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《生物分离工程》课程笔记第一章绪论一、生物分离工程的历史及应用1. 历史生物分离工程的历史可以追溯到古代酿酒和面包制作时期，但作为一个独立领域的发展始于20世纪。
早期的生物分离技术主要依靠自然现象，如沉淀、结晶等。
随着科技的发展，尤其是生物技术的崛起，生物分离工程逐渐形成一门独立的学科，并得到了迅速发展。
2. 应用生物分离技术在医药、食品、农业、环境保护等领域有广泛的应用。
例如，在疫苗生产中，需要从细胞培养液中分离出病毒或细菌；在抗生素提取中，需要从发酵液中提取抗生素；在蛋白质纯化中，需要从混合蛋白质中分离出目标蛋白质；在果汁澄清中，需要去除果汁中的悬浮固体等。
二、生物分离过程的特点1. 复杂性生物分离过程涉及生物大分子（如蛋白质、核酸、多糖等）的分离和纯化，这些生物大分子在结构和性质上具有很高的复杂性，因此生物分离过程也具有较高的复杂性。
2. 多样性生物分离过程中，针对不同的生物大分子和混合物，需要采用不同的分离方法和工艺，因此生物分离过程具有很高的多样性。
3. 灵敏度生物大分子在分离过程中容易受到外界因素的影响，如温度、pH值、离子强度等，因此生物分离过程需要严格控制条件，具有很高的灵敏度。
4. 易失活性生物大分子在分离过程中容易发生变性、降解等失活现象，因此生物分离过程需要尽量减少这些失活现象的发生。
5. 高价值生物大分子往往具有很高的经济价值，如药物、生物制品等，因此生物分离过程需要高效、高收率地分离目标物质，以满足市场需求。
第二章过滤一、过滤基本概念及预处理1. 过滤基本概念过滤是一种基于孔径大小实现固体与流体分离的技术。
在生物分离工程中，过滤技术被广泛应用于细胞培养液、发酵液、酶反应液等混合物的初步分离和纯化。
过滤过程中，混合物通过过滤介质（如滤纸、滤膜等），固体颗粒被拦截在过滤介质上，而流体则通过过滤介质流出，从而实现分离。
2. 预处理为了提高过滤效率，通常需要对混合物进行预处理。
生物分离工程复习纲要--裴武第一章绪论1.生物分离工程在生物技术中的地位？答: 生物技术的重要目的是运用培养微生物、动物细胞、植物细胞来生产对人有用的产品, 而分离纯化过程是生物产品工程的重要环节。
因此, 生物分离工程是生物技术的重要组成部分, 是生物技术转化为生产力所不可缺少的重要环节, 在生物技术研究和产业发展中发挥着重要作用, 其技术进步限度对于保持和提高各国在生物技术领域内的经济竞争力有至关重要的作用。
2.生物分离工程的特点是什么？答: 生物分离是从生物材料、微生物的发酵液、生物反映液或动植物细胞的培养液中分离并纯化有关产品（如具有药理活性作用的蛋白质等）的过程, 又称为下游加工过程。
生物工程的重要特点是生物制品多种多样; 常无固定操作方法可循;生物材料组成非常复杂, 分离操作环节多, 不易获得高收率; 培养液（或发酵液）中所含目的物浓度很低, 而杂质含量却很高; 分离进程必须保护化合物的生理活性; 生物活性成分离开生物体后, 易变性、破坏。
3.生物分离工程可分为几大部分, 分别涉及哪些单元操作？答: 生物分离工程可分为可分为不溶物的去除、产物分离、产品的纯化及产品的精制四大部分。
不溶物的去除涉及过滤、离心和细胞破碎, 通过这些单元操作使产物浓度和质量得到了提高。
产物分离涉及离子互换吸附、萃取等。
其中萃取又分为溶剂萃取、反微团萃取、超临界流体萃取和双水相萃取等。
以上分离过程不具有特异性, 只是进行初分可提高产物浓度和质量。
产品的纯化涉及色谱、电泳、沉淀等单元操作, 这些技术具有产物的高选择性和杂质的去除性。
产品的精制涉及结晶及干燥等单元操作。
4.在设计下游分离过程前, 必须考虑哪些问题方能保证我们所设计的工艺过程最为经济、可靠？答: 在设计下游分离过程前, 通常要注意以下几个问题:1)生物材料的组成成分非常复杂, 有数百种甚至更多, 各种化合物的形状、大小、相对分子质量和理化性质都各不相同, 有的迄今还是未知物, 并且这些化合物在分离时仍在不断的代谢变化中。
第一章绪论一、生物分离工程概述1.生物分离在生物技术中所占位置(1) 生物技术(biotechnology)所谓生物技术就是指有机体的操作（如：培养微生物、动物细胞、植物细胞）和利用有机体生产有用物质、改善人类生存环境的技术。
其主要目标是生物物质的高效生产。
因而，按上述定义，早在公元前428年就有了应用生物技术酿酒、制奶酪等的记载。
狭义生物技术的产物仅为化学产品，约有100年的历史。
(2)生物加工过程（bioprocess）即生物技术领域生物产品的生产过程，包括优良生物物种的选育、基因工程、细胞工程、生物反应过程（酶反应、微生物发酵、动植物细胞培养）及目标产物的分离纯化过程(3)生物技术的下游加工过程（downstream processing）：即目标产物的分离纯化过程，也就是生物分离工程因此，生物分离处于生物技术的下游加工过程。
(4)生物技术的上中下游上游：菌种选育，基因工程，分子生物学，遗传学中游：微生物发酵工程，动植物细胞，海洋生物培养——生物反应过程下游：生物分离工程(5) 获得产品的有效途径原料、预处理、生物反应、生物分离、产品工程2. 什么是生物分离工程（Bioseparation Engineering）？从微生物、动植物细胞及其生物化学产品中提取有用物质的技术，包括目标产物的提取（isolation）、浓缩（concentration）、纯化（purification）及成品化（product polishing）等过程。
生物分离工程的发展历史已经有几百年的历史了——最早的分离技术有蒸馏(从鲜花和香草料中提取天然的香料)、过滤等原始方法。
其特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。
分离过程的成本往往占整个生产过程成本的大部分。
而分离过程的质量往往决定整个生物加工过程的成败。
3.生物分离的应用（1）医药：抗生素、激素、维生素（2）食品：乳酪（3）化工：氨基酸（4）精细化工：化妆品、香料（5）农业：农药（6）生物：酶4.生物分离的历史生物分离工程的发展已经有几百年的历史了——最早的分离技术有蒸馏、过滤等原始方法如：从牛奶中提取奶酪；16世纪人们发明了用水蒸气蒸馏从鲜花与香草料中提取天然香料的方法；近代生物分离技术是在欧洲工业革命以后逐渐发展形成的最早的开发是由于发酵制酒精以及有机酸分离提取的需要；20世纪40年代初，开始出现大规模深层发酵生产抗菌素；近年来发展起来的利用基因工程菌生产人造胰岛素，人与动物疫苗等产品5．生物物质和生物分离（1）生物物质A. 种类繁多，包括小分子化合物、生物大分子、细胞、生物体组织等B. 来源：自然界存在的各种生物资源、生物反应过程生产的各种有用生物物质，如生物医药、疫苗、生物材料、食品添加剂、饲料、化妆品等等，其中与人类健康直接相关的治疗药物和疫苗是生物分离工程研究的重要内容。
高等生物分离工程知识点生化分离过程思考题：1. 生化分离工程是生化工程的一个重要组成部分，它是描述回收生物产品分离过程原理和方法的一个术语，指从发酵液或酶反应液或动植物细胞培养液中分离、纯化生物产品的过程。
2. 生物技术下游加工过程的一般步骤和单元操作:(1) 发酵液的预处理与固液分离选用的单元操作有限，一般选用过滤和离心的方法，有时也伴有沉降操作，错流过滤也较为常用。
对非外泌性产物，还需进行细胞破碎。
(2) 初步纯化（或称产物的提取）通过一个和几个单元操作以除去与目标产物性质有很大差异的杂质，提高了产物的浓度和质量。
单元操作如吸附、萃取和沉淀。
(3) 高度纯化（或称产物的精制）选用的单元操作有限，所用的技术对产物有高度的选择性，典型的单元操作有层析、电泳和沉淀等。
(4) 成品加工产物的最终用途和要求，决定了最终的加工方法，浓缩和结晶常常是操作的关键。
3. 生物分离工艺的总设计原则和细节是什么？总原则：保证目标产物的活性，保证高的回收率，工艺适度，设备适宜，提高效益细节要求：1）技术路线、工艺流程尽量简单化、集成化，尽量降低成本；2）将完整工艺划分为不同的操作单元；3）采用成熟技术与可靠设备；4）纯化开始前编写、备好书面标准操作程序等技术文件；5）适宜的检测方法。
4. 简述本课程所介绍的公用设施及设备。
1）洁净空气制备系统。
空气调节的目的主要是通风以及通过各种空气处理（如净化、加热或冷却、加湿或除湿等）来维持室内适宜的温度环境。
①洁净空气调节系统的组成：小规模、单分区洁净空气调节系统；中大规模、多分区洁净空气调节系统两类②空气净化和空气过滤器：由于不同的洁净室对洁净级别的要求不同，因此采用不同种类的空气过滤器，有初效中效高效静电过滤四种方式过滤器。
2）洁净室及洁净空气调节系统的测定①洁净室，包括乱流和层流洁净室②洁净室的物理指标和生物学指标：温度、相对湿度、噪度、照度、静压差、层流风速、换气次数。
⽣化分离⼯程电⼦版课本1-591 绪论1．1 ⽣物技术与⽣物分离⽣物技术(biotechnology)即有机体的操作和应⽤有机体⽣产有⽤物质、改善⼈类⽣存环境的技术。
1953年，Watson和Crick提出了脱氧核糖核酸(DNA)的双螺旋结构模型．阐明了DNA是⽣物遗传信息(基因)的携带者，开辟了现代分⼦⽣物学的新纪元，为⽣物技术及其产业的发展开辟了⼴阔的空间。
20世纪70年代，重组DNA(recombinant DNA，rDNA)技术[1]和蛔／蝗融合技术[：]相继建⽴，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，⽣物技术迎来了⽇新⽉异的⾼速发展阶段。
进⼊21世纪，⼈类基因组研究取得巨⼤成就，各染⾊体测序⼯作逐步完成[1]迎来了⽣物技术的后基因组时代，蛋⽩质组学L5]、药物基因组学、⽣物信息学和系统⽣物学研究蓬勃兴起．为⽣物技术的发展注⼈了巨⼤的⽣机和活⼒。
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(bioproduct engineering)的重要环节。
因此，⽣物分离(bloseparation)是⽣物技术的重要组成部分[61。
在⽣物技术领域，⼀般将⽣物产品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、基因⼯程、细胞⼯程、⽣物反应过程(酶反应、微⽣物发酵、动植物细胞培养等)及⽬标产物的分离纯化过程，后者⼜称下游加⼯过程(downstream processing)。
⽣物分离过程包括⽬标产物的提取(isolation)、浓缩(concentration)、纯化(purification)及成品化(product polishing)等过程．⽣物分离过程特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，其结果导致分离过程成本往往占整个⽣产过程成本的⼤部分[71。
例如，⼤多数⼯业酶(enzyme)的分离过程成本约占⽣产过程的?o％，⽽对纯度要求更⾼的医⽤酶如天冬酰胺酶(asparaginase)，分离过程成本⾼达⽣产过程的85％；基因重组蛋⽩质药物的分离过程成本⼀般占85％⼀90％以上．与此相⽐，⼩分⼦⽣物产物的分离成本较低，如青霉素的分离过程成奉约占50％，⽽⼄醇的分离过程成本仅占“％．因此，在⽣物⼤分⼦药物的⽣产过程中，分离过程的质量往往决定整个⽣物加⼯过程的成败。
第一章生物分离的一般步骤1、不溶物的去除（固液分离）——预处理包括过滤、离心、细胞破碎等，产物浓度和质量得到了提高。
2、产物提取（浓缩）产物初步纯化的过程。
将目标产物与性质差异较大的杂质分开，可大幅提高产物浓度。
往往多单元协同操作，如吸附、萃取、沉淀、超滤等。
以上分离过程不具备特异性，只是进行初分，除去主要杂质3、产品的纯化产物被高度纯化，除去与目标物性质接近的杂质。
采用的技术具有产物的高选择性和杂质的去除性，即可以除去微量的杂质。
如色谱、电泳、层析等。
4、产品精制将纯化的产品按要求制成商用成品。
按商品要求的用途、纯度、剂型等进行最后加工。
如结晶、喷雾干燥、冷冻干燥等。
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介质和能够扩大这些差别的分离设备，实现各种物质的分离，或使被分离的目的产物得以纯化。
第二章发酵液预处理的目的预处理的目的：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）。
发酵液预处理的方法1.加热法（Heating）2.调节悬浮液的pH值（Regulation of pH）3.助滤剂和反应剂（Filter aids and Reactant)4.杂蛋白的去除（Removal of useless protein）5.高价无机离子的去除（Removal of inorganicion）6.凝聚和絮凝（Coagulation and flocculation）凝聚：凝聚是指在电解质作用下，由于胶粒之间扩散双电层电位下降，电排斥作用降低，破坏胶体体系的分散状态，使之不稳定相互凝集成1mm左右块状凝聚体的现象。
顺序：生物分离工程概论——生物产品分析方法——细胞裂解与絮凝——过滤——沉降与离心——萃取——蒸发——液相色谱与吸附——沉淀——电泳——结晶——干燥——生物过程设计与经济性——生物物质的内在性质——整合生产与分离——质量传递——分离技术分析一、概论：基于氨基酸侧链性质选择纯化方法–表面富含酸性或碱性氨基酸的蛋白质可以选择吸附或电泳分离–许多含脂肪侧链氨基酸易于吸附或萃取到非极性分离介质中–半胱氨酸的硫氢基易于被固定化的金属汞结合分离–组氨酸与某些金属形成复合物，可用于吸附方法纯化的设计●初级代谢产物、培养基中磷水平与细胞能量这三者是次级代谢合成途径的重要调节因素蛋白质发生变化的分析方法①凝胶电泳：分子量变化，聚集，寡聚，解离②等电聚焦：脱酰氨基作用（酸基电离，电荷变化）③HPLC：纯度和结构蛋白质变性：温度——大多数蛋白开始变性的温度45~50℃，折叠结构和氢键被破环，二硫键仍然存在pH——pH会引起蛋白质变性，活性位点改变，甚至完全水解成氨基酸。
引起蛋白质聚集用于分离目的物质之性质：热稳定性；溶解度；扩散性、电荷、等电点pH、反应速率常数；分离热力学下游加工的四个阶段：除去或回收固体；分离产物；纯化；精制每个阶段包含一个或几个单元操作，单元操作是指一个分离过程以及相关的设备。
●单元操作按功能分类–液-固分离（脱水，浓缩，颗粒回收)–溶质-溶质分离（分离，纯化）–溶质-液分离（精制）●工程分析的基本原则：反应平衡、物料衡算、传递过程通量=传递系数*驱动力通量：单位时间单位面积的流量纯度：生物产品的量/生物产品的量+杂质的量比活：生物活性单位/生物产品的量得率=回收生物产品的量/进料中生物产品的量过程开发的准则：产物纯度；与得率相关的生产成本；可扩展性；实施的可重复性和可行性；对过程变化的可承受性二、生物产品的分析方法表征分析方法的有效性：精度、准确性、专一性、线性、幅度、鲁棒性精度：对分析可重复的测量准确性：测量值与真值的接近程度专一性：区别待分析物和其相似物的能力线性：产生和浓度成比例的响应幅度：样品的性质范围（温度，pH)，可接受的样品属性鲁棒性：可接受的操作条件生物产品的分析包括：生物活性分析、纯度分析、微生物分析生物活性分析包括：动物模型分析；细胞体系生物分析；体外生物化学分析等细胞体系生物分析的两类：细胞结合受体体系；细胞培养分析纯度分析方法：（电泳分析、高效液相色谱法HPLC、质谱、液质联用、紫外吸收、CHNO元素分析/AAA氨基酸分析、蛋白质分析、酶联免疫吸附测定ELISAs、气相色谱、干重）纯度分析的最强力的两种方法：电泳和色谱纯度分析能反映：一个产物化学反应的程度，副产物形成，纯化过程的效率，下游加工带来的杂质可能性电泳：在电场作用下，分子或微粒在静态流体中的运动。
第一章生物分离工程概述1.1生物分离在生物技术中所占位置1生化分离工程的定义：为提取生物产品时所需的原理、方法、技术及相关硬件设备的总称，指从发酵液、动植物细胞培养液、酶反应液和动植物组织细胞与体液等中提取、分离纯化、富集生物产品的过程。
2、单元操作：完成一道工序所需的一种方法和手段。
3、生物技术：即有机体的操作和应用有机体生产有用物质、改善人类生存环境的技术。
4、生物技术的目标：就是指利用培养微生物、动物细胞、植物细胞来生产对人有用的产品。
生物技术的主要目标是生物物质的高效生产，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。
5、狭义生物技术的产物仅为化学产品，约有100年的历史。
6、获得产品的有效途径：原材料、预处理、生物反应、生物分离、产物7、传统发酵与现代发酵比较1.2 生物物质和生物分离1.2.1 生物物质种类繁多，包括自然界存在的各种生物资源。
现代生物技术主要通过生物反应过程生产各种物质。
现代生物技术产品的主体是蛋白质药物。
1.2.2 生物分离过程1.3生物分离的特点：A生物工程的主要特点是生物制品多种多样。
产品的多样性导致分离方法的多样性。
B绝大多数生物分离方法来源于化学品的分离方法。
C生物分离一般比化工分离难度大。
a成分复杂,固体成分包括完整有机体、培养基及底物中的不溶物，液体成分包括底物可溶物、代谢中产物及目标产物。
b悬液中的目标产物浓度低.1.4生化产品的类型：按用途分类：食品类。
保健品类。
医用类产品。
农业用产品。
生物试剂类。
按分子量大小分类：Mass < 1000D：抗生素、有机酸、aa、多肽类等Mass > 1000D：酶、抗原、抗体、多肽、蛋白质类按发酵时目的产物所在的位置分类：cell内：胰岛素、白细胞介素、干扰素、重组蛋白质cell外：抗生素（青霉素、红霉素）、胞外酶（α-淀粉酶）等2.生物分离与一般化学分离方法的比较2.1、分离过程的分类：•机械分离（离心、过滤）•传质分离（平衡分离、速率分离）▪平衡分离—萃取、吸附、沉淀、结晶、层析等▪速率分离—膜分离、电渗析、透析2.2生物产品特点：①产物浓度低的水溶液(原因：a 氧传递限制；b 细胞量; c 产物抑制②组分复杂(a 大分子; b 小分子; c 可溶物; d 不可溶物; e 化学添加物③产物稳定性差( a 化学降解(pH , 温度); b 微生物降解（酶作用，染菌）④分批操作，生物变异性大⑤质量要求高（药品或食品）2.3生物产品要求高质量：纯度、卫生、生物活性分离过程的成本占产品总投资的大部分，因此必须仔细考虑和设计产品的回收和纯化过程。
