生物分离工程1生物分离工程概述08.ppt.Convertor
生物分离工程PPT课件
的分离纯化。
无论是以浓缩还是以分离为目的操作过程， 目标产物均应以较大的比例回收：
R FPCTP 100% FcCTC
生物分离操作多为间歇过程（分批操作）， 若原料液和产品溶液的体积分别为VC和VP 则回收率为
RVPCTP 100% VcCTC
分离效率的评价
• 浓缩程度 • 分离纯化程度 1. 回收率
上图表示一个连续稳态的分离过程，其中F表示流 速，c表示浓度；下标T和X分别表示目标产物和杂 质，C、P和W分别表示原料、产品和废料。
浓缩程度一般用浓缩率(concentration factor)表达， 是一个以浓缩为目的的分离过程的最重要指标。
•机械分离
分离操作
•传质分离。 传质分离的对象主要是均相物系，又分输送分离扩散分离。 输送分离根据溶质在外力作用下产生的移动速度的差异实 现分离，又称速度分离法，其传质推动力主要有压力差、 电位梯度和磁场梯度等，如超滤、反渗透、电渗析、电泳 和磁泳等。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，传质推动力为偏离平衡态 的浓度差，如蒸馏、蒸发、吸收、萃取、结晶、吸附和离 子交换等。
• 物理性质 力学性质：重力、离心力、筛分； 热力学性质：状态变化、相平衡； 传质性质：粘度、扩散、热扩散； 电磁性质：电泳、电渗析、磁化。
• 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。
• 生物学性质 分子识别：生物亲和作用、生物学识别； 输送性质：生物膜输送， 反应、响应、控制：酶反应、免疫系统。
为了得到一定纯度的生物产品， 下游加工过程需要采用多种方法、实行多步 分离操作，整个下游加工过程的总回收率为
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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)
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。
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
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》
《Bioseparation Process Science》 Antonio A. García等
第01章 绪论 生物分离工程ppt
生物、食品工业中，环糊精用来包接或分离一些易挥 发性的且不溶于水的呈香呈味物质(苯甲酸等) 。
二苯—18—皇冠醚-6 （孔径0.26—0.32nm ）
泡沸石的选择性吸附
皇冠醚用来选择分离一些金属离 子、氨基酸手性拆分等
泡沸石用来对气体分子选择 性吸附分离
二、下游技术中的化学反应
色谱分离 结晶
产物浓度（kg/m3） 0.1～100 1.0～5 5～50 50～200 50～200
纯度（％） 0.1～10 0.2～2.0 1～10 50～80 90～100
在“产物分离” 步骤中产物浓度提高的 程度最大；但产物纯度的提高主要在“纯 化” 步骤。
上述四个分离步骤， 可以归结为两个基本阶段： 产物初级分离阶段和纯化精制阶段。
生物产品分离过程，在生物技术工业中占有十分 重要的位置。分离决定分着产品的纯度和安全性； 决定着产品的收率和成本，分离设备投资和分离费 用在总投资和总费用占有相当大的比重。
分离方法的选择和优化，新型分离设备的研制 开发，对于生物制品的生产具有极重要的意义。
1.3 生物分离技术原理
按生物分离所依据物质性质的差异分类
1.2 生物分离一般流程
与自然界天然物料一样，用发酵和生物工程方法生产 的原始产物， 几乎都是混合物，通常都须经分离纯化处 理，才能获得终产品。
生物工程产品的多样化和特殊性导致了各式各样分离 方法的应用。不同的生物产品，由于其自身特性和对其纯 度的要求不同，对应的分离纯化路线常常不同。
对现有各类生物工程产品的分离进行分析归纳，可发 现大多数分离过程可以归并到4个步骤，即：
电渗析等膜分离，可除去物化性质与产物类似的杂质。处 理操作选择性高，可获得高纯度的产物。
生物分离工程专题讲座
3. 复合制膜工艺 由L—S法制的膜，起分离作用的仅是接触空气
的极薄一层，称为表面致密层。它的厚度约0.25～ 1μm，相当于总厚度的1/100左右。理论研究表明可 知，膜的透过速率与膜的厚度成反比。而用L—S法 制备表面层小于0.1μm的膜极为困难。为此，发展 了复合制膜工艺，其方框图如图3所示。
H OH
H OH
OH H
H H
H
OOH
CH 2OH
n_2
2
从结构上看，每个葡萄糖单元上有三个羟基。 在催化剂（如硫酸、高氯酸或氧化锌）存在下，能 与冰醋酸、醋酸酐进行酯化反应，得到二醋酸纤维 素或三醋酸纤维素。
C6H7O2 + (CH3CO)2O ＝ C6H7O2(OCOCH3)2 + H2O C6H7O2 + 3(CH3CO)2O ＝ C6H7O2(OCOCH3)3 + 2 CH2COOH
其 他材料的膜占2％，可见纤维素酯类材料在膜材料中
1. 纤维素酯类膜材料 纤维素是由几千个椅式构型的葡萄糖基通过1,
4—β—甙链连接起来的天然线性高分子化合物， 其结构式为：
HCH 2O H O
H
O
OH OH
H H
H OH
H OH
OH H
H
H H
O
O
CH 2O H
HCH 2O H O
H
O
OH
H H
醋酸纤维素是当今最重要的膜材料之一。 醋酸 纤维素性能稳定，但在高温和酸、碱存在下易发生 水解。
纤维素醋酸类材料易受微生物侵蚀，pH值适 应范围较窄，不耐高温和某些有机溶剂或无机溶剂。 因此发展了非纤维素酯类（合成高分子类）膜。
2. 非纤维素酯类膜材料 常用于制备分离膜的合成高分子材料有聚 砜、聚酰胺、芳香杂环聚合物和离子聚合 物等。
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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）
（固体成分包括完整有机体、培养基及底物中的不溶物）
Liquid: soluble portions of residual substrates, metabolic pathway intermediates and desired products
（液体成分包括底物可溶物、代谢中产物及目标产物）
conventiona bioseparations
l chemicals
Physical
7
7
separations
Equilibrium
22
18
controlled
separations
Rate controlled
3
10
separations
total
42
35
This table shows that 80% of all the separation methods for conventional chemicals are practical in biotechnology. 上表表明大约80%的化工分离方法可应用于生物分离技 术中
Comparison of separation processes used in bioseparations with more exhaustive classifications give the result in table 2. 生物分离与一般化学分离方法的比较
生物分离工程 绪论
第一章绪论一、生物分离工程概述1.生物分离在生物技术中所占位置(1) 生物技术(biotechnology)所谓生物技术就是指有机体的操作（如：培养微生物、动物细胞、植物细胞）和利用有机体生产有用物质、改善人类生存环境的技术。
其主要目标是生物物质的高效生产。
因而，按上述定义，早在公元前428年就有了应用生物技术酿酒、制奶酪等的记载。
狭义生物技术的产物仅为化学产品，约有100年的历史。
(2)生物加工过程（bioprocess）即生物技术领域生物产品的生产过程，包括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）及目标产物的分离纯化过程(3)生物技术的下游加工过程（downstream processing）：即目标产物的分离纯化过程，也就是生物分离工程因此，生物分离处于生物技术的下游加工过程。
(4)生物技术的上中下游上游：菌种选育，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，海洋生物培养——生物反应过程下游：生物分离工程(5) 获得产品的有效途径原料、预处理、生物反应、生物分离、产品工程2. 什么是生物分离工程（Bioseparation Engineering）？从微生物、动植物细胞及其生物化学产品中提取有用物质的技术，包括目标产物的提取（isolation）、浓缩（concentration）、纯化（purification）及成品化（product polishing）等过程。
生物分离工程的发展历史已经有几百年的历史了——最早的分离技术有蒸馏(从鲜花和香草料中提取天然的香料)、过滤等原始方法。
其特性主要体现在生物产物的特殊性、复杂性和对生物产品要求的严格性上。
分离过程的成本往往占整个生产过程成本的大部分。
而分离过程的质量往往决定整个生物加工过程的成败。
3.生物分离的应用（1）医药：抗生素、激素、维生素（2）食品：乳酪（3）化工：氨基酸（4）精细化工：化妆品、香料（5）农业：农药（6）生物：酶4.生物分离的历史生物分离工程的发展已经有几百年的历史了——最早的分离技术有蒸馏、过滤等原始方法如：从牛奶中提取奶酪；16世纪人们发明了用水蒸气蒸馏从鲜花与香草料中提取天然香料的方法；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最早的开发是由于发酵制酒精以及有机酸分离提取的需要；20世纪40年代初，开始出现大规模深层发酵生产抗菌素；近年来发展起来的利用基因工程菌生产人造胰岛素，人与动物疫苗等产品5．生物物质和生物分离（1）生物物质A. 种类繁多，包括小分子化合物、生物大分子、细胞、生物体组织等B. 来源：自然界存在的各种生物资源、生物反应过程生产的各种有用生物物质，如生物医药、疫苗、生物材料、食品添加剂、饲料、化妆品等等，其中与人类健康直接相关的治疗药物和疫苗是生物分离工程研究的重要内容。
生物分离工程
生物分离工程（最好能有时间过过ppt）1.定义：生产粗原料的过程及其之后的目标产物的分离纯化过程，即下游加工过程；2.下游加工过程：目标产物的分离纯化。
包括目标产物的提取、浓缩、纯化及成品化等3.特点及其重要性：(1)发酵液或培养液是产物浓度很低的水溶液；(2)培养液是多组分的混合物；(3)生化产物的稳定性差——易引起产物失活；(4)对最终产品的质量要求很高。
4.下游加工过程的一般流程:(1)下游加工过程的一般流程;（2）初步纯化;（3）高度纯化与精制;（4）成品加工5.分离效率的评价:目标产品的浓缩程度/分离纯化程度/回收率6.提高回收率的方法：（1）提高每步回收率，（2）减少操作步骤；（3）开发新型高效的分离方法第二章发酵液预处理和固液分离首先要进行培养液的预处理和固液分离，才能进行后续操作：对于胞外产物，可先将菌体或其他悬浮杂质去除，才能从澄清的滤液中提取代谢产物。
对于胞内产物，首先富集菌体，再进行细胞破碎和碎片分离，然后提取胞内产物。
1.发酵液的基本特性：发酵产物浓度较低，大多为1-10%；悬浮物颗粒小，细胞的相对密度与培养液相似；固体粒子可压缩性大；液相粘度大，大多为非牛顿型流体，不易过滤；悬浮状态稳定：双电层、水化膜、布朗运动成分复杂，杂质较多。
2.预处理的目的：促进从悬浮液中分离固形物的速度，提高固液分离的效率：⑴改变发酵液的物理性质，包括增大悬浮液中固体粒子的尺寸，降低液体黏度；⑵相对纯化，去除发酵液中的部分杂质（高价无机离子和杂蛋白质），以利于后续各步操作；⑶尽可能使产物转入便于后处理的一相中（多数是液相）。
3.预处理手段：絮凝与凝聚处理过程就是将化学药剂预先投加到悬浮液中，改变细胞、菌体和蛋白质等胶体粒子的分散状态，破坏其稳定性，使其聚集起来,增大体积以便固液分离。
常用于菌体细小而且黏度大的发酵液的预处理中。
其余手段：加热，调节pH。
凝聚：胶体粒子在中性盐促进下脱稳相互聚集成大粒子（1mm），机理：1）中和粒子表面电荷;2）消除双电层结构;3）破坏水化膜。
生物分离工程6膜分离技术08.ppt.Convertor
膜分离过程概述利用具有一定选择性透过的过滤介质进行物质分离的技术。
膜分离的特点（1）能耗低，无相变（2）操作条件温和（3）污染难清除，不能耐受极端条件（4）需与其它技术结合应用膜分离技术膜分离的概念：利用膜的选择性（孔径大小），以膜的两侧存在的能量差作为推动力，由于溶液中各组分透过膜的迁移率不同而实现分离的一种技术。
在一种流体相间有一层薄的凝聚相物质，把流体相分隔开来成为两部分，这一薄层物质称为膜。
膜本身是均一的一相或由两相以上凝聚物构成的复合体，被膜分开的流体相物质是液体或气体膜的厚度应在0.5mm以下，否则不能称其为膜。
膜分离技术的类型和定义膜分离过程的实质是物质透过或被截留于膜的过程，近似于筛分过程，依据滤膜孔径大小而达到物质分离的目的，故而可以按分离粒子大小进行分类：膜分离与物质分子大小渗透（osmosis）和透析（dialysis）渗透（osmosis）：是一个扩散过程，在膜两边渗透压差的作用下溶剂产生流动。
透析（dialysis）：是利用膜两边的浓度差从溶液中分离出小分子物质的过程。
透析过滤在过程中不断加入水或缓冲液，保持较高的通量。
透析过程与渗透过程相互重叠。
微滤（microfiltration）：以多孔细小薄膜为过滤介质，压力为推动力，使不溶性物质得以分离的操作，孔径分布范围在0.025~14.000μm之间；超滤（ultrafiltration）：分离介质同上，但孔径更小，为0.001~0.020 μm，分离推动力仍为压力差，适合于分离酶、蛋白质等生物大分子物质；反渗透（reverse osmosis）：是一种以压力差为推动力，从溶液中分离出溶剂的膜分离操作，孔径范围在0.0001~0.0010 μm之间；（由于分离的溶剂分子往往很小，不能忽略渗透压的作用，故而成为反渗透）纳滤：以压力差为推动力，从溶液中分离300~1000小分子量的膜分离过程，孔径分布在平均2nm；电渗析：（electrodialysis）以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性，从溶液中脱除或富集电解质的膜分离操作；6. 气体透过（gas permeation）利用微孔或无孔膜进行气体分离膜的分类按孔径大小：微滤膜、超滤膜、反渗透膜、纳滤膜按膜结构：对称性膜、不对称膜、复合膜按材料分：合成有机聚合物膜、无机材料膜对称膜结构与方向无关的膜，孔径不规则或一定非对称膜分离层（活性膜）和多孔支持膜、活性膜要朝向待浓缩的原液层、两层膜是同一种材料复合膜活性膜层沉积于具有微孔的底膜（支撑层）表面上、表层与底层是不同的材料、膜的性能与活性膜和底层膜都有关系荷电膜（离子交换膜）含有溶胀胶载着固定的正电荷或负电荷阴离子交换膜：带正电荷阳离子交换膜：带负电荷微孔膜（0.05~20 m）动态膜在多孔介质上沉积一层颗粒物作为有选择作用的膜沉积层与溶液处于动态平衡可在高温下应用，膜更新容易，不稳定膜材料的特性对于不同种类的膜都有一个基本要求：（1）耐压：膜孔径小，要保持高通量就必须施加较高的压力，一般模操作的压力范围在0.1~0.5MPa 反渗透膜的压力更高，约为1~10MPa（2）耐高温:高通量带来的温度升高和清洗的需要（3）耐酸碱：防止分离过程中，以及清洗过程中的水解；（4）化学相容性：保持膜的稳定性；（5）生物相容性：防止生物大分子的变性；（6）成本低；各种膜材料有机高分子膜：纤维素酯膜、缩合系聚合物（聚砜类）、聚烯烃及其共聚物、脂肪族或芳香族聚酰胺类聚合物、全氟磺酸共聚物和全氟羧酸共聚物、聚碳酸酯；无机多孔膜：陶瓷膜膜过滤的基本概念和理论超滤和反渗透目的：将溶质通过一层具有选择性的薄膜，从溶液中分离出来。
生物分离工程(三版)课件
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，
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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
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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
生物分离工程课件
第一章生物分离工程概述1.1生物分离在生物技术中所占位置1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。
2、单元操作：完成一道工序所需的一种方法和手段。
3、生物技术：即有机体的操作和应用有机体生产有用物质、改善人类生存环境的技术。
4、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。
生物技术的主要目标是生物物质的高效生产，分离纯化是生物产品工程的重要环节，因此生物分离是生物技术的重要组成部分。
5、狭义生物技术的产物仅为化学产品，约有100年的历史。
6、获得产品的有效途径：原材料、预处理、生物反应、生物分离、产物7、传统发酵与现代发酵比较1.2 生物物质和生物分离1.2.1 生物物质种类繁多，包括自然界存在的各种生物资源。
现代生物技术主要通过生物反应过程生产各种物质。
现代生物技术产品的主体是蛋白质药物。
1.2.2 生物分离过程1.3生物分离的特点：A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。
B绝大多数生物分离方法来源于化学品的分离方法。
C生物分离一般比化工分离难度大。
a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。
b悬液中的目标产物浓度低.1.4生化产品的类型：按用途分类：食品类。
保健品类。
医用类产品。
农业用产品。
生物试剂类。
按分子量大小分类：Mass < 1000D：抗生素、有机酸、aa、多肽类等Mass > 1000D：酶、抗原、抗体、多肽、蛋白质类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2.生物分离与一般化学分离方法的比较2.1、分离过程的分类：•机械分离（离心、过滤）•传质分离（平衡分离、速率分离）▪平衡分离—萃取、吸附、沉淀、结晶、层析等▪速率分离—膜分离、电渗析、透析2.2生物产品特点：①产物浓度低的水溶液(原因：a 氧传递限制；b 细胞量; c 产物抑制②组分复杂(a 大分子; b 小分子; c 可溶物; d 不可溶物; e 化学添加物③产物稳定性差( a 化学降解(pH , 温度); b 微生物降解（酶作用，染菌）④分批操作，生物变异性大⑤质量要求高（药品或食品）2.3生物产品要求高质量：纯度、卫生、生物活性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。
生物分离工程1生物分离工程概述08.ppt.Convertor
生物分离工程（一）一片绿叶，饱含着它对根的情谊；一句贺词，浓缩了对你的祝愿。
又是一个美好的开始，祝成功和快乐永远伴随着你。
生物技术生物技术必须实现产业化后才能给人民造福，取得应有的社会和经济效益。
根据国际上发展生物技术的经验和资料及我国发展生物高技术的实践，业已证明了生物分离工程在利用生物技术生产产品时占的成本比例极大。
可以说，生物分离工程技术是生物高新技术实现产业化的关键。
生物分离工程 1生物产品通过微生物发酵过程、酶反应过程或动植物细胞的大量培养和饲养、种植后，从中分离、精制、质量监测有关目的产品的一系列单元操作技术过程。
它主要是通过利用物理技术、物化技术、化学技术、生物技术等方法来达到目的。
生化分离工作的一般过程动、植物组织、体液等胞外产物提取发酵液→预处理→c分离→c破碎→碎片分离→初步纯化→精制→制成品培养液加热沉淀匀化离心沉淀分子筛无菌过滤酶反应调pH 离心超声萃取吸附离子超滤絮凝过滤胞溶过滤萃取亲和冻干错流过滤研磨错流过滤超滤吸附喷干憎水结晶电泳发酵工程下游加工工程(downstream processing)生物分离工程 2正因为如此，本课程涉及生化、化工、物化、物理学和化学等领域的各个方面理论及实验技术及其它们结合所产生的边缘学科。
随生物技术的发展，生物分离工程在近几年来得到了快速发展，已形成了一整套有别于上述各学科的研究方法和理论。
生物分离工程是生物工程学系的一门重要的必修专业基础课。
教学目的：（一）、要求学生比较系统的掌握生物分离工程的理论和技术方法，并应用于对生物技术的产业化。
（二）、通过对生物分离工程的学习，使学生能综合利用已学会的化学、物理学、生物化学、物理化学、化工原理等知识，为今后学习生物产品工艺学等打好基础，开拓思路及走上工作岗位后能在实际工作时应用生物分离工程各种技术做好理论准备。
教学目的：（三）、要求学生掌握有关产品后处理采用各单元操作的常用手段，并初步掌握其理论知识，如：盐析、结晶、离子交换、萃取、离心等。
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给定的菌株具有压倒的 优势。
而在其他条件下操作，不但削弱了反应速率，还会使受污染的微生物须
狂生长。
生物分离工程过程的特点1
(l)在发酵产品的生产中，分离和精制过程所需的费用占成本的很大部
分。
(2)对传统发酵工业(如抗生素、乙醇、柠檬酸)，分离和精制部份占整个
工厂投资费用的60%。
(3)对重组DNA发酵、精制蛋白质的费用可占整 个生产费用的80%—
或将混合物置于某一物相中（液相），使各组分分配于不同区域，如电 泳、超离心、超滤等 生物分离工程分离过程可分为5个阶段 1.培养液(发酵液)的预处理和固液分离：（加速固液相分离） 2. 细胞破碎分离胞内产物 3.初步纯化(提取)（除去与目的产物性
质差异很大的杂质） 生物分离工程分离过程可分为5个阶段 4.高度纯化(精制)（除去与产物性质相 似的杂质） 5.成品加工。
憎水 结晶
电泳 发酵工程下游加工工程 (downstream processing) 生物分离工程 2
正因为如此，本课程涉及生化、化工、物化、物理学和化学等领域的各 个方面理论及实验技术及其它们结合所产生的边缘学科。随生物技术的 发展，生物分离工程在近几年来得到了快速发展，已形成了一整套有别 于上述各学科的研究方法和理论。 生物分离工程是生物工程学系的一门重要的必修专业基础课。 教学目的 ： （一）、要求学生比较系统的掌握生物分离工程的理论和技术方法，并 应用于对生物技术的产业化。 （二）、通过对生物分离工程的学习，使学生能综合利用已学会的化 学、物理学、生物化学、物理化学、化工原理等知识，为今后学习生物 产品工艺学等打好基础，开拓思路及走上工作岗位后能在实际工作时应 用生物分离工程各种技术做好理论准备。 教学目的 ： （三）、要求学生掌握有关产品后处理采用各单元操作的常用手段，并 初步掌握其理论知识，如：盐析、结晶、离子交换、萃取、离心等。 （四）、培养学生自学生物分离工程的能力；能运用所学知识来分析和 解释一些在生产中遇到的现象和问题的初步能力。 教学参考书 1 刘国诠等《生物工程下游技术——细胞培养、分离纯化、分析检测》， 1993，化学工业
分子分配） （4） 亲和技术推广与配基合成（分子印迹） （5） 优质层析介质开发（大孔亲水介质，贯注层析介质） （6） 下游技术与上游技术相结合(藕合分离） （7） 改进上游因素（改进菌种，培养基与发酵条件） （8） 改善环境相容性 非蛋白类杂质的去除 （1） DNA
A 阴离子交换（pH 4.0) B 亲和层析（不被吸附） C 疏水层析 （2）热原 （蛋白质溶液中的去热原） A 生产过程无菌 B 所有层析介质无菌 C 所用溶液无菌 D 亲和层析（多粘菌素） （3）去病毒 A 加热 （60 ℃ ) B 过滤
为什么要学习生物分离工程 ？
怎样才能学好生物分离工程 ？ 休息一下！ 传统生物产品与基因工程产品回收方法的比较 传统产品 (1) 小分子（少数工业用粗酶） (2) 理化性质清楚 (3) 易于放大 基因产品 (1) 大分子 (2) 胞内 (3) 不稳定 (4) 放大困难 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 生物技术下游加工过程特点 生物产品特点： ① 产物浓度低的水溶液 (原因：a 氧传递限
生物分离工程分离过程的工艺过程决定于产品的性质和要求达到的纯 度。 综合处理 上游要为下游创造条件
选育不产生杂质的菌种 胞内产物变为胞外产物 在细胞内形成包含体 给目的产物接上特殊“物质” 生物分离工程的发展动向 （1） 操作集成化（扩张床，两水相） （2） 方法集成化（亲和与膜结合） （3） 大分子与小分子相互渗透（两水相 大分子向小
生物分离工程 （一）
一片绿叶，饱含着它对根的情谊；一句贺词，浓缩了对你的祝愿。 又是一个美好的开始，祝成功和快乐永远伴随着你。 生物技术 生物技术必须实现产业化后才能给人民造福，取得应有的社会和经济效 益。根据国际上发展生物技术的经验和资料及我国发展生物高技术的实 践，业已证明了生物分离工程在利用生物技术生产产品时占的成本比例 极大。可以说，生物分离工程技术是生物高新技术实现产业化的关键。 生物分离工程 1 生物产品通过微生物发酵过程、酶反应过程或动植物细胞的大量培养和 饲养、种植后，从中分离、精制、质量监测有关目的产品的一系列单元 操作技术过程。它主要是通过利用物理技术、物化技术、化学技术、生 物技术等方法来达到目的。 生化分离工作的一般过程 动、植物组织、体液等
胞外产物
提取
发酵液 →预处理 →c分离 →c破碎→碎片分离 →初步纯化 →精制 → 制 成品 培养液 加 热 沉 淀 匀 化 离 心 沉 淀 分子筛 无 菌过滤 酶反应 调 pH 离 心 超 声 萃 取 吸 附 离 子 超 滤
絮凝 过滤 胞溶 过滤 萃取 亲和 冻干
错流过滤 研 磨 错流过滤 超 滤 吸 附 喷 干
C 灭活剂 目标蛋白的表征和分析方法 （1） HPLC （2） SDS-PAGE （3） 氨基酸顺序分析 （4） 氨基酸，肽图，免疫化学 （5） 与标准品对照分析 分离效率评价 分离效率评价 思考题： 1 生物产品与普通化工产品分离过程有何不同？ 2 设计生物产品的分离工艺应考虑哪些因素？ 3 初步纯化与高度纯化分离效果有何不同？ 4 如何除去蛋白质溶液中的热原质？ 5 生物分离为何主张采用集成化技术？ 6 纯化生物产品的得率是如何计算的？若每一步
纯化产物得率为90%，共6步纯化得到符合要 求产品，其总收率是多少？ 谢谢观赏！
出版社。 吴俊生等《分离工程》，1992，华东化工学院出版社。 教学参考书 2 梁世中编译《生物分离技术》，上册，1995，华南理工大学出版社。 俞俊堂等，《生物工艺学》，上册，1991，华东理工大学出版社。 华南工学院等，《发酵工程与设备》，1983，轻工业出版社。 新编生物工艺学(上) 俞俊堂￥35.00元 化学工业出版社 ISBM: 7502542175 生化生产工艺学 梅乐和，姚善泾，林东强 ￥38.00元 科学出版社 ISBM: 7-03-007344-4 总论 什么是生物分离工程（发酵后处理）——与化工原理、生物化学的联系 和区别是什么？
特别是蛋白质产品常伴有大量的性质相近的杂质蛋白质。
从低浓度的混合物中分离出纯组分，需要较大的能量和繁多的步骤。
几种产品在发酵液中的浓度Biblioteka 产品典型浓度（g/L）
抗生素
25
氨基酸
100
酒精
100
有机酸
100
酶
20
蛋白质
10
生物技术下游加工过程特点
生物分离工程过程的特点4
微生物产物中相当大部分是化学不够稳定的，所采用的反应物、pH和
温度都受限制。
如产品是胞内酶，提取前先得破碎细胞。 生物分离工程过程的特点5 发酵或培养都是分批操作，由于生物变异性大，各批次的发酵液不尽相 同。
这就要求下游加工有一定的弹性，特别是对染菌的批号，也要能处理。 发酵液的放罐时间、发酵过程中消沫剂的加入都对提取有影响。 生物分离工程过程的特点6 发酵液放罐后，由于条件的改变，会继续但按另一条途径进行发酵；另 一方面，还会感染杂菌，这些都会引起产品的破坏，故发酵液不宜存放 过久，应尽快进行提取。 生物分离工程过程的特点7 许多物质并不需要以纯态被分离出来。 但是去除热原(针用药物)和核酸(食用单细胞蛋白)是有必要的。 生物分离工程过程的特点8 从其他理化性质相似的材料中分离出某种特定组分的难度大。
缺乏可采用的单元操作，也是分离中常遇到的，虽说代用的方法不少， 但选用时要考虑费用和效果。 休息一下 生物分离工程过程的特点9 对基因工程产品，还应注意生物安全(biosafety)问题。 要求防止基因工程菌体的扩散，特别对前面几步操作，一般要求在密封 的环境下操作。 发酵度浓量很大，BOD值较高，经生物处理后才能排放。 最理想的情况是将废液循环使用，但目前尚未获得成功。 生物分离工程过程的特点10 1. 处理产品时时间短、速度要求快。 2. 处理产品时的温度要求底。 3. 处理产品时的pH适中(应该选择在生物物质的稳定范围内)。 4. 勤清洗消毒(包括厂房、设备及管路，特别应该注意死角) 。 应该遵循的原则 基本指导思想 根据混合物中不同组分分配率的差异将其分配于几个物相中，如溶剂提 取、盐析、结晶等
制；b 细胞量;c 产物抑制) ② 组分复杂(a 大分子;b 小分子;c 可溶物;d
不可溶物;e 化学添加物) ③ 产物稳定性差[a 化学降解(pH , 温度);
b 微生物降解 （酶作用， 染菌）] ④ 分批操作，生物变异性大 ⑤ 质量要求高 （药品或食品） 发酵液中目标物浓度与产品售价 生物分离工程（发酵后处理） 生物化工产品是通过微生物发酵、酶反应过程或动、植物的细胞大量培 养获的产品。它们往往是从上述的发 酵液、反应液或培养液中分离、 精制出来。有关生产这些产品的过程也称为下游加工过程。 生物分离的流程与单元操作 ① 细胞回收技术: 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: 吸附剂，离子交换，沉淀（盐析 法，有机溶剂沉 淀，等电点，沉淀剂），溶剂萃取，两水相萃取，超临界萃取，逆胶束 萃取，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，结晶 ⑤ 成品加工：浓缩，除菌与热原，喷雾干燥，气流干燥，沸腾干燥， 冷冻燥 发酵液中目标物浓度与分离步聚的关系 逆胶束示意图 生物下游加工过程的选择准则 ① 步聚少 ② 次序合理 ③ 产品规格 （注射，非注射） ④ 生产规模 ⑤ 物料组成 ⑥ 产品形式 固体,适当结晶，液体，适当浓缩 ⑦ 产品稳定性 ⑧ 物性：溶解度，分子电荷，分子大小，功能团，稳定性，挥发性 ⑨ 危害性 ⑩ 废水处理 重要性 1. 产品分离纯化是最终获得商业产品的环节 2. 发酵液是复杂的多相系统 3. 生物产物的特点：浓度、稳定性等 4. 投资费用高： 抗生素、乙醇、柠檬酸占60% 纯化蛋白质80~90% 5. 分离纯化技术落后会阻碍发酵工程技术的发展 下游加工过程的沿革 传统产业（第一代） 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、植物细胞培养，基因工程发酵产品 生物分离工程过程的特点 生化工程与化学工程的区别并不在于单元操作及单元过程的原理，而在 于前者涉及了生命系统的自然现象。因此最大的优点，是在温和条件下 进行。 需精确控制的pH值、温度、氧化还原电位以及培养菌的情况下，应使