1、生化分离工程,参考书目,使用教材： 生化分离工程 严希康主编，化学工业出版社出版,2001年 参考书目： 生化分离工程 孙彦编,化学工业出版社,1998年 新编生物工艺学 （下册） 俞浚棠、唐孝宣主编，化学工业出版社,2003年（1991年） 生物工程下游技术 刘国诠主编,化学工业出版社,2003年(1993) 生物分离原理及技术 欧阳平凯主编，化学工业出版社,1999年 生物化学技术原理与应用 赵永芳主编，科学出版社，2002年 生物化工原理 顾其丰主编，上海科学技术出版社，1997 生物工业下游技术 毛忠贵主编，中国轻工业出版社，1999电话： 89383906 Email： ,1.1 生
2、化分离工程及其研究内容 1.2 生物下游加工技术的特点及重要性 1.3 生物技术下游加工过程流程及单元操作 1.4 生物下游加工过程发展动向 1.5 分离效率的评价,1.1 生化分离工程及其研究内容,生物化学工程的重要组成部分，是从发酵液、酶反应液和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，是生物技术转化为生产力时必不可少的重要环节。常称为生物下游加工技术。, 生化分离工程,1.1分离工程生化及其研究内容,目标产物的提取、浓缩、纯化及成品化, 研究内容,1.2 生物下游加工技术的特点 及重要性, 发酵液和培养液是产物浓度很低的水溶液。, 特 点, 发酵液和培养液是产物浓度很低
3、的水溶液,产物浓度低的原因：受物理和生产条件限制 发酵液中浓度若过高，产生高黏度，导致混合效率低，为维持氧的质量传递，需高速搅拌或通纯氧，一方面增加成本，另一方面高的剪切力造成产品失活。可见，细胞浓度过高受生产条件特别是经济条件的制约。 细胞密度受代谢产物的抑制。, 特 点, 发酵液和培养液是产物浓度很低的水溶液。,发酵液浓度很低,必须对原料进行高度浓缩，从而使下游加工的成本显著增大。 下面从热力学角度说明这个问题。 依据热力学第二定律，混合过程，S0，自发进行；分离，必须补充使熵减小所需的能量。, 特 点, 发酵液和培养液是产物浓度很低的水溶液。,恒温下：,即浓度越低，能耗越大，成本越高(见
4、图1.1）, 特 点, 发酵液和培养液是产物浓度 很低的水溶液,图1.1 原料液中目标产物 浓度与产品售价的关系,图中： P：每Kg生物产品售价$ C：原料液中目标产物浓度，Kg/m3 P对C双对数坐标图CPk（常数），即Pk/C 产品售价与其在原料液中的浓度成反比。, 特 点,1.2 生物下游加工技术的特点 及重要性, 培养液是多组分的混合物*细胞本身(表1.2 ), *预处理过程中引入, 特 点,1.2 生物下游加工技术的特点 及重要性, 生化产物的稳定性差 化学降解：生物物质的活性在较窄的pH范围和温度 变化范围内保持稳定。pH、温度和化学药物等周围 环境的变化，会引起蛋白质失活，青霉素
5、内酰胺环 受损，手性分子的消旋，使产物活性损失。 微生物降解：原料液中存在可降解目标产物的杂质 ，如蛋白酶，脂酶等，都能使活性分子破坏成失活 分子。由于升温能加速这些降解酶的作用，因此生 物产品应尽可能在可能低的温度和快的速度下操作 。另外，要防止发酵液染菌，这可能产生毒素和降 解酶，从而引入新的杂质或导致产品失活。, 特 点,1.2 生物下游加工技术的特点 及重要性, 对最终产品的质量要求很高医药、食品和化妆品，与人类生命息息相关，必须达到药典、试剂标准和食品规范如：热源（Pyrogen）物质的去除 杂蛋白的去除, 特 点,1.2 生物下游加工技术的特点 及重要性, 生物技术产品工业化的必要
6、手段，具有不可取代的地位，生物技术产业没有生化分离过程配套，就不能有工业化的结果 生物产物的特殊性、复杂性和对生物产品要求的严格性导致下游加工成本占整个生物过程成本的大部分（见表1.3）, 重要性,1.2 生物下游加工技术的特点 及重要性,可见，下游加工过程的质量，往往决定整个加工过程的成败，设计合理的下游加工过程可大大降低目标产物的生产成本，实现大规模商业化生产, 重要性,1.3 生物技术下游加工过程流程及单元操作,1.3.1 生物产品类型按相对分子质量大小来分按产品所处位置来分1.3.2 流程 流程简介及流程说明产品回收率 1.3.3 分离机理及分离操作,小分子量 1000,胞内 胰岛素等
7、 胞外 胞内产生，分配到胞外，如抗生素等,1.3 生物技术下游加工过程流程及单元操作,产品回收率：,1.5,1.3 生物技术下游加工过程流程及单元操作,提高回收率方法 提高每步的回收率 减少操作步骤 重复提取,1.3 生物技术下游加工过程流程及单元操作,1.3.3 分离机理及分离操作 利用目标产物与杂质之间的物理、化学及 生物学性质的差异 蛋白质溶液性质 分离过程的基本原理,1.3.3 分离机理及分离操作,利用目标产物与杂质之间各种性质的差异 一、物理性质 力学性质：重力，离心力 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,1.3.3 分离机理及分
8、离操作,利用目标产物与杂质之间各种性质的差异 二、化学性质 化学热力学：化学平衡 反应动力学：反应速度 光化学性质：激光激发，离子化,1.3.3 分离机理及分离操作,利用目标产物与杂质之间各种性质的差异 三、生物学性质 分子识别：生物亲和作用 输送性质：生物膜输送 反应、响应、控制：酶反应，免疫系统,1.3.3 分离机理及分离操作,蛋白质溶液性质 分子大小：超滤、透析、密度梯度离心和凝胶过滤等 溶解度：等电点沉淀、盐溶、盐析、有机溶剂沉淀、结晶、萃取干燥等。影响溶解度的因素：pH 、I、T和溶液介电常数等 电荷分布：电泳、离子交换、絮凝和凝聚等。 选择吸附分离：吸附层析等。 生物学亲和力：亲和
9、层析、免疫等。,1.3.3 分离机理及分离操作,分离过程的基本原理 机械分离：过滤、沉降和离心等 传质分离： 平衡分离过程（扩散分离）：蒸发、蒸馏、浓缩 、结晶、干燥、离子交换、萃取、沉淀、凝胶过滤等 依据：分配平衡 速度差：电泳、超滤和反渗透等。 推动力：压力差、电位差和磁场梯度,1.3.3 分离机理及分离操作,生物物质常用的分离技术: 氨基酸 ：结晶和离子交换法 蛋白质和多肽 ：离子交换层析、电泳 糖类 ：吸附层析 脂质：有机溶剂萃取、超临界流体萃取和层析 抗生素 ：有机溶剂萃取、离子交换、结晶和吸 附层析,1.4 下游加工过程的发展动向,一、基础理论研究 研究非理想溶液中溶质与添加物料之
10、间的选择性反应机理，以及系统外各物理因素对选择性的影响效应。从而研制高选择性的分离剂，改善对传质的选择性。 研究界面区的结构、控制界面现象和探求界面现象对传质机理的影响。从而指导改善具体单元操作及过程速度。 下游加工过程数学模型的建立,二、完善、研究、开发新型和经济高效的下游加工技术 正确对待新、老分离技术，努力推进各种分离纯化技术相结合。 操作集成化：膨胀床吸附层析，细胞破碎与双水相萃取 方法集成化：亲和技术 下游过程和上游过程相结合：发酵与分离耦合，解除终产物的反馈抑制效应，提高转化率，简化产物提取过程。 改善上游因素，简化下游加工过程 融合蛋白（如接组氨酸尾巴）， 培养基和发酵条件 新型分离介质的研究开发：膜，树脂和凝胶等。,1.5 分离效率的评价,浓缩率，分离因子，回收率,图1.3 分离过程示意图 图中：F流速 C浓度 T目标产物 X杂质下标C、P和W分别代表原料、产品和废料,1.5 分离效率的评价,一、浓缩率（m，目标产品浓缩程度）,若mTmX，目标产物未得到任何程度的分离纯化,1.5 分离效率的评价,二、分离因子（，又称分离系数，表示分离纯化程度）,1.5 分离效率的评价,A：U/mg,1.5 分离效率的评价,三、回收率（R）,目标产物的回收率R：,
