第一章-生物分离工程
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• 生物物质的生物活性大多是在生物体内的温和条件下维持 并发挥作用的，当遇到高温、pH值的改变以及某些化学药 物存在等周围环境的急剧变化时极不稳定。 • 产物失活的机制是化学降解或因微生物引起的降解
– 在化学降解的情况下，产物只能在窄的pH值和温度 变化范围内保持稳定。蛋白质一般稳定性范围很窄； 对于小分子生化产物，可能它们在结构上的特性在极 端pH条件下会受损；具有手性核的分子，则可能由 于pH值、温度和溶液中存在的某些物质催化而被外 消旋，导致产物的大量损失。
现代生物技术
生物技术产品
现代生物分离技术
n io at ar ep os Bi
现代生物产品的开发流程
From Mind to Market
(1) Genetic Engineering (9) Product (2) Cell-line development (8) Clinical test (3) Fermentation (7) registration (4) Downstream (6) Quality control
有机溶剂
蒸馏、精馏等技术
这个时期的生化产品相对比较简单，基本上是无 活性的小分子（有机溶剂）。此时开始引入化学工程 中较成熟的近代分离技术，如过滤、蒸馏、精馏等， 生产多以经验为主。
n io at ar ep os Bi
生物技术的发展历史
20世纪中叶（1941-1970） 抗生素时期或液体深层耗氧发酵时期 典型产物：抗生素 (antibiotics) 、氨基酸 (amino acids)、 酶 (enzymes) 。
主要参考书
《生化分离工程》
严希康编著 俞俊棠主审 化学工业出版社，2001
n io at ar ep os Bi
主要参考书
《生物工程下游技术》
第二版
刘国诠 主编 化学工业出版社，2003
n io at ar ep os Bi
主要参考书
《生物分离过程科学》
刘铮、詹劲等 翻译
清华大学出版社，2004
• CHEM ENG SCI www.elsevier.com/locate/ces • SEP PURIF TECHNOL www.elsevier.com/locate/seppur • BIOCHEM ENG J www.elsevier.com/locate/bej • DESALINATION www.elsevier.com/locate/desal
– 下游加工过程的重要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，导致下游加工过 程的成本往往占整个生物加工过程成本的大部分。
• 工业酶分离：70% • 基因重组蛋白质药物的分离：85-90% • 发酵乙醇的分离：14%
• 生物分离过程的特点
– 生化产物的稳定性差，产物可能失活
课程内容和安排
教材：《生物分离工程》第二版，孙彦编著 第1章、绪论 第2章、细胞分离和破碎 第3章、初级分离 第4章、膜分离 第5章、萃取 第6章、吸附分离技术和理论 第7章、液相色谱 第8章、亲和色谱 第9章、电泳和电色谱 第10章、蛋白质复性 第11-12章、结晶和干燥
n io at ar ep os Bi
• 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 www.elsevier.com/locate/enzmictec
– 微生物降解作用是因为所有细胞中存在不同的降解 酶，如蛋白酶、脂酶等，都能使活性分子破坏成失 活分子。由于升温能够加速这些降解酶的作用，因
此在制备蛋白质、酶或相似产物时，应在尽可能低
的温度下操作。另外还应防止发酵液染菌，这可能 导致产生毒素和降解酶，从而引入杂质或导致产品 的损失。
• 严格控制操作条件，维持生物物质的生物活性；
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主要参考书
Bioseparations Science and Engineering
Roger G. Harrison et al Oxford University Press , Inc. ISBN: 0-19-512340-9 2003.
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• 生物工程的上中下游
– 上游：菌种，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 – 下游：生物分离工程
• 生物产物的特点
– 产物浓度低的水溶液 ( 原因：氧传递限制；细胞量 ; 产 物抑制） – 组分复杂 ( 大分子 ; 小分子 ; 可溶物 ; 不可溶物 ; 化学添加 物） – 产物稳定性差(化学降解[pH , 温度];微生物降解[酶作 用，染菌]） – 质量要求高 （药品或食品）
不分离或 简单分离
我国古代的酿酒作坊
种牛痘预防天花
• 做豆腐
•蛋白沉淀、过滤、干燥、……
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生物技术的发展历史
20世纪上半叶（1900-1940） 筛选和培养微生物来生产特殊的产品，典型 例子发酵生产丙酮/丁醇/乙醇 德国科学家Weizmann将筛选获得的厌氧菌 株用于工业化发酵 1940年,丁醇和丙酮的年产量已经超过 45,000 和 90,000 吨。
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教材
《生物分离工程》第二版
孙彦编著
化学工业出版社
2005
n io at ar ep os Bi
教材
《生物分离工程》第一版
孙彦编著
化学工业出版社
1998
3
n io at ar ep os Bi
主要参考书
《生物分离原理及应用》
欧阳平凯主编 化学工业出版社，1999
n io at ar ep os Bi
• 需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，
如蛋白酶等
– 分离难度大，一般需用特殊的高效分离技术
• 原料液中常存在与目标分子在结构、构成成分等理化性质上极其相
似的分子及异构体，形成用常法难于分离的混合物
烯）
– 生物能源（甲醇，乙醇，生物柴油，生物汽油） – 生物材料（明胶，胶原蛋白，人造皮肤，人造骨，人造脏器） – 生物医学 （诊断试剂，基因治疗，人及生物克隆） – 环境生物（环境治理，水污染，土壤污染，风沙治理） – 生物食品（醋，啤酒业，酿酒，乳制品，奶制品） – 生物资源（动物，植物，微生物） – 生物农业 （基因食品，基因植物）
• 生物分离
– 是生物加工过程的重要组成部分
• 从发酵液、酶反应液或动植物细胞培养液中将生化产物分离、 提取并精制的一门工程学科
– 生物产物的生产过程称为生物加工过程。包括：
• 上游技术：优良生物物种选育、基因工程、细胞工程、生物反 应过程（酶反应、微生物发酵、动植物细胞培养等）， • 下游技术：目标产物的分离纯化，包括目标产物的提取、浓缩、 纯化及成品化等过程。
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生物分离工程
胡卫成
淮阴师范学院 生物科学学院 办公地址：生科院403
E-mail: hu_weicheng@163.com
目的与要求
• 掌握萃取分离、膜分离、色谱分离、亲和分离 等的基本原理及其特点。 • 能在实际工作中掌握几种分离技术的工艺过程 及熟悉相关设备。 • 能在生物产品产业化研究及工艺设计中合理应 用相应分离技术。
(5) Formulation
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生物分离工程
生物分离工程
酶反应液、细胞培养液或组织提取液等进行 分离和纯化的过程，以获得高纯度的目标产 物。
—— 生物过程工程的关键环节 —— 生物技术产业化的瓶颈
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生化分离的任务
生化反应所起的作用是产生目的产物，指标是
生物分离工程
第一章. 绪论
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生物工程的地位
生命科学
生物技术产业
生物工程
Bioengineering
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围绕生物技术产品的相关技术支撑
基因工程
微生物 蛋白质或酶
动、植物个体或细胞
工程菌
优良的动 植物品系
发酵工程
蛋白质工程或酶工程
a. 以包涵体(inclusion bodies)形式存在 b. 在细胞周质内或细胞的其它部位 3) 天然产物: 不需经过细胞培养或发酵的体系，包 括固体物、固体的提取物以及各类溶液
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生物分离的一般过程
发酵液或培养液 胞内产物 胞外产物 细胞破碎 产物捕获阶段
Capture
萃取、沉淀 吸附
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生物技术的发展历史
20世纪后半叶（1971-） 基因重组技术被用于工业生产蛋白质 第一个基因蛋白——胰岛素 insulin 大量投资生物技术，成千上万生物技术公司相继成 立。
生物大分子精细分离： 层析、电泳等
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细胞工程
生物分离工程
产品
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生物分离工程的发展
展 发 的 20世纪后半叶 术 技 离 分 物 20世纪中叶 生
20世纪上半叶
20世纪前
展 发 的 术 技 物 生
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生物技术的发展历史
20世纪前 利用自然界中的微生物来制酒、 酱、面包、奶酪等各种食物 疾病的预防
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 CHIN J CHEM ENGI 离子交换与吸附 化学工业与工程
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SCI杂志
• 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
• SEPAR PURIF METHOD www.dekker.com/servlet/product/productid/SPM • SEPAR SCI TECHNOL www.dekker.com/servlet/product/productid/SS
• BIOSEPARATION • www.kluweronline.com/issn/0923-179X/contents
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产物浓度—产品售价
Crude product concentration versus selling price (taken from Dwyer, 1984)
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生物分离的对象
1) 胞外产品: 产物作为细胞的代谢产物被分泌于培 养液中 2) 胞内产品: 产物被留在细胞ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ部
Isolation concentration
固液分离 浓缩 初步纯化 纯化 精制 产品 精制阶段 纯化阶段
Purification
Polishing
31
• 生物工程产业领域
– 生物制药（抗生素，基因重组蛋白，氨基酸，疫苗，菌苗，天然
药物，生化药物，血液制品，抗体，多糖，多肽）
– 生物化工（乳酸，柠檬酸，苹果酸，丙烯酸，甘油，异丙醇，乙
过程兼容、协调，全程优化
Bioprocess Bioproduct Engineering
生产的成本
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生物分离的投资和操作的费用
对于一般的化工过程，用于分离部分装置的投资 和操作的费用，要占整个过程的60～70%以上，其 能耗达到80～90%之多，对于生化过程而言，用于 分离部分的投资、操作费用以及能耗等，往往高于 以上水平。
产率和转化率，而生化分离解决的是如何从反 应液中获取这些物质，涉及的是收率和纯度。
生化分离的主要任务：从发酵液和细胞
培养液中以最高的效率、理想的纯度、最 小的能耗把目的产物分离出来。
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生物分离工程
Fermentation
“上游过程”
“下游过程”
Downstream Processing
– 在化学降解的情况下，产物只能在窄的pH值和温度 变化范围内保持稳定。蛋白质一般稳定性范围很窄； 对于小分子生化产物，可能它们在结构上的特性在极 端pH条件下会受损；具有手性核的分子，则可能由 于pH值、温度和溶液中存在的某些物质催化而被外 消旋，导致产物的大量损失。
现代生物技术
生物技术产品
现代生物分离技术
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现代生物产品的开发流程
From Mind to Market
(1) Genetic Engineering (9) Product (2) Cell-line development (8) Clinical test (3) Fermentation (7) registration (4) Downstream (6) Quality control
有机溶剂
蒸馏、精馏等技术
这个时期的生化产品相对比较简单，基本上是无 活性的小分子（有机溶剂）。此时开始引入化学工程 中较成熟的近代分离技术，如过滤、蒸馏、精馏等， 生产多以经验为主。
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生物技术的发展历史
20世纪中叶（1941-1970） 抗生素时期或液体深层耗氧发酵时期 典型产物：抗生素 (antibiotics) 、氨基酸 (amino acids)、 酶 (enzymes) 。
主要参考书
《生化分离工程》
严希康编著 俞俊棠主审 化学工业出版社，2001
n io at ar ep os Bi
主要参考书
《生物工程下游技术》
第二版
刘国诠 主编 化学工业出版社，2003
n io at ar ep os Bi
主要参考书
《生物分离过程科学》
刘铮、詹劲等 翻译
清华大学出版社，2004
• CHEM ENG SCI www.elsevier.com/locate/ces • SEP PURIF TECHNOL www.elsevier.com/locate/seppur • BIOCHEM ENG J www.elsevier.com/locate/bej • DESALINATION www.elsevier.com/locate/desal
– 下游加工过程的重要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，导致下游加工过 程的成本往往占整个生物加工过程成本的大部分。
• 工业酶分离：70% • 基因重组蛋白质药物的分离：85-90% • 发酵乙醇的分离：14%
• 生物分离过程的特点
– 生化产物的稳定性差，产物可能失活
课程内容和安排
教材：《生物分离工程》第二版，孙彦编著 第1章、绪论 第2章、细胞分离和破碎 第3章、初级分离 第4章、膜分离 第5章、萃取 第6章、吸附分离技术和理论 第7章、液相色谱 第8章、亲和色谱 第9章、电泳和电色谱 第10章、蛋白质复性 第11-12章、结晶和干燥
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• 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 www.elsevier.com/locate/enzmictec
– 微生物降解作用是因为所有细胞中存在不同的降解 酶，如蛋白酶、脂酶等，都能使活性分子破坏成失 活分子。由于升温能够加速这些降解酶的作用，因
此在制备蛋白质、酶或相似产物时，应在尽可能低
的温度下操作。另外还应防止发酵液染菌，这可能 导致产生毒素和降解酶，从而引入杂质或导致产品 的损失。
• 严格控制操作条件，维持生物物质的生物活性；
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主要参考书
Bioseparations Science and Engineering
Roger G. Harrison et al Oxford University Press , Inc. ISBN: 0-19-512340-9 2003.
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• 生物工程的上中下游
– 上游：菌种，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 – 下游：生物分离工程
• 生物产物的特点
– 产物浓度低的水溶液 ( 原因：氧传递限制；细胞量 ; 产 物抑制） – 组分复杂 ( 大分子 ; 小分子 ; 可溶物 ; 不可溶物 ; 化学添加 物） – 产物稳定性差(化学降解[pH , 温度];微生物降解[酶作 用，染菌]） – 质量要求高 （药品或食品）
不分离或 简单分离
我国古代的酿酒作坊
种牛痘预防天花
• 做豆腐
•蛋白沉淀、过滤、干燥、……
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生物技术的发展历史
20世纪上半叶（1900-1940） 筛选和培养微生物来生产特殊的产品，典型 例子发酵生产丙酮/丁醇/乙醇 德国科学家Weizmann将筛选获得的厌氧菌 株用于工业化发酵 1940年,丁醇和丙酮的年产量已经超过 45,000 和 90,000 吨。
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教材
《生物分离工程》第二版
孙彦编著
化学工业出版社
2005
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教材
《生物分离工程》第一版
孙彦编著
化学工业出版社
1998
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主要参考书
《生物分离原理及应用》
欧阳平凯主编 化学工业出版社，1999
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• 需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，
如蛋白酶等
– 分离难度大，一般需用特殊的高效分离技术
• 原料液中常存在与目标分子在结构、构成成分等理化性质上极其相
似的分子及异构体，形成用常法难于分离的混合物
烯）
– 生物能源（甲醇，乙醇，生物柴油，生物汽油） – 生物材料（明胶，胶原蛋白，人造皮肤，人造骨，人造脏器） – 生物医学 （诊断试剂，基因治疗，人及生物克隆） – 环境生物（环境治理，水污染，土壤污染，风沙治理） – 生物食品（醋，啤酒业，酿酒，乳制品，奶制品） – 生物资源（动物，植物，微生物） – 生物农业 （基因食品，基因植物）
• 生物分离
– 是生物加工过程的重要组成部分
• 从发酵液、酶反应液或动植物细胞培养液中将生化产物分离、 提取并精制的一门工程学科
– 生物产物的生产过程称为生物加工过程。包括：
• 上游技术：优良生物物种选育、基因工程、细胞工程、生物反 应过程（酶反应、微生物发酵、动植物细胞培养等）， • 下游技术：目标产物的分离纯化，包括目标产物的提取、浓缩、 纯化及成品化等过程。
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生物分离工程
胡卫成
淮阴师范学院 生物科学学院 办公地址：生科院403
E-mail: hu_weicheng@163.com
目的与要求
• 掌握萃取分离、膜分离、色谱分离、亲和分离 等的基本原理及其特点。 • 能在实际工作中掌握几种分离技术的工艺过程 及熟悉相关设备。 • 能在生物产品产业化研究及工艺设计中合理应 用相应分离技术。
(5) Formulation
n io at ar ep os Bi
生物分离工程
生物分离工程
酶反应液、细胞培养液或组织提取液等进行 分离和纯化的过程，以获得高纯度的目标产 物。
—— 生物过程工程的关键环节 —— 生物技术产业化的瓶颈
n io at ar ep os Bi
生化分离的任务
生化反应所起的作用是产生目的产物，指标是
生物分离工程
第一章. 绪论
n io at ar ep os Bi
生物工程的地位
生命科学
生物技术产业
生物工程
Bioengineering
n io at ar ep os Bi
围绕生物技术产品的相关技术支撑
基因工程
微生物 蛋白质或酶
动、植物个体或细胞
工程菌
优良的动 植物品系
发酵工程
蛋白质工程或酶工程
a. 以包涵体(inclusion bodies)形式存在 b. 在细胞周质内或细胞的其它部位 3) 天然产物: 不需经过细胞培养或发酵的体系，包 括固体物、固体的提取物以及各类溶液
n io at ar ep os Bi
生物分离的一般过程
发酵液或培养液 胞内产物 胞外产物 细胞破碎 产物捕获阶段
Capture
萃取、沉淀 吸附
n io at ar ep os Bi
生物技术的发展历史
20世纪后半叶（1971-） 基因重组技术被用于工业生产蛋白质 第一个基因蛋白——胰岛素 insulin 大量投资生物技术，成千上万生物技术公司相继成 立。
生物大分子精细分离： 层析、电泳等
n io at ar ep os Bi
细胞工程
生物分离工程
产品
n io at ar ep os Bi
生物分离工程的发展
展 发 的 20世纪后半叶 术 技 离 分 物 20世纪中叶 生
20世纪上半叶
20世纪前
展 发 的 术 技 物 生
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生物技术的发展历史
20世纪前 利用自然界中的微生物来制酒、 酱、面包、奶酪等各种食物 疾病的预防
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 CHIN J CHEM ENGI 离子交换与吸附 化学工业与工程
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SCI杂志
• 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
• SEPAR PURIF METHOD www.dekker.com/servlet/product/productid/SPM • SEPAR SCI TECHNOL www.dekker.com/servlet/product/productid/SS
• BIOSEPARATION • www.kluweronline.com/issn/0923-179X/contents
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产物浓度—产品售价
Crude product concentration versus selling price (taken from Dwyer, 1984)
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生物分离的对象
1) 胞外产品: 产物作为细胞的代谢产物被分泌于培 养液中 2) 胞内产品: 产物被留在细胞ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ部
Isolation concentration
固液分离 浓缩 初步纯化 纯化 精制 产品 精制阶段 纯化阶段
Purification
Polishing
31
• 生物工程产业领域
– 生物制药（抗生素，基因重组蛋白，氨基酸，疫苗，菌苗，天然
药物，生化药物，血液制品，抗体，多糖，多肽）
– 生物化工（乳酸，柠檬酸，苹果酸，丙烯酸，甘油，异丙醇，乙
过程兼容、协调，全程优化
Bioprocess Bioproduct Engineering
生产的成本
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生物分离的投资和操作的费用
对于一般的化工过程，用于分离部分装置的投资 和操作的费用，要占整个过程的60～70%以上，其 能耗达到80～90%之多，对于生化过程而言，用于 分离部分的投资、操作费用以及能耗等，往往高于 以上水平。
产率和转化率，而生化分离解决的是如何从反 应液中获取这些物质，涉及的是收率和纯度。
生化分离的主要任务：从发酵液和细胞
培养液中以最高的效率、理想的纯度、最 小的能耗把目的产物分离出来。
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生物分离工程
Fermentation
“上游过程”
“下游过程”
Downstream Processing