生化工程学：第1讲 绪论

生化工程学

内容安排第一讲绪论第二讲发酵液的预处理与过滤技术第三讲细胞的破碎与分离第四讲膜分离技术第五讲溶剂萃取法第六-七讲吸附与离子交换技术第七-八讲

色谱法第九讲电泳分离技术第十讲沉淀法第十一讲结晶与干燥概论目录1概论2生物技术下游加工过程的特点及其重要性3生化分离工程操作步骤和单元操作4生化分离工程的沿革5生化分离工程的选择原则6生化分离工程的工艺流程7生化分离加工过程的发展趋势绪论1.生化工程学定义：将化学工程学与生物技术科学相结合的一门交叉学科，它是一门偏向工程性的学科，又称生物化工。化学工程包括单元操作、化学反应工程、传递过程、化工热力学、化工系统工程、过程动态学及控制等方面。2.生化分离工程定义：在工业规模上通过适当的分离纯化技术与装备并耗费一定的能量和分离介质从发酵液，酶反应液或动植物细胞培养液中（四大生化工程中）将生物产品分离，提取并精制成产品一门工程学科。生物技术的下游工程。生物技术转化为生产力（产业化）不可缺少的环节。技术不断的革新。3.生物质-----生物所产生的物质或通过人类的生产活动所产生的有生命的物质活初级加工物化学工程操作与原理电泳+离子交换3.生化分离工程与生物技术上中下游关系（1）生物技术的上、中、下游过程

上游加工----最重要的是提供和制备高产优质和足够数量的生物质。即应用常规选育、基因工程、细胞工程和酶工程手段获得优良菌株、细胞系或固定化的菌体等中游加工----生物反应器---作为生物反应过程的中心即---反应前与后的工序称为上游加工和下游加工。l

下游加工-----从反应液中提取目的产物加工精制成合格产品生化分离工程------包括中、下游两部分。4.

生物质研发的新模式生物信息学基因组学功能基因组学蛋白质组学发现和确证药物靶标天然配基设计新分子产生生物分子库新生物分子下游工程生物药物制剂新的生物药物蛋白质化学NMR，质谱，X－光晶体衍射分析分子结构和活性关系代谢工程糖基化工程蛋白质工程基因工程细胞工程发酵工程酶工程筛选模型先导化合物生物质生产上游技术原则是使下游技术尽量简化

获得目的基因，构建重组质粒

产物分离纯化

构建基因工程菌或细胞

培养工程菌

半成品和成品鉴定及包装

除菌过滤

基因工程制药流程：上游技术下游技术上游DNA重组设计下游的操作工艺和设备原则简化5.生化工程学的研究范围１基因工程２发酵工程３生物反应工程４生化分离工程从事研究的技术领域有发酵技术，基因重组技术，蛋白质工程技术，细胞融合技术，动植物细胞大量培养技术，生物反应器与生化工程设备技术。生物科学与生物技术及其产业的关系生物技术多学科性6.生化分离工程研究范围（１）固－液分离（不溶物去除）

生物材料的处理，发酵液的预处理和菌体的回收，细胞的破碎与分离，离心分离，膜分离过程（凝聚、过滤和离心）（２）初步纯化

除去与目标产物性质有很大差异的杂质，使产物浓度和质量有显著提高（吸附，萃取和沉淀），操作单元比较多生化分离工程学研究范围（３）高度纯化

高度选择性，除去有类似化学功能和物理性质的杂质（层析，电泳和沉淀）（４）成品加工（精制）

浓缩，结晶和干燥,保存----剂型加工7.生物技术下游加工过程的特点生物产品在生产过程的某一个阶段，应用生化反应制得的产品，包括氨基酸，多肽，蛋白质，酶，辅酶，激素，维生素，多糖，脂类，核酸和其降解产物等。传统产品(小分子）发酵生产的有机溶剂，氨基酸，有机酸和抗生素现代生物技术产品（大分子）重组ＤＮＡ技术生产的医疗性多肽和蛋白质、核酸、多糖思考：这些产品有什么特点？生物技术产品及下游加工过程生物技术产品的类型按相对分子质量大小分类Ａ小相对分子质量≤1000：抗生素，有机酸，氨基酸Ｂ大相对分子质量≥1000：酶，抗体多肽，重组蛋白按产品所处的位置分类Ａ细胞内：不被细胞分泌到体外的产品Ｂ细胞外：在细胞内产生，然后分泌到细胞外现代生物技术产品生物产品性质的决定因素生物活性物质反应不同的生理功能维系特定的三维结构：氢键，盐键，二硫键，疏水作用力和范德华力破坏的外界因素：过酸，过碱，高温，剧烈的振荡，重金属离子及细胞自身的酶系生物产品特点１.发酵液和培养液是产物浓度很低的水溶液。生物药物的有效成分在生物材料中浓度很低，杂质的含量相对较高。

如胰腺中脱氧核糖核酸酶的含量为0.004%。胰岛素的含量为0.002％。生长激素抑制素(Somatostatin)在十万只羊的下丘脑中才含有lmg。根据其特点如何得到产品？生物产品特点２.培养液本身是多组分的混合物;生化产物的相对分子质量较大。

如酶类药物的相对分子质量介于一万到五十万之间，抗体蛋白的相对分子质量为五万到九十五万。多糖类药物的相对分子质量小的上千，大的可上百万。根据其特点如何得到产品？生物产品特点3.结构复杂，稳定性差，对酸碱、重金属、热等理化因素的变化较敏感。这类生物药物功能的发挥需要保持其特定的生理活性结构４对最终产品的质量要求很高（医药、食品等精细化工等必须满足药典、试剂标准和食品规范）。根据其特点如何得到产品？（5）所用的材料大多含有丰富的营养成分，利于微生物生长，故易被微生物分解。另外，生产中搅拌力、金属器械及空气等也可能对活性有影响。因此，生产中必须全面严格控制，包括从原料选择和预处理、生产工艺、制剂成型、保藏、运输及使用各个环节。（1）没有固定操作方法。因为生物材料组成非常复杂。一种生物材料常含成千上万成分，各种化合物的形状、大小、分子量和理化性质都各不相同。（2）分离操作步骤多，不易获得高收率。因为有些化合物在生物材料中含量极微，只达万分之一，甚至百万分之一。（3）分离进程必须十分小心的保护这些化合物的生理活性。因为生物活性物质离开生物体后，易变性，破坏，（难点）生化分离工程的特点（5）生物制药的分离方法几乎都在溶液中进行，各种参数（温度，pH，离子强度）对溶液中各种组分的综合影响常常无法固定，以致许多实验设计理论性不强。（6）为了保护目的物的生理活性及结构上的完整性，生物制药中的分离方法多采用温和的逐级分离方法。亲和层析分离具有分离的专一性，高效性。（7）因生物分子对环境反应十分敏感，结构与功能关系比较复杂。（1）.分离纯化早期使用方法的选择一个特异性方法的分辨力愈高，便意味着提纯步骤愈简化，收率愈高。但在分离纯化的早期，宜用分辨力低的方法

由于提取液中的成分复杂，目的物浓度较稀，与目的物理化性质相似的杂质多，所以不宜选择分辨能力较高的纯化方法。早期分离纯化用萃取，沉淀，吸附等一些分辨力低的方法较为有利，这些方法负荷能力大，分离量多兼有分离提纯和浓缩的作用，为进一步分离纯化创造良好的基础。

8.分离纯化的基本策略：A.在相同或相似条件下连续使用同一种分离方法就不太适宜。B.在安排纯化方法顺序时，还要考虑到有利于减少工序，提高效率。（盐析－吸附，吸附－盐析）C.对于一未知物通过各种方法的交叉应用，有助于进一步了解目的物的性质。（3）.分离后期的保护性措施在分离操作的后期必须注意避免产品的损失，主要损失途径是器皿的吸附，操作过程样品液体的残留，空气氧化和某些事先无法了解的因素。（2）.如何安排各种分离纯化方法的使用程序A.每一个分离纯化步骤的好坏，除了从分辨能力和重现性两方面考虑，还要注意方法本身的回收率，特别是制备某些含量很少的物质时，回收率的高低十分重要。B.对每一步骤方法的优劣，体现在所得产品重量与活性平衡关系上。例如酶的分离纯化，每一步骤产物重量与活性关系，通过测定酶的比活力及溶液中蛋白质浓度的比例。（5）、制备物均一性的鉴定均一性是指所获得的制备物只有一种完全相同的成分。（纯度鉴定）生物分子纯度的鉴定方法很多:溶解度法、化学组成分析法，电泳法，免疫学方法，离心沉降分析法，各种色谱法，生物功能测定法，以及质谱法。（4）、分离纯化方法步骤优劣的综合评价例1:青霉素V酸生产工艺配料发酵沉淀溶解

过滤去色脱水硫酸乙酸丁酯乙醇硫酸钠活性碳助滤剂150微米过滤器去颗粒结晶干燥真空包装结晶罐例2:玫瑰精油提取与纯化工艺水蒸汽法蒸馏提取原料装料蒸馏冷凝油水分离粗油馏出水复蒸馏或萃取回收油精制一次油精制产品净化玫瑰精油提取与纯化工艺9.与生物化学工程有关的企业制药业：抗生素、氨基酸、维生素的生产厂家；食品业：醋、酱油、酱、酒等的生产厂家；轻工业：柠檬酸、乳酸、味精、肌苷酸、干酵母、色素、黄原胶、甘油等的生产厂家；化工业：酒精、丙酮、丁醇、衣康酸、丙烯酰胺和聚丙烯酰胺等的生产厂家；饲料业：饲料添加剂的生产厂家；农药业：农用抗生素、微生物肥料、微生物农药等的生产厂家。

玫瑰精油提取与纯化工艺生物技术产品10.生物技术下游加工过程的一般步骤和单元操作

目标物所处的位置、分子大小、电荷多少，产品的溶解度，产品价值、生产规模、产品类型与质量的要求一般步骤(图１．２）１发酵液的预处理与固液分离２初步纯化３高度纯化４成品加工单元操作（重点参考表１．３）液固分离过滤，离心，细胞破壁产品分离纯化蒸馏，萃取，沉淀，吸附，膜技术，液相层析水和溶媒的除去浓缩，干燥单元操作----每一步骤包括若干个单元操作过滤离心细胞破碎单元操作蒸馏萃取11.加工过程的沿革１.第一代生物技术产品的出现１９世纪６０年代以来--现代酿造产业阶段２.第二代生物技术产品的出现２０世纪４０年代以来---发酵工业３.第三代生物技术产品出现２０世纪７０年代中期以来第一代生物技术产品第一代生物技术产品多数是厌氧发酵过程的产物。产物结构比原料更简单。主要技术采用压榨、过滤、蒸馏等手段。生产模式一经验放大为依据。为手工业式，属原始分离纯化期。第一代生物技术产品---19.60第二代生物技术产品--19.40第二代生物技术产品多数是好气发酵过程的产物。酿造产业扩展为发酵产业。产物结构复杂，初级和次级代谢产物。产品的多样性要求分离技术的多样性。生产模式一经验放大为依据。套用化工单元操作，离子交换、色谱、电泳技术处于实验室阶段。第二代生物技术产品---20.40四大工程的迅猛发展，DNA重组和细胞融合技术的突破，推动现代生物产品的上游技术产生，也就引发下游工程的革新。分离技术从回收技术--细胞破碎--初步纯化--高度纯化---产品加工都有革新产物结构复杂，成分有目标性，准确性。第一代基因工程和细胞工程药物投入产业化阶段。第三代生物技术产品---20.70目前工业采用的生物技术１回收技术絮凝，离心，过滤，微过滤２细胞破碎技术珠磨破碎，高压匀浆，冷冻加压释放破碎，化学破碎３初步纯化技术沉淀，吸附，膜分离，超滤技术目前工业采用的生物技术４高度纯化技术各类层析技术，离子交换树脂５成品加工干燥与结晶技术生物技术下游加工过程的选择准则总目标：高产率，低成本具体准则（11条）：１采用步骤数量少（回收率Ψn，0.9510=0.6）提高各步的回收率，减少步骤。２采用步骤的次序要相对合理（各种方法的优点与缺点３产品的规格（杂质含量，纯度）４生产规模（大试，中试，小试）５进料组成（目标物浓度高，分离专一性强）６产品的形式（固体，液体与保存等）７产品的稳定性（热，PH值和氧化程度）８产物的物理性质（溶解度，分子电荷，大小，功能团，稳定性和挥发性）９危害性（物理的，化学的和生物的）１０废水（BOD）１１分批或连续过程（单元操作的的效率问题）12.生物技术下游加工过程的发展动向

低成本，高纯度１基础理论研究基础理论研究研究非理想溶液中溶质与添加物料之间的选择性反应机理研究界面区的结构，控制界面现象和探求界面现象对传质机理的影响下游加工过程数学模型的建立2完善