第一章 生物化工研究內(nèi)容課件

1.2生物化工研究內(nèi)容生物化工是生物技術(shù)中的一個重要部分，是使生物產(chǎn)品從實(shí)驗(yàn)室走向市場成為商品的關(guān)鍵技術(shù)，特別在生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中將起到?jīng)Q定性的作用在2000年世界生物技術(shù)大會上，已有生化工程科學(xué)與過程

(BiochemicalEngineeringScienceandProcess)的提法第一章生物化工研究內(nèi)容生物化工研究范圍的擴(kuò)大

傳統(tǒng)的有生化反應(yīng)工程和生化反應(yīng)器，生化分離工程，生物制藥工程，廢棄物的生物處理，生物過程的檢測與控制；Biotechnology2000會議上將動物細(xì)胞和植物細(xì)胞的培養(yǎng)、生物催化和生物傳感器也列為其中；目前生物能源、生物煉制也已成為熱門。

第一章生物化工研究內(nèi)容生物化工的上下游過程上游處理過程:以研究生物反應(yīng)工程為主生物反應(yīng)工程在發(fā)展速度，成熟程度等方面明顯領(lǐng)先于生物分離工程下游處理過程:以研究生物分離與純化為主生物產(chǎn)品的生產(chǎn)過程兩方面的發(fā)展不均衡第一章生物化工研究內(nèi)容下游過程滯后的原因研究的難易程度生物反應(yīng)是源，生物反應(yīng)決定了生物產(chǎn)品產(chǎn)出規(guī)律生物反應(yīng)工程在人力、物力、財(cái)力的投入比生物分離工程要大得多發(fā)展歷史生物反應(yīng)工程相對生物分離工程而言，更有規(guī)律性學(xué)科的重要性???第一章生物化工研究內(nèi)容下游過程的成本分離純化占總成本60～90%

發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的回收成本僅占14%

青霉素生產(chǎn)的回收成本約占50%大多數(shù)酶的回收成本占70%

醫(yī)用級酶如天門冬酰胺酶的純化成本占85%

基因工程表達(dá)產(chǎn)物的回收成本一般占85％～90%以上第一章生物化工研究內(nèi)容觀點(diǎn):忽視生化分離過程將是不足取的不解決分離過程的效率問題，實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)品就很難成為商品走向市場第一章生物化工研究內(nèi)容1.3生物分離的對象

胞外產(chǎn)品天然產(chǎn)物胞內(nèi)產(chǎn)品產(chǎn)物作為細(xì)胞的代謝產(chǎn)物被分泌于培養(yǎng)液中；產(chǎn)物被留在細(xì)胞內(nèi)部:以包含體形式存在；在細(xì)胞的囊內(nèi)或細(xì)胞的其它部位；

不需經(jīng)過細(xì)胞培養(yǎng)或發(fā)酵的體系，包括固體物、固體的提取物以及各類溶液。第一章生物化工研究內(nèi)容生物分離過程的一般流程原料液細(xì)胞分離(離心，過濾)細(xì)胞－胞內(nèi)產(chǎn)物路線1路線2細(xì)胞破碎碎片分離路線1A路線1B清液－胞外產(chǎn)物粗分離(鹽析、萃取、超過濾等)純化(層析、電泳)脫鹽(凝膠過濾、超過濾)濃縮(超過濾)精制(結(jié)晶、干燥)包含體溶解(加鹽酸胍、脲)復(fù)性第一章生物化工研究內(nèi)容下游加工過程“四步曲”涉及了固液分離、液—液分離、溫度和酸度的影響、生物變性，等等第一章生物化工研究內(nèi)容分離成本與產(chǎn)物濃度的關(guān)系隨著產(chǎn)物濃度的降低，分離的難度也將會越大，分離的成本也越高1984年Dwyer等人的研究結(jié)果：雙對數(shù)遞減關(guān)系第一章生物化工研究內(nèi)容Crudeproductconcentrationversussellingprice

(Dwyer,1984)第一章生物化工研究內(nèi)容生物產(chǎn)品的價格與產(chǎn)品濃度的關(guān)系(1996年)

物質(zhì)名濃度(C)價格(P，＄)尿激酶8.0

10－85.5

108熒光酶2.5

10－61.2

106腎素9.0

10－51.0

103干擾素1.0

10－44.0

1010胰島素1.8

10－41.0

105(垂體的)生長激素1.0

10－29.5

107紫杉醇8.0

10－21.2

106青霉素

C1.0

10－11.0

101乳酸9.0

10－11.0

101膠原蛋白4.5

1009.0

105四環(huán)素5.0

1008.0

102青霉素

V9.0

1004.0

102丁醇1.0

1011.0

101乙醇1.1

1012.0

101檸檬酸1.8

1021.0

101山梨糖醇5.0

1021.0

101第一章生物化工研究內(nèi)容1.4生物分離過程的特點(diǎn)

處理規(guī)模相差大：特性強(qiáng)于共性難度大成本高料液中組分多：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，性質(zhì)相似料液中產(chǎn)物的含量低可供選擇的分離方法不充裕生物質(zhì)的特性的限制缺少生物質(zhì)的理化性質(zhì)的數(shù)據(jù)庫第一章生物化工研究內(nèi)容1.5生物分離的任務(wù)

生物分離解決的是如何從原料液中獲取這些物質(zhì)，涉及的是得率或收率任務(wù)：從發(fā)酵液和細(xì)胞培養(yǎng)液中以最高的效率、最小的能耗、理想的純度把目的產(chǎn)物分離出來

沒有生化反應(yīng)就沒有新的物質(zhì)產(chǎn)生，沒有生化分離就得不到理想純度的物質(zhì)如果是從天然物中提取和分離生物物質(zhì)的話，那么只需要分離過程即可第一章生物化工研究內(nèi)容注意點(diǎn)(1)目標(biāo)產(chǎn)物的純度—分離的目標(biāo)；(2)在保證純度的前提下，提高得率—減少損耗；(3)降低成本—投資成本、操作成本和原料成本；(4)縮短流程和簡化工藝過程；(5)降低對環(huán)境的負(fù)擔(dān)；(6)提高每一單元的收率

i，第一章生物化工研究內(nèi)容下游過程的步驟與收率第一章生物化工研究內(nèi)容1.6生物分離技術(shù)分類

利用被分離各組分在兩個或兩個以上物相中平衡分配率之間的差異，使指定組分與其它組分分離開來的分離過程。分配率的差異來源于各組分在各種條件下的化學(xué)位之不同(1)平衡分離過程

如萃取、精餾、吸附、層析、蒸發(fā)、結(jié)晶等第一章生物化工研究內(nèi)容利用機(jī)械手段，把不同組分加以分離的過程，包括利用比重不同、顆粒大小不同等過程，大多數(shù)是一些固液分離方法。(2)機(jī)械分離過程如離心、過濾、部分膜分離(超過濾、納濾、反滲透)等第一章生物化工研究內(nèi)容利用組分的分子量差異、攜帶電荷量多少、符號的差異而進(jìn)行的分離過程。這些組分在一定的力場、電場中遷移速率不同或者遷移方向相反，從而使這些組分分布于單一物相的不同區(qū)域，達(dá)到分離目的。(3)遷移速率控制的分離過程與平衡分離過程不同點(diǎn):A：分離因子的最大值不是出現(xiàn)在時間達(dá)到無限時；B：一旦外力場消失，遷移速率的差異也會逐漸消失。如電泳、電滲析、磁分離等第一章生物化工研究內(nèi)容若干生物分離技術(shù)的使用頻率第一章生物化工研究內(nèi)容1.7選擇分離方法的依據(jù)

在含生物活性物質(zhì)的體系中，這方面數(shù)據(jù)不足，嚴(yán)重影響了生物分離過程的有效進(jìn)行

(1)物理化學(xué)性質(zhì)

分子大小、分子量、分子體積、極性、偶極矩、熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、汽化熱、離子電荷、溶解度參數(shù)、折射率、表面張力、介電常數(shù)、密度、粘度、酸堿強(qiáng)度、pK值、等電點(diǎn)等物質(zhì)之間得以分離的主要依據(jù)就是組分間的物化性質(zhì)的差異第一章生物化工研究內(nèi)容生物活性點(diǎn)、活性大小、親和能力等等影響生物特性變化的條件的因素，包括溶劑、pH值、溫度、外力場等等。(2)生物體系的特性利用這些生物質(zhì)特性也能完成相應(yīng)的分離純化任務(wù)。第一章生物化工研究內(nèi)容利用蛋白質(zhì)之間在性質(zhì)上的差異，能設(shè)計(jì)出一組合理的分級分離步驟(3)能用作分離和純化依據(jù)的蛋白質(zhì)性質(zhì)不同蛋白質(zhì)有著不同的性質(zhì)，是由于氨基酸數(shù)目和序列不同。連接在多肽主鏈上的氨基酸殘基可以是帶正電荷的或帶負(fù)電荷的、極性的或非極性的、親水性的或疏水性的。多肽可折疊成非常確定的二級結(jié)構(gòu)(

螺旋、

折疊和各種轉(zhuǎn)角)和三級結(jié)構(gòu)，形成獨(dú)特的大小、形狀和殘基在蛋白質(zhì)表面的分布狀況。第一章生物化工研究內(nèi)容大小、形狀、電荷與電荷分布、等電點(diǎn)、疏水性、溶解度、密度、與配體和金屬結(jié)合能力、可逆性締合、翻譯后修飾、特異性序列或結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)性質(zhì)非尋常性質(zhì)：熱穩(wěn)定性，抗蛋白酶解的性質(zhì)基因工程構(gòu)建的純化標(biāo)記第一章生物化工研究內(nèi)容1.8典型的生化分離實(shí)例

5)單克隆抗體的分離純化4)粒細(xì)胞集落刺激因子的分離純化工藝2)青霉素的分離純化工藝1)乳酸的分離純化流程圖3)洛伐他汀分離純化工藝第一章生物化工研究內(nèi)容乳酸分離純化流程圖

發(fā)酵過濾去除菌絲過濾結(jié)晶晶體酸解過濾過濾二次脫色真空蒸發(fā)濃縮產(chǎn)品脫色硫酸活性碳濃縮CaSO4活性碳濾餅第一章生物化工研究內(nèi)容青霉素分離純化工藝

發(fā)酵過濾酸化(pH=2)溶劑萃取(＋BA)液液分離反萃?。?NaHCO3,pH=6.8-7.1)共沸蒸發(fā)(＋丁醇)過濾二次萃取(+BA)液液分離脫色(+活性炭)液液分離反萃取(+NaOH0.5mg/L)液液分離結(jié)晶過濾干燥產(chǎn)品第一章生物化工研究內(nèi)容洛伐他汀分離純化工藝

發(fā)酵液乙酸乙酯提取溶液不溶物棄去濃縮堿洗合并調(diào)pH至3油狀物油狀物苯丙酮結(jié)晶無色洛伐他汀晶體過濾乙酯提取液水相乙酯提二次水相棄去苯第一章生物化工研究內(nèi)容粒細(xì)胞集落刺激因子分離純化工藝發(fā)酵離心收集菌體超聲波破碎清洗復(fù)性離子交換收集G-CSF濃縮尿素裂解包含體層析產(chǎn)品離心收集包含體(變性蛋白)第一章生物化工研究內(nèi)容單克隆抗體的分離純化第一章生物化工研究內(nèi)容1.9生化分離的發(fā)展趨勢

這是改善現(xiàn)有分離技術(shù)的一個重要途徑，譬如，超臨界流體技術(shù)、各種高效層析方法、各種外力場下的分離技術(shù)、親和方法、抗溶劑結(jié)晶、分子印跡技術(shù)、模擬移動床技術(shù)、逆流色譜等等，都是在朝這個方向上努力。(1)開發(fā)高效的新型分離技術(shù)

第一章生物化工研究內(nèi)容過程集成化，就是通過某一種技術(shù)將原先分離過程的幾個操作單元合成一個，以縮短這個流程；技術(shù)集成化，就是將幾種分離原理合為一個分離技術(shù)，使得單級分離技術(shù)的效率更高。

(2)生化分離技術(shù)的集成化第一章生物化工研究內(nèi)容

將細(xì)胞培養(yǎng)與有關(guān)分離結(jié)合起來，在反應(yīng)的同時，分離出有關(guān)代謝產(chǎn)物，既可以使產(chǎn)物及時取出，降低發(fā)酵液中的產(chǎn)物濃度，消除產(chǎn)物的反饋抑制作用，又可以簡化產(chǎn)物的分離純化過程。

70年代已將此用于厭氧發(fā)酵(乙醇)的過程中，近來已擴(kuò)展到好氧發(fā)酵中。不少研究者將反應(yīng)與吸附、離子交換、膜分離等分離技術(shù)耦合，取得了較為肯定的結(jié)果。要重視反應(yīng)與分離的集成化技術(shù)。(3)反應(yīng)和分離過程的耦合第一章生物化工研究內(nèi)容

把分離因素引入到生物反應(yīng)體系中，從源頭上減輕分離過程的負(fù)擔(dān)：控制生物反應(yīng)過程，減少與目標(biāo)生物分