生物分離工程第一章緒論演示文稿當前第1頁\共有64頁\編于星期四\19點（優選）生物分離工程第一章緒論當前第2頁\共有64頁\編于星期四\19點學時安排目錄學時目錄學時第一章緒論3第六章吸附分離技術4第二章細胞破碎3第七章色譜技術5第三章生物大分子的初級分離技術3第八章電泳技術4第四章膜分離技術5第九章蛋白質的復性2第五章萃取技術4第十章干燥、結晶2理論結合實驗演示3討論與交流、復習總結2當前第3頁\共有64頁\編于星期四\19點參考書目參考教材：《生物分離工程》孫彥編著，化學工業出版社，2005年。主要參考書目《生物工程下游技術》劉國詮主編，2002年。《生物分離工程》田瑞華，科學出版社，2008年

《生物產品分離純化技術》李從軍等，華中師范大學出版社，2009年。《BioseparationProcessScience》AntonioA.García等。當前第4頁\共有64頁\編于星期四\19點第一章緒論3學時當前第5頁\共有64頁\編于星期四\19點內容提要生物下游加工技術簡介生物下游加工過程的特點分離機理和分離操作生物物質分離效率的評價當前第6頁\共有64頁\編于星期四\19點學習目的和要求

要求：對本課程有比較初步的認識；掌握：生物下游加工技術的特點；生物分離過程的單元操作原理；了解：生物分離技術的研究內容和發展情況；生物物質的種類和特性；下游加工過程的一般流程；應用：運用生物分離技術的評價方法分析實際問題。當前第7頁\共有64頁\編于星期四\19點生物工程研究領域微生物培養動物細胞培養植物細胞培養天然資源生化材料海洋生物培養當前第8頁\共有64頁\編于星期四\19點生物工程產業領域生物制藥（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）生物醫學（診斷試劑，基因治療，人及生物克隆）環境生物（環境治理，水污染，土壤污染，風沙治理）生物食品（醋，啤酒業，釀酒，乳制品，奶制品）生物資源（動物，植物，微生物）生物農業（基因食品，基因植物）當前第9頁\共有64頁\編于星期四\19點生物工程的上中下游上游：菌種，基因工程，分子生物學，遺傳學中游：微生物發酵工程，動植物細胞培養海洋生物培養下游：生物分離工程當前第10頁\共有64頁\編于星期四\19點菌種篩選搖瓶實驗發酵罐實驗當前第11頁\共有64頁\編于星期四\19點當前第12頁\共有64頁\編于星期四\19點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。當前第13頁\共有64頁\編于星期四\19點何謂工程（學）？

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

將科學及數學原理運用于實際用途的應用手段，如設計、制造并操縱高效、經濟的結構、機器、過程及系統-《美國傳統詞典》當前第14頁\共有64頁\編于星期四\19點早期的生物工程的萌芽美國和英國合作對青霉素進行生產研究（1941年），出現表面培養：1升扁瓶或錐形瓶，內裝200mL麥麩培養基───40u/mlAlexanderFleming（1928）當前第15頁\共有64頁\編于星期四\19點生物工程的萌芽1943年沉浸培養：5m3───200u/ml當今：100m3─200m3───5-7萬u/ml當前第16頁\共有64頁\編于星期四\19點生物分離工程的萌芽GoldenTime概念的提出血液制品的生產當前第17頁\共有64頁\編于星期四\19點1953年，DNA雙螺旋結構的發現1972年，美國斯坦福大學構建了第一個重組DNA分子1996年，克隆羊“多利”誕生在英國的羅斯林研究所1990-2006，人類基因組計劃現在，生物信息、生物芯片、胚胎干細胞等生命科學的發展帶動生物工程的進步當前第18頁\共有64頁\編于星期四\19點現代生物技術的興起兩項技術第一個含有外源基因的重組質粒在細菌內增殖成功（1973年）細胞融合技術（1975年）直接結果：上述兩項技術的直接此前天然存在于生物體內極微量的生物物質得以通過大量生物培養方式進行商業的生產，出現了現代生物加工過程。

當前第19頁\共有64頁\編于星期四\19點生物加工過程內容優育生物物種的選育；生物反應生產粗原料；目標產物的分離純化過程；

《基因工程》《遺傳與育種》《生物反應工程》生物分離工程當前第20頁\共有64頁\編于星期四\19點下游加工過程的沿革傳統產業（第一代）19世紀60年代-20世紀50年代酒精，丙酮，丁醇第二代生物技術產品

20世紀40年代抗生素，有機酸，核酸，酶制劑，單細胞蛋白第三代

20世紀70年代中期動物細胞培養植物細胞培養基因工程發酵產品當前第21頁\共有64頁\編于星期四\19點生物下游加工過程的一般步聚當前第22頁\共有64頁\編于星期四\19點結構基因組的研究內容Bottleneck當前第23頁\共有64頁\編于星期四\19點結構基因組研究的制約因素在蛋白質克隆和表達系統被不斷優化的同時，分離純化過程蛋白質的錯誤折疊及產物的不溶及聚合已成為結構基因組計劃發展的制約因素。當前第24頁\共有64頁\編于星期四\19點生物分離技術與化工分離技術的區別

化工分離技術：獲得純的化學物質生物分離技術：在得到純的生物物質同時，還必須關注特定雜質的去除。

與傳統的化學試劑的純度概念不同，生物產物對有害物質有嚴格的控制，生產過程也要求有嚴格的管理，在最終產品中往往不允許有極微量的有害雜質存在。當前第25頁\共有64頁\編于星期四\19點

工業應用的生物分離技術①回收技術:絮凝，離心，過濾，微過濾。②細胞破碎技術:球磨，高壓勻漿，化學破碎技術③初步純化技術:鹽析法，有機溶劑沉淀，化學沉淀，大孔吸附樹劑，膜分離技術④高度純化技術: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，結晶當前第26頁\共有64頁\編于星期四\19點生物分離與一般化學分離方法的比較大約80%的化工分離方法可應用于生物分離技術；生物分離一般比化工分離難度大；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、代謝中產物及目標產物。當前第27頁\共有64頁\編于星期四\19點懸液中的目標產物濃度低：獲得高純度的干燥產品、需要幾步、分離過程精細，成本高。當前第28頁\共有64頁\編于星期四\19點

生物技術產品的類型按分子量大小小分子產品：（小于1000）抗生素，有機酸，氨基酸大分子產品：（大于1000）酶,抗體，多肽，蛋白質按產品所處的位置細胞內:胰島素，干擾素，重組蛋白質細胞外：抗生素，胞外酶當前第29頁\共有64頁\編于星期四\19點發酵液中主要的產品含量當前第30頁\共有64頁\編于星期四\19點當前第31頁\共有64頁\編于星期四\19點生物產品要求高質量：*purity（純度）*sanitation（衛生）*biologicalactivity（生物活性）當前第32頁\共有64頁\編于星期四\19點分離過程的成本占產品總投資的大部分：因此必須仔細考慮和設計產品的回收和純化過程。當前第33頁\共有64頁\編于星期四\19點設計中應考慮下列問題：1.Whatisthevalueoftheproduct?

（產品價值）2.Whatisanacceptableproductquality?

(產品質量）3.Whereistheproductineachprocessstream?

（產物在生產過程中出現的位置）當前第34頁\共有64頁\編于星期四\19點4.Wherearetheimpuritiesineachprocessstream?（雜質在生產過程中出現的位置）5.Whataretheunusualphysicochemicalpropertiesoftheproductandtheprincipalimpurities?

（主要雜質獨特的物化性質是什么？）6.Whataretheeconomicsofvariousalternativeseparations?

（不同分離方法的技術經濟比較）當前第35頁\共有64頁\編于星期四\19點生物分離技術的重要性

生物產物的特殊性；生物產物所處環境的復雜性；對生物產品要求的嚴格性；

最終結果：導致下游加工過程度成本往往占整個生物加工過程生產成本的大部分。當前第36頁\共有64頁\編于星期四\19點下游加工技術的一般流程

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

當前第38頁\共有64頁\編于星期四\19點Extractors溶質在二個互不相容的溶劑的分配系數不同，所造成的溶質的轉移。混合器和澄清器當前第39頁\共有64頁\編于星期四\19點生物分離一般分四步A：不溶物的去除過濾離心細胞破碎產物濃度和質量得到了提高當前第40頁\共有64頁\編于星期四\19點B:產物分離離子交換吸附萃取

a.溶劑萃取

b.反微團萃取

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，只是進行初分,可提高產物濃度和質量當前第41頁\共有64頁\編于星期四\19點C:產品純化色譜電泳沉淀以上技術具有產物的高選擇性和雜質的去除性當前第42頁\共有64頁\編于星期四\19點D.Polishing（產品的精制）*crystallization（結晶）*drying（干燥）當前第43頁\共有64頁\編于星期四\19點中藥動態水提取生產線流程圖當前第44頁\共有64頁\編于星期四\19點BeerWellStillageFermenterBeerStillScreensRotaryDryerSprayDryerDriedGrainsDriedSolublesNeutralSpiritsCondenserRectifyingColumnPurifyingColumnCondenserHeadsWater

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

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

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

結晶油水分離器母液當前第49頁\共有64頁\編于星期四\19點Recoveryofanextracellularenzyme當前第50頁\共有64頁\編于星期四\19點Recoveryofintracellularenzymes當前第51頁\共有64頁\編于星期四\19點Recoveryofpenicillin霉菌菌絲體

雜質當前第52頁\共有64頁\編于星期四\19點Recoveryofsingle-cellproteinonamethanolbasis甲醇底物甲醇絮凝當前第53頁\共有64頁\編于星期四\19點Recoveryoftoxoidvaccines類毒素疫苗當前第54頁\共有64頁\編于星期四\19點Recoveryofwhole-cellvaccines澄清器當前第55頁\共有64頁\編于星期四\19點分離技術的選擇依據產物所處的位置；產物性質（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模和產品的商業價值；一種目標產物的分離手段往往不止一種，根據生產的規模和價值，選擇合適的分離技術

當前第56頁\共有64頁\編于星期四\19點生物下游加工過程的特點

滿足維持生物物質活性的要求滿足快速分離的要求滿足純度和雜質去除的要求滿足高效分離的要求滿足成本優化的要求當前第57頁\共有64頁\編于星期四\19點生物分離本質有效地識別混合物中不同溶質間物理、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（或）擴大這些差別的分離設備實現溶質間的分離或目標組分的純化。當前第58頁\共有64頁\編于星期四\19點常用的分離技術及其機理物理性質力學性質重力、離心力、篩分

熱力學性質狀態變化、相平衡

傳質性質粘度、擴散、熱擴散

電磁性質電泳、電滲、磁化化學性質化學熱力學化學平衡

反應動力學反應速率

光化學性質激光激