生物分离工程-第七章 各种亲和分离方法2009

第一章绪论生物技术与生物分离（填空）1.生物分离的一般步骤：预处理、产物提取、纯化、产品精制。

生物分离的本质是物质的分离。

2.生物分离基本原理：生物分离的基本原理是指根据混合物（包括原子、离子、分子、分子复合物、分子聚合体、和细胞、细胞碎片和颗粒等）中各种溶质间具有物理、化学和生物学性质的差别，利用能够识别这些差别的分离性质和能够扩大这些差别的分离设备，实现各种物质的分离，或使被分离的产物得以纯化。

3.生物分离的方法依靠的性质①物理学性质：力学性质：溶质的密度:尺寸、大小和形状。

重力沉降,分子或颗粒的离心分离和膜分离热力学性质：溶质的溶解度(液相固相平衛)、挥发度(气液相平衡),表面活性剂及在相间的分配平衡行为的差异等性质,可进行蒸馏、蒸发、吸收、萃取、结晶、沉淀、泡沫分离、吸附传质性质：粘度、分子扩散系数和热扩散现象等,利用传质速度的差异也可进行分离如透析电磁性质：溶质的荷电特性,如电荷分布,电离度、等电点和磁性等可采用电渗析、离子交换、磁性分离②化学性质：化学吸附和化学吸收是利用化学反应进行的分离的典型例子化学热力学性质(化学平衡常数)、反应动力学(反应速率)、化学解离特性(激光激发作用极化、离子化)、③生物学：生物分子识别:生物亲和作用；生物输送性质:生物膜输送；生物反应、控制:酶反应、免疫系统第二章发酵液的预处理和固体分离一.预处理的目的:促进从悬浮液中分离固形物的速度,提高固液分离的效率:①改变发酵液的物理性质,包括增大悬浮液中固体粒子的尺寸,降低液体黏度。

②相对纯化,去除发酵液中的部分杂质(高价无机离子和杂蛋白质),以利于后续各步操作。

③尽可能使产物转入便于后处理的一相中(多数是液相)二.发酵液预处理的方法：1.降低液体的粘度：常用方法有加水稀释和加热处理。

2.调节PH：直接影响发酵液中某些物质的电离度和电荷性质,3.凝聚：改变细胞、细胞碎片及溶解大分子物质的分散状态，使其聚结成较大的颗粒，便于提高过滤速率。

《生物分离工程》课程（09123）教学大纲一、课程基本信息（宋体五号加粗）课程中文名称：生物分离工程课程代码：09123学分与学时：52学时，3学分课程性质：专业必修授课对象：生物工程专业（本科）二、课程教学目标与任务《生物分离工程》是为生物工程本科专业学生开设的一门专业必修课，是本专业的一门主干课程。

本课程主要讲授各种生物活性物质中各种杂质的去除、分离、纯化和精制技术，是生物工程中不可缺少的组成部分，通过对本课程的学习，能使学生针对不同产品的特性，较好地运用各种分离技术来设计合理的提取、精制的工艺路线，并能从理论上解释各种现象，提高分析问题和解决问题的能力，是一门理论和实践密切结合的课程。

三、学时安排四、课程教学内容与基本要求第一章绪论（2学时）教学目的：了解生物分离工程的特点。

基本要求：掌握生物分离工程在生物工程领域的地位，生物分离过程的特点以及生物分离过程的分类。

重点与难点：准确理解生物分离过程的特点教学方法：多媒体教学主要内容：一、生物分离工程的历史及其应用二、生物分离工程在生物技术中的地位三、生物分离工程的特点四、生物分离一般步骤第二章生物分离的理论基础（4学时）教学目的：使学生了解生物分离的理论基础基本要求：了解生物分离的基本理论基础，掌握分离效率的评价标准。

重点与难点：分离机理、分离效价的评价标准教学方法：多媒体讲授主要内容：一、分离机理二、分离操作三、分离效价的评价第三章过滤（4学时）教学目的：学习并掌握发酵液过滤的基本理论基本要求：掌握过滤前物料预处理的基本方法，过滤的基本理论及相关方程，了解连续旋转式真空抽滤机的操作原理与过程，以及过滤设备的基本结构及选择原则。

重点与难点：准确理解过滤的基本理论及相关方程、过滤设备的基本结构与选型。

教学方法：多媒体课件教学与课堂讨论相结合主要内容：一、过滤的基本概念二、过滤前物料的前处理1、加热（Heating）——降低液体粘度2、凝聚和絮凝三、影响凝聚作用的主要因素四、絮凝作用五、常用的絮凝剂六、助滤剂七、过滤理论八、连续旋转式过滤机九、过滤设备及其结构十、过滤介质十一、典型的过滤设备1、板框压滤机2、旋转过滤机第四章离心与沉降（4学时）教学目的：掌握离心和沉降的基本原理基本要求：掌握颗粒沉降的计算，了解各种分离沉降设备的种类、结构和原理，离心分离过程的放大方法。

生物分离工程复习题第一章导论一解释名词生物下游加工过程（生物分离工程），生物加工过程二简答题1 生物产品与普通化工产品分离过程有何不同？（生物下游加工过程特点是什么？生物分离工程的特点是什么？）2 生物分离工程在生物技术中的地位？3 分离效率评价的主要标准有哪些？各有什么意义？4 生物分离工程可分为几大部分，分别包括哪些单元操作？（简述或图示分离工程一般流程及基本操作单元）5 在设计下游分离过程前，必须考虑哪些问题方能确保我们所设计的工艺过程最为经济、可靠？6 下游加工过程的发展趋势有哪些方面？7 纯化生物产品的得率是如何计算的？若每一步纯化产物得率为90%，共6步纯化得到符合要求产品，其总收率是多少？第二章发酵液预处理一解释名词凝聚，絮凝，凝聚剂，过滤，离心，细胞破碎，包含体二简答题1 为什么要进行发酵液的预处理？常用处理方法有哪几种？2 凝集与絮凝过程有何区别？如何将两者结合使用？常用的絮凝剂有哪些？3 发酵液预处理中凝聚剂主要起什么作用？絮凝机理是什么？4 细胞破碎的方法包括哪几类？工业上常用的方法有哪些？为什么？5 沉降与离心的异同？6 离心设备可分为哪两大类？按分离因子Fr不同，离心机一般分为哪几类？7 常用的离心沉降设备有哪些？常用的过滤设备有哪些？8 固-液分离主要包括哪些方法和设备？9 试比较固液分离中过滤和离心分离技术的特点。

10 高压匀浆与高速珠磨破碎法各有哪些优缺点？11 比较工业常用的过滤设备优缺点。

离心与过滤各有什么优缺点？第三章沉淀与结晶一解释名词沉淀，结晶，盐析，盐溶，盐析结晶，盐析沉淀，硫酸铵饱和度，晶种，晶核，晶型, 饱和溶液，过饱和溶液，饱和度二简答题1 根据加入沉淀剂的不同沉淀分离主要包括哪几类？）2 常用的蛋白质沉淀方法有哪些？有机溶剂沉淀蛋白质的机理什么？用乙醇沉淀蛋白质时应注意哪些事项？3 影响盐析的主要因素有哪些？在工艺设计中如何应用？4 如何确定盐析过程中需要加入硫酸铵的量？5 简述有机溶剂沉淀的原理。

《生物分离工程》教学大纲课程名称：《生物分离工程》Bioseparation Engineering课程性质: 必修适用专业、年级：生物工程专业三年级开课系及教科组：生物工程系生物分离工程教研室学分数：3总学时数：48要求先修课程：《生物化学》、<<物理化学>> 、《化工原理》教材：《新编生物工艺学》下册参考教材：1. 曹学君著，《现代生物分离工程》，华东理工大学出版社，上海，2007年1月1.严希康著，《生化分离工程》，化学工业出版社，北京，2001年2月2.孙彦著，《生物分离工程》，化学工业出版社，北京，2005年3月3.欧阳平凯，胡永红著，《生物分离原理及技术》，化学工业出版社，北京，2006年2月4.谭天伟著，《生物分离技术》，第二版，化学工业出版社，北京，2007年8月5.朱志强著，《超临界流体萃取技术原理》，化学工业出版社，北京，2001年8月7. Industrial Bioseparations: Principles and Practice，By Daniel Forciniti，Publish Date:2007-12-318. Principles of Bioseparations Engineering，By Raja Ghosh，Publish Date: 2006-10-319 Bioseparation Engineering: A Comprehensive Dsp Volumen，Paperback - 2009)，byAjay Kumar，Abhishek Awasthi10. Process Scale Bioseparations for the Biopharmaceutical Industry，By Abhinav A.Shukla, Mark R. Etzel, Shishir Gadam，Publication Date: 2006-07-07一、本课程的地位、作用和任务：生物分离工程是生物工程专业重要的专业必修课，重在培养学生的工程应用能力与专业技术能力。

第一章绪论一、生物分离工程在生物技术中的地位？生物技术的主要目标是生物物质的高效生产，而分离纯化是生物产品工程的重要环节。

因此，生物分离是生物技术的重要组成部分。

生物分离工程是生物技术的下游技术，用于目标产物的提取、浓缩、纯化以及成品化。

二、生物分离工程的特点是什么？1．产品丰富，产品的多样性导致分离方法的多样性2．绝大多数生物分离方法来源于化学分离3．生物分离一般比化工分离难度大三、生物分离工程可分为几大部分，分别包括哪些单元操作？生物分离过程一般分四步：1.固-液分离（不溶物的去除）离心、过滤、细胞破碎，目的是提高产物浓度和质量2.浓缩（杂质粗分）离子交换吸附、萃取、溶剂萃取、反胶团萃取、超临界流体萃取、双水相萃取以上分离过程不具备特异性，只是进行初分，可提高产物浓度和质量。

3．纯化色谱电泳沉淀以上技术具有产物的高选择性和杂质的去除性。

4．精制结晶干燥四、在设计下游分离过程前，必须考虑哪些问题方能确保我们所设计的工艺过程最为经济、可靠？（1）产品价值（2）产品质量（3）产物在生产过程中出现的位置（4）杂质在生产过程中出现的位置（5）主要杂质独特的物化性质是什么（6）不同分离方法的技术经济比较上述问题的考虑将有助于优质、高效产物分离过程的优化。

五、生物分离效率有哪些评价指标？1.目标产品的浓缩程度——浓缩率m2．系数α回收率REC第二章细胞分离与破碎一、细胞破碎的目的意义由于有许多生化物质存在于细胞内部，必须在纯化以前将细胞破碎，使细胞壁和细胞膜受到不同程度的破坏（增大通透性）或破碎，释放其中的目标产物，然后方可进行提取。

二、细胞破碎方法的大致分类破碎方法可归纳为机械破碎法和非机械破碎法两大类，非机械破碎法又可分为化学（和生物化学）破碎法和物理破碎法。

1．机械破碎处理量大、破碎效率高速度快，是工业规模细胞破碎的主要手段。

细胞的机械破碎主要有高压匀浆、研磨、珠磨、喷雾撞击破碎和超声波破碎等。

2．化学（和生物化学）渗透破碎法（1）渗透压冲击法（休克法）（2）酶溶（酶消化）法3．物理破碎法1）冻结－融化法（亦称冻融法）（2）干燥法空气干燥法真空干燥法冷冻干燥法喷雾干燥法三、化学渗透法和机械破碎法相比有哪些优缺点？化学渗透破碎法与机械破碎法相比优点：化学渗透破碎法比机械破碎法的选择性高，胞内产物的总释放率低，特别是可有效地抑制核酸的释放，料液的粘度小，有利于后处理过程。

生物分离工程复习资料生物技术：有机体的草所和应用有机体生产有用物质，改善人类生存环境的技术。

初级分离：从菌体发酵液，细胞培养液，胞内提取物及其他各种生物原料初步提取目标产物，使目标产物得到浓缩的初步分离和初步分离的下游加工过程。

等电点沉淀：利用蛋白质在PH值等电点的溶液中溶解度下降的原理进行沉淀分级的方法。

泡沫分离：根据表面吸附的原理，利用通气鼓泡在液相中形成的气泡为载体对液相中的溶质或颗粒进行分离。

色谱：根据混合物中的溶质在两相之间分配行为的差别引起的随流动相移动速度的不同进行分离的方法。

离子交换色谱:利用离子交换机为固定相，是根据荷电溶质与离子交换剂之间静电互相作用力的差别进行溶质分离的洗脱色谱法。

二维电泳：同时利用分子尺寸和等电点这两种性质的差别进行蛋白质等生物大分子的分离，即将普通凝胶电泳和IEF相结合，是溶质在二维平面上得到分离。

结晶：从液相或气相生成形状一定，分子（或原子，离子）有规律排列的晶体的现象。

生物分离的特点？答：（1）生物物质的生物活性大多是在生物体内的温和条件下维持并发挥作用的，当遇到高温，PH值的改变以及某些化学药物存在等周围环境的急剧变化时极不稳定，容易发生活性降低甚至丧失。

（2）用作医药，视频和化妆品的生物产物与人类息息相关。

因此，要求分离纯化过程必须除去原料液中含有的热原及具有免疫原性的异体蛋白质等有害人类健康的物质。

（3）原料液中常存在与目标分子在结构，构成成分等理化性质上极其相似的分子及异构体，形成用常法难于分离的混合物，因此，一般需要利用具有高度选择性的分子识别技术或高压液相色谱技术纯化目标产物。

（4）原料液中目标产物的浓度一般比较低，有时甚至是极微量的，因此，往往需要从庞大体积的原料液中分离纯化目标产物，即需要对原料液进行高度浓缩。

在选择盐析的无机盐时，对盐的要求？答：（1）各种盐的盐析效果（2）溶解度大，能配置高离子强度的盐浓度（3）溶解度受温度的影响小，便于在低温下进行演习操作（4）盐溶液密度不高，以便蛋白质沉淀的沉降或离心分离生物分离时对膜的要求？答：（1）起过滤作用的有效膜厚度小，超滤和微滤膜的开孔率高，过滤阻力小。

生物分离工程部分知识点生物分离效率三个指标：分离纯化浓缩程度，纯化倍数，回收率。

生物分离工程：从发酵液、酶反应液或动/植物细胞培养液中将目标产物提取、浓缩、分离、纯化和成品化的过程。

机械破碎法：固体剪切法(珠磨法、压榨法、撞击法) 液体剪切法（高压匀浆法、超声波破碎）工业常用方法：高压匀浆法、高速珠磨法。

优缺点：高压匀浆优点是细胞经历了高速造成的剪切、碰撞、高压到常压的变化，从而造成细胞破碎。

缺点是较容易造成堵塞的丝状真菌、放线菌以及较小的G+菌不适合用本法。

高压匀浆一般需多级循环操作，每次循环前需要进行级间冷却。

主要能耗是高压和维持低温操作能量消耗。

高速珠磨破碎法：破碎率与能耗成正比。

增加装珠量或延长破碎时间或增加转速均可提高破碎率，但同时能量消耗和产热增加，提高了制冷费和总能源消耗量。

当破碎率≥80%，能耗急剧增加。

超声波破碎：有效能量利用率低，冷却要求苛刻。

①常用的蛋白质沉淀方法有：盐析沉淀（硫酸铵，低温）、等电点沉淀、有机溶剂沉淀（丙酮/乙醇等有机溶剂）及热沉淀法等。

②有机溶剂沉淀蛋白质的机理是：向蛋白质溶液中加入有机溶剂，水的活度降低。

随着有机溶剂溶度的增大，水对蛋白质分子表面荷电基团的水化程度降低，液体的介电常数下降，蛋白质分子间的静电引力增大，从而凝聚和沉淀。

盐析的主要因素有无机盐的种类，浓度，温度和pH值。

lgS=-β—KsI。

盐的种类影响KS值，离子半径小而带电荷较多的阴离子盐析效果好。

温度和pH值影响β，在高离子强度溶液中，温度上升，有利于某些蛋白质失水，因此温度升高，蛋白质溶解度下降。

pH值接近蛋白质等电点有利于提高盐析效果。

水相pH值对弱电解质分配系数具有显著影响。

物理萃取时，弱酸性电解质的分配系数随pH值降低而增大，弱碱性电解质随pH值降低而减少。

弱电解质在水相中发生不完全解离，仅仅是游离酸或游离碱在两相产生分配平衡，而酸根或碱基不能进入有机相，所以萃取达到平衡状态时，一方面弱电解质在水相中达到解离平衡，另一方面，未解离的游离电解质在两相中达到分配平衡。