生物分离工程三版孙彦PPT课件
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生物分离工程(三版)03章课件
淀方法的原理和影响因素 应用：采用不同的试剂方法实现蛋白质
的沉淀
7
沉淀的定义
由于物理环境的变化而引起 溶质溶解度的降低、生成固体凝 聚物的现象，称为沉淀。
8
沉淀与结晶的区别
沉淀生成的固体颗粒是不定形的 结晶产品为单一组分，而沉淀凝聚物则
成分非常复杂（除了目标产物外，还夹 杂着多种共存的杂质、盐和溶剂等） 沉淀的纯度远低于结晶 多步沉淀操作也可获得高纯度的目标产 品
4
初级分离概念
初级分离是指从发酵液、细胞培养液、胞 内抽提液（细胞破碎液）及其他各种生物 原料初步提取目标产物，使目标产物得到 浓缩和初步分离的下游加工过程。
5
初级分离特点
分离对象：体积大、杂质含量高； 分离技术：低操作成本、适于大规模生产
6
沉淀分离－学习要点
识记：盐析和盐溶概念 理解：蛋白质凝集沉淀的屏障，各种沉
32
等电点沉淀-实现方式
在低离子强度下调整溶液pH值至等电点 在等电点的pH值下利用透析等方法降低
溶液的离子强，使蛋白质沉淀
33
等电点沉淀-操作特点
等电点沉淀在较低的离子强度下进行， 因此沉淀操作结束后无需脱盐
与其它沉淀结合使用，例如在等电点附 近进行的盐析沉淀操作时可以获得更小 的蛋白质溶解度
40
其他沉淀技术
聚合物沉淀
非离子型聚合物沉淀 聚电解质沉淀
重金属盐沉淀蛋白质 生物碱试剂以及某些酸类沉淀蛋白质
41
沉淀生成动力学-沉淀生长
异向生长 发生在沉淀生成初期，微细的蛋白质颗粒
为布朗粒子，沉淀生长为扩散速率控制 同向凝聚
较大的沉淀颗粒在搅拌剪切作用下通过碰 撞而进一步凝聚，生成大颗粒沉淀
高离子强度下的盐析
的沉淀
7
沉淀的定义
由于物理环境的变化而引起 溶质溶解度的降低、生成固体凝 聚物的现象，称为沉淀。
8
沉淀与结晶的区别
沉淀生成的固体颗粒是不定形的 结晶产品为单一组分，而沉淀凝聚物则
成分非常复杂（除了目标产物外，还夹 杂着多种共存的杂质、盐和溶剂等） 沉淀的纯度远低于结晶 多步沉淀操作也可获得高纯度的目标产 品
4
初级分离概念
初级分离是指从发酵液、细胞培养液、胞 内抽提液（细胞破碎液）及其他各种生物 原料初步提取目标产物，使目标产物得到 浓缩和初步分离的下游加工过程。
5
初级分离特点
分离对象：体积大、杂质含量高； 分离技术：低操作成本、适于大规模生产
6
沉淀分离－学习要点
识记：盐析和盐溶概念 理解：蛋白质凝集沉淀的屏障，各种沉
32
等电点沉淀-实现方式
在低离子强度下调整溶液pH值至等电点 在等电点的pH值下利用透析等方法降低
溶液的离子强，使蛋白质沉淀
33
等电点沉淀-操作特点
等电点沉淀在较低的离子强度下进行， 因此沉淀操作结束后无需脱盐
与其它沉淀结合使用，例如在等电点附 近进行的盐析沉淀操作时可以获得更小 的蛋白质溶解度
40
其他沉淀技术
聚合物沉淀
非离子型聚合物沉淀 聚电解质沉淀
重金属盐沉淀蛋白质 生物碱试剂以及某些酸类沉淀蛋白质
41
沉淀生成动力学-沉淀生长
异向生长 发生在沉淀生成初期，微细的蛋白质颗粒
为布朗粒子，沉淀生长为扩散速率控制 同向凝聚
较大的沉淀颗粒在搅拌剪切作用下通过碰 撞而进一步凝聚，生成大颗粒沉淀
高离子强度下的盐析
生物分离工程第二章PPT课件
2. 操作中，根据实际物料的特点(目标产物和其他 组分的性质和相互作用等)、分离的目的和所需 分离的程度，选择适当的操作条件(离心转数和 时间)，可使料液中的不同组分得到分级分离。
16
差 速 离 心
17
18
主要菌体和细胞的离心分离
菌体、细胞
大肠杆菌 酵母 血小板 红血球 淋巴球 肝细胞
大小/μm
51
高压匀浆法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。团状 和系状菌易造成高压匀浆器堵塞，一般不宜 使用高压匀浆法。高压匀浆操作的温度上升 约2～ 3℃／10MPa，为保护目标产物的生物 活性，需对料液作冷却处理，多级破碎操作 中需在级间设置冷却装置。因为料液通过匀 浆器的时间很短，通过匀浆器后迅速冷却， 可有效防止温度上升，保护产物活性。
（2）过滤阻力：
• 介质阻力 • 滤饼阻力
• 大多情况下，过滤阻力主要取决于滤饼 阻力。
33
（3）过滤速率
dQ dt
A p
L Rm Rc
Rm表示介质的阻力； Rc表示滤饼的阻力； μL为滤液的粘度
34
（4）过滤速度的强化
a．降低滤饼阻力
• 如絮凝剂、凝固剂助滤剂等。
b．降低滤液黏度μ
• 黏度愈低，过滤阻力愈小。加热、去杂蛋白、絮凝、 调pH、选择合适的放罐时间。
过滤介质 : 过滤采用的多孔物质。
织物状介质，棉花、石棉、蚕丝、麻、
羊毛及各种人造纤维与金属丝等
多孔陶瓷介质，此为特殊的介质，低温
烧制，具有大量微细孔道的滤管或滤板 （其他多孔材料，PE等）
膜分离介质，微滤分离等
32
（1）过滤推动力：
• 悬浮液自身压强差、重力 • 悬浮液的—外加压力 • 过滤介质的—抽真空 • 离心力
16
差 速 离 心
17
18
主要菌体和细胞的离心分离
菌体、细胞
大肠杆菌 酵母 血小板 红血球 淋巴球 肝细胞
大小/μm
51
高压匀浆法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。团状 和系状菌易造成高压匀浆器堵塞，一般不宜 使用高压匀浆法。高压匀浆操作的温度上升 约2～ 3℃／10MPa，为保护目标产物的生物 活性，需对料液作冷却处理，多级破碎操作 中需在级间设置冷却装置。因为料液通过匀 浆器的时间很短，通过匀浆器后迅速冷却， 可有效防止温度上升，保护产物活性。
（2）过滤阻力：
• 介质阻力 • 滤饼阻力
• 大多情况下，过滤阻力主要取决于滤饼 阻力。
33
（3）过滤速率
dQ dt
A p
L Rm Rc
Rm表示介质的阻力； Rc表示滤饼的阻力； μL为滤液的粘度
34
（4）过滤速度的强化
a．降低滤饼阻力
• 如絮凝剂、凝固剂助滤剂等。
b．降低滤液黏度μ
• 黏度愈低，过滤阻力愈小。加热、去杂蛋白、絮凝、 调pH、选择合适的放罐时间。
过滤介质 : 过滤采用的多孔物质。
织物状介质，棉花、石棉、蚕丝、麻、
羊毛及各种人造纤维与金属丝等
多孔陶瓷介质，此为特殊的介质，低温
烧制，具有大量微细孔道的滤管或滤板 （其他多孔材料，PE等）
膜分离介质，微滤分离等
32
（1）过滤推动力：
• 悬浮液自身压强差、重力 • 悬浮液的—外加压力 • 过滤介质的—抽真空 • 离心力
生物分离工程第一章绪论
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
（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
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
生物分离工程三版孙彦
产物的不溶及聚合已
成为结构基因组计划
Crystallized
Expressed
Purified
Crystal Structure NMR Structure
In PDB
Soluble
发展的制约因素。
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
《生物工程下游技术》 刘国诠主编，1993年 《Bioseparation Process Science》 Antonio A. Garcí a等
第一章 绪论
授课内容
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
学习目的和要求
总体要求：对本课程具有比较初步的认识； 掌握：生物下游加工技术的特点；生物分离
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 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
反应、响应、控制
免疫系统
机械分离 对象：非均相物系， 原理： 根据物质大小、 密度的差异进行分离 传质分离 对象：均相物系；
过滤 重力沉降 离心沉降 输送分离 原理：根据溶质在外力 作用下产生的移动速度 的差异实现分离 反渗透 反渗析 超滤
分 离 过 程
（速度分离法） 推动力：压力差、电位 梯度和磁场梯度 扩散分离 原理：根据溶质在两相 中分配平衡状态的差异 实现分离 （平衡分离法） 推动力：偏离平衡态的 浓度差 结晶 吸收、吸附和离子交换 萃取 蒸馏、蒸发 电泳和磁泳
《生化分离工程实验》课件
CHAPTER
04
结果分析与讨论
数据记录与整理
数据记录的准确性
确保实验过程中所有数据都被准确记 录，包括但不限于温度、压力、流量 、重量等。
数据整理的规范性
将实验数据整理成表格或图表，便于 分析和对比。
结果分析
数据对比分析
将实验数据与理论值进行对比，分析 偏差产生的原因。
趋势分析
分析实验数据的变化趋势，预测未来 可能的结果。
根据选择的分离方法，设计合理 的分离流程。
控制分离过程中的温度、pH值 、浓度等参数，确保分离效果。
监测分离过程中的关键指标，如 目标成分的纯度和收率。
产物检测与鉴定
利用生化分析方法（如光谱分析、质谱分析、电泳等）对分离得到的产物进行检测 与鉴定。
比较实验结果与预期目标，评估实验的分离效果。
分析实验误差来源，提出改进措施，优化实验方案。
有机溶剂
用于提取和纯化目标产物 的有机溶剂。
实验器具与设备
发酵罐
用于进行微生物发酵的容器。
离心机
用于分离和纯化目标产物的设备。
层析柱
用于进行色谱分离的柱状设备。
CHAPTER
03
实验方法与步骤
样品处理与制备
样品收集
样品纯化
选择具有代表性的样品，确保样品新 鲜、无污染。
去除样品中的杂质，提高目标生化成 分的纯度。
误差分析
系统误差分析
分析实验过程中由于仪器、设备等因素导致的误差。
随机误差分析
分析实验过程中由于环境、操作等因素导致的误差。
CHAPTER
05
实验结论与总结
实验结论
实验结果分析
对实验过程中收集的数据进行分析，对比实验结果与预期结果的差异，评估实验 的准确性和可靠性。
生物分离工程(三版)(孙彦)02
区带形成条件
离心条件
在最前的沉降物质达到管底 前停止，短时间，低速度
使各组分沉降到其平衡的密 度区，长时间，高速度
细胞分离－离心设备分类
分类方法 处理量 温度 转速 名称 实验室用离心机，工业用离心机 常温离心机、冷冻离心机 低速离心机、高速离心机、超速离心机
转子结构
管式、碟式
细胞分离－常用离心设备
模型校正
形态校正：颗粒的形状系数 速度校正：空隙率函数
S
F ( )
A AP
提高重力沉降的途径
加入中性盐：双电层排斥电位降低 加入高分子絮凝剂：架桥作用形成大絮凝图 引入外力
细胞分离－重力沉降理论
模型校正
形态校正 速度校正
提高重力沉降的途径
加入中性盐； 加入高分子絮凝剂 引入外力
原核细胞
革兰氏阳性菌 细 胞 壁 由 肽 聚 糖 层 组 成 ， 壁 厚 约 1 5 ～ 5 0 nm， 肽 聚 糖 含 量 为 40~90%，细胞壁较革兰氏阴性菌坚固。 细胞壁在肽聚糖的外侧还有分别由（1）脂蛋白和（2）磷脂和脂多 糖构成的两层外壁层，外壁层厚度越8～10 nm。
革兰氏阴性菌
胞内产物释放
细胞分离－重力沉降理论
理论假设
细胞或细胞碎片按照球形颗粒处理； 颗粒在无限稀释的溶液中进行沉降，颗粒 之间无相互干扰
受力分析
球形颗粒重力fg
液体的浮力fb 颗粒运动方向相反的阻力 fs
细胞分离－重力沉降理论
重力：
1 3 f g d p s g 6
1 3 f b d p L g 6
胞内产物释放
－机械破碎之珠磨
生物分离工程膜分离3课件PPT
但如前所述，膜分离的最大问题是膜污染引起的透 过通量大幅度下降。如合理地解决膜污染和清洗问题， 保持较高的透过通量，错流过滤将会替代传统的过滤技 术和离心分离技术，成为菌体分离的重要手段。 2 小分子生物产物的回收 氨基酸、抗生素、有机酸和动物疫苗等发酵产品的 相对分子质量在2000以下，因此选用MWCO为l×104一 3×104的超滤膜，可从发酵液中回收这些小分子发酵产物， 然后利用反渗透法进行浓缩和除去相对分子质量更小的 杂质。
膜的分离操作
• 超-微滤的工作模式可分为浓缩、透析和纯化三种。 1、浓缩 主要用于以菌体或蛋白质浓缩为目的的膜分离。 在浓缩悬浮粒子或大分子的过程中，产物被截留 在料液罐中。
在分批浓缩中，浓缩物的最终体积Vc，可由其 初始体积V0和透过体积Vf之间的质量平衡来确定。 Vc = V0 – Vf 体积浓缩系数CF
V0 t 存在如下方程： Rk (c0 / c)1/ R c0 c ln( cs / c)dc
c
将各种参数带入上式，得到浓缩倍数与时间 的关系见下表：
2、洗滤或透析： 在悬浮粒子或大分子的透析过滤中， 产物被膜截留住，低相对分子量溶质 （盐、蔗糖和醇）则通过膜。主要以 除去菌体或高分子溶液中的小分子溶 质为目的。 透析过程中向原料罐中连续加入水或缓冲液， 若保持料液量和透过通量不变，则目标产物和小 分子溶质的物料衡算式为：
多级串联连续操作
膜技术的应用
膜分离法在生物产物的回收和纯化方面的应用可归纳为 以下几个方面： （1）细胞培养基的除菌； （2）发酵或培养液中细胞的收集或除去； （3）细胞破碎后碎片的除去； (4) 目标产物部分纯化后的浓缩或洗滤除去小分子溶质； (5) 最终产品的浓缩和洗滤除盐； (6) 制备用于调制生物产品和清洗产品容器的无热原水。
生物分离工程(三版)课件
生物分离工程
膜分离技术
1
授课内容
n 各种膜分离法及其原理 n 膜材料及其特性 n 膜组件 n 操作特性 n 膜的污染与清洗
2
学习目的和要求
在掌握各种膜分离方法和原理的基 础上，进一步了解膜特性及操作特点和 影响膜分离速度的因素以及膜分离过程。 清楚膜分离法在生物产物回收和纯化方 面的应用。
3
引言－膜的概念和膜分离
但膜表面极化浓度cm很难测定，通常只能测定料液的主体浓度 (bulk concentration)，因此常用表观截留率表示，
38
超滤膜的分子截留作用
n 截留曲线
通过测定相对分子质量不同的球形 蛋白质或水溶性聚合物的截留率， 可获得膜的截留率与溶质相对分子 量之间关系的曲线，为截留曲线。
n 截留相对分子量
15
超滤原理
n 超滤膜一般为非对称膜，具有较小的孔径 (约为10 一200Å)，能够截留分子量为0.5kDa以上的溶质分 子或生物大分子。料液在压力差作用下，其中溶剂 透过膜上的微孔形成透过液；而大分子溶质则被截 留，从而实现料液中大分子溶质和溶剂间的分离。
n 超滤膜对溶质的截留机理主要是筛分作用，超滤膜 的膜孔大小和形状决定超滤膜的截留效果。除此以 外，溶质大分子在膜表面和孔道内的吸附和滞留也 具有截留溶质大分子的作用。
n 渗透气化利用溶质之间膜透过性的差别，适于 共沸物和挥发度相差较小的双识记：膜材料选择标准 n 理解：膜结构特性，特别是对称和不对
称膜的结构特点 n 应用：通过水通量的不同选择适当的膜
材料
25
膜材料的要求
n 起过滤作用的有效膜厚度小，超滤和微滤膜的 开孔率高，过滤阻力小；
n 膜的概念 在一种流体相间有一层薄的凝聚相物
膜分离技术
1
授课内容
n 各种膜分离法及其原理 n 膜材料及其特性 n 膜组件 n 操作特性 n 膜的污染与清洗
2
学习目的和要求
在掌握各种膜分离方法和原理的基 础上，进一步了解膜特性及操作特点和 影响膜分离速度的因素以及膜分离过程。 清楚膜分离法在生物产物回收和纯化方 面的应用。
3
引言－膜的概念和膜分离
但膜表面极化浓度cm很难测定，通常只能测定料液的主体浓度 (bulk concentration)，因此常用表观截留率表示，
38
超滤膜的分子截留作用
n 截留曲线
通过测定相对分子质量不同的球形 蛋白质或水溶性聚合物的截留率， 可获得膜的截留率与溶质相对分子 量之间关系的曲线，为截留曲线。
n 截留相对分子量
15
超滤原理
n 超滤膜一般为非对称膜，具有较小的孔径 (约为10 一200Å)，能够截留分子量为0.5kDa以上的溶质分 子或生物大分子。料液在压力差作用下，其中溶剂 透过膜上的微孔形成透过液；而大分子溶质则被截 留，从而实现料液中大分子溶质和溶剂间的分离。
n 超滤膜对溶质的截留机理主要是筛分作用，超滤膜 的膜孔大小和形状决定超滤膜的截留效果。除此以 外，溶质大分子在膜表面和孔道内的吸附和滞留也 具有截留溶质大分子的作用。
n 渗透气化利用溶质之间膜透过性的差别，适于 共沸物和挥发度相差较小的双识记：膜材料选择标准 n 理解：膜结构特性，特别是对称和不对
称膜的结构特点 n 应用：通过水通量的不同选择适当的膜
材料
25
膜材料的要求
n 起过滤作用的有效膜厚度小，超滤和微滤膜的 开孔率高，过滤阻力小；
n 膜的概念 在一种流体相间有一层薄的凝聚相物
《生化分离工程》课件
利用离心机的高速旋转产生的离心力 场，使不同密度的物质在离心管内分 层，从而实现分离。
生化分离工程的应用领域
制药工业
生化分离工程在制药工业中应 用广泛，涉及抗生素、蛋白质 、酶等生物药物的分离纯化。
食品工业
在食品工业中，生化分离工程 用于提取植物和动物中的营养 成分，如蛋白质、脂肪、糖类 等。
环保工程
DNA提取与纯化案例
要点一
总结词
通过化学裂解、离心分离和DNA吸附等技术，实现DNA的 提取与纯化。
要点二
详细描述
DNA提取与纯化是生化分离工程中的重要应用之一。化学 裂解和酶消化是常用的DNA提取方法，通过破坏细胞膜和 核膜，释放出DNA。离心分离用于去除细胞碎片和蛋白质 等杂质。DNA吸附技术如硅胶吸附和磁珠吸附等，能够高 效地去除其他杂质，获得高纯度的DNA样品。
将原料的pH值调节至适宜 的范围内，以便后续处理 。
加热与冷却
根据需要加热或冷却原料 ，以改变其物理性质或化 学性质。
细胞破碎
机械破碎
通过高速搅拌、研磨或高 压破碎等方法破坏细胞壁 ，释放细胞内的物质。
酶解破碎
利用酶分解细胞壁，实现 细胞内物质的释放。
化学破碎
利用化学试剂溶解或腐蚀 细胞壁，实现细胞内物质 的释放。
吸附法
利用吸附剂的吸附作用将目标物质从溶液中分离出来 。
浓缩与干燥
蒸发浓缩
通过加热蒸发溶剂，使溶液浓缩至一定体积。
冷冻浓缩
通过降低温度使溶液中的水分结冰，从而实现浓 缩。
干燥
将浓缩后的溶液进行干燥，得到固体产物。
04
生化分离工程设备
离心机
离心机是利用离心力对混合物进行分离的设备，根据其转速和分离原理，可以分为 多种类型，如普通离心机、高速离心机和超速离心机等。
第一章-分离绪论-幻灯片(1)
2. 许多发酵产品具有生理活性，很容易变性失活，遇 热、极端pH值、有机溶剂会引起失活或分解，特别 是蛋白质的生物活性与一些辅因子、金属离子的存 在和分子的空间构型有关。甚至剪切力也会影响空 间构型和使分子降解，对蛋白质的活性有很大影响， 因此，分离过程中的pH值、温度和搅拌等条件必须 特别注意；
3. 目的产物和其它代谢产物种类多，理化性质复杂， 很难通过单一手段将产物分离和纯化；
▪
此时生物技术在其各个主要领域都取得了长
足进步，一大批对人类十分有益的高附加值的产
品开始面世。80年代，国际上又兴起了对人类健
康有益的生理“功能因子”的研究，发现了一大
批生理功能性物质并推出了相应的产品，如低聚
糖、活性肽、高度不饱和脂肪酸等，生物技术在
深度和广度上都取得了很大的进展。
表1 国内外已商业化生产的现代生物技术产品举例
教材
教材： 生物分离工程(第二版). 孙彦 主编，化学工业出版社，2005
参考书： 生物分离原理及技术. 欧阳平凯 主编，化学工业出版社，1999
成绩：
平时成绩：20％ 期末：80％
1. 绪论
▪ 生物化工 Biochemical Engineering
生物学
化学
工程学
生物分离工程简介
▪ 生物分离技术(Bioseparation) ： 对于由自然界天然生成的或由人工经微
产品P
FW cTW , cXW
废料W
浓缩率
mT
cTP cTC
mX
c XP c XC
分离因子 mT cTP cTC
mX cXP cXC
cTP cTW
cXP cXW 平衡过程
原料C (比活AC)
A: U/mg
3. 目的产物和其它代谢产物种类多，理化性质复杂， 很难通过单一手段将产物分离和纯化；
▪
此时生物技术在其各个主要领域都取得了长
足进步，一大批对人类十分有益的高附加值的产
品开始面世。80年代，国际上又兴起了对人类健
康有益的生理“功能因子”的研究，发现了一大
批生理功能性物质并推出了相应的产品，如低聚
糖、活性肽、高度不饱和脂肪酸等，生物技术在
深度和广度上都取得了很大的进展。
表1 国内外已商业化生产的现代生物技术产品举例
教材
教材： 生物分离工程(第二版). 孙彦 主编，化学工业出版社，2005
参考书： 生物分离原理及技术. 欧阳平凯 主编，化学工业出版社，1999
成绩：
平时成绩：20％ 期末：80％
1. 绪论
▪ 生物化工 Biochemical Engineering
生物学
化学
工程学
生物分离工程简介
▪ 生物分离技术(Bioseparation) ： 对于由自然界天然生成的或由人工经微
产品P
FW cTW , cXW
废料W
浓缩率
mT
cTP cTC
mX
c XP c XC
分离因子 mT cTP cTC
mX cXP cXC
cTP cTW
cXP cXW 平衡过程
原料C (比活AC)
A: U/mg
生物分离工程三版孙彦共25页
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
生物分离工程三版孙彦
31、园日涉以成趣，门虽设而常关。 32、鼓腹无所思。朝起暮归眠。 33、倾壶绝余沥，窥灶不见烟。
34、春秋满四泽，夏云多奇峰，秋月 扬明辉 ，冬岭 秀孤松 。 3就是财富 ❖ 丰富你的人生
生物分离工程三版孙彦
31、园日涉以成趣，门虽设而常关。 32、鼓腹无所思。朝起暮归眠。 33、倾壶绝余沥，窥灶不见烟。
34、春秋满四泽，夏云多奇峰，秋月 扬明辉 ，冬岭 秀孤松 。 3就是财富 ❖ 丰富你的人生
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学时安排
目录
分配学时
目录
绪论
2 液相色谱
细胞的分离与胞内产 物的溶解
亲和色谱 4 电泳和电色谱
初级分离
6 蛋白质复性
膜分离
4 结晶
萃取
6 干燥
吸附分离技术
6
分配学时 6 4 4 2 2 2
.
1
参考书目
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
《生物工程下游技术》 刘国诠主编，1993年
.
10
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，出现了现代生生物物种的选育； 生物反应生产粗原料；
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；
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。
.
15
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。
.
16
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)
.
6
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
.
7
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
manufacture, and operation of efficient and
economical structures, machines, processes, and
systems. 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》
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
.
19
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。
成品化(polishing)
注意：
多步分离导致收率降低；
.
17
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
.
18
生物下游加工过程的特点
《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；
生物分离工程
.
12
结构基因组的研究内容
Bottleneck
.
13
结构基因组研究的制约因素
No Image
在蛋白质克隆和表 达系统被不断优化的 同时，分离纯化过程 蛋白质的错误折叠及 产物的不溶及聚合已 成为结构基因组计划 . 发展的制约因素。14
.
21
机械分离
过滤
对象：非均相物系，
原理：根据物质大小、 重力沉降
密度的差异进行分离 离心沉降
传质分离 对象：均相物系；
输送分离 原理：根据溶质在外力 作用下产生的移动速度
超滤 反渗透
分 离 过 程
的差异实现分离 （速度分离法）
反渗析
推动力：压力差、电位 梯度和磁场梯度
电泳和磁泳
扩散分离 原理：根据溶质在两相 中分配平衡状态的差异
《Bioseparation Process Science》 Antonio A. García等
.
2
第一章 绪论
.
3
授课内容
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
.
4
学习目的和要求
总体要求：对本课程具有比较初步的认识；
掌握：生物下游加工技术的特点；生物分离
蒸馏、蒸发 吸收、吸附和离子交换
实现分离 （平衡分离法）
萃取
推动力：偏离平衡态的 结晶
浓度差
.
22
分离效果的评价
分离因子 收率 纯化因子 选择性
.
23
.
20
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
过程的单元操作原理；
了解：生物分离技术的研究内容和发展情况 ；
生物物质的种类和特性；下游加工过程的一般 流程 ；
应用：运用生物分离技术的评价方法分析实
际问题；
.
5
何谓工程（学）？
The application of scientific and mathematical
principles to practical ends such as the design,
8
生物分离工程的萌芽
Golden Time概念的提出
血液制品的生产 .
9
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 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
目录
分配学时
目录
绪论
2 液相色谱
细胞的分离与胞内产 物的溶解
亲和色谱 4 电泳和电色谱
初级分离
6 蛋白质复性
膜分离
4 结晶
萃取
6 干燥
吸附分离技术
6
分配学时 6 4 4 2 2 2
.
1
参考书目
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
《生物工程下游技术》 刘国诠主编，1993年
.
10
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，出现了现代生生物物种的选育； 生物反应生产粗原料；
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；
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。
.
15
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。
.
16
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)
.
6
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
.
7
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
manufacture, and operation of efficient and
economical structures, machines, processes, and
systems. 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》
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
.
19
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。
成品化(polishing)
注意：
多步分离导致收率降低；
.
17
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
.
18
生物下游加工过程的特点
《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；
生物分离工程
.
12
结构基因组的研究内容
Bottleneck
.
13
结构基因组研究的制约因素
No Image
在蛋白质克隆和表 达系统被不断优化的 同时，分离纯化过程 蛋白质的错误折叠及 产物的不溶及聚合已 成为结构基因组计划 . 发展的制约因素。14
.
21
机械分离
过滤
对象：非均相物系，
原理：根据物质大小、 重力沉降
密度的差异进行分离 离心沉降
传质分离 对象：均相物系；
输送分离 原理：根据溶质在外力 作用下产生的移动速度
超滤 反渗透
分 离 过 程
的差异实现分离 （速度分离法）
反渗析
推动力：压力差、电位 梯度和磁场梯度
电泳和磁泳
扩散分离 原理：根据溶质在两相 中分配平衡状态的差异
《Bioseparation Process Science》 Antonio A. García等
.
2
第一章 绪论
.
3
授课内容
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
.
4
学习目的和要求
总体要求：对本课程具有比较初步的认识；
掌握：生物下游加工技术的特点；生物分离
蒸馏、蒸发 吸收、吸附和离子交换
实现分离 （平衡分离法）
萃取
推动力：偏离平衡态的 结晶
浓度差
.
22
分离效果的评价
分离因子 收率 纯化因子 选择性
.
23
.
20
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
过程的单元操作原理；
了解：生物分离技术的研究内容和发展情况 ；
生物物质的种类和特性；下游加工过程的一般 流程 ；
应用：运用生物分离技术的评价方法分析实
际问题；
.
5
何谓工程（学）？
The application of scientific and mathematical
principles to practical ends such as the design,
8
生物分离工程的萌芽
Golden Time概念的提出
血液制品的生产 .
9
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 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