生物分离工程绪论课件PPT

生物分离过程决定了生物产业的经济效益
回收纯化过程成本占总生产成本的比例：
大多数酶：70％ 医用酶如天门冬酰胺酶：85％ 基因工程表达产物：85％一90％以上 青霉素：50％ 乙醇：14％
传统产品 小分子（少数工业用粗酶） 理化性质清楚 易于放大 基因产品 大分子 胞内 不稳定 放大困难
生物分离过程的特点
萃取
层析
凝胶过滤层析 反相层析 离子交换层析
亲和层析 疏水相互作用 层析聚焦
电泳 凝胶电泳 等电点电泳 等速电泳 区带电泳
浓度差、筛分 分配平衡 电荷、浓度差（pH、 离子强度） 生物亲和作用 疏水作用 电荷、浓度差（pH） 筛分、电荷 筛分、电荷、浓度差 筛分、电荷、浓度差 筛分、电荷、浓度差
脱盐、分子分级 甾醇类、维生素、脂质、肽 蛋白质、氨基酸、抗生素、 核酸、有机酸 蛋白质、核酸 蛋白质 蛋白质 蛋白质、核酸 蛋白质、氨基酸 蛋白质、氨基酸 蛋白质、核酸
合乎使 要求的
Bioreaction Engineering
Bioseparation Engineering
生物分离技术的重要性

在基础研究领域， 生物分离技术的发展在某 种程度上决定人类对生命、对自然的认知程度； 在工业生物技术领域，决定了生物产业的成本 和经济效益。

生物工程的基本过程
生产
生物分离的理论基础
利用分子间相互作用力的差异实现分离 利用生物分子的化学和生物学性质的差异 沉淀、萃取、吸附、色谱等
利用分子间物性上的差异实现分离 如分子量、沉降系数、挥发度等 膜过滤、凝胶筛分、电泳、离心、蒸馏等
生物分离方法及分离机理
单 元 操 作 膜分离 微滤 超滤 反渗透 透析 电渗析 渗透汽化 有机溶剂萃取 双水相萃取液液相平衡 液膜萃取 反胶团萃取相平衡 超临界流体萃取 分 离 机 理 压力差、拆分 压力差、筛分 压力差、筛分 浓度差、筛分 电荷、筛分 汽液相平衡 液液相平衡 液液相平衡 液液相平衡 液液相平衡 相平衡 分 离 对 象 举 例 菌体、细胞 蛋白质、多糖、抗生素 水、盐、糖、氨基酸 尿素、盐、蛋白质 氨基酸、有机酸、盐、水 乙醇 有机酸、抗生素 蛋白质、抗生素 氨基酸、有机酸、抗生素 氨基酸、抗生素 香料、脂质
方法除去影响目标产物稳定性的杂质。
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目前对医药、生物制剂的要求：无菌、无 热源，对于蛋白类药物，一般要求杂蛋白含量 2%。 例如： 对医用青霉素，噻唑蛋白类的含量必须要 1.510-6； 原亲酶素和重组胰岛素，杂蛋白含量应 0.01%。 对有些产品还要求呈稳定的无色晶体
生物分离过程中存在的主要问题
生物分离工程
（Bioseparation Engineering)
课程主要参考书目
生物分离工程 （第二版） 孙彦编著 Bioseparation Process Science Antonio A. Garcí a et al编著
成绩构成
• 平时成绩：30分
课堂测验、作业、出勤情况
• 期末考试：闭卷考试，70分

高效生物分离技术缺乏
目标产物的回收率低

分离的成本高
生物分离的一般步骤
破碎、萃取 粗提 离心、过滤
沉淀、吸附 初分离 萃取、超滤
层析、色谱 精分离 电泳
超滤、冷冻干燥 成品化 喷雾干燥、结晶
目标产物回收率的计算
每步的回收率： Yi = mi2 / mi1
mi2 — 第i步分离后得到产品的总量， mi1 — 第i步分离前产品的总量
32 学时
• 绪论 • 细胞分离与破碎 2学时 2学时
• 初级分离
• 膜分离技术 • 生物产品萃取技术 • 色层分离技术 • 蛋白质复性
2学时
6学时 8学时 10学时 2学时
• 沉淀与结晶
2学时
第一章
绪
论
重要性
• 生物分离过程
特点 一般步骤
• 工业生物分离过程
过程的选择依据 典型的生物分离过程
生物分离过程的重要性
生物学性质：生物分子间的特异性识别作用
性质上最大的差异将导致最有效的分离 2 对于生物活性物质，必须考虑分离方法对其生 物活性的影响
生物分离产品的类型：
小分子类：MW <1000，大多数中药有效成分（生 物碱类、萜类、酮类、皂苷类、内酯 类等），脂类、抗生素、有机酸、氨 基酸等；
大分子类： MW >1000，酶、抗体、重组蛋白、 核酸等.
总回收率：16%
凝胶电泳 (88.9%)
硫酸盐盐析
免疫亲合层析
阳离子交换层析
仅三步产品的回收率就达到81%，且产品的 纯 化程度与上述纯化过程相当。
分离路径的选择非常重要！！
如何进行分离方法的选择？
方法：
1 寻找差异
物理性质：重力，分子大小，溶解度
化学性质：分子的亲疏水特性及其所带电荷性质的差异
总回收率：
YT Yi
i
分离原则
• 提高每步操作的回收率 • 减少操作步骤
对分离技术及设备进行系统研究，努力开发新型高效 的分离纯化方法是实现降低目标产物的成本、提高经wk.baidu.com 效益的必由之路。 例如：对人干扰素的分离
离子交换 （62.7%) 硫酸盐盐析 (96.2%) 铜亲合层析 (46.0%) 疏水层析 （78.3%)
目标产物含量低
待分离物组成复杂 稳定性差，容易失活
对最终产品的质量要求严格
发酵液中：青霉素 4.2% 庆大霉素 0.2% 动物细胞培养液： 目标物含量 5 ~ 50 g/ml
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细胞组成（占干重百分比）
类 型 蛋白质 %
40-70 40-50 10-15 10-60 小于10 小于70
核 酸 %
13-34 4-10 1-3 1-5 小于50 小于30
多 糖 %
2-10 小于15 小于10 小于15 小于50 小于50
类脂物 %
10-15 1-6 2-9 4-80 小于50 小于80
细 菌 酵 母 丝状真菌 藻 类 动物细胞 植物细胞
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产物失活的主要机制是化学降解或微生物 引起的降解。 影响因素包括： pH 温度 浓度 蛋白水解酶等 要求：分离条件温和，并采用快速的分离纯化
生物分离工程的概念
生物分离工程: 从粗原料中获得合乎使用要求的目标产
物的过程，包括目标产物的提取、浓 缩 、分离纯化及成品化等。
多学科的交叉
多种分离技术的集成
生物工程
科学研究的 用 最新成果 产品 (Science) (Product)
Genetic Engineering
（Engineering)