生物药物的分离纯化技术.pptx
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第七章生物药物成分的提取纯化技术
表面活性剂处理法：利用表面活性剂处理细胞， 可增大细胞壁通透性，使细胞内产物容易释放出 来。
三、生物学方法
自溶法：注意水解酶不仅可以使细胞壁和细胞膜 破坏，同时也可能会把某些需要提取的有效成分 分解。
酶解法：利用酶先将细胞壁分解，再释放内含物 。
第二节 沉淀分离技术
应用的分离技术时考虑以下几个因素 采用的沉淀技术对目的物的分离有高的选择性；
物质是以气、液和固3种形式存在，在不同的压力和温度 下可以相的转换。在温度高于某一数值时，任何大的压力 均不能使该纯物质由气相转化为液相，此时的温度即被称 之为临界温度Tc；而在临界温度下，气体能被液化的最 低压力称为临界压力Pc。当物质所处的温度高于临界温 度，压力大于临界压力时，该物质处于超临界状态。在压 温图中，高于临界温度和临界压力的区域就称为超临界区 ，如果流体被加热或被压缩至其临界温度（Tc）和临界 压力（Pc）以上状态时，向该状态气体加压，气体不会 液化，只是密度增大，具有类似液体性质，同时还保留有 气体性能，这种状态的流体称为超临界流体。
最为常用的是CO2：临界温度为接近常温，适于 分离对热敏感物质；临界压力容易达到；可以渗 入原料，提取完全；选择性好；无毒，不易残存 在提取物中；化学稳定性高；价格低廉，可以重 复使用。
超临界为超临界流体，是介于气液之间的一种既 非气态又非液态的物态，这种物质只能在其温度 和压力超过临界点时才能存在。超临界流体的密 度较大，与液体相仿，而它的粘度又较接近于气 体。因此超临界流体是一种十分理想的萃取剂。
急热骤冷法：投入沸水浴中，在90℃左右几分钟 ，立即置于冰浴中迅速冷却。细菌及病菌材料
超声波破碎法：为防止有效成分的变性，常在冰 水或有外部冷却条件的容器中进行。微生物材料
三、生物学方法
自溶法：注意水解酶不仅可以使细胞壁和细胞膜 破坏，同时也可能会把某些需要提取的有效成分 分解。
酶解法：利用酶先将细胞壁分解，再释放内含物 。
第二节 沉淀分离技术
应用的分离技术时考虑以下几个因素 采用的沉淀技术对目的物的分离有高的选择性；
物质是以气、液和固3种形式存在，在不同的压力和温度 下可以相的转换。在温度高于某一数值时，任何大的压力 均不能使该纯物质由气相转化为液相，此时的温度即被称 之为临界温度Tc；而在临界温度下，气体能被液化的最 低压力称为临界压力Pc。当物质所处的温度高于临界温 度，压力大于临界压力时，该物质处于超临界状态。在压 温图中，高于临界温度和临界压力的区域就称为超临界区 ，如果流体被加热或被压缩至其临界温度（Tc）和临界 压力（Pc）以上状态时，向该状态气体加压，气体不会 液化，只是密度增大，具有类似液体性质，同时还保留有 气体性能，这种状态的流体称为超临界流体。
最为常用的是CO2：临界温度为接近常温，适于 分离对热敏感物质；临界压力容易达到；可以渗 入原料，提取完全；选择性好；无毒，不易残存 在提取物中；化学稳定性高；价格低廉，可以重 复使用。
超临界为超临界流体，是介于气液之间的一种既 非气态又非液态的物态，这种物质只能在其温度 和压力超过临界点时才能存在。超临界流体的密 度较大，与液体相仿，而它的粘度又较接近于气 体。因此超临界流体是一种十分理想的萃取剂。
急热骤冷法：投入沸水浴中，在90℃左右几分钟 ，立即置于冰浴中迅速冷却。细菌及病菌材料
超声波破碎法：为防止有效成分的变性，常在冰 水或有外部冷却条件的容器中进行。微生物材料
《生物分离与纯化》课件
阻色谱等。
精细分离的效果取决于目标物质 的性质、分离方法和分离条件的 选择，需根据实际情况进行调整
。
纯化与鉴定
纯化与鉴定的目的是进一步去除杂质，提高目标物质的纯度和鉴定其性质 。
常用的纯化方法有超滤、结晶和电泳等。鉴定方法包括光谱分析、质谱分 析和免疫分析等。
纯化与鉴定的效果取决于目标物质的性质、纯化和鉴定方法的选择以及实 验条件，需根据实际情况进行调整。
离心法
离心法
利用不同物质在离心力场中的沉降速度不同 ，将悬浮液中的物质进行分离的方法。
速率区带离心法
利用不同颗粒在离心力场中的运动轨迹不同 ，将颗粒按大小和密度进行分离。
差速离心法
通过逐渐增加离心力，将不同大小的颗粒分 离开。
密度梯度离心法
在离心管中加入密度梯度介质，使不同密度 的颗粒在离心力场中分离。
实验效率的提高
提高实验效率是生物分离与纯化的关 键，可以缩短实验时间并降低成本。
优化实验流程，如减少样品处理时间 、提高自动化程度等，也可以提高实 验效率。
选择高效的分离方法，如高效液相色 谱、快速色谱等，可以显著提高实验 效率。
06
生物分离与纯化的未来发展
新技术的应用
1 2
人工智能与机器学习
初步分离的目的是将破碎后的细胞混合物分离成 各个组分，如蛋白质、核酸和脂质等。
常用的初步分离方法有离心分离、过滤分离和沉 淀分离等。
初步分离的效果取决于分离方法和分离条件的选 择，需根据实际情况进行调整。
精细分离
精细分离的目的是从初步分离后 的组分中进一步分离出目标物质
，如蛋白质、酶和核酸等。
常用的精细分离方法有亲和色谱 、离子交换色谱、凝胶色谱和排
电泳法
精细分离的效果取决于目标物质 的性质、分离方法和分离条件的 选择，需根据实际情况进行调整
。
纯化与鉴定
纯化与鉴定的目的是进一步去除杂质，提高目标物质的纯度和鉴定其性质 。
常用的纯化方法有超滤、结晶和电泳等。鉴定方法包括光谱分析、质谱分 析和免疫分析等。
纯化与鉴定的效果取决于目标物质的性质、纯化和鉴定方法的选择以及实 验条件，需根据实际情况进行调整。
离心法
离心法
利用不同物质在离心力场中的沉降速度不同 ，将悬浮液中的物质进行分离的方法。
速率区带离心法
利用不同颗粒在离心力场中的运动轨迹不同 ，将颗粒按大小和密度进行分离。
差速离心法
通过逐渐增加离心力，将不同大小的颗粒分 离开。
密度梯度离心法
在离心管中加入密度梯度介质，使不同密度 的颗粒在离心力场中分离。
实验效率的提高
提高实验效率是生物分离与纯化的关 键，可以缩短实验时间并降低成本。
优化实验流程，如减少样品处理时间 、提高自动化程度等，也可以提高实 验效率。
选择高效的分离方法，如高效液相色 谱、快速色谱等，可以显著提高实验 效率。
06
生物分离与纯化的未来发展
新技术的应用
1 2
人工智能与机器学习
初步分离的目的是将破碎后的细胞混合物分离成 各个组分，如蛋白质、核酸和脂质等。
常用的初步分离方法有离心分离、过滤分离和沉 淀分离等。
初步分离的效果取决于分离方法和分离条件的选 择，需根据实际情况进行调整。
精细分离
精细分离的目的是从初步分离后 的组分中进一步分离出目标物质
，如蛋白质、酶和核酸等。
常用的精细分离方法有亲和色谱 、离子交换色谱、凝胶色谱和排
电泳法
第六章 生物制药分离纯化技术绪论
第四节 分离纯化的基本工艺流程
（二）细胞破碎与碎片处理 宿主细胞中属于非分泌型的药物成分必须在纯 化以前先将细胞破碎，即破坏细胞壁和细胞膜， 使胞内产物获得最大程度的释放。真菌、细菌 具有细胞壁的结构破碎难度较大，动物细胞因 概 述 不存在细胞壁结构较易破碎。细胞破碎的方法 有机械、化学、物理、酶解和干燥等各种方法。 化学破碎法有酸碱法、脂溶法及酶解法等，物 理破碎法主要有渗透法、超声波法等。大规模 生产中常采用高压匀浆机和高速球磨机等机械 破碎法。 一般待提取的溶液里常存在大量的组织细胞碎 4 片，需对碎片进行处理。主要采用过滤与离心 除去碎片，采用双水相萃取法， 除去等密度的 细胞碎片。
第一节
概述
生物药物是指综合运用微生物学、化学、生物化学、生物技术、 药学等科学的原理和方法，从生物体、生物组织、细胞、体液等制
造的用于预防、治疗和诊断的制品。生物药物原料以天然的生物材
料为主，包括微生物、人体、动物、植物、海洋生物等。生物药物 的特点是药理活性高、毒副作用小，主要有蛋白质、核酸、糖类、 脂类等。
第六章 生物制药分离纯 化技术绪论
目 录
第一节 概述 第二节 生物药物的分离纯化原则 第三节 生物药物的分离纯化 第四节 分离纯化的基本工艺流程
学习目标
知识要求 掌握分离纯化的基本原理、工艺流程。 熟悉生物制药分离纯化的单元操作。 了解生物制药分离纯化的原材料的来源，分离 纯化的原则与准备
能力要求 熟练掌握生物制药分离纯化技术的基本知识， 学会分离纯化方法的选择与相关应用。
纯 化
第四节 分离纯化的基本工艺流程
（一）预处理
预处理的目的是将目的成分从起始组织、器官 或细胞等中释放出来，初步去除杂质，浓缩目 的成分，利于提高分离效率。 概 述 发酵液或培养液通过调节pH、加入絮凝剂、加 热等处理，降低溶液的粘度，使细胞或溶解的 大分子凝结成较大的颗粒，再采用过滤、离心 分离、沉降及倾析等去除固体杂质。 动物材料必须选择有效成份含量丰富的脏器组 织为原材料，采用高速组织捣碎机或匀浆器进 4 行绞碎，经脱脂等处理。对预处理好的材料， 若不立即使用，应冷冻保存。来自二、分离纯化单元操作的特点
生物制药分离纯化技术
2.常用絮凝剂 （1）无机高分子絮凝剂
无机高分子絮凝剂的是由无机化合物组成。该絮凝剂能够强烈
吸引胶体微粒,通过黏附、架桥和交联作用,促进胶体凝聚,同时 还发生物理化学变化,中和胶体微粒及悬浮物表面的电荷,降低了
ξ电位,从而使胶体离子发生互相吸引作用,破坏了胶团的稳定性.
促进胶体微粒碰撞,形成了絮状沉淀.无机高分子絮凝剂既有吸附 脱稳作用,又可发挥桥联和卷扫絮凝作用，使水体中的悬浮物成
为可过滤的絮凝物。
在发酵液的澄清处理中用得较多的是聚合氯化铝、聚合硫酸 铁、活性硅藻土等。
（2）高分子絮凝剂
高分子絮凝剂是含有大量活性基团的高分子有机化合物。在发酵液
的澄清处理中，可分为有机合成聚和物和天然高分子化合物两大类。
①有机合成聚合物 阳离子型聚丙烯酰胺和阴离子型聚丙烯酸类，以ST高效絮凝剂为代表，
1.发酵液悬浮物的组成 菌体、细胞、细胞碎片、亚细胞器、生物大 分子、生物小分子、无机盐、营养基、胞外药物等 2.发酵液的性质 非牛顿型流体，可压缩性颗粒组成悬浮物，黏度高，粘稠性液体
3.必要性 进行第一次杂质分离，去除粗颗粒杂质。
二、任务分析 1.悬浮物的存在状态 发酵液悬浮物在液体中以胶体形式存在。都带有电荷，
子情景一
降低发酵液黏度
一、项目资讯
降低发酵 液黏度
1.发酵液的组成 菌体、细胞、细胞碎片、亚细胞器、生物大 分子、生物小分子、无机盐、营养基、胞外药物等 2.发酵液的性质 非牛顿型流体，可压缩性颗粒组成悬浮物，黏度高，粘稠性液体
3.必要性 流体黏度高输送难度大，不利于后续分离纯化操作
二、任务分析 1.必备知识 按生物药物存在部位可分为胞内药物和胞外药物。 为了获得药物必须进行过滤。发酵液黏度高，过滤难度 大，需要降低其黏度。 黏度：液体的黏度随温度的升高而降低。因此降低发酵液的 黏度可采取加热法。 2.可以采用的方法 将发酵液温度升高到80℃，保温 即可将其黏度降低数十甚至数百倍。
生物药物的提取纯化技术
离心技术在生物制药研究及生产中应 用极广，如从培养液中分离收集细胞， 去除细胞碎片，收集沉淀物，从含蛋白 质的液体中除去蛋白质吸附剂，也包括 用超速离心法分离溶解的大分子。
四、膜分离技术
(一)膜分离原理及特点
膜分离的基本原理是：膜作为一种有选择性 的障碍物，允许某些组分通过，而不许其他组分 通过，因此将料液分成透过液和保留液两部分。 膜分离技术在分离物质过程中不涉及相变，无二 次污染。可分批操作，也可连续操作，易于自动 化和扩大生产规模，分离效率较高。膜分离的缺 点是膜易污染，使膜的性能降低。合成材料制成 的膜在耐热、耐化学腐蚀等方面尚需改进，膜分 离技术需要与其他分离技术结合起来使用。
第七章 生物药物的提取纯化技术
第一节 概 述 第二节 预处理及固液分离技术 第三节 沉 淀 第四节 萃取(Extraction) 第五节 吸附(Sorption) 第六节 亲和层析 第七节 新型层析分离纯化装置及介质
第一节 概 述
一. 生物药物的特点
生物药物的稳定性受pH、温度、离子强度 、提取过程所使用的溶剂和表面活性剂、金属 离子等方面的影响，生物药物对剪切力也很敏 感，分子量越大，稳定性就越差。因此，在分 离纯化过程中，条件应当越温和。许多生物药 物组分的浓度非常低，但生物药物产品的纯度 却要求很高，含量要达到95％甚至98％以上， 最好是结晶态产品。另外，生物药物还应具有 正常的颜色、稳定性和溶解速率。
(二)膜分离材料及装置
膜可以是完全可透的，也可以是半透性的； 有的膜是独立存在于流体间的，也有的膜是附着 于支撑物或载体上的微孔隙中。膜还必须具有高 度的渗透选择性。
按照膜的孔径大小，可将膜分为：微滤膜 (0.025～14 m)；超滤膜 (0.001～0.02 m)； 反渗透膜0.000l～0.001m)；纳米膜(平均直径 2 nm)。
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（如-NH2）基团以及不带电荷的非离子型 基团。
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• 它们通过静电引力、范德华引力或氢键的作用， 强烈地吸附在胶粒的表面。
• 当一个高分子聚合物的许多链节分别吸附在不同 的胶粒表面上，产生桥架联结时，就形成了较大 的絮团，这就是絮凝作用。
• 1、需要对目标产物的快速分离纯化 • 2、需要对原料液进行高度浓缩 • 3、需要借助新型的分离技术和材料 • 4、需要除去有害人类健康的物质 • 5、采用利于保持目标产物产品质量的操作条件 • 6、产品要求高质量、高纯度
因此，生物分离过程往往成本很高，在某些产品的生产过程中，分离 成本可能占到总成本的80％以上。
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• （2）絮凝 • 指在某些高分子絮凝剂存在下，基于桥架
作用，使胶粒形成较大絮凝团的过程。 • 采用絮凝法可形成粗大的絮凝体，使发酵
液较易分离。
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絮凝剂
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• 是一种能溶于水的高分子聚合物，其相对 分子质量可高达数万至一千万以上，长链
状结构，其链节上含有许多活性官能团，
包括带电荷的阴离子（如-COOH）或阳离子
生物药物的分离纯化技术
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• 研究如何从混合物中把一种或几种物质分 离出来的科学技术，是一门应用性很强、 科技含量较高的学科，涉及到物理、化学、 生物学等方面的知识和操作技术。
第一节 绪 论
基本涵义
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• 生物分离技术是指从动植物与微生物的有 机体或器官、生物工程产物（发酵液、培 养液）及其生物化学产品中提取、分离、 纯化有用物质的技术过程。
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2.调节pH • pH值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值可改善其过滤 特性。
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3.凝聚与絮凝 • 采用凝聚和絮凝技术能有效改变细胞、细
胞碎片及溶解大分子物质的分散状态，使 其聚结成较大的颗粒，便于提高过滤速率。 另外，还能有效地除去杂蛋白和固体杂质， 提高滤液质量。
• （一）发酵液过滤特性的改变 • （二）发酵液的相对纯化
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发酵液过产物浓度较低，大多为1-10%，悬浮液中大
部分是水； ➢ 悬浮物颗粒小，相对密度与液相相差不大； ➢ 固体粒子可压缩性大； ➢ 液相粘度大，大多为非牛顿型流体； ➢ 性质不稳定，随时间变化，如易受空气氧化、微
• 5、进行产物均一性的测定；
• 6、进行中间试验和工业生产应用的放大设计，确定最佳 的分离方法。
第二节 发酵液的预处理
预处理的目的
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• 1.分离细胞、菌体和其它悬浮颗粒（细胞 碎片、核酸和蛋白质的沉淀物）。
• 2.除去部分可溶性杂质和改变滤液的性质， 以利于后继各步操作 。
预处理的方法
吸附层析 离子交换层析
凝胶层析 亲和层析 疏水层析 高效液相色谱
成品加工
脱盐、浓缩 结晶、干燥
图1-1 生物分离的一般工艺过程
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生物分离的各阶段的常用方法
发酵液的预处理 • 加热 、调pH、絮凝和凝聚。
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固液分离 • 沉降、离心分离、过滤、错流过滤。
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细胞破碎 • 机械法：高压匀浆、高速珠磨、超声波破
生物分离的基本过程
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• 生物分离工艺流程：
• 一般包括原料的选取、预处理、细胞破碎、 固-液分离、初步纯化（分离）、精制（高 度纯化）和成品加工等过程。
发酵液 （培养液）
胞外产物
预处理 胞内产物
动植物 原料
细胞破碎
固-液分离
细胞破碎
萃取与预处理
初步纯化 精制
固-液分离
沉淀分离 静态吸附 静态离子交换 萃取分离 膜分离
生物分离方法的选择
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• 对于一个未知化学结构和性质的组分的分离制备设计，
大致可按以下六个基本步骤进行：
• 1、查找与待分离组分相关的基础性研究资料，建立相应 的分析鉴定方法；
• 2、开展制备物的理化性质稳定性的预备试验；
• 3、开展材料处理及抽提方法的选择试验；
• 4、进行分离纯化方法、程序的摸索及其分离效果的评价；
碎； • 非机械法：化学法、酶解法、渗透压冲击
法、冻结融化法、干燥法。
初步纯化 • 沉淀法、吸附法、萃取法、超滤法
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高度纯化
• 吸附层析、亲和层析、凝胶层析、离子交 换层析、电泳、结晶和重结晶。
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成品加工 • 无菌过滤、去热原、干燥、冷冻干燥、喷
雾干燥、制剂。
生物分离技术的特点
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生物污染、蛋白酶水解等作用的影响。
改善发酵液过滤特性的物理化学方法
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• 调酸（等电点）、热处理、电解质处理、 添加凝聚剂、添加表面活性物质、添加反 应剂、冷冻-解冻及添加助滤剂等。
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1.降低液体粘度 • 根据流体力学原理，滤液通过滤饼的速率
与液体的粘度成反比，降低液体粘度（加 水稀释法和加热法等）可有效提高过滤速 率。注意加热温度与时间，不影响产物活 性和细胞的完整性。
发展历史
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生物分离技术至今已有几百年的历史。
① 16世纪人们发明了用水蒸气蒸馏从鲜花与香草 中提取天然香料的方法；
② 近代生物分离技术是在欧洲工业革命以后逐渐 发展形成的；到20世纪40年代初，大规模深层 发酵生产抗菌素；
③ 近年来发展的新生物技术包括利用基因工程菌 生产人造胰岛素，人与动物疫苗等产品，某粗 产物的含量极低，而对分离所得最终产物的要 求却更高了。
主要内容
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• 包括离心分离、过滤分离、泡沫分离、萃 取分离、沉淀（析）分离、膜分离、层析 （色谱）分离、电泳分离技术以及产品的 浓缩、结晶、干燥等技术。
基本原理
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• 主要是依据离心力、分子大小（筛分）、 浓度差、压力差、电荷效应、吸附作用、 静电作用、亲和作用、疏水作用、溶解度、 平衡分离等原理对原料或产物进行分离、 纯化。不同的分离对象需要采用不同的分 离方法才能有效地被分离。
• （1）凝聚
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指在电解质作用下，由于胶粒之间双电层 电排斥作用降低，电位下降，而使胶体体 系不稳定的现象。
• 发酵液中的细胞、菌体或蛋白质等胶体粒 子双电层的结构使胶粒之间不易聚集而保 持稳定的分散状态。
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主要是无机类电解质，大多为阳离子。 常用的凝聚剂电解质： • 硫酸铝 Al2(SO4)3•18H2O； • 氯化铝 AlCl3•6H2O; • 三氯化铁 FeCl3; • 硫酸亚铁 FeSO4·7H2O ； • 石灰；ZnSO4；MgCO3