生物分離工程第一章緒論演示文稿

生物分離工程第一章緒論演示文稿當(dāng)前第1頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)（優(yōu)選）生物分離工程第一章緒論當(dāng)前第2頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)學(xué)時安排目錄學(xué)時目錄學(xué)時第一章緒論3第六章吸附分離技術(shù)4第二章細(xì)胞破碎3第七章色譜技術(shù)5第三章生物大分子的初級分離技術(shù)3第八章電泳技術(shù)4第四章膜分離技術(shù)5第九章蛋白質(zhì)的復(fù)性2第五章萃取技術(shù)4第十章干燥、結(jié)晶2理論結(jié)合實(shí)驗(yàn)演示3討論與交流、復(fù)習(xí)總結(jié)2當(dāng)前第3頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)參考書目參考教材：《生物分離工程》孫彥編著，化學(xué)工業(yè)出版社，2005年。主要參考書目《生物工程下游技術(shù)》劉國詮主編，2002年。《生物分離工程》田瑞華，科學(xué)出版社，2008年

《生物產(chǎn)品分離純化技術(shù)》李從軍等，華中師范大學(xué)出版社，2009年。《BioseparationProcessScience》AntonioA.García等。當(dāng)前第4頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)第一章緒論3學(xué)時當(dāng)前第5頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)內(nèi)容提要生物下游加工技術(shù)簡介生物下游加工過程的特點(diǎn)分離機(jī)理和分離操作生物物質(zhì)分離效率的評價當(dāng)前第6頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)學(xué)習(xí)目的和要求

要求：對本課程有比較初步的認(rèn)識；掌握：生物下游加工技術(shù)的特點(diǎn)；生物分離過程的單元操作原理；了解：生物分離技術(shù)的研究內(nèi)容和發(fā)展情況；生物物質(zhì)的種類和特性；下游加工過程的一般流程；應(yīng)用：運(yùn)用生物分離技術(shù)的評價方法分析實(shí)際問題。當(dāng)前第7頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)生物工程研究領(lǐng)域微生物培養(yǎng)動物細(xì)胞培養(yǎng)植物細(xì)胞培養(yǎng)天然資源生化材料海洋生物培養(yǎng)當(dāng)前第8頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)生物工程產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域生物制藥（抗生素，基因重組蛋白，氨基酸，疫苗，菌苗，天然藥物，生化藥物，血液制品，抗體，多糖，多肽）生物化工（乳酸，檸檬酸，蘋果酸，丙烯酸，甘油，異丙醇，乙烯）生物能源（甲醇，乙醇，生物柴油，生物汽油）生物材料（明膠，膠原蛋白，人造皮膚，從造骨，人造臟器）生物醫(yī)學(xué)（診斷試劑，基因治療，人及生物克隆）環(huán)境生物（環(huán)境治理，水污染，土壤污染，風(fēng)沙治理）生物食品（醋，啤酒業(yè)，釀酒，乳制品，奶制品）生物資源（動物，植物，微生物）生物農(nóng)業(yè)（基因食品，基因植物）當(dāng)前第9頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)生物工程的上中下游上游：菌種，基因工程，分子生物學(xué)，遺傳學(xué)中游：微生物發(fā)酵工程，動植物細(xì)胞培養(yǎng)海洋生物培養(yǎng)下游：生物分離工程當(dāng)前第10頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)菌種篩選搖瓶實(shí)驗(yàn)發(fā)酵罐實(shí)驗(yàn)當(dāng)前第11頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)當(dāng)前第12頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)生物技術(shù)的目標(biāo)就是指利用培養(yǎng)微生物、動物細(xì)胞、植物細(xì)胞來生產(chǎn)對人有用的產(chǎn)品。當(dāng)前第13頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)何謂工程（學(xué)）？

Theapplicationofscientificandmathematicalprinciplestopracticalendssuchasthedesign,manufacture,andoperationofefficientandeconomicalstructures,machines,processes,andsystems.

將科學(xué)及數(shù)學(xué)原理運(yùn)用于實(shí)際用途的應(yīng)用手段，如設(shè)計、制造并操縱高效、經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)、機(jī)器、過程及系統(tǒng)-《美國傳統(tǒng)詞典》當(dāng)前第14頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)早期的生物工程的萌芽美國和英國合作對青霉素進(jìn)行生產(chǎn)研究（1941年），出現(xiàn)表面培養(yǎng)：1升扁瓶或錐形瓶，內(nèi)裝200mL麥麩培養(yǎng)基───40u/mlAlexanderFleming（1928）當(dāng)前第15頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)生物工程的萌芽1943年沉浸培養(yǎng)：5m3───200u/ml當(dāng)今：100m3─200m3───5-7萬u/ml當(dāng)前第16頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)生物分離工程的萌芽GoldenTime概念的提出血液制品的生產(chǎn)當(dāng)前第17頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)1953年，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)1972年，美國斯坦福大學(xué)構(gòu)建了第一個重組DNA分子1996年，克隆羊“多利”誕生在英國的羅斯林研究所1990-2006，人類基因組計劃現(xiàn)在，生物信息、生物芯片、胚胎干細(xì)胞等生命科學(xué)的發(fā)展帶動生物工程的進(jìn)步當(dāng)前第18頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)現(xiàn)代生物技術(shù)的興起兩項(xiàng)技術(shù)第一個含有外源基因的重組質(zhì)粒在細(xì)菌內(nèi)增殖成功（1973年）細(xì)胞融合技術(shù)（1975年）直接結(jié)果：上述兩項(xiàng)技術(shù)的直接此前天然存在于生物體內(nèi)極微量的生物物質(zhì)得以通過大量生物培養(yǎng)方式進(jìn)行商業(yè)的生產(chǎn)，出現(xiàn)了現(xiàn)代生物加工過程。

當(dāng)前第19頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)生物加工過程內(nèi)容優(yōu)育生物物種的選育；生物反應(yīng)生產(chǎn)粗原料；目標(biāo)產(chǎn)物的分離純化過程；

《基因工程》《遺傳與育種》《生物反應(yīng)工程》生物分離工程當(dāng)前第20頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)下游加工過程的沿革傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)（第一代）19世紀(jì)60年代-20世紀(jì)50年代酒精，丙酮，丁醇第二代生物技術(shù)產(chǎn)品

20世紀(jì)40年代抗生素，有機(jī)酸，核酸，酶制劑，單細(xì)胞蛋白第三代

20世紀(jì)70年代中期動物細(xì)胞培養(yǎng)植物細(xì)胞培養(yǎng)基因工程發(fā)酵產(chǎn)品當(dāng)前第21頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)生物下游加工過程的一般步聚當(dāng)前第22頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)結(jié)構(gòu)基因組的研究內(nèi)容Bottleneck當(dāng)前第23頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)結(jié)構(gòu)基因組研究的制約因素在蛋白質(zhì)克隆和表達(dá)系統(tǒng)被不斷優(yōu)化的同時，分離純化過程蛋白質(zhì)的錯誤折疊及產(chǎn)物的不溶及聚合已成為結(jié)構(gòu)基因組計劃發(fā)展的制約因素。當(dāng)前第24頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)生物分離技術(shù)與化工分離技術(shù)的區(qū)別

化工分離技術(shù)：獲得純的化學(xué)物質(zhì)生物分離技術(shù)：在得到純的生物物質(zhì)同時，還必須關(guān)注特定雜質(zhì)的去除。

與傳統(tǒng)的化學(xué)試劑的純度概念不同，生物產(chǎn)物對有害物質(zhì)有嚴(yán)格的控制，生產(chǎn)過程也要求有嚴(yán)格的管理，在最終產(chǎn)品中往往不允許有極微量的有害雜質(zhì)存在。當(dāng)前第25頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)

工業(yè)應(yīng)用的生物分離技術(shù)①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):鹽析法，有機(jī)溶劑沉淀，化學(xué)沉淀，大孔吸附樹劑，膜分離技術(shù)④高度純化技術(shù):各類層析，親和，疏水，聚焦，離子交換⑤成品加工：噴霧干燥，氣流干燥，沸騰干燥，冷凍干燥，結(jié)晶當(dāng)前第26頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)生物分離與一般化學(xué)分離方法的比較大約80%的化工分離方法可應(yīng)用于生物分離技術(shù)；生物分離一般比化工分離難度大；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。當(dāng)前第27頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)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。當(dāng)前第28頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)

生物技術(shù)產(chǎn)品的類型按分子量大小小分子產(chǎn)品：（小于1000）抗生素，有機(jī)酸，氨基酸大分子產(chǎn)品：（大于1000）酶,抗體，多肽，蛋白質(zhì)按產(chǎn)品所處的位置細(xì)胞內(nèi):胰島素，干擾素，重組蛋白質(zhì)細(xì)胞外：抗生素，胞外酶當(dāng)前第29頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)發(fā)酵液中主要的產(chǎn)品含量當(dāng)前第30頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)當(dāng)前第31頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)生物產(chǎn)品要求高質(zhì)量：*purity（純度）*sanitation（衛(wèi)生）*biologicalactivity（生物活性）當(dāng)前第32頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)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)計產(chǎn)品的回收和純化過程。當(dāng)前第33頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)設(shè)計中應(yīng)考慮下列問題：1.Whatisthevalueoftheproduct?

（產(chǎn)品價值）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）當(dāng)前第34頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)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）當(dāng)前第35頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)生物分離技術(shù)的重要性

生物產(chǎn)物的特殊性；生物產(chǎn)物所處環(huán)境的復(fù)雜性；對生物產(chǎn)品要求的嚴(yán)格性；

最終結(jié)果：導(dǎo)致下游加工過程度成本往往占整個生物加工過程生產(chǎn)成本的大部分。當(dāng)前第36頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)下游加工技術(shù)的一般流程

生物下游加工過程是指目標(biāo)產(chǎn)物的分離純化過程，包括產(chǎn)物提取(isolation)產(chǎn)物濃縮(concentration)產(chǎn)物純化(purification)成品化(polishing)注意：多步分離導(dǎo)致收率降低；當(dāng)前第37頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)SeparationProcesses:

當(dāng)前第38頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)Extractors溶質(zhì)在二個互不相容的溶劑的分配系數(shù)不同，所造成的溶質(zhì)的轉(zhuǎn)移?；旌掀骱统吻迤鳟?dāng)前第39頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)生物分離一般分四步A：不溶物的去除過濾離心細(xì)胞破碎產(chǎn)物濃度和質(zhì)量得到了提高當(dāng)前第40頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)B:產(chǎn)物分離離子交換吸附萃取

a.溶劑萃取

b.反微團(tuán)萃取

c.超臨界流體萃取

d.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)量當(dāng)前第41頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)C:產(chǎn)品純化色譜電泳沉淀以上技術(shù)具有產(chǎn)物的高選擇性和雜質(zhì)的去除性當(dāng)前第42頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)D.Polishing（產(chǎn)品的精制）*crystallization（結(jié)晶）*drying（干燥）當(dāng)前第43頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)中藥動態(tài)水提取生產(chǎn)線流程圖當(dāng)前第44頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)BeerWellStillageFermenterBeerStillScreensRotaryDryerSprayDryerDriedGrainsDriedSolublesNeutralSpiritsCondenserRectifyingColumnPurifyingColumnCondenserHeadsWater

Whiskey*Ethanolfromfermentation.蒸餾器冷凝器冷凝器酒精可溶性產(chǎn)品當(dāng)前第45頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)FermenterFilterLimeSlurryH(2)SO(4)FilterCaSO(4)SpentBeerMyceliumFilterEvaporatorCrystallizerCentrifugeDrierBulkStorageCarbon

*Citricacidmanufacture菌絲體檸檬酸石灰膏劑廢當(dāng)前第46頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)FermentationFiltrationAcidSolventExtractionBaseStrippingWastesolventAcidFreshsolventExtractionStrippingBaseSpentBeerCrystallizationDryingWaterWastesolventWastewaterBiomass

*Penicillinproduction.反萃取當(dāng)前第47頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)Productionofbaker'syeast面包酵母糖蜜發(fā)酵麥芽汁當(dāng)前第48頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)Productionofmonosodiumglutamate味精注射器

結(jié)晶油水分離器母液當(dāng)前第49頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)Recoveryofanextracellularenzyme當(dāng)前第50頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)Recoveryofintracellularenzymes當(dāng)前第51頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)Recoveryofpenicillin霉菌菌絲體

雜質(zhì)當(dāng)前第52頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)Recoveryofsingle-cellproteinonamethanolbasis甲醇底物甲醇絮凝當(dāng)前第53頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)Recoveryoftoxoidvaccines類毒素疫苗當(dāng)前第54頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)Recoveryofwhole-cellvaccines澄清器當(dāng)前第55頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)分離技術(shù)的選擇依據(jù)產(chǎn)物所處的位置；產(chǎn)物性質(zhì)（分子大小、疏水性、電荷形式和溶解度等）；生物加工過程自身的規(guī)模和產(chǎn)品的商業(yè)價值；一種目標(biāo)產(chǎn)物的分離手段往往不止一種，根據(jù)生產(chǎn)的規(guī)模和價值，選擇合適的分離技術(shù)

當(dāng)前第56頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)生物下游加工過程的特點(diǎn)

滿足維持生物物質(zhì)活性的要求滿足快速分離的要求滿足純度和雜質(zhì)去除的要求滿足高效分離的要求滿足成本優(yōu)化的要求當(dāng)前第57頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)生物分離本質(zhì)有效地識別混合物中不同溶質(zhì)間物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)的差別，利用能夠識別這些差別的分離介質(zhì)和（或）擴(kuò)大這些差別的分離設(shè)備實(shí)現(xiàn)溶質(zhì)間的分離或目標(biāo)組分的純化。當(dāng)前第58頁\共有64頁\編于星期四\19點(diǎn)常用的分離技術(shù)及其機(jī)理物理性質(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)粘度、擴(kuò)散、熱擴(kuò)散

電磁性質(zhì)電泳、電滲、磁化化學(xué)性質(zhì)化學(xué)熱力學(xué)化學(xué)平衡

反應(yīng)動力學(xué)反應(yīng)速率

光化學(xué)性質(zhì)激光激