生化分离技术 第一章 预处理技术
《生物分离技术》教学大纲
《生物分离技术》教学大纲课程编号：0241005课程性质：专业特色课学时/学分：32/2适用专业：生物工程；生物制药一、课程简介《生物分离技术》是一门研究生物分离过程基本原理及规律的学科，是生物工程专业中的一门重要的技术基础课程。
生物分离技术主要研究生化工程中生物制品的分离和纯化，课程主要讲授传质与生化分离工程的原理和应用，以及生化分离过程中一些主要的分离单元操作和分离工程领域的研究进展及其动态。
《生物分离技术》的教学内容，以不溶物去除、粗分离、纯化和精制的四个阶段来展示生物分离过程的基本原理与应用实践，主要教学内容涉及发酵液的预处理、细胞破碎、萃取法、离子交换法、吸附法、层析分离法、膜分离法、结晶和干燥等单元操作原理及其在生物工程技术领域的应用。
Bioseparation Technology is a course related to the basic principles and rules of bio-separation processes,which is a fundamental course for the students of bioengineering.Bioseparation technology mainly focus on separation and purification of bioproducts from bioprocesses.This course covers theories related to bioseparation engineering and its applications,unit operations, and recent advances in bioseparation engineering area.The content of Bioseparation Technology includes four parties,such as removal of insoluble substances,crude separation,purification and refining.All of them demonstrate the details of bioseparation process and its application practices,including pretreatment of fermentation broth, cell disruption,solvent extraction,ion exchange,adsorption,chromatography,membrane separation,crystallization and drying unit operation.二、教学目的与要求课程的目的通过理论学习，扩大学生对生物分离技术的认识，培养生物提取和分离方面具有一定工程知识的生物工程技术专业人才。
生化预处理工艺
生化预处理工艺生化预处理工艺是指在生物学和生物化学领域中，对生物样本（如细胞、组织、血液等）进行处理的一系列步骤。
这些步骤旨在提取、处理和保护生物样本中的分子、蛋白质、核酸等生物大分子，以便后续的分析、检测、测序或其他实验操作。
以下是一般的生化预处理工艺步骤：1.采集样本：生物样本的采集是整个生化预处理工艺的第一步。
样本的采集应当在符合规范的条件下进行，以确保后续分析的准确性和可靠性。
2.样本分离：样本中可能包含多种生物大分子，如细胞、细胞器、蛋白质、核酸等。
生化预处理的第二步是通过离心、过滤或其他分离技术将这些组分分离出来。
3.细胞破碎或组织破碎：对于细胞或组织样本，通常需要进行破碎以释放其中的细胞器、蛋白质和核酸。
这可以通过机械方法（如超声波破碎、刀具破碎）、化学方法（如酶解）或其他物理化学方法来实现。
4.提取蛋白质：对于蛋白质的分析，需要采用合适的提取方法。
这可能包括蛋白质沉淀、蛋白质抽提液（如RIPA缓冲液）等步骤，以得到可用于后续分析的蛋白质样品。
5.提取核酸：对于核酸（DNA、RNA）的研究，需要进行核酸的提取。
常用的方法包括酚氯仿提取、离心柱法、磁珠法等。
6.样本保存：在进行生化预处理后，样本需要以适当的方式保存，以防止生物大分子的降解。
通常使用冷冻、冷藏或添加保存液等方式。
7.测量和分析：处理后的生物样本可以用于各种分析，包括蛋白质电泳、质谱分析、核酸测序、PCR等。
8.数据解释和结果呈现：最后，通过对测量和分析得到的数据进行解释，并呈现最终的结果。
总体而言，生化预处理工艺是生物学和生物化学实验的基础，其质量和准确性对于后续的实验结果至关重要。
在进行生化预处理时，需要根据实验的具体目的和样本的性质选择合适的方法和步骤。
《生化分离工程》思考题与答案
第一章绪论1、何为生化分离技术？其主要研究那些容？生化分离技术是指从动植物组织培养液和微生物发酵液中分离、纯化生物产品的过程中所采用的方法和手段的总称。
2、生化分离的一般步骤包括哪些环节及技术？一般说来，生化分离过程主要包括4个方面：①原料液的预处理和固液分离，常用加热、调PH、凝聚和絮凝等方法；②初步纯化(提取)，常用沉淀、吸附、萃取、超滤等单元操作；③高度纯化(精制)，常选用色谱分离技术；④成品加工，有浓缩、结晶和干燥等技术。
3、生化分离工程有那些特点，及其重要性？特点：1、目的产物在初始物料（发酵液）中的含量低；2、培养液是多组分的混合物，除少量产物外，还有大量的细胞及碎片、其他代物（几百上千种）、培养基成分、无机盐等；3、生化产物的稳定性低，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、表面力等非常敏感；4、对最终产品的质量要求高重要性：生物技术产品一般存在于一个复杂的多相体系中。
唯有经过分离和纯化等下游加工过程，才能制得符合使用要求的产品。
因此产品的分离纯化是生物技术工业化的必需手段。
在生物产品的开发研究中，分离过程的费用占全部研究费用的50％以上；在产品的成本构成中，分离与纯化部分占总成本的40～80％；精细、药用产品的比例更高达70～90％。
显然开发新的分离和纯化工艺是提高经济效益或减少投资的重要途径。
4、生物技术下游工程与上游工程之间是否有联系？它们之间有联系。
①生物工程作为一个整体，上游工程和下游工程要相互配合，为了利于目的产物的分离与纯化，上游的工艺设计应尽量为下游的分离纯化创造条件，例如，对于发酵工程产品，在加工过程中如果采用液体培养基，不用酵母膏、玉米浆等有色物质为原料，会使下游加工工程更方便、经济；②通常生物技术上游工程与下游工程相耦合。
发酵-分离耦合过程的优点是可以解除终产物的反馈抑制效应，同时简化产物提取过程，缩短生产周期，收到一举数得的效果。
生化分离工程
错流过滤 研 磨 错流过滤 超 滤 吸 附 喷 干
憎 水 结晶
电泳
基本定义
生化分离工程的定义：
为提取生物产品时所需的原理、方法、技术及相 关硬件设备的总称，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、分离纯化、富集生物产品的过程 (Downstream Processing)。
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
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）
作业：检阅文献，谈谈分离科学的作用
刊原：
1)、纯分离分析期刊：Bioassay(IF = 6.227); Anal. Chem.(IF = 4.650); Separ. Purif Method(IF = 3.600); Electrophoresis(IF = 3.465); Adv. Chromatogr (IF = 3.067); J Chromatogr A(IF = 2.768); LC GC-Mag Sep Sci(IF = 2.393); J Chromatogr B(IF = 1.867)。调研论文数/月、本学科国际发展的速度
1）、凝胶 2）、亲和色谱 3）、离子交换
药物分离纯化前的预处理技术介绍
五、生物制药中的细胞破碎
细胞破碎的目的：破坏细胞外围，使胞内物质释放出来。 1.细胞破碎方法及原理 按照是否使用外加作用力，可分为机械法和非机械法两大类。 各种细胞破碎方法、作用机理及适用范围见P17 2.常用的细胞破碎方法及设备 1.）高压匀浆器 高压匀浆适用于酵母和大多数细菌细胞的破碎， 料液细胞浓度可达到20%左右 影响高压匀浆器细胞破碎效果的主要因素有压力、温度和通过匀 浆器的次数等。操作压力50~70MPa,温度上升约2~3 º c/10MPa。 2.）高速珠磨机 3.）化学渗透法 几种常用的化学试剂：表面活性物质、有机溶 剂（甲苯、苯、氯仿、二甲苯及高级醇等）、EDTA螯合剂 4.）酶解法 利用生物酶能分解破坏细胞壁和细胞膜上特殊键的 作用，达到消化溶解细胞壁的方法。
3.盐析法：在高盐浓度下，盐浓度增加反而使蛋白质的溶解度降低， 当达到某一浓度时，蛋白质可从溶液中析出。 影响盐析沉淀的因素： 盐析剂的性质和加入量、pH值、蛋白质类化合物的性质、蛋白质 类化合物溶液的浓度、温度 加入盐析剂的两种方式：一种是直接加入固体粉末；另一种是加 入盐的饱和溶液。 4.有机溶剂沉淀法：利用与水互溶的有机溶剂能使蛋白质在水中的 溶解度显著降低而沉淀的方法。 影响有机溶剂沉淀的主要因素如下： 有机溶剂的选择、温度的控制、pH值、离子强度 5.反应沉淀法：根据预处理液中所含杂质的特点，加入某些不影响 目的药物的化学反应试剂，使其与杂质发生反应，生成不溶性沉 淀的方法。 生产中常用的反应沉淀试剂：金属盐类、有机酸类、表面活性剂、 离子型或非离子型的多聚物、变性剂及其他一些化合物。
4.）助滤剂的使用 两种方法：一种是在过滤介质表面预涂助滤 剂；另一种是直接加入到混合液中；也可两种方法同时兼用。 选择和使用助滤剂时应考虑几方面：根据目的药物的性质选 择、根据过滤介质和过滤情况选择、粒度选择、用量的确定、固 液分离设备和技。 3.固液分离设备 常用的有真空转鼓过滤机、碟片式离心机等。 1.）真空转鼓过滤机 特点：自动化程度高、操作连续、处理量大 2.）碟片式离心机 分离因数为1000~20000，适合于含细菌、 酵母菌、放线菌等多种微生物细胞的悬浮液及细胞碎片悬浮液的 分离。 4.常见问题 1.）对工艺改进和新工艺了解少 2.）操作条件不合理 3.）关键部件的选择不科学 4.）对新技术和新设备的应用持观望态度
《生化分离工程》教案
第三节 细胞破碎
1固-液分离设备及其特点（重点）（35min）
2细胞破碎概述细胞壁的结构和化学组成（10min）
3常用的细胞破碎方法（重点）及其原理（难点）、机械破碎法所用设备（30min）
4细胞破碎率的测定（5min）
5细胞破碎研究方向（5min）
6小结及思考题（5min）
3滤饼的重量比阻rB
教后小结
学生对絮凝以及凝聚概念有清楚的理解，对发酵液的预处理基本掌握。
教案1
课时安排
4学时
教学次序
第3次课
授课题目
第二章细胞分离与破碎
第三节细胞破碎
1固-液分离设备
2细胞破碎概述细胞壁的结构和化学组成
3常用的细胞破碎方法及其原理、机械破碎法所用设备
4细胞破碎率的测定
5细胞破碎研究方向
2.严希康著，《生化分离工程》，化学工业出版社，北京，2001年2月
3.孙彦著，《生物分离工程》，化学工业出版社，北京，2005年3月
4.欧阳平凯，胡永红著，《生物分离原理及技术》，化学工业出版社，北京，2006年2月
5.谭天伟著，《生物分离技术》，第二版，化学工业出版社，北京，2007年8月
6.朱志强著，《超临界流体萃取技术原理》，化学工业出版社，北京，2001年8月（2）相关专业网站：
小木虫学术科研第一站：/
食品伙伴网：/
食品商贸网：/
食品工业网：/
食品科技网：/
教学难点
凝聚和絮凝的区别、滤饼的重量比阻rB
教学方法
讲授法、谈话法。多媒体辅助教学。
教学过程设计
第二章细胞的分离与破碎
第一节发酵液的预处理第二节固液分离
1发酵液预处理的目的（15min）和具体方法（重点30min）
生物分离技术：Chapter 1 生物分离工程概述
表1 通过发酵法生产的生物产品类别
Molecular type
Antibiotics Amino acids
Enzymes Organic acids and
solvents Vitamins, yeast, growth
factors, nucleotides Miscellaneous-dextrans,
学时 3学时 3学时 3学时 2学时 4学时 4学时 4学时 3学时 2学时 2学时
教材及参考书目
▪ 教材《新编生物工艺学》下册
俞俊棠
▪ 《生物分离原理及技术》
欧阳平凯
▪ 《生物分离工程》
孙彦
▪ 《生化分离工程》
严希康
▪ 《现代生物分离工程》
曹学君
▪ 《生物分离技术》
谭天伟
▪ 《Bioseparation Process Science》 Antonio
表2生物分离方法与化工分离方法的比较分离技术分离方法原理应用离心离心过滤离心沉降离心力筛分菌体泡沫分离泡沫分离汽液平衡细胞碎片膜分离微滤超滤纳滤反渗透压差筛分细胞萃取有机溶剂萃取双水相萃取超临界流体萃取液液平衡抗生素色谱凝胶色谱反相色谱离子交换色谱亲和色谱筛分分配平衡静电作用蛋白质电泳凝胶电泳等电点电泳筛分电荷核酸蛋白质结晶沉淀溶液结晶等电点沉淀液固平衡有机酸多肽大约80的化工分离方法可应用于生物分离技术中
时，还必须关注特定杂质的去除；
与传统的化学试剂的纯度概念不同，生物产 物对有害物质有严格的控制，生产过程也要求 有严格的管理，在最终产品中往往不允许有极 微量的有害杂质存在。
表 2 生物分离方法与化工分离方法的比较
分离技术 分离方法
原理
应用
离心 泡沫分离
生化分离工程知识点总结归纳
生化分离工程知识点归纳第一章绪论1、生物物质分离工程：在工业规模上，通过适当的分离纯化技术与装备并消耗一定的能量和分离介质来实现生物物质（产品）制备的过程，是生物产业的一个重要组成部分。
2、生物工程下游加工过程的特点：（1）成分复杂：固体成分、液体成分（2）悬液中的目标产物浓度低（3）稳定性差：化学（温度和pH值）或微生物引起的降解（4）生物产品质量要求高：纯度、卫生、生物活性3、下游加工过程的一般流程（4个阶段）：发酵液的预处理与固液分离、初步纯化（提取）、高度纯化（精制）、成品加工。
4、某一具体产品的分离提取工艺设计中应考虑的问题：①产物本身的性质；②是胞内产物还是胞外产物；③原料中产物和主要杂质浓度；④产物和主要杂质的理化特性及差异；⑤产品用途和质量标准；⑥产品的市场价格；⑦不同分离方法的技术经济比较及废液的处理方法等。
第二章发酵液的预处理与过滤1、发酵液的预处理发酵液的预处理的方法：（1）加热：最简单、最经济的预处理方法是加热，降低料液黏度，也可以对其进行灭菌。
但加热变性的方法只适合于对热稳定性的产物。
（2）调节料液的pH值：促进全细胞聚集。
（3）凝聚和絮凝：凝聚是指通过加入简单电解质降低了胶体粒子间的排斥电位，从而使得范德华引力起主导作用，聚合成较大的胶粒，粒子的密度越大，越易分离。
常用凝聚剂多为阳离子型如明矾、三氯化铁。
絮凝是指预处理时加入絮凝剂（通常指天然或合成的生物大分子聚电解质）既能降低排斥电位，又吸附了周围的微粒，形成桥架作用，促使胶粒形成粗大，密度低的絮凝团。
这些絮凝团很容易被过滤得到。
主要絮凝剂：聚丙烯酰胺、聚苯乙烯、多聚胺衍生物。
（4）使用惰性助滤剂：硅藻土、珍珠岩。
2、真空过滤器的优点：连续自动操作,节省人力，生产能力大。
真空过滤器的缺点：附属设备多，投资费用高，推动力小适用于量大易过滤的料液。
3、压滤器的优点：过滤推动力大，过滤面积大。
压滤器的：缺点：板框压滤机劳动强度大，投资、维护费用高。
生化分离原理与技术思考题答案
生物分离原理与技术知识点汇总第一章绪论1、各类分离纯化技术分别利用了生物分子的哪些特性来实现分离？利用这些性质进行分离的方法有哪些？⑴形状和大小:凝胶过滤、超滤、透析;⑵电荷性质:离子交换层析、电泳（除SDS）; ⑶极性（疏水性）:疏水层析、反相层析;⑷生物功能或特殊化学基团:亲和层析;⑸等电点 pI:层析聚焦、等电聚焦、等电点沉淀;⑹溶解性:盐析、有机溶剂提取、结晶;⑺密度、大小:超离心、SDS-PAGE。
2、一个完整的分离纯化操作有哪些基本步骤？各个阶段所用的分离方法分别侧重哪些指标？生化分离基本步骤：（1）选材: 来源丰富，含量相对较高，杂质尽可能少。
（2）提取（预处理）：将目的物从材料中以溶解状态释放出来，方法与存在部位及状态有关（3）分离纯化: 核心操作，须根据目的物的理化性质，生物学性质及具体条件确定。
（4）浓缩、结晶、干燥。
（5）保存。
整个过程应有快速灵敏准确的分析方法来衡量效果（收率、纯度）。
第二章生物样品的预处理1、简述常用细胞破碎的主要方法、原理、特点、适用范围及细胞破碎今后的发展方向。
机械法:(1)胞捣碎法。
原理：机械运动产生剪切力，适用于动植物组织。
（2）高速匀浆法。
破碎程度较上法好，且机械剪切力对生物大分子的破坏较小，处理量大。
原理：利用高压使细胞悬浮液通过针型阀，由于突然的减压和高速冲击撞击环使细胞破碎。
适用于：较柔软、易分散的组织细胞。
（3）研磨法和珠磨法。
由陶瓷的研钵和研杆组成，加入少量研磨剂（如精制石英砂、玻璃粉、硅藻土。
适用于微生物与植物细胞。
（4）挤压法。
微生物细胞在高压下通过一个狭窄的孔道高速冲出，因突然减压而引起一种空穴效应，使细胞破碎。
适用于细菌（G - ）。
物理法:（1）超声破碎。
频率为20kHz 以上的波，超过人耳可听范围。
其对细胞的破碎与空穴的形成有关。
一般样品浓度、声强、频率、介质的离子强度、pH、处理时间都对破碎有影响。
（2）反复冻融动物材料。
生化分离技术
生化分离技术1 生化分离技术的概述生化分离技术是指通过一系列的物理或化学分离手段将生物体内的分子分离出来。
其中最常用的方法是利用疏水作用、亲水作用、离子交换、分子筛等多种机理进行分离。
分离出来的分子种类也非常多，例如蛋白质、核酸、多糖等。
生化分离技术在生物学、医学、环保等领域得到了广泛应用。
2 离心分离离心分离是一种常用的生化分离技术，利用不同物质的密度差异将它们分离开来。
通常采用离心机来进行分离。
在离心机转速不同的条件下，不同种类的物质会在不同位置最终沉积。
离心分离可用于分离蛋白质、细胞、细胞器等。
3 凝胶过滤凝胶过滤是一种分子筛分离技术，利用凝胶和带电荷的分子筛效应将大分子分离出来。
凝胶过滤通常在实验室中用于分离蛋白质或酶，其操作简单、易于进行，但分离效果受限于凝胶孔径大小。
4 电泳分离电泳分离是利用电场力将带电离子或分子分离出来的分离技术。
通常采用聚丙烯酰胺凝胶电泳等方法进行蛋白质或核酸分离。
电泳分离的速度快，分辨率高，是目前生化分离技术中最常用的一种技术。
5 亲和层析分离亲和层析分离是一种以目标分子与某种亲和基团作用为基础的分离技术。
亲和基团可以是金属离子、抗体、复合物等，在一定条件下，它们会与目标分子发生特异性结合，然后通过洗脱步骤将目标分子从载体上分离出来。
亲和层析分离广泛应用于蛋白质、DNA或RNA等分子分离。
6 总结生化分离技术是一种用于分离生物体内分子的技术，它在生物学、医学、环保、食品等领域都具有广泛的应用。
离心分离、凝胶过滤、电泳分离和亲和层析分离是常用的分离技术，它们各有特点，适用于不同类型的分子分离。
随着技术的进步，生化分离技术将会有更广泛的应用。
生化分离技术(主要内容)
生化分离技术：描述回收生物产品分离过程原理和方法的术语，是指从动植物组织培养液或微生物发酵液中分离、纯化生物产品过程中所采用的方法和手段的总称。
生化分离过程是生物技术转化为生产力不可缺少的重要环节，其技术进步程度对生物技术的发展有着举足轻重作用，为突出其在生物技术领域中的地位和作用，常称它为生物技术的下游工程。
分离纯化过程的难点：目的产物在细胞或反应液中含量不高，杂质种类多，数量大；杂质性质与产物相似；产物稳定性不高。
生化分离技术的主要种类：沉淀分离（盐析、有机溶剂沉淀、选择性变性沉淀、非离子聚合物沉淀）；膜分离（透析、微滤、超滤、纳滤、反渗透）；层析分离（吸附、凝胶、离子交换、疏水、反相、亲和层析）；电泳分离（SDS-PAGE、等电聚焦、双向电泳、毛细管电泳）；离心分离（低速、高速、超速离心分离技术），生化分离的特点：成分复杂；含量甚微；易变性/易被破坏；具经验性；均一性的相对性。
预处理需注意的条件：⑴温度尽可能低⑵提取液的量要保证“充分浸入”⑶加入足量酚类吸附剂⑷加入足量氧化酶抑制剂⑸搅拌转速要恰当⑹pH控制在合适范围，一般5.5～7细胞的破碎：用一定方法（机械/物理/化学/酶法）打开细胞壁或膜，使细胞内含物有效释放出来。
挤压：微生物细胞在高压下通过一个狭窄的孔道高速冲出，因突然减压而引起一种空穴效应，使细胞破碎。
沉淀：溶液中溶质由液相变成固相析出的过程。
本质：通过改变条件使胶粒发生聚结，降低其在液相中的溶解度，增加固相中的分配率。
作用：分离、澄清、浓缩、保存盐溶：低浓度中性盐离子对蛋白质分子表面极性基团及水活度的影响，增加蛋白质与溶剂相互作用力，使其溶解度增大。
盐析：中性盐浓度增至一定时，水分子定向排列，活度大大减少，蛋白质表面电荷被中和，水膜被破坏，从而聚集沉淀。
有机溶剂沉淀法：使溶液的介电常数大大降低，从而增加带电粒子自身之间的作用力，易聚集沉淀；争夺酶、蛋白质等物质表面的水分子，破坏水化层，使分子易碰聚产生沉淀。
生化分离与纯化技术课程标准
生物分离与纯化技术课程标准濮阳职业技术学院刘殿锋一、课程的基本要素1、课程性质生物分离与纯化技术是实现生物工程产业化的关键问题。
通过本课程的学习，对当前生物分离与纯化技术领域的大分子物质提取、分离及纯化技术、沉淀技术、浓缩技术、膜分离技术、生物反应器技术、各种色谱技术、各种电泳技术等有较全面、较详细的了解，并掌握一些主要技术的方案设计和实际操作。
通过案例教学等方法培养学生科学而实际的思想方法，提高分析实际技术问题和因地制宜处理这些问题的能力，使之更加容易胜任生物技术产业中新产品和新工艺的开发，生产工艺过程技术管理和高技术生产岗位的实际技术工作。
2、课程的基本理念以行业和岗位需求为导向，以职业能力培养为中心，根据调研的行业企业任职岗位的要求，参照职业标准，以职业能力培养为课程教学重点和中心环节，充分体现职业性、实践性和开放性的要求。
3、课程的设计思路本课程的设计思路如图所示：第一步，由学校组织专业教师深入企业进行职业岗位调研，获得企业的岗位职业标准；第二步，学校和企业合作，由学校专业教师、企业专家、企业工程技术人员、能工巧匠共同组成课程设计小组，对经过职业岗位调研获得的岗位职业标准，结合生化产品分离纯化工等国家职业标准进行工作任务分析，以岗位需求为依据，以职业能力为主线，得出职业能力需求表，体现职业性的要求；第三步，课程开发小组合作进行基于工作过程的课程开发与设计，以工作过程为基础，以工作实践为起点，体现实践性的要求，设计出生物分离与纯化技术的课程教学标准；第四步，课程开发小组依据课程标准，组织开发设计课程教学所需的各类教学资源，包括：教材、课件、习题、企业生产案例、实训实习项目、学生学习指南、教学指导手册、实习实训标准及指导手册等，满足课程的教学需求；第五步，课程开发小组依据课程标准和教学资源进行教学过程设计，采取示范教学、案例分析、分组讨论、引导启发等多种教学方法，引导学生积极思考、乐于实践，提高教和学的效果；根据学生的学习效果，结合学生通过真实的生物产品分离纯化工作体验后对课程教学新要求的信息反馈，再进行职业岗位调研、工作任务分析、课程内容设计、教学资源开发、教学过程设计五个步骤新一轮的循环，体现开放性的要求，使课程内容保持与企业需求的一致性，不断满足学生发展的需求。
第一章原料预处理
平衡区带离心（等密度离心法）: 在离心前预先配制介质的密度梯度，此种密度梯度液包 含了被分离样品中所有粒子的密度，待分离的样品铺在梯度 液顶上或和梯度液先混合，离心开始后，当梯度液由于离心 力的作用逐渐形成管底浓而管顶稀的密度梯度，与此同时原 来分布均匀的粒子也发生重新分布。当管底介质的密度大于 粒子的密度，即ρL＞ρs时粒子上浮；在管顶处ρs＞ρL时，则粒 子沉降，最后粒子进入到一个它本身的密度位置即ρs＝ρL， 此时粒子不再移动，粒子形成纯组分的区带，区带与样品粒 子的密度有关，而与粒子的大小和其他参数无关，因此只要 转速、温度不变，则延长离心时间也不能改变这些粒子的成 带位置。 此法一般应用于物质的大小相近，而密度差异较大时。 常用的梯度液是CsCl。
第一节 细胞分离
微生物发酵或动植物细胞培养后培养液与细胞的分离， 结晶体与母液的分离，浸取液与药源固体的分离都需要固液 分离，在制药工程中将菌体或细胞与培养液分离是生物分离 过程的第一步。
1.1 悬浮液的预处理
1.预处理的目的 （1）改变发酵液的物理性质，促进从悬浮液中分离固形物的 速度，提高固液分离的效率。 （2）尽可能使产物转入便于后处理的某一相中。 （3）去除发酵液中部分杂质，便于后续操作。 2. 预处理的方法 （1）加热法：可降低悬浮液的黏度，加速聚集作用以除去杂 蛋白，破坏凝胶状结构，增加滤饼孔隙度，提高分离效 率。最简单和最廉价的处理方法。 （2）调节悬浮液的pH值：促进凝聚作用。方法简单有效、成 本低廉。
第一章 原料预处理
（一） 细胞分离 了解：重力沉降、离心沉降和过滤的概念。 理解：离心分离与过滤原理以及提高分离效率的方法。 应用：采用不同的离心分离、过滤设备对不同的细胞进 行分离。 （二） 细胞破碎 理解： 各种细胞破碎方法原理、优缺点及其适用范围。 应用：采用不同的细胞破碎方法对不同细胞进行不同程 度的破碎。
生物分离-预处理
新进展：
为了提高产物在下游提取过程中的活力稳定 性，人们对耐高温型的基因工程产品（如蛋白酶 等）的关注也日益加强，不断有耐高温的基因工 程产品出现，这也使得采用升高温度的处理方法 可行性和可操作性更强。而且，原来为了防止产 品失活（需要控制在低温条件下操作）而消耗的 制冷能耗也可以节省，并简化了分离步骤。
极端微生物
嗜热微生物产生的高温酶
海底火山口100多℃
2.3 调节pH值
适当的pH值可以提高产物的稳定性，减少 其在随后的分离纯化过程中的损失。例如，在 毕赤酵母表达体系中，由于毕赤酵母分泌的蛋 白酶会分解表达的基因蛋白，所需蛋白的收率 受到很大的影响，如果调整pH至酸性则可有效 抑制蛋白酶的活性，目的蛋白的收率能够增加。
2.5
加入反应剂
主要目的：
① 选择性沉淀所需的产品；
② 通过反应除去某些杂质；
③ 改善发酵液的流体特性。
生物下游技术中也大量利用化学反应来达到 选择性分离纯化或产品制造的目的。可以通过加 入无机盐，使产物生成不易溶解的形式加以分离。 如柠檬酸工业中常用CaCO3或石灰乳与柠檬酸反应 生成溶解度很低的柠檬酸钙盐沉淀，以便于与发 酵液中残糖及其他可溶性杂质分离开，使产物得 到浓缩和初步纯化。 发酵液中的高价无机离子主要是Ca2+、Mg2+、 Fe3+等。通常利用草酸与Ca2+反应，生成不溶性的 钙盐的性质可除去杂质Ca2+。加入三聚磷酸钠与 Mg2+形成络合物。对于铁离子，可加入黄血盐使 之形成普鲁士蓝沉淀而除去。ZnSO4和黄血盐也常 用来去除杂氨基酸和杂蛋白。正确选择反应剂和 反应条件，能使过滤速率提高3-10倍。
有时，加入某些不影响目的产物的反应剂， 可消除发酵液中某些杂质对过滤的影响，从而 提高过滤速率。如发酵液中含有可溶性或不 溶性多糖物质，则最好用酶将它转化为单糖， 以提高过滤速率。
生化分离工程的一般工艺流程
生化分离工程的一般工艺流程生化分离工程是一种利用不同物质的化学或生物特性差异进行分离的工程技术。
它主要应用于制药、食品、化工等领域，用于提取、分离和纯化目标物质。
下面将介绍一般的生化分离工艺流程。
一、前处理前处理是生化分离工程的第一步，主要目的是将原料进行预处理，以去除杂质、减少影响分离效果的物质，为后续的分离步骤做好准备。
前处理的具体步骤包括物料破碎、浸泡、搅拌等。
二、提取提取是生化分离工程的核心步骤，它是将目标物质从原料中提取出来的过程。
提取方法多种多样，常用的方法包括溶剂提取、超临界流体提取、浸提等。
在提取过程中，需要控制好提取的时间、温度、pH值等因素，以提高提取效率和提取纯度。
三、分离分离是将提取得到的混合物中的目标物质与其他物质进行分离的过程。
常用的分离方法有蒸馏、结晶、萃取、吸附、离心、膜分离等。
分离的选择要根据目标物质的特性以及产品的要求来确定。
四、纯化纯化是将分离得到的目标物质进一步提纯的过程。
纯化的方法有很多种，常用的方法有晶体生长、再结晶、色谱层析、电泳等。
纯化的目的是提高产品的纯度和质量。
五、精制精制是对纯化后的物质进行进一步处理，以达到更高的纯度和质量要求。
精制的方法包括洗涤、溶解、过滤、干燥等。
在精制过程中，需要注意控制操作的条件，防止杂质的污染。
六、成品制备成品制备是将精制后的物质进行最终的加工和包装，以获得成品产品。
成品制备的步骤包括配制、混合、包装等。
在成品制备过程中，需要严格控制生产工艺，确保产品的质量和安全性。
七、检测与分析检测与分析是生化分离工程的重要环节，它用于检验产品的质量和性能。
常用的检测与分析方法包括色谱分析、质谱分析、核磁共振等。
通过检测与分析，可以对产品进行定性和定量的分析，为产品的质量控制提供依据。
八、工艺优化与改进工艺优化与改进是生化分离工程的持续改进过程。
通过对工艺流程的优化和改进，可以提高产品的产率、纯度和质量，降低生产成本，提高经济效益。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第一节 发酵液的预处理技术
用磷酸盐处理,也能大大降低Ca2+ ,Mg2+离子的浓度, 此法可用于环丝氨酸的生产.对于发酵液中的铁离子,可 加入黄血盐,使其形成普鲁士蓝沉淀而除去.反应如下: 3K4Fe(CN)6+4Fe3+====Fe4[Fe(CN)6]3↓+12K+
2.杂蛋白的去除
利用各种沉淀方法,可以去除液相中各种蛋白质.常 用的有等电点沉淀法,变性沉淀法,盐析法,有机溶剂沉 淀法,反应沉淀法等.这些沉淀方法既可以作为除杂质的 方法,也可以作为提取目标产物的技术手段.有关沉淀法 除蛋白质详见第五章沉淀技术.
第一节 发酵液的预处理技术
助滤剂的使用方法有两种:一种是将助滤剂在支持介质 (滤布)的表面上预涂助滤剂薄层1～2 mm,以保护支持介 质的毛细孔道在较长时间内不被悬浮液中的固体粒子所堵塞, 从而提高或稳定过滤速度.另一种方法是将助滤剂分散在待 过滤的悬浮液中,使形成的滤饼具有多孔性,降低滤饼的可 压缩性,以提高过滤速度和延长过滤操作周期.前者会使滤 速降低,但滤液透明度明显增加;后一种方法主要是助滤剂 的加入量,一般助滤剂的用量若等于悬浮液中固体含量时, 过滤速度最快,另外在使用时需要一个带搅拌器的混合槽, 充分搅拌混合均匀,防止分层沉淀.生产上也可两种方法同 时兼用.选择和使用助滤剂时要考虑以下几个方面:
第一节 发酵液的预处理技术
2.调整pH 调整pH
pH直接影响发酵液中某些物质的电离度和电荷性质, 适当调节pH可改善其过滤特性.对于氨基酸,蛋白质等两 性物质作为杂质存在于液体中时,常采用调pH至等电点使 两性物质沉淀.另外,在膜分离中,发酵液中的大分子物 质易与膜发生吸附,常通过调整pH,改变易吸附分子的电 荷性质,以减少吸附造成的堵塞和污染.此外,细胞,细 胞碎片及某些胶体物质等在某个pH下也可能趋于絮凝而成 为较大颗粒,有利于固液分离.
5.加入反应剂
有时加入某些不影响目的产物的反应剂,可消除发酵 液中某些杂质对过滤的影响,从而提高过滤速率.
第一节 发酵液的预处理技术
加入反应剂和某些可溶性盐类发生反应生成不溶性沉淀, 如CaSO4 ,AlPO4等.生成的沉淀能防止菌丝体粘结,使菌丝 具有块状结构,沉淀本身可作为助滤剂,并且能使胶状物和 悬浮物凝固,从而改善过滤性能.如在新生霉素发酵液中加 入氯化钙和磷酸钠,生成磷酸钙沉淀可充当助滤剂,另一方 面可使某些蛋白质凝固.又如环丝氨酸发酵液用氧化钙和磷 酸处理,生成磷酸钙沉淀,能使悬浮物凝固,多余的磷酸根 离子还能除去钙,镁离子,并且在发酵液中不会引入其它阳 离子,以免影响环丝氨酸的离子交换吸附.
第一节 发酵液的预处理技术
二,发酵液的相对纯化 1. 无机离子的去除
发酵液中主要的无机离子有Ca2+ ,Mg2+ ,Fe2+ 等. Ca2+的去除主要采用草酸,但由于草酸的溶解度小,不适 合用量较大的场合.当发酵液中Ca2+离子浓度较高时,可 采用可溶性盐,如草酸钠等.反应生成草酸钙还能促使蛋 白质凝固,改善发酵液过滤性能.Mg2+离子的去除一般采 用加入三聚磷酸钠,它和Mg2+形成可溶性络合物后,即可 消除对离子交换的影响. Mg2+ + Na5P3O10====MgNa3P3O10 +2Na+
第一节 发酵液的预处理技术
升高温度可有效降低液体粘度,从而提高过滤速率,常 用于粘度随温度变化较大的流体.另外,应用加热法的同时, 可控制适当温度和受热时间,使蛋白质凝聚形成较大颗粒, 进一步改善发酵液的过滤特性.如链霉素发酵液,调酸至 pH3.0后,加热至70℃,维持半小时,液相粘度下降至1/6, 过滤速率可增大10～100倍.使用加热法时必须注意:①加热 的温度必须控制在不影响目的产物活性的范围内;②对于发 酵液,温度过高或时间过长,可能造成细胞溶解,胞内物质 外溢,而增加发酵液的复杂性,影响其后的产物分离与纯化.
第一节 发酵液的预处理技术
(2)絮凝作用 絮凝作用是利用带有许多活性官能团的 高分子线状化合物吸附多个微粒的能力,通过架桥作用将 许多微粒聚集在一起,形成粗大的松散絮团的过程.所利 用的高分子化合物称为絮凝剂.絮凝剂一般具有长链状结 构,实现絮凝作用关键在于其链节上的多个活性官能团, 包括带电荷的阴离子(如—COOH)或阳离子(如—NH2)基 团以及不带电荷的非离子型基团.它们通过静电引力,范 德华力或氢键作用,强烈地吸附在胶粒表面.
第一节 发酵液的预处理技术
当采用预涂助滤剂的方法时,间歇操作助滤剂的最小 厚度为2mm;连续操作则要根据所需过滤速率来确定.当 助滤剂直接加入发酵液时,一般采用的助滤剂用量等于悬 浮液中固形物含量,其过滤速率最快,如用硅藻土作助滤 剂时,通常细粒用量为500g/m3;中等粒度用量为700g/ m3;粗粒用量为(700～1000)g/m3.
第一节 发酵液的预处理技术
③粒度选择 助滤剂的粒度及粒度分布对过滤速率和 滤液澄清度影响很大.当粒度一定时,过滤速率与澄清度 成反比,过滤速率大,澄清度差;过滤速率小,则澄清度 好.助滤剂的粒度必须与悬浮液中固体粒子的尺寸相适应, 如颗粒较小的悬浮液应采用较细的助滤剂.商品硅藻土助 滤剂有多种规格,粒度分布不同,因此使用前应针对不同 料液的特性和过滤要求,通过实验,确定其最佳型号. ④用量的确定 助滤剂的用量必须适宜.用量过少, 起不到有效的助滤作用;用量过大,不仅浪费,而且会因 助滤剂成为主要的滤饼阻力而使过滤速率下降.
固液分离技术
第一章 固液分离技术
第一章
第一章
固液分离技术
第一节 发酵液的预处理技术
第二节 固液分离
第一节 发酵液的预处理技术
一,预处理的原理及方法 1.降低液体粘度 .
由流体力学基本知识可知,滤液通过滤饼的速率与液体 的粘度成反比,可见降低液体粘度可有效提高过滤速率.降 低液体粘度常用的方法有加水稀释法和加热法. 加水稀释法可有效降低液体粘度,但会增加悬浮液的体 积,使后处理任务加大,并且只有当稀释后过滤速率提高的 百分比大于加水比时,从经济上才能认为有效.
第一节 发酵液的预处理技术
3.多糖的去除
酶解法可将混合液中的不溶性多糖物质酶解,使其转 化为溶解度较大的单糖,从而改变流体的流动特性,提高 过滤速率.例如万古霉素用淀粉作培养基,发酵完成后, 发酵液中多余的淀粉使混合液粘度较大,当加入0.025%的 淀粉酶后,搅拌30min,再加2.5%助滤剂(硅藻土),可使 过滤速率提高5倍.
第一节 发酵液的预处理技术
根据絮凝剂所带电性的不同,分阴离子型,阳离子型和非离 子型三类.对于带有负电性的微粒,加入阳离子型絮凝剂, 具有降低离子排斥电位和产生吸附架桥作用的双重机制;而 非离子型和阳离子型絮凝剂,主要通过分子间引力和氢键等 作用产生吸附架桥.影响絮凝作用的主要因素有: ①高分子絮凝剂的性质和结构 线性结构的有机高分子 絮凝剂,其絮凝作用大,而成环状或支链结构的有机高分子 絮凝剂的效果较差.絮凝剂的分子量越大,线性分子链越长, 絮凝效果越好;但分子量增大,絮凝剂在水中的溶解度降低, 因此要选择适宜分子量的絮凝剂.
第一节 发酵液的预处理技术
常用的凝聚剂有AlCl36H2O,Al2(SO4)318H2O, K2SO4Al2(SO4)324H2O,FeSO47H2O,FeCl36H2O, ZnSO4和MgCO3等.电解质凝聚能力可用凝聚值来表示, 使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度(mmol/L)称为 凝聚值.根据Schuze-Hardy法则,阳离子的价数越高,该 值就越小,即凝聚能力越强.阳离子对带负电荷的发酵液 胶体粒子凝聚能力的次序为: Al3+>Fe3+>H+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>Li+.
第一节 发酵液的预处理技术
①根据目的产物的性质选择助滤剂品种 当目的产物存 在于液相时.要注意目的产物是否会被助滤剂吸附,是否可 通过改变pH来减少吸附;当目的产物存在于固相时,一般使 用淀粉,纤维素等不影响产品质量的助滤剂. ②根据过滤介质和过滤情况选择助滤剂品种 当使用粗 目滤网时易泄漏,采用石棉粉,纤维素,淀粉等作助滤剂可 有效地防止泄漏.当使用细目滤布时,宜采用细硅藻土,若 采用粗粒硅藻土,则料液中的细微颗粒仍将透过助滤层而到 达滤布表面,从而使过滤阻力增大.当使用烧结或粘结材料 制成的过滤介质时,宜使用纤维素助滤剂,这样可使滤饼易 于剥离,并可防止堵塞毛细孔.
第一节 发酵液的预处理技术
3.凝聚和絮凝 .
凝聚和絮凝的主要作用为增大混合液中悬浮粒子的体积, 提高固液分离速度,同时可除去一些杂质. (1)凝聚作用 凝聚作用是指在某些电解质作用下,使胶 体粒子聚集的过程.这些电质称为凝聚剂.胶体粒子能保持 分散状态的原因是其带有相同电荷和扩散双电层的结构.当 分子热运动使粒子间距离缩小到使它们的扩散层部分重叠时, 即产生电排斥作用,使两个粒子分开,从而阻止了粒子的聚 集.双电层电位越大,电排斥作用就越强,胶粒的分散程度 也越大,发酵液越难过滤.
第一节 发酵液的预处理技术
②絮凝操作温度 当温度升高时,絮凝速度加快,形成 的絮凝颗粒细小.因此絮凝操作温度要合适,一般为20℃～ 30℃. ③pH 溶液pH的变化会影响离子型絮凝剂功能团的电离 度,因此阳离子型絮凝剂适合在酸性或中性的pH环境中使用, 阴离子型絮凝剂适合在中性或碱性的环境中使用. ④搅拌速度和时间 适当的搅拌速度和时间对絮凝是有 利的,一般情况下,搅拌速度为(40～80)r/min,不要超过 100r/min;搅拌时间以(2～4)min为宜,不超过5min.
第一节 发酵液的预处理技术
胶粒能稳定存在的另一个原因是其表面的水化作用, 使粒子周围形成水化层,阻碍了胶粒间的直接聚集.凝聚 剂的加入可使胶粒之间双电层电位下降或者使胶体表面水 化层破坏或变薄,导致胶体颗粒间的排斥作用降低,吸引 作用加强,破坏胶体系统的分散状态,导致颗粒凝聚.影 响凝聚作用的主要因素是无机盐的种类,化合价及无机盐 用量等.