生化分离工程绪论

2. 分离过程和产品角度 浓缩程度 分离纯化程度 回收率
FC 原料C cTC , cXC FW 分离过程
FP 产品P cTP , cXP cTW , cXW
废料W
浓缩率
cTP mT cTC
mX
c XP c XC
mT cTP cTC 分离因子 m X c XP c XC
cTP cTW c XP c XW
香港不少明星依靠注射内源性生长 因子注射除皱(ACR) 来保持青春
按分子量大小分类
MW < 1000Da：抗生素、有机酸、氨基酸、多肽类等 MW > 1000Da：酶、抗原、抗体、多肽、蛋白质、核酸类
按目的产物所在的位置分类
胞内产品：胰岛素、白细胞介素、干扰素、重组蛋白质 胞外产品：抗生素（青霉素、红霉素）、胞外酶（α-淀粉酶）等 细胞产品：酵母、单细胞蛋白

发酵液的主要特征：
(1) 产物浓度较低（见下页表），并含有大量的水分；
(2) 是一个复杂的多相体系，含有菌体、未消耗尽的固体培 养基等固体成分和大量的液相； (3) 未消耗完的培养基成分，包括各种无机盐和有机物； (4) 除所需产物外，还含有其他副产物以及色素等杂质，有 些杂质的性质与产物很接近； (5) 发酵液容易被杂菌污染，产物可能被微生物或酶降解； (6) 发酵液粘度较大，浓缩时起泡现象严重； (7) 所需要的发酵产物，有的存在于发酵液中，也有的存在 于细胞或菌体内。
平衡过程
原料C (比活AC)
分离过程
产品P (比活AP)
A: U/mg
废料W
分离(纯化)因子
Purification factor
AP AC
连续操作
原料C
FC
cTC , cXC
分离过程
FP cTP , cXP
产品P
废料W
间歇操作
回收率 recovery
cTP FP R 100 % cTC FC
产品类型
动物细胞培养生产的产品 植物细胞培养生产的产品 基因工程发酵产品
产物名称
乙肝疫苗，促红细胞生长素（EPO），β －干扰素，TPA 人参皂甙，长春花碱，紫草宁，小蘗碱紫杉醇 人胰岛素，α －干扰素，人生长因子，人血白蛋白
不少明星依靠注射内源性生长因子 注射除皱(ACR) 来保持青春
与此同时，人们注意到了下游分离技术 对发展现代生物技术及其产业化的重要性， 分离技术的落后会严重阻碍生物技术的发展。 国内外纷纷加强对生物分离技术的研究力量， 增设研究机构和加大资金投入，一些公司和 生产企业也在生物分离技术领域展开竞争。
cTP V P R 100 % cTC VC
aTP V P R 100 % aTC VC
7~12
生物产品的分离过程有以下特点：
1. 分离的对象组成复杂，发酵液或培养液是复杂的多 相体系，料液粘度大，固液密度差小，固液分离难 度较大； 2. 许多发酵产品具有生理活性，很容易变性失活，遇 热、极端pH值、有机溶剂会引起失活或分解，特别 是蛋白质的生物活性与一些辅因子、金属离子的存 在和分子的空间构型有关。甚至剪切力也会影响空 间构型和使分子降解，对蛋白质的活性有很大影响， 因此，分离过程中的pH值、温度和搅拌等条件必须 特别注意； 3. 目的产物和其它代谢产物种类多，理化性质复杂， 很难通过单一手段将产物分离和纯化；
•1984年，每 千克生物产品 售价P与原料液 中目标产物浓 度C的双对数坐 标图，从图可 知，P和C的关 系可近似表示 为CP＝k（常 数），或P＝ k/C
图 发酵液中产品浓度C与产品价格P的关系
所有这些因素都使得生化产物的分离提纯具有 相当大的难度。从以上分析可以看出，与传统化学 工业的分离对象相比，生化工业的分离对象是一个 相对更为复杂的体系，有着许多自身的特点。因此 生物分离过程的操作也有着自身的特点，不能简单 套用化工的单元操作。
Hale Waihona Puke Baidu
4. 发酵液中生物产品的浓度很低，而杂质含量却 很高，这使分离所需能量以及产品价格大大提 高，产品浓度与产品价格的关系见下页图； 5. 许多生物产品要求达到的纯度较高，尤其是用 于医疗用途的产品； 6. 微生物发酵或酶催化反应多采取分批操作，各批 料液不尽相同，要求下游加工有一定的弹性， 对不同批号的料液都要能处理。发酵液的放罐 时间、发酵过程中加入的消泡剂对提取产物都 会有影响。由于发酵产物大多是不稳定的，故 快速操作往往对保证有效地回收和纯化产物非 常关键。

此时生物技术在其各个主要领域都取得了长 足进步，一大批对人类十分有益的高附加值的产 品开始面世。80年代，国际上又兴起了对人类健 康有益的生理“功能因子”的研究，发现了一大 批生理功能性物质并推出了相应的产品，如低聚 糖、活性肽、高度不饱和脂肪酸等，生物技术在 深度和广度上都取得了很大的进展。
表1 国内外已商业化生产的现代生物技术产品举例
1.3 生物产品与生物分离
生物产品的一个主要特点：种类繁多（分离方法的多样性）
按用途分类
食品与精细化学品：食品添加剂（果葡糖浆、维生素）、化妆品（透明 质酸） 医用类产品：疫苗、抗生素、重组医用蛋白等 农业用产品：兽用抗生素、生物农药、饲料等 生物试剂类 其他生物产品（生物柴油、生物材料PHB）等
巴斯德
"鹅颈瓶实验"
这个时期的生化产品相对比较简单，基本上是 无活性的小分子（有机溶剂）。此时开始引入化学 工程中较成熟的近代分离技术，如过滤、蒸馏、精 馏等，生产多以经验为主。
3、第二代生物技术
20世纪40年代出现的青霉素产品的出现是生物 技术发展史上的里程碑，也是第二代生物技术的代表。 这一时期，随着无菌空气制备技术和大型好氧发酵装 置的开发成功，微生物发酵工业迅速壮大，一大批 （好氧发酵）的产品相继投入了工业化生产，如链霉 素等抗生素、谷氨酸等氨基酸、核酸（核苷酸）、柠 檬酸等有机酸、淀粉酶等酶制剂、微生物多糖和单细 胞蛋白等。
生物学
化学
工程学
1.1 基本概念
生物技术（biotechnology） 是指人们以生命科学为基础，结合工程技术 手段和其他基础学科的科学原理，对生物体 进行改造或加工生物原料，为人类生产出所 需产品或提供服务的技术。
生物工程，生化工程，生物化工，生物加工过程…
生物技术
•基因工程、菌株选育
•发酵
图 青霉素的发现者Flemming（A）和 产黄青霉对病原细菌金黄色葡萄球菌的抑制(B)
工业规模的深层发酵

产品的多样性对了分离方法提出了更高的要 求，许多化学工程工作者加入了生物反应过程的 行列中，一门反映生物与化工相交叉的学科—— 生化工程也于40年代诞生，并得到迅速发展。这 期间借鉴和引进吸收了大量的近代化学工业的分 离技术，约有80％的化工单元操作技术被引入生 物工业。在60年代以前，生物技术产品的下游加 工过程基本是套用化工单元操作或经过简单改造。 这期间也产生了一些新的生化分离技术，但都还 处于实验室研究阶段。
表2 几种典型发酵液组分含量
产 物 干重量浓度，％ 3~5 1.5~3 0.05~5 0.1~5 0.5~1.0 ~1 1~5 细菌或酵母 真菌（柠檬酸、青霉素生产） 动物细胞（动物组织培养） 植物组织培养 酶 r-DNA蛋白质 抗体
抗生素
氨基酸 有机酸
2~5
5~10 5~10
维生素
乙醇
0.005~0.1
做豆腐
•蛋白沉淀、过滤、干燥、……
2、第一代生物技术
第一代（传统）生物工业 是指1860年代到1940年代青霉 素等抗生素出现之前的生物技 术产业。这一时期，发现了发 酵的本质是微生物的作用，而 且发现了微生物的有关功能， 掌握了纯种培养技术，生物技 术进入近代酿造产业的发展阶 段。到20世纪上半叶，近代酿 造产业的生产技术已经有了很 大的发展，又逐渐开发形成了 发酵法生产酒精、丙酮、丁醇 等微生物发酵工业（厌氧发 酵）。
（2）差速分离 利用外力（离心力、压力、电场）驱动 溶质迁移产生的速度差进行分离。
电泳、超滤、离心等。
1.6 分离效率的评价
分离目的： 生物活性不受或少受影响，满足纯度和回收率 的要求，成本低（高效分离）。
1. 分离方法和设备角度 分离容量（capacity） 单位体积分离设备处理料液或目的产物的体积 或质量 分离速度（speed） 单批次分离所需的时间，或分离过程的进料速 度 分辩率（resolution） 目标产品的纯化效果或杂质的去除能力
4、第三代生物技术
20世纪70年代中期以来，随着基因工程、酶 工程、细胞工程、微生物工程以及生化工程的迅 速发展，特别是DNA重组技术及细胞融合技术等 技术取得的重大突破，促使了大量的现代生物技 术产品（如乙肝疫苗、干扰素等重组蛋白）的研 究和开发，从而确定了第三代生物技术（现代生 物技术）的地位。
生物分离过程的一般流程
原料液 胞内产物 细胞 细胞破碎 细胞碎片 固-液分离 溶液 包涵体 溶解 复性 粗分离 纯化与精制 产品 成品化 固-液分离 胞外产物 溶液
1.4 生物分离的特点
分离对象的特征：
传统的生物化学工业的主要对象（如通过发酵生产的 有机溶剂、氨基酸、有机酸和抗生素等）是小分子生物物 质，如氨基酸、酒精、有机酸等，产品的性质相对比较稳 定。 现代生物技术工业的产品（如用重组DNA技术生产的 医用蛋白质和多肽等）具有生物活性，其稳定性受pH、 温度、离子强度、提取过程所使用的溶剂和表面活性剂、 金属离子等各方面因素的影响，有些生物产品甚至对剪切 力很敏感，产品的分子量越大，其稳定性就越差，分离纯 化的条件必须非常温和。一些产物组分的浓度非常低，但 其产品的纯度却要求很高，含量常常要达到95％甚至98 ％以上。如果是医用药物还应具有正常的颜色、稳定性和 溶解速率等性质。
生物分离工程简介
传承和特点： 生物分离工程是在传统化工分离的单元操作上发 展起来的，但由于生物物质在许多方面与传统化 工产品存在很大的差异，它又具有很多独特的性 质和特点。
应用： 现在的生物分离工程技术已广泛应用于医药、发 酵、食品、轻工等领域的产品分离及纯化。另外， 环境工程中污水的净化与有效成分的回收，也常 用生物分离技术。
1.5
分离技术和原理
分离原理： 利用目标产物与共存杂质之间在物理、 化学以及生物学性质上的差别，使其在分 离操作中具有不同的传质速率和（或）平 衡状态。
1. 物理性质



力学性质 密度、形状、尺寸 离心、膜分离（筛分） 热力学性质 溶解度（固液平衡）、挥发度、相平衡 萃取、蒸馏、结晶与沉淀、吸附和离子交换、色 谱等 传质性质 黏度、扩散 电磁性质 荷电性质、等电点、磁性 电泳、电渗析、离子交换
2. 化学性质 化学热力学（化学平衡）、反应 动力学（反应速率） 化学吸附、化学吸收 3. 生物学性质 生物分子间的分子识别作用 亲和色谱
分离技术分类（两大类）： （1）平衡分离 溶质在两相间分配平衡差异分离。 达到平衡的推动力为溶质偏离平衡态的 浓度差，为扩散传质过程。 萃取、结晶与沉淀、吸附与离子交换 (色谱)等。
《生化分离工程》
生物分离工程
——绪 论
2013-7-25
教材
教材： 生物分离工程(第二版). 孙彦 主编，化学工业出版社，2005 参考书： 生物分离原理及技术. 欧阳平凯 主编，化学工业出版社，1999
成绩：
平时成绩：30％ 期末：70％
1. 绪论
生物化工 Biochemical Engineering
1.2 生物分离技术研究简史
1、古代酿造业 如果将生物技术定义为 “直接或间接地利用生物体的 机能来生产人类所需产品的技 术”，生物技术产业的历史可 以追溯到古代的酿造业（公元 前4228年），它包括酿造、做 面包、干酪、酸奶等。 但是古代的生物技术比较 原始粗糙，一般都是家庭作坊 式的生产，大多数产物基本不 经过分离而直接使用，因此也 就没有专门的生物分离技术了。
•酶催化 •分离
产 品
产品
生物分离工程简介
生物分离技术(Bioseparation) ： 对于由自然界天然生成的或由人工经微 生物菌体发酵、动植物细胞培养及酶反应等 各种生物工业生产过程获得的生物原料，经 分离、纯化并精制其中目的成分，并最终使 其成为产品的技术，也称为生物下游技术 （Downstream Processing）。