生物分离工程绪论优秀公开课

生物分离工程Tel:

教材及参考资料孙彦.生物分离工程.化学工业出版社，2005(第二版）严希康.生化分离工程.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CHINJCHEMENG离子交换与吸附化学工业与工程ScienceinChinaB;ScienceinChinaA;ChineseScienceBulletin;ProgNatSci。生物技术(Biotechnology)即有机体的操作和应用有机体生产有用物质、改善人类生存环境的技术。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。1.1生物技术与生物分离生物技术树生物科学与生物技术及其产业的关系美国生物技术产品销售预测领域199820032008年增长率（%）人类疾病治疗9120161002700011人类疾病诊断2100310043007农业4201000230019特制品390900200018非医疗检验2704006008合计12300215003620011美国工业化生物技术研究与发展基金分布图生物技术分类GenicEngineeringCellEngineeringEnzymeEngineeringFermentationEngineeringProteinEngineeringBiochemicalEngineering重要的现代生物技术仪器与设备生物技术的最新进展(1)基因工程方面试管婴儿、细胞融合、蛋白质序列分析，人参培养、转基因(2)生物反应器连续式，柱式、固定化酶、固定化细胞反应器(3)发酵技术如：固定化酶、固定化细胞技术

获得产品的有效途径Rawmaterials原材料Pretreatments预处理Bioreactions生物反应Bioseparations生物分离Products产物生物下游加工在生物技术中的地位

1)生化产品的必经的过程(一夫挡关)。2)回收率不高。抗生素(80%左右)，蛋白质(60-90%)。意义?3)分离纯化昂贵。下游研究费用占整个费用的50%以上；产品的成本构成中分离纯化的成本站全部成本的40-80%;精细和药用产品的成本比率更高;大多数酶70%。意义?4)基因工程的费用。下游占50-80%。基因工程表达产品成本85-90%；劳动力和物力成本占整个劳动力的70-90%。意义?5)中药现代化的重要技术平台。农学、分离科学、生化分析、药学等。6)提供产品竞争力的关键技术之一。WTO，降低生产成本、提高产品标准。7)环境污染的治理（慢性铅中毒）。1按用途分类食品类。保健品类。医用类产品（1998年，719种）。抗生素112种农业用产品（1998年，36种）。生物试剂类（1998年，975种）。2按分子量大小分类Mass<1000D：抗生素、有机酸、aa、多肽类等Mass>1000D：酶、抗原、抗体、多肽、蛋白质类3按发酵时目的产物所在的位置分类cell内：胰岛素、白细胞介素、干扰素、重组蛋白质cell外：抗生素（青霉素、红霉素）、胞外酶（α-淀粉酶）等1.2生物物质与生物分离生化产品的特点1)应用面广。医药卫生、环保、动植物生长调节、食品和试剂等2)种类繁多。分子量X0–X000000，结构功能复杂，生物活性各异。3)目的产物在初始物料中的含量低。青霉素(4.2%)、庆大霉素(0.2%)、干扰素(<50ug/ml)。4)初始物料成分复杂。除少量产物外，还有大量的细胞及碎片、其他代谢物（几百上千种）、培养基成分、无机盐等。5)生物活性物质的稳定性低。易变质、易失活、易变性，对温度、pH值、重金属离子、有机溶剂、剪切力、表面张力等非常敏感。6)产品的质量要求高，尤其是药品等。成品青霉素对其强致敏原---青霉噻唑蛋白必须控制RIA值(放射免疫测定)小于100(1.5*10-6)，蛋白类药物(杂质<2%)、重组胰岛素(Humulin)中杂蛋白小于0.01%。1.3生物分离过程的特点A.生物工程的主要特点是生物制品多种多样，产品的多样性导致分离方法的多样性Typesofmoleculesmanufacturedbyfermentation还可以增加胰岛素、生长激素、干扰素等基因工程产品MoleculartypeNumberofspeciesAntibiotics85Aminoacids18Enzymes15Organicacidsandsolvents11Vitamins,yeast,growthfactors,nucleotides6Miscellaneous-dextrans,steroidbiooxidations8Total143

B.绝大多数生物分离方法来源于化学品的分离方法

大约80%的化工分离方法可应用于生物分离技术中

用于生物技术的分离方法类型C.生物分离一般比化工分离难度大

1.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、代谢中产物及目标产物。2.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；生物分离的流程与单元操作生物分离具有许多相似的单元操作生物分离一般分四步A.Removalofinsolubles(3unitoperations)（不溶物的去除）*filtration（过滤）*centrifugation（离心）*celldisruption（细胞破碎）

（产物浓度和质量得到了提高）B.Isolationofproducts（产物分离）adsorption-ion-exchang（离子交换吸附）extraction（萃取）a.solventextraction（溶剂萃取）b.reversedmicelleextraction（反微团萃取）c.supercriticalfluidextraction（超临界流体萃取）d.two-aqueousphaseextraction（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）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：扩散；电磁性质：磁化；1.4、生物分离技术和原理2）化学性质化学热力学：化学平衡；化学反应动力学：反应速率；化学解离性质：极化、离子化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。生物分离过程的一般流程生物分离操作及其分离机理

设计中应考虑下列问题1.Whatisthevalueoftheproduct?（产品价值）2.Whatisanacceptableproductquality?(产品质量）3.Whereistheproductineachprocessstream?（产物在生产过程中出现的位置）4.Wherearetheimpuritiesineachprocessstream?（杂质在生产过程中出现的位置）5.Whataretheunusualphysicochemicalpropertiesoftheproductandtheprincipalimpurities?（主要杂质独特的物化性质是什么？）6.Whataretheeconomicsofvariousalternativeseparations?（不同分离方法的技术经济比较）方法选择的基本原则设计前应了解的信息1）在设计前，首先要掌握的产物物化性质，主要包括：(1)溶解度及影响因素，包括温度、pH值、有机溶剂和盐等；(2)分子量和分子形状。对于高分子物质非常有意义；(3)沸点和蒸汽压。对于热稳定的小分子物质非常有意义；(4)极性大小；(5)分子电荷及影响因素，包括pH值和盐等；(6)功能团。功能团为萃取剂和特异性吸附的选择提供依据；(7)免疫原性。设计亲和色谱；(8)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)；(9)分子的淌度及影响因素，包括pH值、离子强度和盐等；(10)等电点pI；2）成品规格（或产品质量标准）

五肽胃泌素的上海市药品标准指标名称指标含量（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，%0.5

3）进料的组成和物性(1)目的产物的浓度。高？低？(2)物料中的与目的产物相近物质组成的物理 化学性质。(3)目的产物的定位。是胞内还是胞外？(4)菌种的种类和形态。(5)微生物的含量和发酵液的黏度。4）生产规模

5）危害性(1)离心产生的气溶胶、发酵产生的废气、干燥产生的粉尘等。(2)目的产物本身的危害性；抗肿瘤代谢类药物，类固醇类抗生素，激素类药物等。(3)试剂危害。萃取试剂CCl4、甲苯、苯、二甲苯、CNBr。(4)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；

2)分离步骤尽可能少。Why?

A)、

φn为总回收率，λn为各单元回收率。意义？ 分离步骤越多，回收率越低；如φ10=0.9510=0.63，φ5=0.955=0.77 B)、分离步骤多，设备投入大，人员物资消耗大，生产周期长How?几个原则3)避免相同原理的分离技术多次重复出现 比喻，分子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。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；1.5 生物分离效率1）浓缩率（富积率，concentrationfactor）浓缩程度

原料(Rawmaterial)

分离器

产品(Product)

FW,VW,cT,W,cX,W

废液(Wastefluid)意义：1）如mT

>1，则目标产物得到富积；2）如mT

=mX，则目标产物未得到分离纯化。

2)分离因子(separativefactor)，或分离系数(separativecoefficient)

意义：A、目标产物浓度，杂质浓度，则分离因子大，分离效率；B、=1时，则未分离。故在分离为主要目的时,3)回收率(recovery)：4)纯化因子(purificationfactor)对于具有生物活性的蛋白质或酶，常常用分离前后目标产物的比活A[U/mg]之比表示目标产物的分离纯化程度，1.6生物分离工程的发展趋势（1）操作与方法集成化（2）亲和技术推广与配基合成（分子印迹）（3）优质层析介质开发（大孔亲水介质，贯注层析介质）（4）下游技术与上游技术相结合（5）改进上游因素（菌种，培养基与发酵条件）（6）改善环境相容性存在的问题：研发费用高、成本高、周期长——生物工程发展的瓶颈

如何解决？1)、加强基础理论研究A、研究非理想溶液中溶质与添加物料之间的选择性机制、影响因素B、研究界面的结构、动力学和传质机制，以及影响因素C、下游加工过程的数学模型的