《生物分离工程》PPT课件.ppt

生物分离工程生物分离工程以1973年第一个外源基因重组质粒在细菌内增殖成功和1975年细胞融合技术的建立为重要标志，重组DNA(recombinant DNA，rDNA)技术即基因工程技术和细胞融合技术等现代生物技术步入了崭新的发展时期。1980年前后，世界主要发达国家先后实施生物技术发展计划，80年代以来，生物技术产业以日新月异的步伐迅速发展，特别是在与医药、食品、食品添加剂以及化妆品等有关的生物产物生产方面，不仅产品种类繁多，而且数量也不断增长。导致生物技术产业迅速发展的主要原因是：基因工程和细胞融合等现代生物技术的惊人进步，使天然存在的极微量有用生物物质得以通过大量细胞(微生物、动物及植物细胞)培养进行商业规模生产。此外，生物产物从原料(培养液或细胞)生产到产品的后处理技术(分离纯化技术)的发展，使低成本、高收率、纯化目标产物成为现实。生物下游加工技术生物下游加工技术 1.一般生物产物的生产过程称为生物加工过程(Bioprocess)，包括优良生物物种的选育和生物反应(酶反应、微生物发酵、动植物细胞培养等)生产粗原料的过程及其之后的目标产物的分离纯化过程，即下游加工过程(Downstream processing)。2.下游加工过程包括目标产物的提取、浓缩、纯化及成品化等过程。3.下游加工过程的重要性主要体现在生物产物的特殊性、复杂性和对生物产品要求的严格性上，导致下游加工过程的成本往往占整个生物加工过程成本的大部分。生物反应的产物一般是由细胞、游离的细胞外代谢产物、细胞内代谢产物、残存底物及惰性组分组成的混合液，生物下游加工过程所应用的分离纯化技术取决于产物所存的位置（细胞内或细胞外）及产物分子的大小、疏水性、电荷形式和溶解度等。不仅如此，生物加工过程自身的规模和目标产物的商业价值也是选择分离纯化技术的重要因素。为了得到一定纯度的生物产品，下游加工过程需要采用多种方法、实行多步分离操作，整个下游加工过程的总回收率为其中，Yi为第i步操作的回收率，YT为总回收率。为了提高最终产品的回收率，一是提高每步操作的回收率，二是减少操作步骤。为了达到这些目的，就要对分离技术及设备进行系统的工程研究，并努力开发新型高效的分离纯化方法。生物下游加工过程的特点生物下游加工过程的特点1.在生物分离过程中应注意保持生物产品的生物活性2.采用快速的分离纯化方法，提高目标产物的稳定性3.需要采用特殊的高效分离技术纯化目标产物 4.分离纯化过程必须除去有害物质5.分离过程中需进行高度浓缩，增大了下游加工过程的成本分离机理分离机理 对于一个待分离的原料，一般利用原料中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异，使其在分离操作中具有不同的传质速率和(或)平衡状态，从而实现分离的目的。物理性质力学性质：重力、离心力、筛分；热力学性质：状态变化、相平衡；传质性质：粘度、扩散、热扩散；电磁性质：电泳、电渗析、磁化。化学性质化学热力学：化学平衡；反应动力学：反应速率；光化学性质：激光激发、离子化。生物学性质分子识别：生物亲和作用、生物学识别；输送性质：生物膜输送，反应、响应、控制：酶反应、免疫系统。分离操作分离操作 机械分离机械分离传质分离。传质分离传质分离的对象主要是均相物系，又分输送分离扩散分离。输送分离输送分离根据溶质在外力作用下产生的移动速度的差异实现分离，又称速度分离法，其传质推动力主要有压力差、电位梯度和磁场梯度等，如超滤、反渗透、电渗析、电泳和磁泳等。扩散分离扩散分离根据溶质在两相中分配平衡状态的差异实现分离，又称平衡分离法，传质推动力为偏离平衡态的浓度差，如蒸馏、蒸发、吸收、萃取、结晶、吸附和离子交换等。机械分离机械分离机械分离的对象是非均相物系，根据物质的大小、密度的差异进行分离，如过滤、重力沉降和离心沉降等传质分离传质分离 传质分离的对象主要是均相物系，又分输送分离和扩散分离。1.输送分离输送分离根据溶质在外力作用下产生的移动速度的差异实现分离，又称速度分离法，其传质推动力主要有压力差、电位梯度和磁场梯度等，如超滤、反渗透、电渗析、电泳和磁泳等。2.扩散分离扩散分离根据溶质在两相中分配平衡状态的差异实现分离，又称平衡分离法，传质推动力为偏离平衡态的浓度差，如蒸馏、蒸发、吸收、萃取、结晶、吸附和离子交换等。对于特定的目标产物，要根据其自身的性质以及与其共存杂质的特性，选择合适的分离方法，以获得最佳分离效果。即在保证目标产物的生物活性不受(或少受)损伤的同时，达到所需的纯度和对回收率的要求，并使回收过程成本最小，以适应大规模商业生产的需要。生物物质常用的分离技术生物物质常用的分离技术氨基酸：结晶和离子交换法 蛋白质和多肽：离子交换层析、电泳 糖类：吸附层析 脂质：有机溶剂萃取、超临界流体萃取和层析 抗生素：有机溶剂萃取、离子交换、结晶和吸附层析 分离效率的评价分离效率的评价 1.浓缩程度浓缩程度2.分离纯化程度分离纯化程度3.回收率回收率 上图表示一个连续稳态的分离过程，其中F表示流速，c表示浓度；下标T和X分别表示目标产物和杂质，C、P和W分别表示原料、产品和废料。浓缩程度一般用浓缩率(concentration factor)表达，是一个以浓缩为目的的分离过程的最重要指标。浓缩率 为 如果 ，则目标产物未得到任何程度的分离纯化。目标产物的分离纯化程度用分离因子(separation factor)表达：分离因子又称分离系数。产品中目标产物浓度越高，杂质浓度越低，则分离因子越大，分离效率越高。如果 ，则目标产物未得到任何程度的分离纯化。无论是以浓缩还是以分离为目的操作过程，目标产物均应以较大的比例回收：生物分离操作多为间歇过程（分批操作），若原料液和产品溶液的体积分别为VC和VP则回收率为