生物分離工程緒論

生物分離工程緒論第1頁(yè)/共50頁(yè)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。第2頁(yè)/共50頁(yè)刊源：

1)純分離分析期刊：Bioassay;Anal.Chem.;Separ.PurifMethod;Electrophoresis;Adv.Chromatogr;JChromatogrA;LCGC-MagSepSci;JChromatogrB。

2)綜合性期刊：Nature;Science;Proc.Natl.Acad.Sci.USA。

3)生物工程類期刊：CancerGeneTher;Bio-Technol;ApplEnvironMicrob;Yeast;CurrOpinBiotech;BiotechnolBioeng。第3頁(yè)/共50頁(yè)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)與生物分離第4頁(yè)/共50頁(yè)生物技術(shù)樹第5頁(yè)/共50頁(yè)生物科學(xué)與生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的關(guān)系第6頁(yè)/共50頁(yè)生物技術(shù)多學(xué)科性第7頁(yè)/共50頁(yè)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第8頁(yè)/共50頁(yè)美國(guó)工業(yè)化生物技術(shù)研究與發(fā)展基金分布圖第9頁(yè)/共50頁(yè)生物技術(shù)分類GenicEngineeringCellEngineeringEnzymeEngineeringFermentationEngineeringProteinEngineeringBiochemicalEngineering第10頁(yè)/共50頁(yè)生物技術(shù)發(fā)展階段第11頁(yè)/共50頁(yè)重要的現(xiàn)代生物技術(shù)儀器與設(shè)備第12頁(yè)/共50頁(yè)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)

第13頁(yè)/共50頁(yè)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)物第14頁(yè)/共50頁(yè)生物分離工程：為提取生物產(chǎn)品時(shí)所需的原理、方法、技術(shù)及相關(guān)硬件設(shè)備的總稱，指從發(fā)酵液、動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)液、酶反應(yīng)液和動(dòng)植物組織細(xì)胞與體液等中提取、分離純化、富集生物產(chǎn)品的過程(DownstreamProcessing)。生物技術(shù)下游加工過程目標(biāo)產(chǎn)物的分離純化生物加工過程：

生物技術(shù)上游加工過程：優(yōu)良生物物種的選育、基因工程、細(xì)胞工程、生物反應(yīng)過程（酶反應(yīng)、微生物發(fā)酵、動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)等)。單元操作：完成一道工序所需的一種方法和手段。第15頁(yè)/共50頁(yè)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）。第16頁(yè)/共50頁(yè)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)與生物分離第17頁(yè)/共50頁(yè)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%。第18頁(yè)/共50頁(yè)

生物分離的流程與單元操作①細(xì)胞回收技術(shù):

絮凝，離心，過濾，微過濾。②細(xì)胞破碎技術(shù):

球磨，高壓勻漿，化學(xué)破碎技術(shù)③初步純化技術(shù):

吸附，離子交換，沉淀（鹽析法，有機(jī)溶劑沉淀，等電點(diǎn)，沉淀劑），溶劑萃取，兩水相萃取，超臨界萃取，逆膠束萃取，膜分離技術(shù)④高度純化技術(shù):

各類層析，親和，聚焦，離子交換，結(jié)晶⑤成品加工：濃縮，除菌與熱原，噴霧干燥，氣流干燥，沸騰干燥，冷凍干燥第19頁(yè)/共50頁(yè)1.3生物分離過程的特點(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第20頁(yè)/共50頁(yè)

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)的分離方法類型第21頁(yè)/共50頁(yè)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；分離過程精細(xì)，成本高；第22頁(yè)/共50頁(yè)D.生物產(chǎn)品要求高質(zhì)量：*purity（純度）*sanitation（衛(wèi)生）*biologicalactivity（生物活性）分離過程的成本占產(chǎn)品總投資的大部分因此必須仔細(xì)考慮和設(shè)計(jì)產(chǎn)品的回收和純化過程第23頁(yè)/共50頁(yè)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（過濾）*centrifugation（離心）*celldisruption（細(xì)胞破碎）

（產(chǎn)物濃度和質(zhì)量得到了提高）第24頁(yè)/共50頁(yè)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?。?/p>

d.two-aqueousphaseextraction（雙水相萃取）（以上分離過程不具備特異性，只是進(jìn)行初分）（可提高產(chǎn)物濃度和質(zhì)量）第25頁(yè)/共50頁(yè)C.Purificationofproducts（產(chǎn)品的純化）*chromatography（色譜）*electrophoresis（電泳）*precipitation（沉淀）（以上技術(shù)具有產(chǎn)物的高選擇性和雜質(zhì)的去除性）第26頁(yè)/共50頁(yè)D.Polishing（產(chǎn)品的精制）*crystallization（結(jié)晶）*drying（干燥）第27頁(yè)/共50頁(yè)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)和原理第28頁(yè)/共50頁(yè)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、離子化第29頁(yè)/共50頁(yè)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)。第30頁(yè)/共50頁(yè)生物分離過程的一般流程第31頁(yè)/共50頁(yè)生物分離操作及其分離機(jī)理

第32頁(yè)/共50頁(yè)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮下列問題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)過程中出現(xiàn)的位置）4.Wherearetheimpuritiesineachprocessstream?（雜質(zhì)在生產(chǎn)過程中出現(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第33頁(yè)/共50頁(yè)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)極性大小；(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；第34頁(yè)/共50頁(yè)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

第35頁(yè)/共50頁(yè)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。第36頁(yè)/共50頁(yè)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)純化第37頁(yè)/共50頁(yè)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??；

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)原則第38頁(yè)/共50頁(yè)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。第39頁(yè)/共50頁(yè)對(duì)環(huán)境的考慮1）廢水

A、除菌過濾和滅菌處理；

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；第40頁(yè)/共50頁(yè)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。

第41頁(yè)/共50頁(yè)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，第42頁(yè)/共50頁(yè)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)境相容性第43頁(yè)/共50頁(yè)存在的問題：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