河北農(nóng)業(yè)大學生物分離工程第一章 緒論

《生物分離工程》BioseparationEngineering河北農(nóng)業(yè)大學生命科學學院制藥工程系課程性質(zhì)生物分離工程是制藥工程本科專業(yè)專業(yè)必修課。生物分離工程是生物工程的重要分支，主要講述生物活性物質(zhì)的各種分離純化技術(shù)，是生物工程產(chǎn)業(yè)化的必要手段和重要環(huán)節(jié)，是一門應用性、實踐性較強的專業(yè)課。教學目的本課程主要講授生物活性物質(zhì)中各種雜質(zhì)的去除、分離、純化和精制技術(shù)，是生物工程中不可缺少的組成部分。通過對本課程的學習，能使學生針對不同產(chǎn)品的特性，較好地運用各種分離技術(shù)來設(shè)計合理的提取、精制的工藝路線。能從理論上解釋各種現(xiàn)象，提高分析問題和解決問題的能力，是一門理論和實踐密切結(jié)合的課程。教學任務

了解生物體系的基本特點及對分離過程的特殊要求，掌握生物物質(zhì)的分離純化方法的基本概念、原理、工業(yè)操作方式及其適用性。把前驅(qū)課程中學到的基礎(chǔ)理論知識，全面靈活地運用在生物物質(zhì)分離過程的基本原理和相關(guān)的工程問題中，并努力做到理論聯(lián)系實際。培養(yǎng)創(chuàng)新能力，綜合運用各種生物分離方法設(shè)計工藝路線。

考核及成績評定（1）平時成績，形式有：課堂討論、作業(yè)、論文、考勤等。（2）實驗成績。（3）考試成績：閉卷考試。主要內(nèi)容

學習提取有用物質(zhì)的技術(shù)。生物技術(shù)產(chǎn)品的分離純化的原理、方法、過程理論及其應用。主要內(nèi)容包括固液分離法、細胞破碎法、超臨界流體萃取、雙水相萃取、吸附分離法、離子交換法、膜分離方法、層析分離法、結(jié)晶法等以及一些最新生化分離技術(shù)的進展。選用教材References-books田瑞華．生物分離工程．北京：科學出版社，2008曹學君．現(xiàn)代生物分離工程．上海：華東理工大學出版社，2007毛忠貴．生物工業(yè)下游技術(shù)．北京：中國輕工業(yè)出版社，1999嚴?？担蛛x工程．北京：化學工業(yè)出版社，2001孫彥．生物分離工程．北京：化學工業(yè)出版社，2005References-books劉國詮．生物工程下游技術(shù)（第二版）．北京：化學工業(yè)出版社，2003A.A.Garcia,M.R.Bonen,J.Ramirez-Vick,M.SadakaandA.Vuppu.生物分離過程科學．北京：清華大學出版社，2002R.G.Harrison,P.Todd,S.R.Rudge,D.P.Petrides.BioseparationsScienceandEngineering.NewYork:OxfordUniversityPress,2003A.A.Garcia,M.R.Bonen,J.Ramirez-Vick,M.SadakaandA.Vuppu.BioseparationProcessScience.Massachusetts:BlackwellScience,Inc.,1999References-booksP.A.Belter,E.L.Cussler,W.Hu.Bioseparations:DownstreamProcessingforBiotechnology.NewYork:JohnWiley&Sons,1988D.Forciniti.IndustrialBioseparations:PrinciplesandPractice.Iowa:Wiley-Blackwell,2008

M.R.Ladisch(PurdueUniv).BioseparationsEngineering:Principles,PracticeandEconomics.NewYork:JohnWileyandSons,2001RajaGhosh.PrinciplesofBioseparationsEngineering.NewYork:WorldScientific,2006References-journals色譜膜科學與技術(shù)離子交換與吸附生物工程學報高?；瘜W工程學報現(xiàn)代化工化工進展化工學報化學工程化學工業(yè)與工程ChinaJournalofChemicalEngineeringReferences-SCIjournalsJournalofChromatographyA

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www.tandf.co.uk/journals/titles/15422119.aspSeparationScienceandTechnology

www.tandf.co.uk/journals/titles/01496395.asp生物產(chǎn)品生產(chǎn)過程示意圖本門課程解決的問題菌種篩選搖瓶實驗發(fā)酵罐實驗IndustrialScaleupTotransferthepilotscaleresultsintoacommerciallyfeasibleproductionsetting.Fermentorsizesrangefrom100Lto500,000L,dependingonproducts.在疾病治療方面的應用生物制藥抗生素基因治療第一章緒論第一節(jié)生物技術(shù)與生物分離第二節(jié)生物分離概述第一節(jié)生物技術(shù)與生物分離生物技術(shù)是以生命科學為基礎(chǔ)，利用生物體（或生物組織、細胞及其成分）的特征和功能，設(shè)計構(gòu)建具有預期性狀的新物種或新品系，并與工程相結(jié)合，利用這樣的新物種、新品系進行加工生產(chǎn)，為社會提供商品和服務的一個綜合性的技術(shù)體系。生物技術(shù)的目標就是指利用培養(yǎng)微生物、動物細胞、植物細胞來生產(chǎn)對人有用的產(chǎn)品。生物技術(shù)樹生物科學與生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的關(guān)系生物技術(shù)多學科性生物技術(shù)分類GenicEngineeringCellEngineeringEnzymeEngineeringFermentationEngineeringProteinEngineeringBiochemicalEngineering生物技術(shù)發(fā)展階段重要的現(xiàn)代生物技術(shù)儀器與設(shè)備從微生物、工程菌、動植物工程細胞培養(yǎng)液、酶反應液以及動植物材料中提取、純化、加工目的產(chǎn)物的過程，通稱生物分離或下游過程（技術(shù)）。生物分離的目的是從微生物細胞或其發(fā)酵液、酶反應液、動植物細胞或其培養(yǎng)液中分離、提取、精制生化產(chǎn)品和處理副產(chǎn)物。一、生物分離定義第二節(jié)生物分離概述生物分離工程是生物技術(shù)的下游加工技術(shù)，屬生物技術(shù)的重要組成部分，是生物技術(shù)成果實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)保證和必備環(huán)節(jié)。生物分離過程特性主要體現(xiàn)在生物產(chǎn)物的特殊性、復雜性和對生物產(chǎn)品要求的嚴格性上，其結(jié)果導致分離過程成本往往占整個生產(chǎn)過程成本的大部分。

例如，大多數(shù)工業(yè)酶的分離過程成本往往占整個生產(chǎn)過程的70%，而對純度要求更高的醫(yī)用酶如天冬酰胺酶，分離過程成本高達生產(chǎn)過程的85%；基因重組蛋白質(zhì)藥物的分離過程成本一般占85%~90%以上。與此相比，小分子生物產(chǎn)物的分離成本較低，如青霉素的分離過程成本約占50%，而乙醇的分離過程成本僅占14%。因此，在生物大分子藥物的生產(chǎn)過程中，分離過程的質(zhì)量往往決定整個生物加工過程的成敗。開發(fā)高效的分離技術(shù)、設(shè)計合理的生物分離過程可大幅度降低生物加工過程成本，提高產(chǎn)品的市場競爭力，促進人類健康水平和生活質(zhì)量的提高以及社會經(jīng)濟的發(fā)展。1、生物制品的多樣性而導致的生物分離方法的多樣性。生物制品除糖類、脂類、蛋白質(zhì)、氨基酸、核苷酸等以外，還有胰島素、生長激素、干擾素等基因工程產(chǎn)品，產(chǎn)品的多樣性導致分離方法的多樣性。二、生物分離技術(shù)的特點2、絕大多數(shù)生物分離方法來源于化學品的分離方法。大約80%的化工分離方法應用于生物分離技術(shù)中。3、生物分離一般比化工分離難度大①體系成分復雜。固體成分包括完整有機體、培養(yǎng)基及底物中的不溶物；液體成分包括底物可溶物、代謝中間產(chǎn)物及目標產(chǎn)物。②懸液中的目標產(chǎn)物濃度低，雜質(zhì)含量高，操作復雜，過程精細。目的物濃度一般千分之一甚至萬分之一左右。體系包含培養(yǎng)基成分，菌體，菌體代謝產(chǎn)物，各種蛋白質(zhì)，核酸等等。成分相當復雜。獲得高純度的干燥產(chǎn)品需多步操作。

Typicalproductsfromfermentation③固液分離難度大。發(fā)酵液、培養(yǎng)液是復雜的多相體系，分散在其中的固體和膠體物質(zhì)具有可壓縮性，其密度和液體相近，粘度大，從中分離固體很難。④整個分離過程要求條件溫和。欲分離的目的產(chǎn)物，通常不穩(wěn)定。對熱、pH、有機溶劑、機械剪切，往往導致失活。而且所分離的物質(zhì)往往要求純度高，增加了分離的難度，如醫(yī)藥制品等。整個過程必須溫度合適，pH合適，時間短，避免染菌。⑤分離過程十分艱難，收率低，代價高。分離過程所占費用是產(chǎn)品的總成本的40～80%?；蚬こ痰木毊a(chǎn)品一般占到總成本的70～90%。4、生物分離是包括各種物理、化學、生物學的各種技術(shù)的綜合應用的技術(shù)體系。鑒于生物分離的以上特點，因此必須仔細考慮和設(shè)計產(chǎn)品的回收和純化過程。產(chǎn)品價值產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)物在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的位置雜質(zhì)在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的位置主要雜質(zhì)獨特的物化性質(zhì)是什么不同分離方法的技術(shù)經(jīng)濟比較三、設(shè)計生物分離過程時應考慮的問題1、不溶物的去除（固液分離）——預處理

包括過濾、離心、細胞破碎等，產(chǎn)物濃度和質(zhì)量得到了提高。四、生物分離的一般步驟2、產(chǎn)物提?。饪s）產(chǎn)物初步純化的過程。將目標產(chǎn)物與性質(zhì)差異較大的雜質(zhì)分開，可大幅提高產(chǎn)物濃度。往往多單元協(xié)同操作，如吸附、萃取、沉淀、超濾等。以上分離過程不具備特異性，只是進行初分，除去主要雜質(zhì)。3、產(chǎn)品的純化產(chǎn)物被高度純化，除去與目標物性質(zhì)接近的雜質(zhì)。采用的技術(shù)具有產(chǎn)物的高選擇性和雜質(zhì)的去除性，即可以除去微量的雜質(zhì)。如色譜、電泳、層析等。4、

產(chǎn)品精制

將純化的產(chǎn)品按要求制成商用成品。按商品要求的用途、純度、劑型等進行最后加工。如結(jié)晶、噴霧干燥、冷凍干燥等。生物分離過程的一般流程生物分離與純化的一般工藝過程中藥動態(tài)水提取生產(chǎn)線流程圖

BeerStillageFermenterBeerStillScreensRotarySprayDriedDriedNeutralCondenserRectifyingColumnPurifyingColumnCondenserHeadsWaterWhiskey*Ethanolfromfermentation.FermenterFilterLimeH(2)SO(4)FilterCaSO(4)SpentBeerMyceliumFilterEvaporatorCentrifugeDrierBulkCarbon

*CitricacidmanufactureFermentationFiltrationAcidSolventExtractionBaseStrippingWasteAcidFreshExtractionStrippingBaseSpentBeerCrystallizationDryingWaterWastesolventWastewaterBiomass

*Penicillinproduction.Productionofbaker'syeastProductionofmonosodiumglutamateRecoveryofanextracellularenzymeRecoveryofintracellularenzymesRecoveryofpenicillinRecoveryofsingle-cellproteinonamethanolbasisRecoveryoftoxoidvaccinesRecoveryofwhile-cellvaccines生物分離的本質(zhì)是物質(zhì)的分離。生物分離的基本原理是指根據(jù)混合物（包括原子、離子、分子、分子復合物、分子聚合體、和細胞、細胞碎片和顆粒等）中各種溶質(zhì)間具有物理、化學和生物學性質(zhì)的差別，利用能夠識別這些差別的分離介質(zhì)和能夠擴大這些差別的分離設(shè)備，實現(xiàn)各種物質(zhì)的分離，或使被分離的目的產(chǎn)物得以純化。五、生物分離基本原理SeparationProcesses

性質(zhì)不同的物質(zhì)在分離過程中，具有不同的傳質(zhì)速率或平衡狀態(tài)，從而可實現(xiàn)彼此的分離。

力學性質(zhì)

溶質(zhì)的密度、尺寸、大小和形狀。利用這些力學性質(zhì)的不同可進行顆粒（如細胞）的重力沉降，分子或顆粒的離心分離和膜分離。熱力學性質(zhì)

溶質(zhì)的溶解度（液相固相平衡）、揮發(fā)度（氣液相平衡）、表面活性劑及在相間的分配平衡行為的差異等性質(zhì)，可進行蒸餾、蒸發(fā)、吸收、萃取、結(jié)晶、沉淀、泡沫分離、吸附和離子交換分離等。

1、物理學性質(zhì)傳質(zhì)性質(zhì)

粘度、分子擴散系數(shù)和熱擴散現(xiàn)象等，利用傳質(zhì)速度的差異也可進行分離，如透析。電磁性質(zhì)

溶質(zhì)的荷電特性，如電荷分布、電離度、等電點和磁性等可采用電泳、電色譜、電滲析、離子交換、磁性分離等方法進行分離。化學熱力學性質(zhì)（化學平衡常數(shù)）反應動力學(反應速率)化學解離特性（激光激發(fā)作用極化、離子化）

化學吸附和化學吸收是利用化學反應進行的分離的典型例子。2、化學性質(zhì)

3、生物學性質(zhì)生物分子識別：生物親和作用；生物輸送性質(zhì)：生物膜輸送；生物反應、控制：酶反應、免疫系統(tǒng)。原理分離純化技術(shù)產(chǎn)物舉例分子大小形狀離心超濾微濾透析電滲析凝膠色譜菌體、細胞碎片、蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)、多醣、抗生素菌體、細胞尿素、鹽、蛋白質(zhì)氨基酸、有機酸、鹽、水鹽、分子大小不同的蛋白質(zhì)溶解度揮發(fā)性萃取鹽析結(jié)晶蒸餾等電點沉淀有機溶劑沉淀氨基酸、有機酸、抗生素、蛋白質(zhì)、香料蛋白質(zhì)、核酸氨基酸、有機酸、抗生素、蛋白質(zhì)乙醇、香精蛋白質(zhì)、氨基酸蛋白質(zhì)、核酸原理分離純化技術(shù)產(chǎn)物舉例帶電性電泳離子交換色譜等電點沉淀蛋白質(zhì)、核酸、氨基酸氨基酸、有機酸、抗生素、蛋白質(zhì)、核酸蛋白質(zhì)、氨基酸化學