细胞外：抗生素，胞外酶细胞外：抗生素，胞外酶发酵液中主要的产品含量products Concentration g/l Antibiotics 25 Amino acids 100 Ethanol 100 O

14、rganic acids 100 Enzymes 20 r-DNA protein 10 in n生物产品要求高质量：n*purity（纯度）（纯度）n*sanitation（卫生）（卫生）n*biological activity（生物活性）（生物活性）n分离过程的成本占产品总投资的大部分：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因此必须仔细考虑和设计产品的回收和纯化过程。纯化过程。设计中应考虑下列问题：设计中应考虑下列问题：n1. What is the value of the product? （产品价值）（产品价值）n2. What is an acce

15、ptable product quality? ( (产品质量）产品质量）n3. Where is the product in each process stream? （产物在生产过程中出现的位置）（产物在生产过程中出现的位置）n4. Where are the impurities in each process stream?（杂质在生产过程中（杂质在生产过程中出现的位置）出现的位置）n5. What are the unusual physicochemical properties of the product and the principal impurities? （主要杂质

16、独特的物化性质是什么？）（主要杂质独特的物化性质是什么？）n6. What are the economics of various alternative separations? （不同分离方法的技术经济比较）（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分离技术的重要性 n生物产物的特殊性；生物产物的特殊性；n生物产物所处环境的复杂性；生物产物所处环境的复杂性；n对生物产品要求的严格性；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。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下游

17、加工技术的一般流程 生物下游加工过程是指目生物下游加工过程是指目标产物的分离纯化过程，标产物的分离纯化过程，包括包括产物提取(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；多步分离导致收率降低；Separation Processes: Extractors溶质在二个互不相容的溶剂的分配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。系数不同，所造成的溶质的转移。混合器和澄清器混合器和澄清器生物分离一般分四步生物分离一般分四步nA：不溶物的去除：不溶物的去除n过滤过滤n离心离心n

18、细胞破碎细胞破碎n产物浓度和质量得到了提高产物浓度和质量得到了提高B:产物分离产物分离n离子交换吸附离子交换吸附n萃取萃取n a. 溶剂萃取溶剂萃取n b. 反微团萃取反微团萃取 n c. 超临界流体萃取超临界流体萃取n d. 双水相萃取双水相萃取n 以上分离过程不具备特异性，只是进行初分以上分离过程不具备特异性，只是进行初分,可提可提高产物浓度和质量高产物浓度和质量C:产品纯化产品纯化n色谱n电泳n沉淀n以上技术具有产物的高选择性和杂质的去除性以上技术具有产物的高选择性和杂质的去除性nD. Polishing （产品的精制）（产品的精制）n *crystallization（结晶）（结晶）n

19、 *drying （干燥）（干燥） 中药动态水提取生产线流程图中药动态水提取生产线流程图 * Ethanol from fermentation.蒸馏器冷凝器冷凝器酒精可溶性产品 * Citric acid manufacture菌丝体 柠檬酸 石灰膏剂 废 * 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 extracellular enzymeRecovery of intrac

20、ellular 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澄清器澄清器分离技术的选择依据分离技术的选择依据n产物所处的位置；产物所处的位置；n产物性质（分子大小、疏水性、产物性质（分子大小、疏水性、电荷形式和溶解度等）；电荷形式和溶解度等）；n生物加工过程自身的规模和产生物加工过程自身的规模和产品的商业价值；一种目标

21、产物品的商业价值；一种目标产物的分离手段往往不止一种，根的分离手段往往不止一种，根据生产的规模和价值，选择合据生产的规模和价值，选择合适的分离技术适的分离技术 生物下游加工过程的特点生物下游加工过程的特点 n满足满足维持维持生物物质生物物质活性活性的要求的要求n满足满足快速分离快速分离的要求的要求n满足纯度和满足纯度和杂质去除杂质去除的要求的要求n满足满足高效分离高效分离的要求的要求n满足满足成本优化成本优化的要求的要求 生物分离本质生物分离本质 有效地识别混合物中不同溶质间有效地识别混合物中不同溶质间物物理、化学和生物学性质理、化学和生物学性质的差别，利用能的差别，利用能够识别这些差别的分离

22、介质和（或）扩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。离或目标组分的纯化。常用的分离技术及其机理常用的分离技术及其机理物理性质物理性质力学性质力学性质重力、离心力、筛分重力、离心力、筛分 热力学性质热力学性质状态变化、相平衡状态变化、相平衡 传质性质传质性质粘度、扩散、热扩散粘度、扩散、热扩散 电磁性质电磁性质电泳、电渗、磁化电泳、电渗、磁化化学性质化学性质化学热力学化学热力学化学平衡化学平衡 反应动力学反应动力学反应速率反应速率 光化学性质光化学性质激光激发、离子化激光激发、离子化生物学性质生物学性质分子识别分

23、子识别生物亲和作用、生物学识别生物亲和作用、生物学识别 输送性质输送性质生物膜输送生物膜输送 反应、响应、控制反应、响应、控制免疫系统免疫系统分分离离过过程程分离效果的评价分离效果的评价n分离因子分离因子又称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。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：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单级分离系数，表示物料中两种物质在某一单元分离操作离操作(单级分离操作单级分离操作)前后相对含量的比值。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。某一分离流程前后相对含量的比值。n收率收率n纯化因子纯化因子n选择性选择性: 又称分离系数又称分离系数(separation factor)，它的定义是：在一定的条件下，进行萃