生物分离工程第绪论课件

2024/7/8课程安排课程安排讲课讲课32学时学时课程考核：课程考核：期末考试占期末考试占80%，平时成绩占，平时成绩占20。2024/7/8第一章第一章 绪论绪论第二章第二章 过滤过滤第三章第三章 离心与沉降离心与沉降第四章第四章 细胞破碎细胞破碎第第五五章章 萃取萃取第六章第六章 吸附及离子交换吸附及离子交换第七章第七章 色谱分离色谱分离第第八八章章 沉析沉析第第九九章章 膜分离和电泳膜分离和电泳第十章第十章 结晶与干燥结晶与干燥2024/7/8发酵液发酵液预处理预处理细胞分离细胞分离细胞破碎细胞破碎细胞碎片分离细胞碎片分离初步纯化初步纯化胞胞外外产产物物高度纯化高度纯化成品加工成品加工发酵液的发酵液的预处理与预处理与固液分离固液分离原料预处理扩大培养培养基微生物菌株2024/7/8第一章第一章 绪论绪论第一节第一节 生物分离工程的性质、内容与分类生物分离工程的性质、内容与分类第二节第二节 生物分离工程的一般流程生物分离工程的一般流程第三节第三节 生物分离过程的特点生物分离过程的特点第四节第四节 生物分离工程的发展历程和动态生物分离工程的发展历程和动态2024/7/8 一、生物分离工程的性质一、生物分离工程的性质 1、生物工程、生物工程上游：育种、基因工程、细胞工程、酶工程上游：育种、基因工程、细胞工程、酶工程 及发酵工程及发酵工程下游：生物产品的回收下游：生物产品的回收生物分离技术生物分离技术第一节第一节 生物分离工程的性质、内容与分类生物分离工程的性质、内容与分类2024/7/8上游加工过程：功能物质的发上游加工过程：功能物质的发现及优良物种选育（基因工程、现及优良物种选育（基因工程、细胞工程）细胞工程）生物工程中游加工过程：将原料大规模转中游加工过程：将原料大规模转化为生物物质（酶工程、发酵工化为生物物质（酶工程、发酵工程、动植物细胞培养）程、动植物细胞培养）下游加工过程：获得产品（下游加工过程：获得产品（生化分离生化分离）生物技术各分类间关系生物技术各分类间关系生物技术上游与下游加工过程生物技术上游与下游加工过程 2.生物技术生物技术产品产品2.1 生物技术产品定义生物技术产品定义：发酵、动植物细胞培养、酶反应液和动植物组织细胞与体液中获得的产品2.2内容：常规生物技术产品和现代生物技术产品2.3特点：（1）具有一定的生理活性结构复杂（2）分布广泛胞内胞外（3）原始浓度（含量）偏低（4）组分复杂（5）产物稳定性差 批间差异大（6）质量要求高（生物医药）（7）价格贵（经济性）l3.生物分离工程：生物分离工程：为提取生物产品时所需的原理、方法、技术的一为提取生物产品时所需的原理、方法、技术的一门技术科学，指从发酵液、动植物细胞培养液、酶门技术科学，指从发酵液、动植物细胞培养液、酶反应液和动植物组织细胞与体液等中提取、分离纯反应液和动植物组织细胞与体液等中提取、分离纯化、富集生物产品的化、富集生物产品的过程过程(Downstream Processing)。l单元操作单元操作：完成一道工序所需的一种方法和手段。完成一道工序所需的一种方法和手段。生化分离生化分离 生物分离工程原理生物分离工程原理 分离的本质分离的本质在于有效识别混合物中不同溶在于有效识别混合物中不同溶质间物理、化学和生物学性质的差别。质间物理、化学和生物学性质的差别。物理性质：物理性质：力学、热力学、电磁性质；力学、热力学、电磁性质；化学性质化学性质：化学热力学、化学反应学、光：化学热力学、化学反应学、光化学；化学；生物学性质生物学性质：分子识别。：分子识别。分离是混合的逆过程，需要作功才能实现，分离是混合的逆过程，需要作功才能实现，而且需要有专门过程和设备。如酒精而且需要有专门过程和设备。如酒精-水水2024/7/8二、生物分离工程的研究内容二、生物分离工程的研究内容1、生物分离工程主要目标产品类型、生物分离工程主要目标产品类型 直接获得产品、间接获得产品直接获得产品、间接获得产品（1）按产品的相对分子量大小分）按产品的相对分子量大小分：小分子：小分子：1000(酶、抗体、多肽、蛋白质）酶、抗体、多肽、蛋白质）（2）按产品所处的位置分：）按产品所处的位置分：细胞内：胰岛素、干扰素、重组蛋白质细胞内：胰岛素、干扰素、重组蛋白质 细胞外：抗生素、胞外酶细胞外：抗生素、胞外酶2024/7/8 2、生物分离工程技术原理的探讨、生物分离工程技术原理的探讨 3、生物分离工程设备的研究、生物分离工程设备的研究 4、生物分离操作过程的设计与优化、生物分离操作过程的设计与优化 2024/7/8 三、生物分离过程的分类三、生物分离过程的分类 可以按被分离物质的性质分类，也可以按分离过可以按被分离物质的性质分类，也可以按分离过程的本质分类。程的本质分类。1、按被分离物质的性质分类：、按被分离物质的性质分类：物理分离法、化学物理分离法、化学分离法、物理化学分离法。分离法、物理化学分离法。2、分离过程的本质分类：、分离过程的本质分类：平衡分离过程平衡分离过程（根据不同组分在两相间分配平衡（根据不同组分在两相间分配平衡的差异实现分离）、的差异实现分离）、差速分离过程差速分离过程（利用外加能量（利用外加能量强化不同组分迁移的速度差进行分离）、强化不同组分迁移的速度差进行分离）、反应分离反应分离过程过程（利用外加能量或化学试剂，促进化学反应进（利用外加能量或化学试剂，促进化学反应进行而达到分离）。行而达到分离）。2024/7/8 例：例：（1）Absorbance 1）非特异性吸附 抗生素 (吸附)2）特异性吸附 抗体 3）亲和吸附 抗原抗体 4）离子交换 抗生素（2）Chromatography 1）凝胶 抗生素、蛋白质 (色谱或层析)2）亲和色谱 抗体 3）离子交换 蛋白质（3）Electric Field 1）磁性免疫微球 抗原抗体 (场致分离)2）区带电泳 蛋白质 3）等速电泳 蛋白类 4）等点聚焦电泳 蛋白类2024/7/8四、生物分离工程的重要性四、生物分离工程的重要性 1 1、生物产品特点、生物产品特点（1 1）粗料发酵：）粗料发酵：酒精、柠檬酸、酶制剂等；酒精、柠檬酸、酶制剂等；（2 2）产物浓度低的水溶液）产物浓度低的水溶液 （A A、氧传递限制；、氧传递限制；B B、细胞量；、细胞量；C C、产物抑制、产物抑制）；）；（3 3）组分复杂）组分复杂（大分子、小分子、可溶物、不可溶（大分子、小分子、可溶物、不可溶 物、化学添加物）；物、化学添加物）；（4 4）产物稳定性差）产物稳定性差（化学降解、微生物降解）；（化学降解、微生物降解）；（5 5）质量要求高）质量要求高（食品或药品）；（食品或药品）；（6 6）分批操作，生物变异性大。）分批操作，生物变异性大。2024/7/8 2、生物分离工程的重要性、生物分离工程的重要性（1）生化产品的必经的过程。）生化产品的必经的过程。（2）回收率不高。）回收率不高。抗生素抗生素(80%左右左右)，蛋白质，蛋白质(60-90%)。（3）分分离离纯纯化化昂昂贵贵。分分离离纯纯化化成成本本占占总总成成本本40-80%；药用产品的成本更高；大多数酶药用产品的成本更高；大多数酶70%。（4）基因工程的）基因工程的R&D费用，分离纯化占费用，分离纯化占50-80%。（5）中药现代化的重要技术平台。）中药现代化的重要技术平台。生化分析、药学等。生化分析、药学等。（6）提高产品竞争力的关键技术之一。）提高产品竞争力的关键技术之一。（7）环境污染的治理）环境污染的治理。2024/7/81.体系特殊：（1）试验方法设计困难原料液成分复杂（2）操作条件要求温和目的物稳定性差（3）收率低原料中目的物浓度低、产品纯度要求高2.工艺流程（1）操作工艺弹性大生物变异性大（2）操作条件（环境）严格、无菌或密封3.成本高五五.生物分离工程的特点生物分离工程的特点1.分离的工艺过程分离的工艺过程原料原料预处理预处理初步分离初步分离细胞内细胞内成品成品高度纯化高度纯化细胞外细胞外沉淀吸附萃取超滤层析离子交换亲和吸附电泳无菌过滤超滤冷冻干燥喷雾干燥结晶第二节第二节 生物分离工程的一般过程生物分离工程的一般过程分离装置分离装置分离剂分离剂（能量或者物质）（能量或者物质）分离纯化过程的一般原则原料原料产品产品2、产品的分离提取工艺与下列情况有关、产品的分离提取工艺与下列情况有关（1）是胞内产物还是胞外产物；）是胞内产物还是胞外产物；（2）原料中产物和主要杂质的浓度；）原料中产物和主要杂质的浓度；（3）产物和主要杂质的产物和主要杂质的）产物和主要杂质的产物和主要杂质的物理化学特性及差异；物理化学特性及差异；（4）产品主要用途和标准；）产品主要用途和标准；（5）产品的市场价格；）产品的市场价格；（6）废液的处理方法等。）废液的处理方法等。2024/7/8 3 3、生物分离工艺流程、生物分离工艺流程 发酵液的预处理；发酵液的预处理；提取（初步分离）；提取（初步分离）；精制（高度纯化）；精制（高度纯化）；成品制备。成品制备。2024/7/8主要分离工艺过程主要分离工艺过程原料原料预处理预处理初步分离初步分离细胞内细胞内成品成品高度纯化高度纯化细胞外细胞外沉淀吸附萃取超滤层析离子交换亲和吸附电泳无菌过滤超滤冷冻干燥喷雾干燥结晶3.13.1原料的选择（原则）原料的选择（原则）（1）材料新鲜，目的物含量高 如：胰岛素、胸腺素、凝乳酶、微生物中的核酸、酶等（2）材料易得，来源丰富（3）稳定性好（4）工艺简单、有综合利用价值2024/7/83.23.2预处理及固液分离预处理及固液分离（1 1）预处理）预处理a.动物：去皮、去脂肪，冷冻、干燥b.植物：干燥c.微生物：菌体和菌液（发酵液）加热、稀释、pH、凝聚与絮凝、加助滤剂或反应剂（2 2）固液分离：）固液分离：过滤、沉降、离心（3 3）细胞破碎）细胞破碎a.机械法：匀浆法、球磨法b.非机械法：E法、化学法、物理法（4）发酵液的预处理与固液分离）发酵液的预处理与固液分离 主要技术有过滤和离心。固液分离是除去发酵液中的不溶性固形物杂质和菌体细胞。首选过滤，运转费用低。如是胞内产物，需进行细胞破碎。2024/7/83.33.3提取（初步分离）提取（初步分离）目的是除去与产物性质差异较大的杂质，便于精制工序生产。要求目的产物有较大的浓缩比过程。可选的单元操作范围较广，如吸附、萃取、沉淀、超滤等单元操作。2024/7/81.1.吸附法吸附法a.原理：范德华力或H键b.常用吸附剂：硅胶、活性炭、大孔树脂等c.应用：抗生素等分离、脱色2.2.离子交换法离子交换法a.原理：静电引力b.常用：阴、阳离子交换剂c.应用：带电物质如：aa、蛋白质、多糖、无机离子等4.4.沉淀法：沉淀法：盐析法、等电点沉淀、有机溶剂沉淀、非离子型聚合物、聚电解质等5.5.萃取萃取a.定义：利用溶质在两个互不相溶的两相间溶解度不同而进行分离的方法。b.种类：溶剂萃取、双水相萃取、反胶团萃取、超临界流体萃取6.6.膜分离膜分离微滤、超滤、纳滤，透析、反渗透、电渗析等 3.4精制（高度纯化）精制（高度纯化）目的是除去与产物的物理化学性质比较接近的杂质。通常采用对产物有高度选择性的技术。层析技术（色谱技术）层析技术（色谱技术）（1）流动相状态：GC与HPLC、TLC（2）固定相：柱色谱与薄层色谱（3）原理：离子交换色谱、吸附色谱、凝胶色谱、亲和色谱 2024/7/83.53.5成品加工成品加工（1）浓缩：蒸发、超滤、反渗透等（2）结晶（3）干燥：喷雾干燥、冷冻干燥、真空干燥等（4）无菌过滤：4、产品收率、产品收率 产品的收得率和质量控制是分离工程的主线。（1）n-总回收率；n-各单元回收率 分离步骤越多，回收率越低。如10=(0.95)10=0.63；5=(0.95)5=0.77（2）分离步骤多，设备投入大，人员物资消耗大，生产周期长。2024/7/82024/7/82024/7/82024/7/8二、生物分离过程的选择准则二、生物分离过程的选择准则（1 1）步骤少；）步骤少；（2 2）次序合理（例如盐析、离子交换）；）次序合理（例如盐析、离子交换）；（3 3）产品规格（注射、非注射）；）产品规格（注射、非注射）；（4 4）生产规模；）生产规模；（5 5）物料组成；）物料组成；（6 6）产品形式（固体适当结晶，液体适当浓缩）；）产品形式（固体适当结晶，液体适当浓缩）；（7 7）产品稳定性；）产品稳定性；（8 8）物理性质：溶解度、分子电荷、分子大小、功）物理性质：溶解度、分子电荷、分子大小、功 能团、挥发性等；能团、挥发性等；（9 9）危害性；）危害性；（1010）废水处理。）废水处理。2024/7/8具体：具体：（1 1）尽可能简单、低耗、高效、快速；）尽可能简单、低耗、高效、快速；（2 2）分离步骤尽可能少）分离步骤尽可能少；（3 3）避免相同原理的分离技术多次重复出现；）避免相同原理的分离技术多次重复出现；比如，分子筛和超滤技术按分子量大小比如，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。分离，重复应用两次以上，意义就不大了。2024/7/8（4 4）尽量减少新化合物进入待分离的溶液）尽量减少新化合物进入待分离的溶液；A)A)引起新的化学污染；引起新的化学污染；B)B)蛋白质的变性失活蛋白质的变性失活（5 5）合理的分离步骤次序；）合理的分离步骤次序；原则是：先低选择性，后高选择性；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；先高通量，后低通量；先粗分，后精分；先低成本，后高成本。先低成本，后高成本。2024/7/8（6 6）掌握产物的理化性质，主要包括：）掌握产物的理化性质，主要包括：(A)(A)溶溶解解度度及及影影响响因因素素（温温度度、pHpH值值、有有机溶剂和盐等）；机溶剂和盐等）；(B)(B)分子量和分子形状（高分子物质）；分子量和分子形状（高分子物质）；(C)(C)沸点和蒸汽压（热稳定的小分子物质）；沸点和蒸汽压（热稳定的小分子物质）；(D)(D)极性大小；极性大小；(E)(E)分子电荷及影响因素（分子电荷及影响因素（pHpH和盐等）；和盐等）；2024/7/8(F)(F)功功能能团团（功功能能团团为为萃萃取取剂剂和和特特异异性性吸吸附附的选择提供依据）；的选择提供依据）；(G)(G)免疫原性（设计亲和色谱）；免疫原性（设计亲和色谱）；(I)(I)稳稳定定性性及及其其影影响响因因素素（温温度度、pHpH值值、毒毒性试剂等性试剂等)；如青霉素低如青霉素低pHpH的不稳定性的不稳定性(J)(J)等电点等电点pIpI。2024/7/8（7）成品规格（或产品质量标准）成品规格（或产品质量标准）五肽胃泌素的上海市药品标准五肽胃泌素的上海市药品标准 指标名称指标名称 指标指标 含量（含量（C37H49N7O9S）97.0 比旋光度比旋光度 -25 -29 吸收值比吸收值比 A(280nm):A(288nm)=1.12-1.22 氨基酸氨基酸 各氨基酸之比为各氨基酸之比为1 干燥失重，干燥失重，%0.52024/7/8（8 8）物料的组成和性质物料的组成和性质 (A)(A)目的产物的浓度。高？低？目的产物的浓度。高？低？(B)(B)与目的产物相近物质的物理化学性质。与目的产物相近物质的物理化学性质。(C)(C)目的产物的定位。是胞内还是胞外？目的产物的定位。是胞内还是胞外？(D)(D)菌种的种类和形态。菌种的种类和形态。(E)(E)微生物的含量和发酵液的黏度。微生物的含量和发酵液的黏度。（9 9）生产规模）生产规模（1010）分批分离还是连续纯化）分批分离还是连续纯化2024/7/8（11）危害性）危害性 (A)离心产生的气溶胶、发酵产生的废气、干燥产离心产生的气溶胶、发酵产生的废气、干燥产生的粉尘等。生的粉尘等。(B)目的产物本身的危害性：抗肿瘤代谢类药物、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。类固醇类、抗生素、激素类药物等。(C)试剂危害：萃取试剂试剂危害：萃取试剂CCl4、甲苯、苯、二甲苯、甲苯、苯、二甲苯、CNBr。(D)微生物的危害：微生物的危害：重组重组DNA工程菌不能任意排放。这一菌种为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。新的物种，不能排除对生态系统和人的危害。2024/7/8（12）对环境影响的考虑）对环境影响的考虑 1）废水）废水 A、除菌过滤和灭菌处理；、除菌过滤和灭菌处理；B、符合、符合BOD的要求；的要求；2）废料）废料 A、灭菌处理；、灭菌处理；B、综合利用：动物饲料、饲料添加剂，、综合利用：动物饲料、饲料添加剂，有机肥料有机肥料 2024/7/8 3）废气）废气 A、除菌过滤和灭菌处理；、除菌过滤和灭菌处理；B、废气（有机溶剂）回收、废气（有机溶剂）回收 4）溶剂的回收）溶剂的回收 A、减少环境排放，减少污染；、减少环境排放，减少污染；B、循环利用，减低成本、循环利用，减低成本 2024/7/8附：抗菌素的分离过程中浓度与纯度的变化附：抗菌素的分离过程中浓度与纯度的变化步骤步骤过程过程产品浓度（产品浓度（g/L）纯度（纯度（%）发酵液发酵液发酵发酵0.1-50.1-1固形物分离固形物分离过滤过滤1.0-50.2-2分离分离萃取萃取5-501-10纯化纯化色谱色谱50-20050-80产品精制产品精制结晶结晶20-20090-1002024/7/8三、工业常用的生物分离技术三、工业常用的生物分离技术（1）回收技术：絮凝、离心、过滤、微过滤等。）回收技术：絮凝、离心、过滤、微过滤等。（2）细胞破碎技术：球磨、高压匀浆、化学破碎等。）细胞破碎技术：球磨、高压匀浆、化学破碎等。（3）初步纯化技术：吸附、离子交换、沉淀（盐析、）初步纯化技术：吸附、离子交换、沉淀（盐析、有机溶剂沉淀、等电点、沉淀剂）、萃取、膜分离有机溶剂沉淀、等电点、沉淀剂）、萃取、膜分离技术、超滤等。技术、超滤等。（4）高度纯化技术：离子交换、结晶、各类色谱（层）高度纯化技术：离子交换、结晶、各类色谱（层析）技术，如亲和色谱、疏水色谱、聚焦色谱等。析）技术，如亲和色谱、疏水色谱、聚焦色谱等。（5）成品加工：浓缩、喷雾干燥、气流干燥、沸腾干）成品加工：浓缩、喷雾干燥、气流干燥、沸腾干燥、冷冻干燥、结晶等。燥、冷冻干燥、结晶等。2024/7/8第三节第三节 生物分离技术的发展历程和动态生物分离技术的发展历程和动态一、生物分离工程的发展历程一、生物分离工程的发展历程传统产业（第一代）传统产业（第一代）19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 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，单细胞蛋白第三代第三代 20世纪世纪70年代中期年代中期 动物植物细胞培养动物植物细胞培养,基因工程发酵产品基因工程发酵产品2024/7/8分分离离技技术术发发展展现现状状示示意意图图2024/7/8二、生物分离新技术的研究和开发二、生物分离新技术的研究和开发1、新型分离介质的研究开发、新型分离介质的研究开发 目前主要的新型分离介质：膜、树脂、目前主要的新型分离介质：膜、树脂、凝胶。凝胶。2024/7/82、子代分离技术、子代分离技术 由各种分离纯化技术相互结合、交叉、由各种分离纯化技术相互结合、交叉、渗透形成。渗透形成。膜萃取：膜技术和萃取技术结合；膜萃取：膜技术和萃取技术结合；膜蒸馏：膜技术和蒸馏技术结合；膜蒸馏：膜技术和蒸馏技术结合；离子交换色谱：色谱技术和离子交换。离子交换色谱：色谱技术和离子交换。3、其他新兴下游技术、其他新兴下游技术 萃取衍生：双水相萃取、超临界萃取衍生：双水相萃取、超临界CO2萃萃取、反胶团萃取等；取、反胶团萃取等；菌体絮凝技术、菌体细胞破碎技术等菌体絮凝技术、菌体细胞破碎技术等2024/7/8三、生物分离技术的发展趋势三、生物分离技术的发展趋势 存在的问题：研发费用高、成本高、周期存在的问题：研发费用高、成本高、周期长长生物工程发展的瓶颈。生物工程发展的瓶颈。如何解决？如何解决？1、加强基础理论研究、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、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。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，、研究界面的结构、动力学和传质机制，影响因素影响因素 C、下游加工过程的数学模型的建立和计算、下游加工过程的数学模型的建立和计算机模拟。机模拟。2024/7/8