南农生物分离工程生物分离1

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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.化学工业出版社，2000国内杂志膜科学与技术化工进展生

2、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 SEP SCI CHEM TECHNOL BIOT J CHROMATOG A MEMBRANE SCI SUPERCRIT FLUID MICROB TECH ENG SCI PURIF TECHNOL ENG J PURIF METHOD SCI TECHNOL 1.绪 论1.1 生化分离工程的研究对象1.2 生化分离工程的重要性1.3 生化分离工程的特点1.1 生化分离工程的研究对象 定义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

3、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，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

4、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。products Concentrat

5、ion g/l Antibiotics 25 Amino acids 100 Ethanol 100 Organic acids 100 Enzymes 20 r-DNA protein 10 in types of molecules manufactured by fermentationM olecular type N um ber of species A ntibiotics 85 A m ino acids 18 E nzym es 15 O rganic acids and solvents 11 Vitam ins,yeast,grow th factors,nucleoti

6、des 6 M iscellaneous-dextrans,steroid biooxidations 8 Total 143 classification Used for all conventional chemicals Used in bioseparations Physical separations 7 7 Equilibrium controlled separations 22 18 Rate controlled separations 3 10 total 42 35 生物产品要求高质量：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

7、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 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

8、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

9、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。子代分离技术其他新兴下游技术 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

10、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。*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1、过滤(重力过滤器、压滤器、真空过滤器)2、离心 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：+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

11、的内容物+残存的培养基成分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：错流膜过滤和离心等不适在凝聚剂(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。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；A、破坏双电层，B、破坏胶粒的水化层影响因素：无机盐种类、化合价、用量Al3+Fe3+H+Ca2+Mg2+K+Na+Li

12、+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C

13、a2+(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 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。A、预涂层；B、按一定比率混合。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 滤饼滤饼传统的过滤cakeConventional filtration DryWashImmersionKnifeCakeFeedRotary vacuum filter真空旋转过滤机