南农 生物分离工程 生物分离1 ppt课件

types of molecules manufactured by fermentation
Molecular type
Antibiotics Amino acids
Enzymes Organic acids and
solvents Vitamins, yeast, growth
factors, nucleotides Miscellaneous-dextrans,
产物浓度和质量得到了提高
B. 产物分离
• 离子交换 • 萃取 • a. solvent extraction（溶剂萃取） • b. reversed micelle extraction（反微团萃取） • c. supercritical fluid extraction（超临界流体萃取） • d. two-aqueous phase extraction（双水相萃取）
• 生物活性物质产品的稳定性制约了下游
技术的可选范围 。
• 发酵液放罐后，应及时快速操作：
菌体也可能自溶
容易被杂菌污染
引起产物的破坏和降解，如原料液中常 存在降解目标产物的杂质，如可水解目 标蛋白质的蛋白酶。
因此要求采用快速的分离纯化方法除去 影响目标产物稳定性的杂质。
• 原料液中目标产物的浓度一般都很低 。
如 L-异亮氨酸为2.4％，青霉素为3.6％， 庆大霉素为0.2％，胰岛素仅为0.001％。
• 原料液中常存在与目标分子结构极其相
似的分子及异构体。
• 当生物技术产品是食品或药物时，溶剂
的使用受到一定的限制，萃取、色谱、 膜分离会受到一定的限制。
typical products from fermentation
products Antibiotics Amino acids
Ethanol Organic acids
Enzymes r-DNA protein
in
Concentration g/l 25 100 100 100 20 10
生物工程的主要特点是生物制品多种多样， 产品的多样性导致分离方法的多样性
黑曲霉
• 柠檬酸+石灰浆Ca(OH)2 =柠檬酸钙 • 柠檬酸钙+H2SO4=柠檬酸+CaSO4
* Penicillin production.
• 产黄青霉 • 青霉素为弱酸性物质 • 萃取法
第二章生物材料预处理和细胞破碎
2.1 固液分离的分类 2.2 发酵液的组成 2.3 培养液的基本特征 2.4 悬浮液的预处理
微滤 超滤 反渗 纳米 乳化 支持 膜 膜 透膜 滤膜 液膜 液膜
渗透蒸 膜萃 膜蒸 膜吸 发膜 取 馏 收
图1-2 膜技术家族图
• 色谱分离是有机化学和生物化学中大分
子分离的一项十分重要的分离技术，属 精细分离。
• 如琼脂糖凝胶作为基质，与各种配基结
合后制成各种色谱分离介质，开发出一 大类各具特色的，对分离生物大分子十 分有效的色谱分离技术。
1.3 生物技术下游加工过程的特点
• 生物技术产品以粗料发酵为主，粗原料
增加了下游操作成本，包括发酵废液的 处理成本，其中清液（精料）发酵将是 一个方向。
• 目前发酵或培养大多是分批操作，各批
发酵液产物浓度和其他物性会出现差异， 实际生产中也会出现染菌的发酵液，因 而需要技术的适应面宽，操作弹性大。
• DESALINATION
www.elsevier.com/locate/desal
• SEPAR PURIF METHOD
www.dekker.com/servlet/product/productid/SPM
• SEPAR SCI TECHNOL
www.dekker.com/servlet/product/productid/SS
子代分离技术
• 各种分离纯化技术相互结合、交叉、渗透，
形成形成了所谓融合技术或子代分离技术。
• 膜技术和萃取、蒸馏、蒸发技术相结合形
成了膜萃取技术、膜蒸馏及渗透蒸发技术；
• 膜分离过程与亲和配基相结合，形成了亲
和膜分离过程；
其他新兴下游技术
• 菌体絮凝技术 • 菌体细胞破碎 • 超临界CO2萃取 • 反胶团萃取 • 液膜分离 • 电泳分离
• 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。
• 生化分离是生物技术产品产业化的必经
之路，故而越来越受到人们的重视。
的产物量为目标，此外，还应设法增加 产物的胞外分泌量，减少非目的产物的 分泌（如色素、毒素、降解酶及其他干 扰性杂质等）以及赋于菌种或产物以某 种有益的性质以改善产物的分离特性， 从而简化下游加工过程。
* Ethanol from fermentation.
* Citric acid manufacture
学工业出版社，1999。
• 刘茉娥. 膜分离技术. 化学工业出版社，2000 • 张镜澄. 超临界流体萃取. 化学工业出版社，
2000
国内杂志
• 膜科学与技术 • 化工进展 • 生物工程学报
• 现代化工 • 化工学报 • 高校化学工程学报 • 化学工程 • 离子交换与吸附 • 化学工业与工程
SCI源自文库志
品制作。
预处理→细胞分离→细胞破壁→碎片分离→提取→ 精制 → 成品制作
加热 过滤
匀浆法 离心 沉淀 (重)结晶 浓缩
调 pH 离心
研磨法 双水相 吸附 离子交换 干燥
絮凝 膜分离 酶解法 膜分离 萃取 色谱分离 无菌过滤
超滤
图1-1 生化分离工程一般工艺过程
A. 不溶物的去除
• *filtration（过滤） • *centrifugation（离心） • *cell disruption （细胞破碎）
• BIOSEPARATION • www.kluweronline.com/issn/0923-179X/contents
1. 绪 论
1.1 生化分离工程的研究对象 1.2 生化分离工程的重要性 1.3 生化分离工程的特点 1.4 生化分离工程的一般工艺过程 1.5 生化分离工程的发展动态
1.1 生化分离工程的研究对象
steroid biooxidations Total
Number of species 85 18 15 11
6
8
143
绝大多数生物分离方法来源于化学品的分离方 法，大约80%的化工分离方法可应用于生物分 离技术中。
生物分离与化学分离方法的比较
c la ssific a tio n
P hysical se p a ra tio n s E quilibrium c o n tro lle d se p a ra tio n s R ate controlled se p a ra tio n s
to ta l
U sed for all c o n v e n tio n a l chem icals
7
U sed in b io se p a ra tio n s
7
22
18
3
10
42
35
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
定义
• 对于由生物界自然产生的或由微生物菌
体发酵的、动植物细胞组织培养的、酶 反应等各种生物工业生产过程获得的生 物原料，经提取分离、加工并精制目的 成分，最终使其成为产品的技术。
1.2 生化分离工程的重要性
• 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。
• BIOTECHNOL BIOENG
www.interscience.wiley.com/jpages/0006-3592
• J SEP SCI
www.interscience.wiley.com/jpages/1615-9306
• J CHEM TECHNOL BIOT
www.interscience.wiley.com/jpages/0268-2575
下游工程与上游工程相结合
• 发酵与分离耦合过程的研究
• 这一新的技术思路在70年代首先用于厌
氧发酵——乙醇发酵过程中，渗透蒸发， 近年来逐步发展到用于好氧发酵过程中 来。
• 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。
改进上游因素，简化下游过程
• 培养基和发酵条件； • 代谢工程：一般以开发新物种和提高目
物
生物产品要求高质量：
• *purity（纯度） • *sanitation（卫生） • *biological activity（生物活性）
设计中应考虑下列问题
• 产品价值 • 产品质量 • 产物在生产过程中出现的位置 • 杂质在生产过程中出现的位置 • 主要杂质独特的物化性质是什么？ • 不同分离方法的技术经济比较
• 传统分离技术的提高和完善 • 新技术的研究和开发 • 下游工程与上游工程相结合 • 改进上游因素，简化下游过程
传统分离技术的提高和完善
• 蒸馏、蒸发、过滤、离心、结晶和离子
交换等传统技术由于应用面广且相对成 熟，对它们的提高和完善将会推动大范 围的技术进步。
• 各种新型高效的过滤机械和离心机械的
教材及参考资料
• 孙彦. 生物分离工程. 化学工业出版社，2001 • 严希康. 生化分离工程. 化学工业出版社，2001 • 刘国诠. 生物工程下游技术（第二版）. 化学工
业出版社，2003
• 毛忠贵. 生物工业下游技术. 中国轻工业出版社，
1999
• 欧阳平凯、胡永红. 生物分离原理与技术，化
技术的成本越高。
• 下游技术的步骤越多，总收率也越低：
(90 ％) 6 ＝ 53.1％
(95 ％) 6 ＝ 73.5％。
• 重复提取是提高总收率的一个有效方法。
如谷氨酸一步等电点结晶，结晶母液如再 经过一次离子交换提取 ：
75％＋（1－ 75％）× 65％＝ 91.25％ 。
1.5 生化分离工程的发展动态
• J CHROMATOG A
www.elsevier.com/locate/chroma
• J MEMBRANE SCI
www.elsevier.com/locate/memsci
• J SUPERCRIT FLUID
www.elsevier.com/locate/supflu
• ENZYME MICROB TECH
预处理的目的 预处理方法 2.5常用过滤器
2.1 固液分离的类型
1、过滤(重力过滤器、压滤器、真空过滤器)
2、离心
2.2 发酵液的组成
• 悬浮液：
指固体颗粒在0.1m以上的固液分散体系。生物细胞培养 液基本上也是悬浮液。
1.4 生化分离工程工艺过程
• 某一具体产品的分离提取工艺还与下列
情况有关： 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废液的处理方法等。
• 可分为4个阶段，即预处理、提取、精制、成
问世，也从一个侧面推动生物工业向更 大规模方向发展。
• 适合于大规模工业化生产的传统技术经
过改造提高后，适应面会更宽，效率会 更高。
新技术的研究和开发
• 新型分离介质的研究开发
• 膜、树脂和凝胶是主要的新型分离介质。 • 从半渗透膜开始，膜技术已经逐步发展成一个庞大的
膜家族。
膜
离子交换膜 过滤膜 气体分离膜 液膜 渗析膜 新分离膜
www.elsevier.com/locate/enzmictec
• CHEM ENG SCI
www.elsevier.com/locate/ces
• SEP PURIF TECHNOL
www.elsevier.com/locate/seppur
• BIOCHEM ENG J
www.elsevier.com/locate/bej
不具备特异性，只是进行初分，可提高产物浓度和质量
C. 产品的纯化
• *chromatography（色谱） • *electrophoresis（电泳）
以上技术具有产物的高选择性和杂质的去除性
D. 产品的精制
• *crystallization（结晶） • *drying （干燥）
• 一般情况下，原料中产品浓度越低，下游