生物分离工程-第一章绪论
《生物分离工程》知识点整理
《⽣物分离⼯程》知识点整理⽣物分离⼯程第⼀章(绪论)⽣物分离⼯程的定义和过程⽣物分离⼯程定义（名词解释）：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。
过程：⽬标产物捕获⽬标产物初步纯化(萃取、沉淀、吸附等⽅法)⽬标产物⾼度纯化和精制细胞分离三种⼿段：重⼒沉降离⼼沉降过滤第⼆章离⼼分离原理和⽅法：原理：离⼼沉降是在离⼼⼒的作⽤下发⽣的。
单位质量的物质所受到的离⼼⼒：式中：r为离⼼半径，即从旋转轴⼼到沉降颗粒的距离；ω为旋转⾓速度；N为离⼼机的转数，s－1⽅法：（1）差速离⼼分级（2）区带离⼼（差速区带离⼼、平衡区带离⼼）离⼼分离设备：离⼼⼒（转速)的⼤⼩：低速离⼼机、⾼速离⼼机、超离⼼机按⽤途：分析性、制备性按⼯业应⽤：管式离⼼机、碟⽚式离⼼机实验室⽤以离⼼管式转⼦离⼼机，离⼼操作为间歇式悬浮液的预处理⽅法和⽬的：⽅法：1.加热：最简单和最廉价的处理⽅法。
黏度、促凝聚、固体成分体积、破坏凝胶结构、增加空隙率调pH值：⽅法简单有效、成本低廉2.凝聚：在凝聚剂(如铝盐、铁盐、⽯灰和NaCl)作⽤下，细胞蛋⽩质等胶体去稳定，并聚集成1mm⼤⼩的凝聚块的过程。
（机理：破坏双电层，⽔解后胶体吸附，氢键结合等）3.絮凝：在絮凝剂⾼分⼦聚合电解质的作⽤下，胶体颗粒和聚合电解质交连成⽹，形成10mm⼤⼩的絮凝团过程。
（机理：絮凝剂主要起中和电荷、桥架和⽹络作⽤）4.惰性助滤剂：⼀种颗粒均匀、质地坚硬的粒状物质，⽤于扩⼤过滤表⾯的适应围，减轻细⼩颗粒的快速挤压变形和过滤介质的堵塞。
（使⽤⽅法：预涂层；按⼀定⽐率混合。
助滤剂种类：硅藻⼟、纤维素、未活化的炭、炉渣、重质碳酸钙等。
）⽬的：提⾼过滤速度和过滤质量是过滤操作的⽬标。
各种细胞破碎技术原理和优缺点：原理：许多⽣物产物在细胞培养过程中保留在细胞，需破碎细胞，使⽬标产物选择性地释放到液相。
生物分离工程绪论
Today, we restrict biotechnology largely to those areas where chemicals are produced as molecular. Under this more restricted definition, biotechnology is about 100 year old.
4. Where are the impurities in each process stream? （杂质在生产过程中出现的位置）
5. What are the unusual physicochemical properties of the product and the principal impurities? （主要杂质独特的物化性质是什么？）
steroid biooxidations Total
Number of species 85 18 15 11
6
8
143
If we made a more current list, we would add genetically engineered insulin, human and bovine growth hormones and interferons. This list gets longer daily.
（设计中应考虑下列问题）
1. What is the value of the product? （产品价值）
2. What is an acceptable product quality? (产品质量）
3. Where is the product in each process stream? （产物在生产过程中出现的位置）
《生物分离工程》课程笔记
《生物分离工程》课程笔记第一章绪论一、生物分离工程的历史及应用1. 历史生物分离工程的历史可以追溯到古代酿酒和面包制作时期，但作为一个独立领域的发展始于20世纪。
早期的生物分离技术主要依靠自然现象，如沉淀、结晶等。
随着科技的发展，尤其是生物技术的崛起，生物分离工程逐渐形成一门独立的学科，并得到了迅速发展。
2. 应用生物分离技术在医药、食品、农业、环境保护等领域有广泛的应用。
例如，在疫苗生产中，需要从细胞培养液中分离出病毒或细菌；在抗生素提取中，需要从发酵液中提取抗生素；在蛋白质纯化中，需要从混合蛋白质中分离出目标蛋白质；在果汁澄清中，需要去除果汁中的悬浮固体等。
二、生物分离过程的特点1. 复杂性生物分离过程涉及生物大分子（如蛋白质、核酸、多糖等）的分离和纯化，这些生物大分子在结构和性质上具有很高的复杂性，因此生物分离过程也具有较高的复杂性。
2. 多样性生物分离过程中，针对不同的生物大分子和混合物，需要采用不同的分离方法和工艺，因此生物分离过程具有很高的多样性。
3. 灵敏度生物大分子在分离过程中容易受到外界因素的影响，如温度、pH值、离子强度等，因此生物分离过程需要严格控制条件，具有很高的灵敏度。
4. 易失活性生物大分子在分离过程中容易发生变性、降解等失活现象，因此生物分离过程需要尽量减少这些失活现象的发生。
5. 高价值生物大分子往往具有很高的经济价值，如药物、生物制品等，因此生物分离过程需要高效、高收率地分离目标物质，以满足市场需求。
第二章过滤一、过滤基本概念及预处理1. 过滤基本概念过滤是一种基于孔径大小实现固体与流体分离的技术。
在生物分离工程中，过滤技术被广泛应用于细胞培养液、发酵液、酶反应液等混合物的初步分离和纯化。
过滤过程中，混合物通过过滤介质（如滤纸、滤膜等），固体颗粒被拦截在过滤介质上，而流体则通过过滤介质流出，从而实现分离。
2. 预处理为了提高过滤效率，通常需要对混合物进行预处理。
生物分离工程知识点复习（有）
⽣物分离⼯程知识点复习（有）2009-2010学年第⼀学期《⽣物分离⼯程》复习⼤纲第⼀章绪论⼀、⽣物分离过程的⼀般流程P3⼆、⽣物分离的⼀般步骤：⼀般分四步1、不溶物的去除（固液分离）Removal of insolubles2、杂质粗分或称分离（浓缩）使⽤离⼦交换吸附、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。
Isolation3、纯化（⾊谱、电泳、沉淀）Purification4、精制（结晶）Polishing三、⽣物分离过程的特点（四个，P4）第⼆章细胞分离与破碎⼀、⽣物悬浮液预处理⽬的a 改变发酵液物理性质b 产物转⼊液相中c 除去发酵液中部分杂质⼆、凝聚和絮凝的概念及作⽤凝聚：添加盐类破坏细胞双电层，导致细胞聚集。
絮凝：添加絮凝剂在细胞间形成桥架作⽤。
作⽤：加快重⼒沉降速率（直径增加），去除蛋⽩质，提⾼过滤速度和质量。
三、⽣物悬浮液固液分离⽅法离⼼和过滤四、离⼼设备从形式上分为管式、螺旋式、碟⽚式。
五、细胞破碎的概念和破碎的关键⽬标及原因破碎细胞壁和细胞膜，关键是细胞壁。
原因：因为细胞壁是具有⼀定刚性和坚韧的物质，起到保护细胞的作⽤，当细胞与周围环境交换营养物或代谢产物时，细胞壁起了调节和控制的作⽤。
此外，它还具有抗机械撞击作⽤的功能。
六、超声破碎细胞的原理超声波在⾼强度声能输⼊下，利⽤空化现象(cavitation)引起的冲击波和剪切⼒使细胞破碎。
七、细胞破碎程度的测定⽅法直接计数法：直接对适当稀释后的样品进⾏计数，可以通过平板计数技术或在⾎球细胞器上⽤显微镜观察来实现最终染⾊细胞的计数。
间接计数法：间接计数法是在细胞破碎后，测定悬浮液中细胞释放出来的化合物的量(例如可溶性蛋⽩、酶等)。
破碎率可通过被释放出来化合物的量R与所有细胞的理论最⼤释放量Rm之⽐进⾏计算。
间接计数法最常⽤的细胞内含物是蛋⽩质，特别是酶活性释放到基质中，是破碎程度很好的指⽰参数。
⼋、离⼼和珠磨法破碎细胞的计算第三章初级分离⼀、沉淀的概念（P35）以及与结晶的区别沉淀和结晶的区别在于形态的不同，结晶是同类分⼦或离⼦以有规则排列形式析出，沉淀是同类分⼦或离⼦以⽆规则的紊乱排列形式析出。
生物分离工程 第1章 绪论
• 做豆腐
•蛋白沉淀、过滤、干燥、……
• 2、第一代生物技术
第一代（传统）生物工业是 指1860年代到1940年代青霉素 等抗生素出现之前的生物技术 产业。这一时期，发现了发酵 的本质是微生物的作用，而且 发现了微生物的有关功能，掌 握了纯种培养技术，生物技术 进入近代酿造产业的发展阶段。 到20世纪上半叶，近代酿造产 业的生产技术已经有了很大的 发展，又逐渐开发形成了发酵 法生产酒精、丙酮、丁醇等微 生物发酵工业（厌氧发酵）。
1、培养液(或发酵液)是复杂的多相系统，含有细胞、 代谢产物和末用完的培养基等。分散在其中的固 体和胶状物质，具可压缩性，其密度又和液体相 近，加上粘度很大，属非牛顿性液体，使从培养 液中分离固体很困难。 2、培养液中所欲提取的生物物质浓度很低，但杂 质含量却很高，特别是利用基因工程方法产生的 蛋白质常常伴有大量性质相近的杂质蛋白质。 3、另一个特点是欲提取的生物物质通常很不稳定、 遇热、极端pH、有机溶剂会引起失活或分解。 4、发酵或培养都是分批操作、生物变异性大，各 批发酵液不尽相同，要求下游加工有一定的弹性。
生物分离工程
——绪 论
• 生物化工 Biochemical Engineering
生物学
化学
工程学
生物工程
•基因工程、菌株选育
•发酵
•酶催化 •Байду номын сангаас离
产品
产 品
第一节 下游加工过程概述
一、下游加工过程在发酵工程中的地位 1、1下游加工过程的定义 对于由自然界天然生成的或由人工经微生物 菌体发酵、动植物细胞培养及酶反应等各种生物 工业生产过程获得的生物原料，经分离、纯化并 精制其中目的成分，并最终使其成为产品的技术， 也称为生物下游技术 它由一些化学工程的单元操作组成，但由于生 物物质的特性，有其特殊要求，而且其中某些单 元操作一般化学工业中应用较少。
生物分离工程复习纲要
生物分离工程复习纲要--裴武第一章绪论1.生物分离工程在生物技术中的地位？答: 生物技术的重要目的是运用培养微生物、动物细胞、植物细胞来生产对人有用的产品, 而分离纯化过程是生物产品工程的重要环节。
因此, 生物分离工程是生物技术的重要组成部分, 是生物技术转化为生产力所不可缺少的重要环节, 在生物技术研究和产业发展中发挥着重要作用, 其技术进步限度对于保持和提高各国在生物技术领域内的经济竞争力有至关重要的作用。
2.生物分离工程的特点是什么？答: 生物分离是从生物材料、微生物的发酵液、生物反映液或动植物细胞的培养液中分离并纯化有关产品（如具有药理活性作用的蛋白质等）的过程, 又称为下游加工过程。
生物工程的重要特点是生物制品多种多样; 常无固定操作方法可循;生物材料组成非常复杂, 分离操作环节多, 不易获得高收率; 培养液（或发酵液）中所含目的物浓度很低, 而杂质含量却很高; 分离进程必须保护化合物的生理活性; 生物活性成分离开生物体后, 易变性、破坏。
3.生物分离工程可分为几大部分, 分别涉及哪些单元操作？答: 生物分离工程可分为可分为不溶物的去除、产物分离、产品的纯化及产品的精制四大部分。
不溶物的去除涉及过滤、离心和细胞破碎, 通过这些单元操作使产物浓度和质量得到了提高。
产物分离涉及离子互换吸附、萃取等。
其中萃取又分为溶剂萃取、反微团萃取、超临界流体萃取和双水相萃取等。
以上分离过程不具有特异性, 只是进行初分可提高产物浓度和质量。
产品的纯化涉及色谱、电泳、沉淀等单元操作, 这些技术具有产物的高选择性和杂质的去除性。
产品的精制涉及结晶及干燥等单元操作。
4.在设计下游分离过程前, 必须考虑哪些问题方能保证我们所设计的工艺过程最为经济、可靠？答: 在设计下游分离过程前, 通常要注意以下几个问题:1)生物材料的组成成分非常复杂, 有数百种甚至更多, 各种化合物的形状、大小、相对分子质量和理化性质都各不相同, 有的迄今还是未知物, 并且这些化合物在分离时仍在不断的代谢变化中。
生物分离工程：01-绪论(2008)
Bi os e p ar at ion生物分离工程林东强/张林浙江大学化学工程与生物工程学系生物工程研究所玉泉校区教10 -5113Tel: 87951982e-mail: lindq@2008.4-2008.7B i o s e p a 教材《生物分离工程》第二版孙彦编著化学工业出版社2005B i o s e p a 教材《生物分离工程》第一版孙彦编著化学工业出版社1998B i o s e p a 主要参考书《生物分离原理及应用》欧阳平凯主编化学工业出版社，1999B i o s e p a 主要参考书《生化分离工程》严希康编著俞俊棠主审化学工业出版社，2001B i o s e p a 主要参考书《生物工程下游技术》第二版刘国诠主编化学工业出版社，2003B i o s e p a 主要参考书《生物分离过程科学》刘铮、詹劲等翻译清华大学出版社，2004B i o s e p a 主要参考书Bioseparations Science and Engineering Roger G. Harrison et alOxford University Press , Inc.ISBN: 0-19-512340-92003.B i o s e p a 学科和技术基础化工分离过程？化工单元操作Separation processUnit operationB i o s e p a 课程内容和安排第1章、绪论（3课时）第2章、细胞分离和破碎（3课时）第3章、初级分离（3课时）第5章、萃取（6课时）第6章、吸附（6课时）第7章、层析（9课时）第8章、亲和纯化（3课时）第4章、膜分离（6课时）第9章、电泳（3课时）第10章、蛋白质复性（3课时）第11-12章、结晶和干燥（3课时）教材：《生物分离工程》第二版，孙彦编著B i o s e p a ra t i on生物分离工程第一章. 绪论B i o s e p a ra t i on生物工程的地位生命科学生命科学生物技术产业生物技术产业生物工程生物工程BioengineeringB i o s e p a ra t i on围绕生物技术产品的相关技术支撑产品发酵工程基因工程细胞工程蛋白质工程或酶工程微生物工程菌蛋白质或酶动、植物个体或细胞优良的动植物品系生物分离工程B i o s e p a ra t i on生物分离工程的发展20世纪后半叶20世纪上半叶20世纪中叶20世纪前生物分离技术的发展生物技术的发展B i o s e p a ra t i on生物技术的发展历史20世纪前利用自然界中的微生物来制酒、酱、面包、奶酪等各种食物疾病的预防我国古代的酿酒作坊种牛痘预防天花不分离或简单分离B i o s e p a 生物技术的发展历史20世纪上半叶（1900-1940）筛选和培养微生物来生产特殊的产品，典型例子发酵生产丙酮/丁醇/乙醇德国科学家Weizmann 将筛选获得的厌氧菌株用于工业化发酵1940年,丁醇和丙酮的年产量已经超过45,000 和90,000 吨。
生化分离工程_苏海佳_第一章绪论
2. 溶于水，稀醇，液氨和二甲基甲酰胺，而不溶 于醇，醚和丙酮。
3. 还原型谷胱甘肽具有生理活性。 4. 胞内产物
4
高产 酵母
35～38h
高密度谷发酵胱甘肽的生产95～100℃B，UC5mTin 离心弃上酵清母液 细胞鲜菌的体破碎热水抽提，破壁
离子交换柱
减压浓缩
萃取
谷胱甘肽的分离纯化
洗脱
乙醇沉淀
真空冻结干燥
谷胱甘肽的精制
成品
5
2.1 番茄红素的性质
BUCT
• 1、脂溶性色素，不溶于水，难溶于强极性溶 剂如甲醇、乙醇等；
• 2、溶于非极性溶剂，如乙醚、石油醚、己烷、 丙酮,易溶于氯仿、苯、二硫化碳等。
• 3、溶解度随着温度的上升而增大。 • 4、样品越纯时，溶解越困难。
4. 在设计下游分离过程前，必须考虑哪些问题方能 确保我们所设计的工艺过程最为经济、可靠？
21
参考教材：
BUCT
1. 谭天伟主编《生物分离技术》 2.孙彦主编《生物分离工程》 3.严希康主编《生化分离工程》
22
评价分离效 率三个标准
目标产品的浓缩程度 分离纯化程度 回收率
浓缩程度一般用浓缩率(concentration factor)表达：是以 浓缩为目的分离过程的最重要指标
15
思考题？
BUCT
1. 生物分离工程在生物技术中的地位？
2. 生物分离工程的特点是什么？
3. 生物分离工程可分为几大部分，分别包括哪些单 元操作？
原理：利用亲脂性有机溶剂浸提。
• 工艺过程：
生物分离过程
生物分离过程第一章：绪论1.生物分离工程的一般流程：1)发酵液的预处理：（也称不溶物的去除）作用：将固相分离。
特点：采用凝聚和絮凝等技术来加速固相，液相分离，提高过滤速度。
方法：最基本的单元操作：过滤，离心。
2）产物的提取;作用：将目标物和与其性质差别较大的杂质分开，使产物的浓度有较大幅度的提高。
特点：多单元协同操作。
方法：沉淀，吸附，萃取，超滤等单元操作。
3）产物的精制：作用：高度纯化，除去与目标物性质相近的杂质。
特点：采用对目标物具有高选择性的分离方法。
方法：首选色谱分离技术：层析（柱层析，薄层层析），离子交换，亲和色谱，吸附色谱，电色谱。
4）成品的加工处理：作用：将上述分离纯化过程得到的产物进行最后加工使其成为商用成品。
特点：将产品根据用途，质量要求进行加工。
方法：浓缩，结晶和干燥。
2.生化分离过程特点：①生物材料成分复杂，产物浓度低，分离难度大；②产物稳定性差，分离纯化过程的操作条件要求严格；③产物易变质，难保存，分离过程必须快速高效；④质量要求高（药品或食品）。
第二章：发酵液的预处理3.1）预处理的目的：①改善发酵液的物理性质：流变性质、颗粒粒度②去除部分杂质：杂蛋白、多糖、高价无机离子等。
2）预处理的方法：①物理性质的改善：加热（降低黏度、去除杂蛋白），凝聚与絮凝（增大粒度），加助滤剂（改善过滤）；②杂质的去除：去杂蛋白（等电点、变性剂、吸附），去多糖（酶解），去离子（沉淀）。
4.凝聚，絮凝，盐析的异同点：凝聚：高价盐，不可逆中和，盐浓度低，去除杂蛋白。
絮凝：增大胶粒尺度，形成絮凝凝团粗大。
盐析：低价中性盐，可逆中和，破坏水化膜。
盐的用量大，浓度比较高，回收蛋白质。
（凝聚是在高价无机盐作用下，由于双电层排斥电位的降低，而使胶体体系不稳定的现象。
絮凝是指在某些高分子絮凝剂存在下，基于架桥作用，使胶粒形成粗大的絮凝团的过程，是一种以物理的集合为主的过程。
）第三章：细胞分离技术5.常见的细胞破碎的方法与特点：机械法四种方法较重要，适应性也是其特点6.破碎率的测定1）直接测定法: 细胞计数2）测定释放的蛋白质量或酶的活力或相对电导率第四章：沉淀技术7.常见的沉淀方法：（前三种重要）（1）盐析法：成本低，不需要特别昂贵的设备；操作简单、安全；不会引起蛋白质变性，经透析去盐后，能得到保持生物活性的纯化蛋白质；分离效果不理想，通常只是作为初步的分离纯化，还需要结合其它的纯化方法。
生物分离工程复习纲要
生物分离工程复习纲要--裴武第一章绪论1、生物分离工程在生物技术中的地位？答：生物技术的主要目标是利用培养微生物、动物细胞、植物细胞来生产对人有用的产品，而分离纯化过程是生物产品工程的重要环节。
因此，生物分离工程是生物技术的重要组成部分，是生物技术转化为生产力所不可缺少的重要环节，在生物技术研究和产业发展中发挥着重要作用，其技术进步程度对于保持和提高各国在生物技术领域内的经济竞争力有至关重要的作用。
2、生物分离工程的特点是什么？答：生物分离是从生物材料、微生物的发酵液、生物反应液或动植物细胞的培养液中分离并纯化有关产品（如具有药理活性作用的蛋白质等）的过程，又称为下游加工过程。
生物工程的主要特点是生物制品多种多样; 常无固定操作方法可循;生物材料组成非常复杂, 分离操作步骤多，不易获得高收率; 培养液（或发酵液）中所含目的物浓度很低，而杂质含量却很高; 分离进程必须保护化合物的生理活性; 生物活性成分离开生物体后，易变性、破坏。
3、生物分离工程可分为几大部分，分别包括哪些单元操作？答：生物分离工程可分为可分为不溶物的去除、产物分离、产品的纯化及产品的精制四大部分。
不溶物的去除包括过滤、离心和细胞破碎，通过这些单元操作使产物浓度和质量得到了提高。
产物分离包括离子交换吸附、萃取等。
其中萃取又分为溶剂萃取、反微团萃取、超临界流体萃取和双水相萃取等。
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。
产品的纯化包括色谱、电泳、沉淀等单元操作，这些技术具有产物的高选择性和杂质的去除性。
产品的精制包括结晶及干燥等单元操作。
4、在设计下游分离过程前，必须考虑哪些问题方能确保我们所设计的工艺过程最为经济、可靠？答：在设计下游分离过程前，通常要注意以下几个问题：1)生物材料的组成成分非常复杂，有数百种甚至更多，各种化合物的形状、大小、相对分子质量和理化性质都各不相同，有的迄今还是未知物，而且这些化合物在分离时仍在不断的代谢变化中。
生物分离工程 绪论
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分离纯化策略
生物分离纯化技术的特点 分离纯化方法选择的原则材料选择与成品保存 分离纯化的准备工作
D
重
点
分离纯化的基本步骤
E
F 分离纯化技术的综合运用与工艺放大 G
分离纯化的中试放大
H
生物药品生产工艺的验证
技 术 特 A 点
含量低 工艺复杂 环境复 仴 稳定性差 操作要求严格
核酸及其降解物类 动物器官或组织制剂
菌体制剂 小动物制剂
分离纯化技术 • 指从发酵液、动植物细胞培养液、 指从发酵液、动植物细胞培养液、 酶反应液或动植物组织细胞与体液 等中分离、纯化生物产品的过程。 等中分离、纯化生物产品的过程。
离 萃 心 膜 分 离
分离纯化技术
取 细胞破碎
固相析出分离 色 谱
4.快速发展时期(第三代生物技术产品) 4.快速发展时期(第三代生物技术产品) 快速发展时期 • 一般认为以20世纪70年代末崛起的 一般认为以20世纪70 20世纪70年代末崛起的 DNA重组技术及细胞融合技术为代表 重组技术及细胞融合技术为代表。 DNA重组技术及细胞融合技术为代表。 如乙肝疫苗、 如乙肝疫苗、干扰素等一批对人类十 分有益的高附加值的产品开始面世， 分有益的高附加值的产品开始面世， 生物下游技术领域的研究和开发力度 不断加大，推出新技术。 不断加大，推出新技术。
• 以青霉素产品的出现为代表。这一时期的 以青霉素产品的出现为代表。 特点是产品类型多，分子结构较为复杂， 特点是产品类型多，分子结构较为复杂， 对分离纯化提出了更高要求。 对分离纯化提出了更高要求。这期间引进 吸收了大量的近代化学工业的分离技术， 吸收了大量的近代化学工业的分离技术， 据报道有80 80％ 据报道有80％的化工单元操作技术被引进 生物工业。 生物工业。
1 第一章 绪论 生物分离工程.
原料液中常存在降解目标产物的杂质， 如可水解目标蛋白质的蛋白酶。
4 生物产品要求高质量
生物产物一般用作医药、食品和化妆品， 与人类生命息息相关。因此，要求分离纯 化过程必须除去原料液中含有的热原 （pyrogen)及具有免疫原性的异性蛋白等 有害人类健康的物质，并且防止这类物质 在操作过程中从外界混入。
分离，又称速度分离法。动力为压力差、电位梯度和磁场 梯度，如超滤、反渗析、电渗析、电泳和磁泳
扩散分离根据溶质在两相中分配平衡状态的差异实现分 离，又称平衡分离法。动力为偏离平衡态的浓度差，如蒸 馏、蒸发、吸收、萃取、结晶、吸附和离子交换等。
四、生物分离工程的一般步骤和单元操作
1、一般步骤
1) 发酵液的预处理与固液分离； 2) 初步纯化（或称产物的的提取）； 3) 高度纯化（产物的精制）； 4) 成品加工。
2、一般工艺过程：
发酵液
预处理
加热 调pH值 絮凝
碎片分离
离心分离 萃取 过滤 错流过滤
初步纯化
沉淀 吸附 萃取 超滤
细胞分离
沉降
离心分离 过滤
错流过滤
高度纯化
层析 亲和
离子交换 憎水
吸附 电泳
胞外产物
细胞破碎
匀化 研磨 溶胞
成品加工
无菌过滤 超虑 冷冻干燥 喷雾干燥
结晶
五、生物技术加工过程的选择标准
2 化学性质
化学热力学：化学平衡 反应动力学：反应速率 光化学性质：激光激发、离子化
3 生物学性质
分子识别：生物亲和力、生物学识别 传输性质：生物膜运输 反应、响应、控制：酶反应、免疫系统
机械分离：非均相 大小、密度差异，如过滤、重力沉淀、 离心沉淀
生物分离工程复习纲要
第一章：绪论1、生物分离工程概念回收生物产品分离过程的原理与方法，即从发酵液、酶反应液、动植物细胞培养液中分离、纯化生物产品的过程。
2、生物分离工程研究的内容目标产品及其基质的性质。
根据产品及基质选择适宜的分离纯化技术(基本技术原理；基本方法；基本设备)。
第二章：发酵液预处理1、发酵液预处理的目的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；改变发酵液的物理性质和降低溶液的粘度；尽可能使产物转入便于以后处理的相中。
（除去悬浮颗粒、改善滤液的性状、方便后续步骤）2、凝集与絮凝凝集(coagulation)作用是在某些电解质作用下，如中性盐作用下，使扩散双电层的排斥电位降低，破坏胶体系统的分散状态，而使胶体粒子聚集的过程。
（机理：中和粒子表面电荷；消除双电层结构；破坏水化膜）（通过电解质破坏胶体分散状态）絮凝(flocculation)：指在某些高分子絮凝剂存在下，在悬浮粒子之间产生架桥作用，而使胶粒形成粗大的絮凝团的过程。
（物理高分子物质的桥联作用）3、高价态无机离子的去除Ca2+去除：一般用草酸的钠盐生成草酸钙；Mg2+去除：加入三聚磷酸钠，从而形成三聚磷酸钠镁络合物；Fe3+去除：加入黄血盐(亚铁氰化钾) 。
4、固液分离的主要方法a)过滤（垂直过滤（死过滤）；错流过滤）b)离心第三章：细胞分离技术1、细胞破碎的方法（了解原理）机械法：主要利用高压、研磨、超声波等方法产生剪切力达到破碎细胞壁的目的。
热量的产生是该法的一个缺点。
高压匀浆的原理：从高压室（几百个大气压）压出的细胞悬浮液速度可达几百米每秒，高速喷出的浆液喷射到静止的撞击环上，细胞在高速造成的剪切力，碰撞力和高压到常压的变化等作用下，造成细胞破碎。
珠磨法的原理：细胞悬浮液与极细的玻璃小珠、石英砂、氧化铝等研磨剂一起快速搅拌或研磨，研磨剂、珠子与细胞之间的互相剪切、碰撞，使细胞破碎。
超声波破碎法的原理：液体中局部空穴的形成、增大和闭合产生极大的冲击波和剪切力，引起的粘滞性旋涡在细胞上造成了剪切力，使细胞内液体发生流动，从而使细胞破碎。
生物分离工程第一章绪论
工业应用的生物分离技术
? ① 回收技术: 絮凝，离心，过滤，微过滤。 ? ② 细胞破碎技术 : 球磨，高压匀浆，化学破 ? 碎技术 ? ③ 初步纯化技术 : 盐析法，有机溶剂沉淀， ? 化学沉淀，大孔吸附树剂，膜分离技术 ? ④ 高度纯化技术 : 各类层析，亲和，疏水， ? 聚焦，离子交换 ? ⑤ 成品加工： 喷雾干燥，气流干燥，沸腾干 ? 燥，冷冻干燥，结晶
（主要杂质独特的物化性质是什么？）
? 6. What are the economics of various alternative separations?
（不同分离方法的技术经济比较）
生物分离技术的重要性
? 生物产物的特殊性； ? 生物产物所处环境的复杂性； ? 对生物产品要求的严格性；
最终结果：导致下游加工过程度成本往往 占整个生物加工过程生产成本的大部分。
蒸馏器 冷凝器
冷凝器
酒精
可溶性产品
* Ethanol from fermentation.
石灰膏剂
菌丝体
废
* Citric acid manufacture 柠檬酸
反萃取 * Penicillin production.
Production of baker's yeast 面包酵母
糖蜜
发酵
生物分离本质
有效地识别混合物中不同溶质间物 理、化学和生物学性质的差别，利用能 够识别这些差别的分离介质和（或）扩 大这些差别的分离设备实现溶质间的分 离或目标组分的纯化。
常用的分离技术及其机理
1生物分离工程绪论
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；
D.生物产品要求高质量：
❖ *purity（纯度） ❖ *sanitation（卫生） ❖ *biological activity（生物活性） ❖ 分离过程的成本占产品总投资的大部分
生物加工过程： 生物技术上游加工过程：优良生物物种的选育、基因工程、
细胞工程、生物反应过程（酶反应、微生物发酵、动植物 细胞培养等)。
单元操作： 完成一道工序所需的一种方法和手段。
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）。
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
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
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生物分离一般分四步
A：不溶物的去除
过滤 离心 细胞破碎 产物浓度和质量得到了提高
B:产物分离
离子交换吸附 萃取
a. 溶剂萃取
b. 反微团萃取
c. 超临界流体萃取
d. 双水相萃取
生物工程的上中下游
上游：菌种，基因工程，分子生物学，遗传学 中游：微生物发酵工程，动植物细胞培养
海洋生物培养
下游：生物分离工程
菌种筛选
发酵罐实验
摇瓶实验
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。
何谓工程（学）？
The application of scientific and mathematical principles to practical ends such as the design, manufacture, and operation of efficient and economical structures, machines, processes, and systems.
结晶 油水分离器
注射器 母液
Recovery of an extracellular enzyme
Recovery of intracellular enzymes
Recovery of penicillin
霉菌
菌丝体 杂质
Recovery of single-cell protein on a methanol basis甲醇底物
分离过程的成本占产品总投资的大部分： 因此必须仔细考虑和设计产品的回收和 纯化过程。
设计中应考虑下列问题：
1. What is the value of the product? （产品价值）
2. What is an acceptable product quality? (产品质量）
生物技术产品的类型
按分子量大小 小分子产品：（小于1000）抗生素，有机酸，氨基
酸 大分子产品：（大于1000）酶, 抗体，多肽，蛋白质 按产品所处的位置 细胞内: 胰岛素，干扰素，重组蛋白质 细胞外：抗生素，胞外酶
发酵液中主要的产品含量
products Antibiotics Amino acids
下游加工技术的一般流程
生物下游加工过程是指目 标产物的分离纯化过程， 包括
产物提取(isolation) 产物浓缩(concentration) 产物纯化(purification) 成品化(polishing) 注意：
多步分离导致收率降低；
Separation Processes:
Extractors
生物分离与一般化学分离方法的比较
大约80%的化工分离方法可应用于生物 分离技术；
生物分离一般比化工分离难度大； 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。
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。
生物下游加工过程的特点
满足维持生物物质活性的要求 满足快速分离的要求 满足纯度和杂质去除的要求 满足高效分离的要求 满足成本优化的要求
生物分离本质
有效地识别混合物中不同溶质间物理、 化学和生物学性质的差别，利用能够识 别这些差别的分离介质和（或）扩大这 些差别的分离设备实现溶质间的分离或 目标组分的纯化。
（主要杂质独特的物化性质是什么？）
6. What are the economics of various alternative separations?
（不同分离方法的技术经济比较）
生物分离技术的重要性
生物产物的特殊性； 生物产物所处环境的复杂性； 对生物产品要求的严格性；
最终结果：导致下游加工过程度成本往往 占整个生物加工过程生产成本的大部分。
发展的制约因素。
Expressed Soluble Purified
Crystallized Crystal Structure NMR Structure In PDB
生物分离技术与化工分离技术的区别
化工分离技术：获得纯的化学物质 生物分离技术：在得到纯的生物物质同时，还必
须关注特定杂质的去除。
生物工程下游技术
（Downstream technology of bioengineering）
学时安排 （40学时）
课堂授课 实验演示 讨论与交流 期末复习 答疑 自学
35 学时 3 学时（实验室） 1 学时 1 学时 2 学时（非课堂） 4 学时（非课堂）
学时安排
目录
组DNA分子 1996年，克隆羊“多利”诞生在英国的罗
斯林研究所 1990-2006，人类基因组计划 现在，生物信息、生物芯片、胚胎干细胞等
现代生物技术的兴起
两项技术
第一个含有外源基因的重组质粒在细菌内增殖 成功（1973年） 细胞融合技术（1975年）
直接结果：
上述两项技术的直接此前天然存在于生物体内 极微量的生物物质得以通过大量生物培养方式 进行商业的生产，出现了现代生物加工过程。
《生物工程下游技术》 刘国诠主编，2002年。 《生物分离工程》田瑞华，科学出版社，2008年 《生物产品分离纯化技术》 李从军等，华中师范大学
出版社，2009年。 《Bioseparation Process Science》Antonio A.
García等。
第一章 绪论
3学时
内容提要
生物下游加工技术简介 生物下游加工过程的特点 分离机理和分离操作 生物物质 分离效率的评价
生物工程的萌芽
1943年沉浸培养： 5m3 ─── 200u/ml 当今：100m3─200m3 ─── 5-7万u/ml
生物分离工程的萌芽
Golden Time概念的提出 血液制品的生产
生命科学的发展带动生物工程的进步
1953年，DNA双螺旋结构的发现 1972年，美国斯坦福大学构建了第一个重
将科学及数学原理运用于实际用途的应用手段， 如设计、制造并操纵高效、经济的结构、机器、过 程及系统
-《美国传统词典》
早期的生物工程的萌芽
Alexander Fleming （1928）
美国和英国合作对青霉素进行生产研究 （1941年），出现表面培养：1升扁瓶 或锥形瓶，内装200mL麦麸培养基 ─── 40u/ml
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。
工业应用的生物分离技术
① 回收技术: 絮凝，离心，过滤，微过滤。 ② 细胞破碎技术: 球磨，高压匀浆，化学破 碎技术 ③ 初步纯化技术: 盐析法，有机溶剂沉淀， 化学沉淀，大孔吸附树剂，膜分离技术 ④ 高度纯化技术: 各类层析，亲和，疏水， 聚焦，离子交换 ⑤ 成品加工： 喷雾干燥，气流干燥，沸腾干 燥，冷冻干燥，结晶
甲醇
絮凝
Recovery of toxoid vaccines类毒素疫苗
Recovery of whole-cell vaccines
澄清器
分离技术的选择依据
产物所处的位置； 产物性质（分子大小、疏水性、
电荷形式和溶解度等）； 生物加工过程自身的规模和产
品的商业价值；一种目标产物 的分离手段往往不止一种，根 据生产的规模和价值，选择合 适的分离技术
第一章 绪论 第二章 细胞破碎 第三章 生物大分子的 初级分离技术 第四章 膜分离技术 第五章 萃取技术 理论结合实验演示
学时
目录
3 第六章 吸附分离技术
3
第七章 色谱技术
3 第八章 电泳技术
学时
4 5 4
5 第九章 蛋白质的复性
2
4 第十章 干燥、结晶
2
3 讨论与交流、复习总结 2
参考书目
参考教材： 《生物分离工程》 孙彦编著，化学工业出版社，2005年。 主要参考书目
常用的分离技术及其机理
物理性质 化学性质 生物学性质
力学性质 热力学性质 传质性质 电磁性质 化学热力学 反应动力学 光化学性质 分子识别 输送性质 反应、响应、控制
重力、离心力、筛分 状态变化、相平衡 粘度、扩散、热扩散 电泳、电渗、磁化 化学平衡 反应速率 激光激发、离子化 生物亲和作用、生物学识别 生物膜输送 免疫系统
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
C:产品纯化
色谱 电泳 沉淀
以上技术具有产物的高选择性和杂质的去除性
D. Polishing （产品的精制） *crystallization（结晶） *drying （干燥）
中药动态水提取生产线流程图
蒸馏器 冷凝器
生物加工过程内容
优育生物物种的选育； 生物反应生产粗原料；
《基因工程》 《遗传与育种》
《生物反应工程》
目标产物的分离纯化过程；
生物分） 19世纪60年代-20世纪50年代 酒精，丙酮，丁醇 第二代生物技术产品 20世纪40年代 抗生素，有机酸，核酸，酶制剂，单细胞蛋白 第三代 20世纪70年代中期 动物细胞培养 植物细胞培养 基因工程发酵产品
Ethanol Organic acids
Enzymes r-DNA protein
in
Concentration g/l 25 100 100 100 20 10
生物产品要求高质量：
*purity（纯度） *sanitation（卫生） *biological activity（生物活性）