1、生化分离工程,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。,教材及参考资料,孙彦. 生物分离工程. 化学工业出版社，2001 严希康. 生化分离工程. 化学工业出版社，2001 刘国诠. 生物工程下游技术（第二版）. 化学工业出版社，2003 毛忠贵. 生物工业下游技术. 中国轻工业出版社，1999 欧阳平凯、胡永红. 生物分离原理与技术，化学工业出版社，1999。 刘茉娥. 膜分离技术. 化学工业出版社，2000 张镜澄. 超临界流体萃取. 化学工
2、业出版社，2000,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 离子交换与吸附 化学工业与工程,SCI杂志,BIOTECHNOL BIOENG J SEP SCI J CHEM TECHNOL BIOT CHROMATOG A J MEMBRANE SCI J SUPERCRIT FLUID ENZYME MICROB TECH ENG SCI SEP PURIF TECHNOL BIOCHEM ENG J DESALINATION PURIF METHOD SEPAR SCI TECHNOL 绪 论,1.1 生化分离工程的研究对象
3、1.2 生化分离工程的重要性 1.3 生化分离工程的特点 1.4 生化分离工程的一般工艺过程 1.5 生化分离工程的发展动态,1.1 生化分离工程的研究对象,定义 对于由生物界自然产生的或由微生物菌体发酵的、动植物细胞组织培养的、酶反应等各种生物工业生产过程获得的生物原料，经提取分离、加工并精制目的成分，最终使其成为产品的技术。,1.2 生化分离工程的重要性,生物技术产品一般存在于一个复杂的多相体系中。唯有经过分离和纯化等下游加工过程，才能制得符合使用要求的产品。因此产品的分离纯化是生物技术工业化的必需手段。,在生物产品的开发研究中，分离过程的费用占全部研究费用的50以上； 在产品的成本构成中
4、，分离与纯化部分占总成本的4080；精细、药用产品的比例更高达7090。 显然开发新的分离和纯化工艺是提高经济效益或减少投资的重要途径。 生化分离是生物技术产品产业化的必经之路，故而越来越受到人们的重视。,1.3 生物技术下游加工过程的特点,生物技术产品以粗料发酵为主，粗原料增加了下游操作成本，包括发酵废液的处理成本，其中清液（精料）发酵将是一个方向。 目前发酵或培养大多是分批操作，各批发酵液产物浓度和其他物性会出现差异，实际生产中也会出现染菌的发酵液，因而需要技术的适应面宽，操作弹性大。,生物活性物质产品的稳定性制约了下游技术的可选范围 。 发酵液放罐后，应及时快速操作：菌体也可能自溶容易被
5、杂菌污染引起产物的破坏和降解，如原料液中常存在降解目标产物的杂质，如可水解目标蛋白质的蛋白酶。因此要求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。,原料液中目标产物的浓度一般都很低 。如 L-异亮氨酸为2.4，青霉素为3.6，庆大霉素为0.2，胰岛素仅为0.001。 原料液中常存在与目标分子结构极其相似的分子及异构体。 当生物技术产品是食品或药物时，溶剂的使用受到一定的限制，萃取、色谱、膜分离会受到一定的限制。,typical products from fermentation,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,types of molecul
6、es manufactured by fermentation,绝大多数生物分离方法来源于化学品的分离方法，大约80%的化工分离方法可应用于生物分离技术中。,生物分离与化学分离方法的比较,生物分离一般比化工分离难度大 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,生物产品要求高质量： *purity（纯度） *sanitation（卫生） *biological activity（生物活性）,设计中应考虑下列问题 产品价值产品质量产物在生产过程中出现的位置 杂质在生产过程中出现的位置 主要杂质独特的物化性质是什么？ 不同分离方法的技术经
7、济比较,1.4 生化分离工程工艺过程,某一具体产品的分离提取工艺还与下列情况有关： 产物本身的性质； 是胞内产物还是胞外产物； 原料中产物和主要杂质浓度； 产物和主要杂质的理化特性及差异； 产品用途和质量标准； 产品的市场价格； 废液的处理方法等。,可分为4个阶段，即预处理、提取、精制、成品制作。预处理细胞分离细胞破壁碎片分离提取 精制 成品制作加热 过滤 匀浆法 离心 沉淀 (重)结晶 浓缩调 pH 离心 研磨法 双水相 吸附 离子交换 干燥絮凝 膜分离 酶解法 膜分离 萃取 色谱分离 无菌过滤超滤 图1-1 生化分离工程一般工艺过程,A. 不溶物的去除 *filtration（过滤） *c
8、entrifugation（离心） *cell disruption （细胞破碎）产物浓度和质量得到了提高,B. 产物分离 离子交换 萃取a. solvent extraction（溶剂萃取）b. reversed micelle extraction（反微团萃取） c. supercritical fluid extraction（超临界流体萃取）d. two-aqueous phase extraction（双水相萃取）不具备特异性，只是进行初分，可提高产物浓度和质量,C. 产品的纯化 *chromatography（色谱） *electrophoresis（电泳）以上技术具有产物的高选择
9、性和杂质的去除性,D. 产品的精制*crystallization（结晶）*drying （干燥）,一般情况下，原料中产品浓度越低，下游技术的成本越高。 下游技术的步骤越多，总收率也越低：(90 ) 6 53.1(95 ) 6 73.5。 重复提取是提高总收率的一个有效方法。如谷氨酸一步等电点结晶，结晶母液如再经过一次离子交换提取 ：75（1 75） 65 91.25 。,1.5 生化分离工程的发展动态,传统分离技术的提高和完善 新技术的研究和开发 下游工程与上游工程相结合 改进上游因素，简化下游过程,传统分离技术的提高和完善 蒸馏、蒸发、过滤、离心、结晶和离子交换等传统技术由于应用面广且相对
10、成熟，对它们的提高和完善将会推动大范围的技术进步。 各种新型高效的过滤机械和离心机械的问世，也从一个侧面推动生物工业向更大规模方向发展。 适合于大规模工业化生产的传统技术经过改造提高后，适应面会更宽，效率会更高。,新技术的研究和开发 新型分离介质的研究开发 膜、树脂和凝胶是主要的新型分离介质。 从半渗透膜开始，膜技术已经逐步发展成一个庞大的膜家族。膜离子交换膜 过滤膜 气体分离膜 液膜 渗析膜 新分离膜微滤 超滤 反渗 纳米 乳化 支持 渗透蒸 膜萃 膜蒸 膜吸膜 膜 透膜 滤膜 液膜 液膜 发膜 取 馏 收图1-2 膜技术家族图,色谱分离是有机化学和生物化学中大分子分离的一项十分重要的分离技
11、术，属精细分离。 如琼脂糖凝胶作为基质，与各种配基结合后制成各种色谱分离介质，开发出一大类各具特色的，对分离生物大分子十分有效的色谱分离技术。,子代分离技术 各种分离纯化技术相互结合、交叉、渗透，形成形成了所谓融合技术或子代分离技术。 膜技术和萃取、蒸馏、蒸发技术相结合形成了膜萃取技术、膜蒸馏及渗透蒸发技术； 膜分离过程与亲和配基相结合，形成了亲和膜分离过程；,其他新兴下游技术 菌体絮凝技术 菌体细胞破碎 超临界CO2萃取 反胶团萃取 液膜分离 电泳分离,下游工程与上游工程相结合 发酵与分离耦合过程的研究 这一新的技术思路在70年代首先用于厌氧发酵乙醇发酵过程中，渗透蒸发，近年来逐步发展到用于
12、好氧发酵过程中来。 发酵-分离耦合过程的优点是可以解除终产物的反馈抑制效应，同时简化产物提取过程，缩短生产周期。,改进上游因素，简化下游过程培养基和发酵条件； 代谢工程：一般以开发新物种和提高目的产物量为目标，此外，还应设法增加产物的胞外分泌量，减少非目的产物的分泌（如色素、毒素、降解酶及其他干扰性杂质等）以及赋于菌种或产物以某种有益的性质以改善产物的分离特性，从而简化下游加工过程。,Beer Well,Stillage,Fermenter,Beer Still,Screens,Rotary Dryer,Spray Dryer,Dried Grains,Dried Solubles,Neutr
13、al Spirits,Condenser,Rectifying Column,Purifying Column,Condenser,Heads,Water,Whiskey,* Ethanol from fermentation.,* Citric acid manufacture,黑曲霉 柠檬酸+石灰浆Ca(OH)2 =柠檬酸钙 柠檬酸钙+H2SO4=柠檬酸+CaSO4,* Penicillin production.,产黄青霉 青霉素为弱酸性物质 萃取法,第二章生物材料预处理和细胞破碎,2.1 固液分离的分类 2.2 发酵液的组成 2.3 培养液的基本特征 2.4 悬浮液的预处理 预处理的目
14、的 预处理方法 2.5常用过滤器,2.1 固液分离的类型,1、过滤(重力过滤器、压滤器、真空过滤器)2、离心,2.2 发酵液的组成,悬浮液：指固体颗粒在0.1m以上的固液分散体系。生物细胞培养液基本上也是悬浮液。培养液的组成：水70-80% + 固体细胞及碎片20-30%(对微生物发酵)+ 少量的代谢产物 + 细胞破裂后的内容物 +残存的培养基成分,2.3 培养液的基本特征,A、细胞成分及碎片大小不一，颗粒越小，分离成本增加。 B、固液密度相近，黏度高：沉降和离心分离困难 C、固体成分可压缩可变形 + 高黏度：过滤困难，黏附在滤布，错流过滤形成凝胶层 D、动植物细胞抗剪切力差：错流膜过滤和离心
15、等不适,2.4 发酵液的预处理,预处理的目的: 改变发酵液的物理性质(黏度、颗粒、颗粒稳定性等)，固液分离速度，分离器分离效率； 目标产物转移其中一相(多数为液相)； 去杂质 预处理方法 加热：最简单和最廉价的处理方法。黏度、促凝聚、去蛋白(如链霉素） 调pH值：方法简单有效（如处理抗生素溶液）；,凝聚：,在凝聚剂(如铝盐、铁盐)作用下, 细胞蛋白质等(准)胶体去稳定，并聚集成1mm大小的凝聚块的过程。,凝聚剂种类：,A、无机盐类，如明矾、AlCl3、 FeCl3、ZnSO4、碳酸镁等； B、无机碱，如Al(OH)3、Fe(OH)3、Ca(OH)2、CaO等；机理：A、破坏双电层，B、破坏胶粒
16、的水化层,影响因素：无机盐种类、化合价、用量 Al3+Fe3+ H+ Ca2+ Mg2+ K+ Na+ Li+,絮凝,高分子絮凝剂的存在下，在悬浮粒子之间产生架桥作用而使胶粒形成粗大的絮凝团的过程。,天然：多糖类（壳聚糖及衍生物）海藻酸钠、明胶、骨胶 人工：聚丙烯酰胺类衍生物、聚苯乙烯类衍生物（毒性）、聚合铝盐、聚合铁盐,影响因素：絮凝剂种类、分子量、用量、pH、搅拌速度、时间,去除杂蛋白的其他方法,等电点沉淀（pH4-5.5） 变性沉淀（加热、改变pH、有机溶剂） 加沉淀剂（三氯乙酸盐、水杨酸盐、钨酸盐、Ag+,Cu2+,Zn2+,Fe3+,Pb2+) 吸附（四环素:加黄血盐和硫酸锌、枯草杆
17、菌碱性蛋白酶: CaCl2加PO43-),酶解法去除不溶性多糖,蛋白酶发酵液中加淀粉酶水解培养基中多余淀粉,高价金属离子的去除 Ca2+ (草酸钠、草酸) Mg2+（草酸、磷酸盐） Fe3+ （ 黄血盐K4Fe(CN)6 ),发酵液的固液分离,一、影响因素 悬浮粒子的形状和大小真菌菌体、絮凝的菌体、蛋白 常规过滤酵母 离心细菌、细胞碎片 先预处理 粘度 菌体种类、浓度 蛋白 核酸 培养基 发酵液pH、温度、加热时间、加助滤剂,惰性助滤剂：,一种颗粒均匀、质地坚硬的粒状物质，用于扩大过滤表面的适应范围，减轻细小颗粒的快速挤压变形和过滤介质的堵塞。使用方法：A、预涂层；B、按一定比率混合。助滤剂种类：硅藻土、膨胀珍珠岩、石棉、纤维素、未活化的炭、炉渣、碳酸钙，及它们的混合物等。,二、过滤,常规过滤直径10-100m 霉菌易过滤 放线菌预处理,滤饼,传统的过滤,cake,Conventional filtration,板框压滤机,Dry,Wash,Immersion,Rotation,Knife,Cake,Feed,Rotary vacuum filter,真空旋转过滤机,压差小适于霉菌 放线菌需涂助滤剂,错流过滤流动方向与过滤介质平行滤饼不易形成，滤速较高，微滤膜、超滤膜适于颗粒小（细菌）、常规滤速慢、滤液混浊固相中70-80%液体，常规30-40%,
