《生物分離工程》BioseparationEngineering河北農業大學生命科學學院制藥工程系課程性質生物分離工程是制藥工程本科專業專業必修課。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的各種分離純化技術，是生物工程產業化的必要手段和重要環節，是一門應用性、實踐性較強的專業課。教學目的本課程主要講授生物活性物質中各種雜質的去除、分離、純化和精制技術，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品的特性，較好地運用各種分離技術來設計合理的提取、精制的工藝路線。能從理論上解釋各種現象，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，掌握生物物質的分離純化方法的基本概念、原理、工業操作方式及其適用性。把前驅課程中學到的基礎理論知識，全面靈活地運用在生物物質分離過程的基本原理和相關的工程問題中，并努力做到理論聯系實際。培養創新能力，綜合運用各種生物分離方法設計工藝路線。

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

學習提取有用物質的技術。生物技術產品的分離純化的原理、方法、過程理論及其應用。主要內容包括固液分離法、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、結晶法等以及一些最新生化分離技術的進展。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．生物工業下游技術．北京：中國輕工業出版社，1999嚴希康．生化分離工程．北京：化學工業出版社，2001孫彥．生物分離工程．北京：化學工業出版社，2005References-books劉國詮．生物工程下游技術（第二版）．北京：化學工業出版社，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色譜膜科學與技術離子交換與吸附生物工程學報高校化學工程學報現代化工化工進展化工學報化學工程化學工業與工程ChinaJournalofChemicalEngineeringReferences-SCIjournalsJournalofChromatographyA

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

www.tandf.co.uk/journals/titles/01496395.asp生物產品生產過程示意圖本門課程解決的問題菌種篩選搖瓶實驗發酵罐實驗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生物技術與生物分離第二節生物分離概述第一節生物技術與生物分離生物技術是以生命科學為基礎，利用生物體（或生物組織、細胞及其成分）的特征和功能，設計構建具有預期性狀的新物種或新品系，并與工程相結合，利用這樣的新物種、新品系進行加工生產，為社會提供商品和服務的一個綜合性的技術體系。生物技術的目標就是指利用培養微生物、動物細胞、植物細胞來生產對人有用的產品。生物技術樹生物科學與生物技術及其產業的關系生物技術多學科性生物技術分類GenicEngineeringCellEngineeringEnzymeEngineeringFermentationEngineeringProteinEngineeringBiochemicalEngineering生物技術發展階段重要的現代生物技術儀器與設備從微生物、工程菌、動植物工程細胞培養液、酶反應液以及動植物材料中提取、純化、加工目的產物的過程，通稱生物分離或下游過程（技術）。生物分離的目的是從微生物細胞或其發酵液、酶反應液、動植物細胞或其培養液中分離、提取、精制生化產品和處理副產物。一、生物分離定義第二節生物分離概述生物分離工程是生物技術的下游加工技術，屬生物技術的重要組成部分，是生物技術成果實現產業化的基礎保證和必備環節。生物分離過程特性主要體現在生物產物的特殊性、復雜性和對生物產品要求的嚴格性上，其結果導致分離過程成本往往占整個生產過程成本的大部分。

例如，大多數工業酶的分離過程成本往往占整個生產過程的70%，而對純度要求更高的醫用酶如天冬酰胺酶，分離過程成本高達生產過程的85%；基因重組蛋白質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過程中，分離過程的質量往往決定整個生物加工過程的成敗。開發高效的分離技術、設計合理的生物分離過程可大幅度降低生物加工過程成本，提高產品的市場競爭力，促進人類健康水平和生活質量的提高以及社會經濟的發展。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、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品，產品的多樣性導致分離方法的多樣性。二、生物分離技術的特點2、絕大多數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、代謝中間產物及目標產物。②懸液中的目標產物濃度低，雜質含量高，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。體系包含培養基成分，菌體，菌體代謝產物，各種蛋白質，核酸等等。成分相當復雜。獲得高純度的干燥產品需多步操作。

Typicalproductsfromfermentation③固液分離難度大。發酵液、培養液是復雜的多相體系，分散在其中的固體和膠體物質具有可壓縮性，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。欲分離的目的產物，通常不穩定。對熱、pH、有機溶劑、機械剪切，往往導致失活。而且所分離的物質往往要求純度高，增加了分離的難度，如醫藥制品等。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品的總成本的40～80%。基因工程的精細產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、生物學的各種技術的綜合應用的技術體系。鑒于生物分離的以上特點，因此必須仔細考慮和設計產品的回收和純化過程。產品價值產品質量產物在生產過程中出現的位置雜質在生產過程中出現的位置主要雜質獨特的物化性質是什么不同分離方法的技術經濟比較三、設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，產物濃度和質量得到了提高。四、生物分離的一般步驟2、產物提取（濃縮）產物初步純化的過程。將目標產物與性質差異較大的雜質分開，可大幅提高產物濃度。往往多單元協同操作，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。3、產品的純化產物被高度純化，除去與目標物性質接近的雜質。采用的技術具有產物的高選擇性和雜質的去除性，即可以除去微量的雜質。如色譜、電泳、層析等。4、

產品精制

將純化的產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水提取生產線流程圖

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

*CitricacidmanufactureFermentationFiltrationAcidSolventExtractionBaseStrippingWasteAcidFreshExtractionStrippingBaseSpentBeerCrystallizationDryingWaterWastesolventWastewaterBiomass

*Penicillinproduction.Productionofbaker'syeastProductionofmonosodiumglutamateRecoveryofanextracellularenzymeRecoveryofintracellularenzymesRecoveryofpenicillinRecoveryofsingle-cellproteinonamethanolbasisRecoveryoftoxoidvaccinesRecoveryofwhile-cellvaccines生物分離的本質是物質的分離。生物分離的基本原理是指根據混合物（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）中各種溶質間具有物理、化學和生物學性質的差別，利用能夠識別這些差別的分離介質和能夠擴大這些差別的分離設備，實現各種物質的分離，或使被分離的目的產物得以純化。五、生物分離基本原理SeparationProcesses

性質不同的物質在分離過程中，具有不同的傳質速率或平衡狀態，從而可實現彼此的分離。

力學性質

溶質的密度、尺寸、大小和形狀。利用這些力學性質的不同可進行顆粒（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

溶質的溶解度（液相固相平衡）、揮發度（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，可進行蒸餾、蒸發、吸收、萃取、結晶、沉淀、泡沫分離、吸附和離子交換分離等。

1、物理學性質傳質性質

粘度、分子擴散系數和熱擴散現象等，利用傳質速度的差異也可進行分離，如透析。電磁性質

溶質的荷電特性，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（化學平衡常數）反應動力學(反應速率)化學解離特性（激光激發作用極化、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

3、生物學性質生物分子識別：生物親和作用；生物輸送性質：生物膜輸送；生物反應、控制：酶反應、免疫系統。原理分離純化技術產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、蛋白質蛋白質、多醣、抗生素菌體、細胞尿素、鹽、蛋白質氨基酸、有機酸、鹽、水鹽、分子大小不同的蛋白質溶解度揮發性萃取鹽析結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、香料蛋白質、核酸氨基酸、有機酸、抗生素、蛋白質乙醇、香精蛋白質、氨基酸蛋白質、核酸原理分離純化技術產物舉例帶電性電泳離子交換色譜等電點沉淀蛋白質、核酸、氨基酸氨基酸、有機酸、抗生素、蛋白質、核酸蛋白質、氨基酸化學