生物分離工程緒論優(yōu)秀公開(kāi)課

生物分離工程Tel:

教材及參考資料孫彥.生物分離工程.化學(xué)工業(yè)出版社，2005(第二版）嚴(yán)?？?生化分離工程.化學(xué)工業(yè)出版社，2001劉國(guó)詮.生物工程下游技術(shù)（第二版）.化學(xué)工業(yè)出版社，2003毛忠貴.生物工業(yè)下游技術(shù).中國(guó)輕工業(yè)出版社，1999歐陽(yáng)平凱、胡永紅.生物分離原理與技術(shù)，化學(xué)工業(yè)出版社，1999劉茉娥.膜分離技術(shù).化學(xué)工業(yè)出版社，2000張鏡澄.超臨界流體萃取.化學(xué)工業(yè)出版社，2000國(guó)內(nèi)雜志膜科學(xué)與技術(shù)化工進(jìn)展生物工程學(xué)報(bào)現(xiàn)代化工化工學(xué)報(bào)高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào)化學(xué)工程CHINJCHEMENG離子交換與吸附化學(xué)工業(yè)與工程ScienceinChinaB;ScienceinChinaA;ChineseScienceBulletin;ProgNatSci。生物技術(shù)(Biotechnology)即有機(jī)體的操作和應(yīng)用有機(jī)體生產(chǎn)有用物質(zhì)、改善人類生存環(huán)境的技術(shù)。生物技術(shù)的目標(biāo)就是指利用培養(yǎng)微生物、動(dòng)物細(xì)胞、植物細(xì)胞來(lái)生產(chǎn)對(duì)人有用的產(chǎn)品。1.1生物技術(shù)與生物分離生物技術(shù)樹(shù)生物科學(xué)與生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的關(guān)系美國(guó)生物技術(shù)產(chǎn)品銷售預(yù)測(cè)領(lǐng)域199820032008年增長(zhǎng)率（%）人類疾病治療9120161002700011人類疾病診斷2100310043007農(nóng)業(yè)4201000230019特制品390900200018非醫(yī)療檢驗(yàn)2704006008合計(jì)12300215003620011美國(guó)工業(yè)化生物技術(shù)研究與發(fā)展基金分布圖生物技術(shù)分類GenicEngineeringCellEngineeringEnzymeEngineeringFermentationEngineeringProteinEngineeringBiochemicalEngineering重要的現(xiàn)代生物技術(shù)儀器與設(shè)備生物技術(shù)的最新進(jìn)展(1)基因工程方面試管嬰兒、細(xì)胞融合、蛋白質(zhì)序列分析，人參培養(yǎng)、轉(zhuǎn)基因(2)生物反應(yīng)器連續(xù)式，柱式、固定化酶、固定化細(xì)胞反應(yīng)器(3)發(fā)酵技術(shù)如：固定化酶、固定化細(xì)胞技術(shù)

獲得產(chǎn)品的有效途徑Rawmaterials原材料Pretreatments預(yù)處理Bioreactions生物反應(yīng)Bioseparations生物分離Products產(chǎn)物生物下游加工在生物技術(shù)中的地位

1)生化產(chǎn)品的必經(jīng)的過(guò)程(一夫擋關(guān))。2)回收率不高?？股?80%左右)，蛋白質(zhì)(60-90%)。意義?3)分離純化昂貴。下游研究費(fèi)用占整個(gè)費(fèi)用的50%以上；產(chǎn)品的成本構(gòu)成中分離純化的成本站全部成本的40-80%;精細(xì)和藥用產(chǎn)品的成本比率更高;大多數(shù)酶70%。意義?4)基因工程的費(fèi)用。下游占50-80%?；蚬こ瘫磉_(dá)產(chǎn)品成本85-90%；勞動(dòng)力和物力成本占整個(gè)勞動(dòng)力的70-90%。意義?5)中藥現(xiàn)代化的重要技術(shù)平臺(tái)。農(nóng)學(xué)、分離科學(xué)、生化分析、藥學(xué)等。6)提供產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵技術(shù)之一。WTO，降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。7)環(huán)境污染的治理（慢性鉛中毒）。1按用途分類食品類。保健品類。醫(yī)用類產(chǎn)品（1998年，719種）?？股?12種農(nóng)業(yè)用產(chǎn)品（1998年，36種）。生物試劑類（1998年，975種）。2按分子量大小分類Mass<1000D：抗生素、有機(jī)酸、aa、多肽類等Mass>1000D：酶、抗原、抗體、多肽、蛋白質(zhì)類3按發(fā)酵時(shí)目的產(chǎn)物所在的位置分類cell內(nèi)：胰島素、白細(xì)胞介素、干擾素、重組蛋白質(zhì)cell外：抗生素（青霉素、紅霉素）、胞外酶（α-淀粉酶）等1.2生物物質(zhì)與生物分離生化產(chǎn)品的特點(diǎn)1)應(yīng)用面廣。醫(yī)藥衛(wèi)生、環(huán)保、動(dòng)植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)、食品和試劑等2)種類繁多。分子量X0–X000000，結(jié)構(gòu)功能復(fù)雜，生物活性各異。3)目的產(chǎn)物在初始物料中的含量低。青霉素(4.2%)、慶大霉素(0.2%)、干擾素(<50ug/ml)。4)初始物料成分復(fù)雜。除少量產(chǎn)物外，還有大量的細(xì)胞及碎片、其他代謝物（幾百上千種）、培養(yǎng)基成分、無(wú)機(jī)鹽等。5)生物活性物質(zhì)的穩(wěn)定性低。易變質(zhì)、易失活、易變性，對(duì)溫度、pH值、重金屬離子、有機(jī)溶劑、剪切力、表面張力等非常敏感。6)產(chǎn)品的質(zhì)量要求高，尤其是藥品等。成品青霉素對(duì)其強(qiáng)致敏原---青霉噻唑蛋白必須控制RIA值(放射免疫測(cè)定)小于100(1.5*10-6)，蛋白類藥物(雜質(zhì)<2%)、重組胰島素(Humulin)中雜蛋白小于0.01%。1.3生物分離過(guò)程的特點(diǎn)A.生物工程的主要特點(diǎn)是生物制品多種多樣，產(chǎn)品的多樣性導(dǎo)致分離方法的多樣性Typesofmoleculesmanufacturedbyfermentation還可以增加胰島素、生長(zhǎng)激素、干擾素等基因工程產(chǎn)品MoleculartypeNumberofspeciesAntibiotics85Aminoacids18Enzymes15Organicacidsandsolvents11Vitamins,yeast,growthfactors,nucleotides6Miscellaneous-dextrans,steroidbiooxidations8Total143

B.絕大多數(shù)生物分離方法來(lái)源于化學(xué)品的分離方法

大約80%的化工分離方法可應(yīng)用于生物分離技術(shù)中

用于生物技術(shù)的分離方法類型C.生物分離一般比化工分離難度大

1.成分復(fù)雜:固體成分包括完整有機(jī)體、培養(yǎng)基及底物中的不溶物液體成分包括底物可溶物、代謝中產(chǎn)物及目標(biāo)產(chǎn)物。2.懸液中的目標(biāo)產(chǎn)物濃度低：獲得高純度的干燥產(chǎn)品；需要幾步；分離過(guò)程精細(xì)，成本高；生物分離的流程與單元操作生物分離具有許多相似的單元操作生物分離一般分四步A.Removalofinsolubles(3unitoperations)（不溶物的去除）*filtration（過(guò)濾）*centrifugation（離心）*celldisruption（細(xì)胞破碎）

（產(chǎn)物濃度和質(zhì)量得到了提高）B.Isolationofproducts（產(chǎn)物分離）adsorption-ion-exchang（離子交換吸附）extraction（萃?。゛.solventextraction（溶劑萃?。゜.reversedmicelleextraction（反微團(tuán)萃?。ヽ.supercriticalfluidextraction（超臨界流體萃取）d.two-aqueousphaseextraction（雙水相萃?。ㄒ陨戏蛛x過(guò)程不具備特異性，只是進(jìn)行初分）（可提高產(chǎn)物濃度和質(zhì)量）物理性質(zhì)力學(xué)性質(zhì)：重力、離心力、篩分；熱力學(xué)性質(zhì)：狀態(tài)變化、相平衡；傳質(zhì)性質(zhì)：擴(kuò)散；電磁性質(zhì)：磁化；1.4、生物分離技術(shù)和原理2）化學(xué)性質(zhì)化學(xué)熱力學(xué)：化學(xué)平衡；化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)：反應(yīng)速率；化學(xué)解離性質(zhì)：極化、離子化3）生物學(xué)性質(zhì)生物分子識(shí)別：生物親和作用；生物輸送性質(zhì)：生物膜輸送；生物反應(yīng)、控制：酶反應(yīng)、免疫系統(tǒng)。生物分離過(guò)程的一般流程生物分離操作及其分離機(jī)理

設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮下列問(wèn)題1.Whatisthevalueoftheproduct?（產(chǎn)品價(jià)值）2.Whatisanacceptableproductquality?(產(chǎn)品質(zhì)量）3.Whereistheproductineachprocessstream?（產(chǎn)物在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的位置）4.Wherearetheimpuritiesineachprocessstream?（雜質(zhì)在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的位置）5.Whataretheunusualphysicochemicalpropertiesoftheproductandtheprincipalimpurities?（主要雜質(zhì)獨(dú)特的物化性質(zhì)是什么？）6.Whataretheeconomicsofvariousalternativeseparations?（不同分離方法的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較）方法選擇的基本原則設(shè)計(jì)前應(yīng)了解的信息1）在設(shè)計(jì)前，首先要掌握的產(chǎn)物物化性質(zhì)，主要包括：(1)溶解度及影響因素，包括溫度、pH值、有機(jī)溶劑和鹽等；(2)分子量和分子形狀。對(duì)于高分子物質(zhì)非常有意義；(3)沸點(diǎn)和蒸汽壓。對(duì)于熱穩(wěn)定的小分子物質(zhì)非常有意義；(4)極性大?。?5)分子電荷及影響因素，包括pH值和鹽等；(6)功能團(tuán)。功能團(tuán)為萃取劑和特異性吸附的選擇提供依據(jù)；(7)免疫原性。設(shè)計(jì)親和色譜；(8)穩(wěn)定性及其影響因素，包括溫度、pH值、毒性試劑等(如青霉素低pH不穩(wěn)定)；(9)分子的淌度及影響因素，包括pH值、離子強(qiáng)度和鹽等；(10)等電點(diǎn)pI；2）成品規(guī)格（或產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)）

五肽胃泌素的上海市藥品標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)名稱指標(biāo)含量（C37H49N7O9S）97.0-103.0比旋光度-25?~-29?吸收值比A(280nm):A(288nm)=1.12-1.22氨基酸各氨基酸之比為1干燥失重，%0.5

3）進(jìn)料的組成和物性(1)目的產(chǎn)物的濃度。高？低？(2)物料中的與目的產(chǎn)物相近物質(zhì)組成的物理 化學(xué)性質(zhì)。(3)目的產(chǎn)物的定位。是胞內(nèi)還是胞外？(4)菌種的種類和形態(tài)。(5)微生物的含量和發(fā)酵液的黏度。4）生產(chǎn)規(guī)模

5）危害性(1)離心產(chǎn)生的氣溶膠、發(fā)酵產(chǎn)生的廢氣、干燥產(chǎn)生的粉塵等。(2)目的產(chǎn)物本身的危害性；抗腫瘤代謝類藥物，類固醇類抗生素，激素類藥物等。(3)試劑危害。萃取試劑CCl4、甲苯、苯、二甲苯、CNBr。(4)微生物的危害。重組DNA工程菌不能任意排放。這一菌種為新的物種，不能排除對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人的危害。6）分批分離還是連續(xù)純化1)盡可能簡(jiǎn)單、低耗、高效、快速。

反面例子----中藥現(xiàn)代化、超臨界萃?。?/p>

2)分離步驟盡可能少。Why?

A)、

φn為總回收率，λn為各單元回收率。意義？ 分離步驟越多，回收率越低；如φ10=0.9510=0.63，φ5=0.955=0.77 B)、分離步驟多，設(shè)備投入大，人員物資消耗大，生產(chǎn)周期長(zhǎng)How?幾個(gè)原則3)避免相同原理的分離技術(shù)多次重復(fù)出現(xiàn) 比喻，分子篩和超濾技術(shù)按分子量大小分離，重復(fù)應(yīng)用兩次以上，意義就不大了。4)盡量減少新化合物進(jìn)入待分離的溶液。A)、引起新的化學(xué)污染；B)、蛋白質(zhì)的變性失活

5)合理的分離步驟次序。原則是：先低選擇性，后高選擇性；先高通量，后低通量；先粗分，后精分；先低成本，后高成本。對(duì)環(huán)境的考慮1）廢水A、除菌過(guò)濾和滅菌處理；B、符合BOD的要求；2）廢料A、滅菌處理；B、綜合利用：動(dòng)物飼料、飼料添加劑，有機(jī)肥料；3）廢氣A、除菌過(guò)濾和滅菌處理；B、廢氣（有機(jī)溶劑）回收；4）溶劑的回收A、減少環(huán)境排放，減少污染；B、循環(huán)利用，減低成本；1.5 生物分離效率1）濃縮率（富積率，concentrationfactor）濃縮程度

原料(Rawmaterial)

分離器

產(chǎn)品(Product)

FW,VW,cT,W,cX,W

廢液(Wastefluid)意義：1）如mT

>1，則目標(biāo)產(chǎn)物得到富積；2）如mT

=mX，則目標(biāo)產(chǎn)物未得到分離純化。

2)分離因子(separativefactor)，或分離系數(shù)(separativecoefficient)

意義：A、目標(biāo)產(chǎn)物濃度，雜質(zhì)濃度，則分離因子大，分離效率；B、=1時(shí)，則未分離。故在分離為主要目的時(shí),3)回收率(recovery)：4)純化因子(purificationfactor)對(duì)于具有生物活性的蛋白質(zhì)或酶，常常用分離前后目標(biāo)產(chǎn)物的比活A(yù)[U/mg]之比表示目標(biāo)產(chǎn)物的分離純化程度，1.6生物分離工程的發(fā)展趨勢(shì)（1）操作與方法集成化（2）親和技術(shù)推廣與配基合成（分子印跡）（3）優(yōu)質(zhì)層析介質(zhì)開(kāi)發(fā)（大孔親水介質(zhì)，貫注層析介質(zhì)）（4）下游技術(shù)與上游技術(shù)相結(jié)合（5）改進(jìn)上游因素（菌種，培養(yǎng)基與發(fā)酵條件）（6）改善環(huán)境相容性存在的問(wèn)題：研發(fā)費(fèi)用高、成本高、周期長(zhǎng)——生物工程發(fā)展的瓶頸

如何解決？1)、加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究A、研究非理想溶液中溶質(zhì)與添加物料之間的選擇性機(jī)制、影響因素B、研究界面的結(jié)構(gòu)、動(dòng)力學(xué)和傳質(zhì)機(jī)制，以及影響因素C、下游加工過(guò)程的數(shù)學(xué)模型的