河北农业大学生物分离工程第一章 绪论

《生物分离工程》BioseparationEngineering河北农业大学生命科学学院制药工程系课程性质生物分离工程是制药工程本科专业专业必修课。生物分离工程是生物工程的重要分支，主要讲述生物活性物质的各种分离纯化技术，是生物工程产业化的必要手段和重要环节，是一门应用性、实践性较强的专业课。教学目的本课程主要讲授生物活性物质中各种杂质的去除、分离、纯化和精制技术，是生物工程中不可缺少的组成部分。通过对本课程的学习，能使学生针对不同产品的特性，较好地运用各种分离技术来设计合理的提取、精制的工艺路线。能从理论上解释各种现象，提高分析问题和解决问题的能力，是一门理论和实践密切结合的课程。教学任务

了解生物体系的基本特点及对分离过程的特殊要求，掌握生物物质的分离纯化方法的基本概念、原理、工业操作方式及其适用性。把前驱课程中学到的基础理论知识，全面灵活地运用在生物物质分离过程的基本原理和相关的工程问题中，并努力做到理论联系实际。培养创新能力，综合运用各种生物分离方法设计工艺路线。

考核及成绩评定（1）平时成绩，形式有：课堂讨论、作业、论文、考勤等。（2）实验成绩。（3）考试成绩：闭卷考试。主要内容

学习提取有用物质的技术。生物技术产品的分离纯化的原理、方法、过程理论及其应用。主要内容包括固液分离法、细胞破碎法、超临界流体萃取、双水相萃取、吸附分离法、离子交换法、膜分离方法、层析分离法、结晶法等以及一些最新生化分离技术的进展。选用教材References-books田瑞华．生物分离工程．北京：科学出版社，2008曹学君．现代生物分离工程．上海：华东理工大学出版社，2007毛忠贵．生物工业下游技术．北京：中国轻工业出版社，1999严希康．生化分离工程．北京：化学工业出版社，2001孙彦．生物分离工程．北京：化学工业出版社，2005References-books刘国诠．生物工程下游技术（第二版）．北京：化学工业出版社，2003A.A.Garcia,M.R.Bonen,J.Ramirez-Vick,M.SadakaandA.Vuppu.生物分离过程科学．北京：清华大学出版社，2002R.G.Harrison,P.Todd,S.R.Rudge,D.P.Petrides.BioseparationsScienceandEngineering.NewYork:OxfordUniversityPress,2003A.A.Garcia,M.R.Bonen,J.Ramirez-Vick,M.SadakaandA.Vuppu.BioseparationProcessScience.Massachusetts:BlackwellScience,Inc.,1999References-booksP.A.Belter,E.L.Cussler,W.Hu.Bioseparations:DownstreamProcessingforBiotechnology.NewYork:JohnWiley&Sons,1988D.Forciniti.IndustrialBioseparations:PrinciplesandPractice.Iowa:Wiley-Blackwell,2008

M.R.Ladisch(PurdueUniv).BioseparationsEngineering:Principles,PracticeandEconomics.NewYork:JohnWileyandSons,2001RajaGhosh.PrinciplesofBioseparationsEngineering.NewYork:WorldScientific,2006References-journals色谱膜科学与技术离子交换与吸附生物工程学报高校化学工程学报现代化工化工进展化工学报化学工程化学工业与工程ChinaJournalofChemicalEngineeringReferences-SCIjournalsJournalofChromatographyA

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www.tandf.co.uk/journals/titles/15422119.aspSeparationScienceandTechnology

www.tandf.co.uk/journals/titles/01496395.asp生物产品生产过程示意图本门课程解决的问题菌种筛选摇瓶实验发酵罐实验IndustrialScaleupTotransferthepilotscaleresultsintoacommerciallyfeasibleproductionsetting.Fermentorsizesrangefrom100Lto500,000L,dependingonproducts.在疾病治疗方面的应用生物制药抗生素基因治疗第一章绪论第一节生物技术与生物分离第二节生物分离概述第一节生物技术与生物分离生物技术是以生命科学为基础，利用生物体（或生物组织、细胞及其成分）的特征和功能，设计构建具有预期性状的新物种或新品系，并与工程相结合，利用这样的新物种、新品系进行加工生产，为社会提供商品和服务的一个综合性的技术体系。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产品。生物技术树生物科学与生物技术及其产业的关系生物技术多学科性生物技术分类GenicEngineeringCellEngineeringEnzymeEngineeringFermentationEngineeringProteinEngineeringBiochemicalEngineering生物技术发展阶段重要的现代生物技术仪器与设备从微生物、工程菌、动植物工程细胞培养液、酶反应液以及动植物材料中提取、纯化、加工目的产物的过程，通称生物分离或下游过程（技术）。生物分离的目的是从微生物细胞或其发酵液、酶反应液、动植物细胞或其培养液中分离、提取、精制生化产品和处理副产物。一、生物分离定义第二节生物分离概述生物分离工程是生物技术的下游加工技术，属生物技术的重要组成部分，是生物技术成果实现产业化的基础保证和必备环节。生物分离过程特性主要体现在生物产物的特殊性、复杂性和对生物产品要求的严格性上，其结果导致分离过程成本往往占整个生产过程成本的大部分。

例如，大多数工业酶的分离过程成本往往占整个生产过程的70%，而对纯度要求更高的医用酶如天冬酰胺酶，分离过程成本高达生产过程的85%；基因重组蛋白质药物的分离过程成本一般占85%~90%以上。与此相比，小分子生物产物的分离成本较低，如青霉素的分离过程成本约占50%，而乙醇的分离过程成本仅占14%。因此，在生物大分子药物的生产过程中，分离过程的质量往往决定整个生物加工过程的成败。开发高效的分离技术、设计合理的生物分离过程可大幅度降低生物加工过程成本，提高产品的市场竞争力，促进人类健康水平和生活质量的提高以及社会经济的发展。1、生物制品的多样性而导致的生物分离方法的多样性。生物制品除糖类、脂类、蛋白质、氨基酸、核苷酸等以外，还有胰岛素、生长激素、干扰素等基因工程产品，产品的多样性导致分离方法的多样性。二、生物分离技术的特点2、绝大多数生物分离方法来源于化学品的分离方法。大约80%的化工分离方法应用于生物分离技术中。3、生物分离一般比化工分离难度大①体系成分复杂。固体成分包括完整有机体、培养基及底物中的不溶物；液体成分包括底物可溶物、代谢中间产物及目标产物。②悬液中的目标产物浓度低，杂质含量高，操作复杂，过程精细。目的物浓度一般千分之一甚至万分之一左右。体系包含培养基成分，菌体，菌体代谢产物，各种蛋白质，核酸等等。成分相当复杂。获得高纯度的干燥产品需多步操作。

Typicalproductsfromfermentation③固液分离难度大。发酵液、培养液是复杂的多相体系，分散在其中的固体和胶体物质具有可压缩性，其密度和液体相近，粘度大，从中分离固体很难。④整个分离过程要求条件温和。欲分离的目的产物，通常不稳定。对热、pH、有机溶剂、机械剪切，往往导致失活。而且所分离的物质往往要求纯度高，增加了分离的难度，如医药制品等。整个过程必须温度合适，pH合适，时间短，避免染菌。⑤分离过程十分艰难，收率低，代价高。分离过程所占费用是产品的总成本的40～80%。基因工程的精细产品一般占到总成本的70～90%。4、生物分离是包括各种物理、化学、生物学的各种技术的综合应用的技术体系。鉴于生物分离的以上特点，因此必须仔细考虑和设计产品的回收和纯化过程。产品价值产品质量产物在生产过程中出现的位置杂质在生产过程中出现的位置主要杂质独特的物化性质是什么不同分离方法的技术经济比较三、设计生物分离过程时应考虑的问题1、不溶物的去除（固液分离）——预处理

包括过滤、离心、细胞破碎等，产物浓度和质量得到了提高。四、生物分离的一般步骤2、产物提取（浓缩）产物初步纯化的过程。将目标产物与性质差异较大的杂质分开，可大幅提高产物浓度。往往多单元协同操作，如吸附、萃取、沉淀、超滤等。以上分离过程不具备特异性，只是进行初分，除去主要杂质。3、产品的纯化产物被高度纯化，除去与目标物性质接近的杂质。采用的技术具有产物的高选择性和杂质的去除性，即可以除去微量的杂质。如色谱、电泳、层析等。4、

产品精制

将纯化的产品按要求制成商用成品。按商品要求的用途、纯度、剂型等进行最后加工。如结晶、喷雾干燥、冷冻干燥等。生物分离过程的一般流程生物分离与纯化的一般工艺过程中药动态水提取生产线流程图

BeerStillageFermenterBeerStillScreensRotarySprayDriedDriedNeutralCondenserRectifyingColumnPurifyingColumnCondenserHeadsWaterWhiskey*Ethanolfromfermentation.FermenterFilterLimeH(2)SO(4)FilterCaSO(4)SpentBeerMyceliumFilterEvaporatorCentrifugeDrierBulkCarbon

*CitricacidmanufactureFermentationFiltrationAcidSolventExtractionBaseStrippingWasteAcidFreshExtractionStrippingBaseSpentBeerCrystallizationDryingWaterWastesolventWastewaterBiomass

*Penicillinproduction.Productionofbaker'syeastProductionofmonosodiumglutamateRecoveryofanextracellularenzymeRecoveryofintracellularenzymesRecoveryofpenicillinRecoveryofsingle-cellproteinonamethanolbasisRecoveryoftoxoidvaccinesRecoveryofwhile-cellvaccines生物分离的本质是物质的分离。生物分离的基本原理是指根据混合物（包括原子、离子、分子、分子复合物、分子聚合体、和细胞、细胞碎片和颗粒等）中各种溶质间具有物理、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能够扩大这些差别的分离设备，实现各种物质的分离，或使被分离的目的产物得以纯化。五、生物分离基本原理SeparationProcesses

性质不同的物质在分离过程中，具有不同的传质速率或平衡状态，从而可实现彼此的分离。

力学性质

溶质的密度、尺寸、大小和形状。利用这些力学性质的不同可进行颗粒（如细胞）的重力沉降，分子或颗粒的离心分离和膜分离。热力学性质

溶质的溶解度（液相固相平衡）、挥发度（气液相平衡）、表面活性剂及在相间的分配平衡行为的差异等性质，可进行蒸馏、蒸发、吸收、萃取、结晶、沉淀、泡沫分离、吸附和离子交换分离等。

1、物理学性质传质性质

粘度、分子扩散系数和热扩散现象等，利用传质速度的差异也可进行分离，如透析。电磁性质

溶质的荷电特性，如电荷分布、电离度、等电点和磁性等可采用电泳、电色谱、电渗析、离子交换、磁性分离等方法进行分离。化学热力学性质（化学平衡常数）反应动力学(反应速率)化学解离特性（激光激发作用极化、离子化）

化学吸附和化学吸收是利用化学反应进行的分离的典型例子。2、化学性质

3、生物学性质生物分子识别：生物亲和作用；生物输送性质：生物膜输送；生物反应、控制：酶反应、免疫系统。原理分离纯化技术产物举例分子大小形状离心超滤微滤透析电渗析凝胶色谱菌体、细胞碎片、蛋白质蛋白质、多醣、抗生素菌体、细胞尿素、盐、蛋白质氨基酸、有机酸、盐、水盐、分子大小不同的蛋白质溶解度挥发性萃取盐析结晶蒸馏等电点沉淀有机溶剂沉淀氨基酸、有机酸、抗生素、蛋白质、香料蛋白质、核酸氨基酸、有机酸、抗生素、蛋白质乙醇、香精蛋白质、氨基酸蛋白质、核酸原理分离纯化技术产物举例带电性电泳离子交换色谱等电点沉淀蛋白质、核酸、氨基酸氨基酸、有机酸、抗生素、蛋白质、核酸蛋白质、氨基酸化学