生物分离工程

1.4 分离效率的评价
评价一个分离过程的效率主要有三个标 准。即： • 目标产物浓缩程度(concentration factor) • 分离纯化程度(separation factor) • 回收率(recovery rate)
生物反应过程示意图
生物催化剂 空气 除菌 提取纯化 产品 废弃物 检测 控制系统 副产品
绪论
1.1生物分离工程在生物技术中的地位
1.1.1 定义
生物产品 ①生物界自然产生 ②微生物菌体发酵过程——>发酵液 ③动植物细胞培养过程——>反应液 产品 ④酶反应过程 ——> 培养液
分离
生物
精制
生物分离工程
• 从发酵液、反应液和培养液中分离、精制
有关产品的过程称为生物分离工程（BioSeparations Engineering）亦称下游技术 （Downstream Processing）
（2）集成化（扩张床，两水相，液膜分离） （3）快速分离（贯注层析） （4）极端条件下分离（超临界，超声波，超重力） （5）在位分离（边发酵边分离） （6）环境相容（超临界） （7）可再生循环（亲和沉淀，可再生两水相）
1.1.2 在生物技术中的地位 生物分离工程的落后阻碍生物技术的发展
• 一方面生物技术（基因工程、细胞工程）的新成 •
果没有合适的提取和精制的方法就不能转化为生 产力。 另一方面，如果提取和精制方法落后，收率太低， 成本太高，其生物产品的竞争力就不强（如甘油、 衣康 酸等）。
发酵液中目标物浓度与产品售价
1.2.3 生物分离过程的选择
• ①（根据）目标产物的分子结构，物理化
学特性，分子量大小等。 • ② 主要杂质的成分与含量 尤其是分子结构，大小和理论性质与目 标产物接近的杂质。 • ③目标产物在分离中的稳定性 如耐酸碱性，耐高温，耐有机溶剂。
1.3生物下游加工过程的一般步骤
工业应用的生物分离技术
1.5生物分离工程的发展方向
1.5.2上游技术对下游过程的影响 ①将胞内产物变为胞外产物 ②选择便于产品分离的培养基 ③通过代谢工程和基因工程的方法，减 少影响目标产物分离的副产物的形成。
1.5生物分离工程的发展方向
1.5.3原位分离技术研究 ——发酵培养与产品分离耦合技术 （1）避免或减少产物反馈抑制作用 （2）减少生物活性物质产品的失活损失
态下 防止菌体扩散。
生产能力设计 发酵液放罐后，由于条件改变，会继续 按另外的途径进行生物反应，使产物浓度 下降或部分失活，特别是杂菌的感染，会 引起产品的破坏。因些，对于初级提取或 分离设备，往往不能按一天的生产能力来 设计。 例：某生物产品厂，每天发酵3个罐， 发酵液总量为90m3，发酵醪成熟后要求在 3h内完成初步分离，则该厂初步分离设备 的产能力应生≥10 m3/h。
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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: 沉淀，离子交换，萃取，膜分离 技术，盐析法，有机溶剂沉淀 ④ 高度纯化技术:离子交换，结晶，重结晶，各类 层析如：亲和，疏水，聚焦，离子交换，凝胶等 ⑤ 成品加工 喷雾干燥，气流干燥，沸腾干燥，冷 冻干燥，结晶
生物反应器
灭菌
原材料 机械能、热能
分离过程评价
C、P、W分别为原料、产品、废料 F为流速 c、T、X分别为浓度、目标产物、杂质
分离效率评价
1.5生物分离工程的发展方向
1.5.1新型分离方法的研究与开发 ①膜分离技术完善与推广应用 ②亲和技术 ③色谱分离技术 ④吸附技术 ⑤新型萃取技术 ⑥复合（集成）分离技术的研究
1.1.2 在生物技术中的地位
生物产品的成本构成 • 传统液体混合物产品（分离成本约10%） • 啤酒、葡萄酒等发酵饮料 （简单固液分离和无菌处理） • 小分子生物产品（分离成本约30%，分离、精制部分的投
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资占整个投资的60% ） 酒精，丙酮，丁醇，抗生素，有机酸，核酸，酶制剂，单 细胞蛋白 生物活性产品（分离成本约占整个生产费用的80%-90%） 动物细胞培养 植物细胞培养 基因工程发酵产品
生物分离工程的研究方向
• （1）基础理论研究 • （2）开发新型和经济高效的下游加工技术 • （3）工程问题的研究 • （4）向清洁生产工艺转变
现代生物分离工程的研究方向与特点
（1）大规模，高选择ຫໍສະໝຸດ Baidu（液膜萃取，逆胶束萃取，两水相
萃取，反渗透，纳米过滤，渗透蒸发，亲和膜过滤，亲 和 错流过滤， 亲和沉 淀 ，分子模板，分子筛，分子蒸馏）
收率计算
由于起始浓度低，杂质多，而产品要 求纯度高，因此常需好几步操作，其结果 使得生物产品的收率较低。 例：假设每步操作的收率为90%，若包含3 步操作，则总收率为72.9%，若包含6步操 作，则总收率真为53.1%。
1.2.2 生物分离过程设计的原则
• 时间短 (放罐后 必须尽快提取) • 温度低。 • PH适中 • 清洁卫生，勤清洗消毒。 • 生物安全（bio-safety）问题，要在密闭状
1.2 生物工业下游技术的特点
1.2.1 原料及产品特性 • 成分复杂 • 目标产物浓度低 • 收率低 • 易失活 • 不稳定性
几种典型产品的发酵液的浓度
浓度（g/L） • 抗生素 25 • 氨基酸 100 • 酒精 100 • 有机酸 100 •酶 20 • R-DNA蛋白质 1 含量（%） 2.5 10 10 10 2 1