【正文】 生化分離技術(shù) 生化系生物學教研室 授課內(nèi)容 第一章 緒論 授課時間 4 學時 教學目的 熟悉生物物質(zhì)的概念、種類和來源； 了解分離純化技術(shù)及其基本原理 ； 熟悉分離純化工藝的優(yōu)化、放大和驗證工作； 掌握分離純化的特點與一般步驟 ； 了解生物分離純化技術(shù)的發(fā)展歷史； 熟悉生物分離純化技術(shù)的發(fā)展趨勢。 教學重點 生物物質(zhì)的概念、種類和來源；分離純化工藝的優(yōu)化、放大和驗證工作；分離純化的特點與一般步驟 ； 生物分離純化技術(shù)的發(fā)展趨勢。 教學難點 分離純化技術(shù)及其基本原理 ；分離純化工藝的優(yōu)化、放大和驗證工作 。 教學 課型 新授 教學方法 講授法 第一節(jié) 生物分離與純化的概念與原理 一、 生物物質(zhì)的概念、種類和來源 ：氨基酸及其衍生物類、活性多肽類、蛋白質(zhì)、酶類、核酸及其降解物、糖、脂類、動物器官或組織制劑、小動物制劑、菌體制劑 。 ： 動物器官與組織、植物器官與組織、微生物及其代謝產(chǎn)物、細胞培養(yǎng)產(chǎn)物、血液、分泌物及其代謝物 二、生物分離純化概念 指從發(fā)酵液、動植物細胞培養(yǎng)液、酶反應液或動植物組織細胞與體液等中分離、純化生物產(chǎn)品的過程。 三、生物分離純化技術(shù) 生物技術(shù) 上游：基因工程、細胞工程、酶 工程、發(fā)酵工程及組織工程； 下游：生物產(chǎn)品的回收 ——生物分離與純化技術(shù)，主要包括離心技術(shù)、細胞破碎技術(shù)、萃取技術(shù)、固相析出技術(shù)、色譜技術(shù)和膜分離技術(shù)等。 四、分離純化基本原理 有效識別混合物中不同組分間物理、化學和生物學性質(zhì)的差別，利用能夠識別這些差別的分離介質(zhì)或擴大這些差別的分離設(shè) 備來實現(xiàn)組分間的分離或目標產(chǎn)物的純化。 原理 分離純化技術(shù) 產(chǎn)物舉例 帶電性 電泳 離子交換色譜 等電點沉淀 蛋白質(zhì)、核酸、氨基酸 氨基酸、有機酸、抗生素、蛋白質(zhì)、核酸 蛋白質(zhì)、氨基酸 化學性質(zhì) 電滲析 離子交 換色譜 親和色譜 氨基酸、有機酸、鹽、水 氨基酸、有機酸、抗生素、蛋白質(zhì)、核酸 蛋白質(zhì)、核酸 生物功能特性 親和色譜 疏水色譜 蛋白質(zhì)、核酸 蛋白質(zhì)、核酸 原理 分離純化技術(shù) 產(chǎn)物舉例 分子大小、形狀 離心 超濾 微濾 透析 電滲析 凝膠色譜 菌體、細胞碎片、蛋白質(zhì) 蛋白質(zhì)、多醣、抗生素 菌體、細胞 尿素、鹽、蛋白質(zhì) 氨基酸、有機酸、鹽、水 鹽、分子大小不同的蛋白質(zhì) 溶解度、揮發(fā)性 萃取 鹽析 結(jié)晶 蒸餾 等電點沉淀 有機溶劑沉淀 氨基酸、有機酸、抗生素、蛋白質(zhì)、香料 蛋白質(zhì)、核酸 氨基 酸、有機酸、抗生素、蛋白質(zhì) 乙醇、香精 蛋白質(zhì)、氨基酸 蛋白質(zhì)、核酸 第二節(jié) 分離純化策略 一、生物分離純化技術(shù)的特點 、分離純化困難 、工藝復雜 、操縱要求嚴格 二、 分離純化方法選擇的原則 、工藝流程盡量簡單化； ； ； ； ； 程序等技術(shù)文件； 三、分離純化的原材料選擇與成品保存 (1)來源 (2)與目標產(chǎn)物含量相關(guān)的因素 ①合適的生物品種 ②合適的組織器官 ③生物材料的種屬特異性 ④合適的生長發(fā)育階段 ⑤合適的生理狀態(tài) 天然生物材料需要處理的原因 ①細胞自溶導致目標產(chǎn)物失活或降解； ②易受微生物污染導致目標產(chǎn)物失活或降解。 ③易受光照 、氧氣等的作用導致其分子結(jié)構(gòu)改變。 一般植物材料需進行適當?shù)母稍锖笤俦４妫瑒游锊牧闲杞?jīng)清洗后速凍、有機溶劑脫水或制成 丙酮粉在低溫下保存。 (1)影響生物產(chǎn)品保存的主要因素 ①空氣②溫度③水分④光線⑤ pH⑥保存期 (2)蛋白質(zhì)和酶制品的保存方法 ①低溫下保存②制成干粉或結(jié)晶保存③保存時添加保護劑 四、分離純化的準備工作 五、分離純化的基本步驟 六、分離純化技術(shù)的綜合運用與工藝放大 一種合格產(chǎn)品要運用多種分離設(shè)備和技術(shù)進行純化，原因為： ①在每個工序中根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備條件和目標產(chǎn)物的性質(zhì)、規(guī)格、用途不同 可采用多種分離純化手段； ②每種分離純化操作本身各項影響加工效果的因素都直接影響分離純化的效果和成本； ③各工序間具有復雜的相互影響作用。 、半制品成品上的檢測方法是工藝優(yōu)化的前提 ，處理好收率、純度、經(jīng)濟性之間的平衡 應將處理體積大、加工成本低的工序盡量前置，而價格昂貴、精制工序易放在工藝流程的后段。隨產(chǎn)物純度的提高，對工藝流程下游加工所用的設(shè)備、試劑的要求亦提高。 七、分離純化的中試放大 ①確定并系統(tǒng)鑒定了生物材料的資源 ②目 標產(chǎn)物的收率穩(wěn)定即重復性好，質(zhì)量可靠 ③工藝路線和操作條件已經(jīng)確定，并且已經(jīng)建立了原料、半制品、產(chǎn)品的的分析檢測方法 ④已經(jīng)進行過物料平衡預算，并且建立了 “三廢 ”的處理和監(jiān)測方法 ⑤確立了中試規(guī)模及所需原材料的規(guī)格和數(shù)量 ⑥建立了教完善的安全生產(chǎn)預警措施和方法 (1)進一步確定生產(chǎn)中所需原輔料的規(guī)格和來源 (2)進一步確定生產(chǎn)設(shè)備的選型與設(shè)備材料的質(zhì)量 (3)進一步確定分離純化操作的條件限度 (4)研究和建立原輔材料、中間體及產(chǎn)品質(zhì)量的分析方法和手段 經(jīng)驗放大法、相似放大法、數(shù)學模型放大法、步步為營法、一竿子插到底法 ①工藝路線及各工序操作步驟 ②設(shè)備材質(zhì)與型號的選擇 ③原輔材料、中間體的質(zhì)量標準 ④操作條件 ⑤物料衡算 ⑥安全生產(chǎn)與 “三廢 ”防治 ⑦原輔材料、中間體及產(chǎn)品的理化和生物學測定 ⑧消耗定額、原料成本、操作工時與生產(chǎn)周期等的計算 八、生物藥品生產(chǎn)工藝的驗證 證明任何程序、生產(chǎn)過程、設(shè)備、物料、活動或系統(tǒng)確實能達到預期結(jié)果的有文件明的一系列活動。 設(shè)備與廠房和公用設(shè)施驗證、工 藝驗證、清潔驗證、分析方法驗證、計算機驗證 ①關(guān)鍵工藝步驟的驗證 ②關(guān)鍵工藝參數(shù)的驗證 ③工藝一致性驗證 第三節(jié) 生物分離純化技術(shù)的發(fā)展 一、生物分離純化技術(shù)的發(fā)展歷史 包括釀酒、制醬 (油 )、醋、酸奶和干酪等，都是家庭作坊式的，產(chǎn)物基本不經(jīng)過后處理而直接使用。 （第一代生物技術(shù)產(chǎn)品） 主要指 19 世紀 60 年代到 20 世紀 40 年代青霉素等抗生素出現(xiàn)之前的生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)。 (傳統(tǒng)第二代生物技術(shù)產(chǎn)品 ) 以青霉素產(chǎn)品的出現(xiàn)為代表。 這一時期的特點是產(chǎn)品類型多，分子結(jié)構(gòu)較為復雜，對分離純化提出了更高要求。這期間引進吸收了大量的近代化學工業(yè)的分離技術(shù)，據(jù)報道有 80％的化工單元操作技術(shù)被引進生物工業(yè)。 4. 快速發(fā)展時期 (第三代生物技術(shù)產(chǎn)品 ) 一般認為以 20 世紀 70 年代末崛起的 DNA 重組技術(shù)及細胞融合技術(shù)為代表。如乙肝疫苗、干擾素等一批對人類十分有益的高附加值的產(chǎn)品開始面世，生物下游技術(shù)領(lǐng)域的研究和開發(fā)力度不斷加大，推出新技術(shù)。 二、生物分離純化技術(shù)的發(fā)展趨勢 、老技術(shù)的相互交叉、滲透和融合 化過程的影響 ，簡化分離純化過程 本章作業(yè) 生物分離工程在生物技術(shù)中的地位？ 生物分離工程的特點是什么？ 生物分離工程可分為幾大部分，分別包括哪些單元操作？ 在設(shè)計下游分離過程前，必須考慮哪些問題方能確保我們所設(shè)計的工藝過程最為經(jīng)濟、可靠？ 教學后記 生化分離技術(shù) 生化系生物學教研室 授課內(nèi)容 第二章 過濾 授課時間 4 學時 教學目的 了解過濾的概念 掌握過濾的基本形式 了解凝聚和絮凝的區(qū)別 了解常用的絮 凝劑有哪些 了解過濾設(shè)備分類 了解常用過濾設(shè)備及其特點 教學重點 過濾的基本形式 凝聚和絮凝的區(qū)別 常用的絮凝劑有哪些 過濾設(shè)備分類 教學課型 新授 教學方法 講授法 一、過濾的基本概念 過濾是在某一支撐物上放過濾介質(zhì)，注入含固體顆粒的溶液，使液體通過，固體顆粒留下，是固液分離的常用方法之一。 二、過濾前物料的前處理 通常發(fā)酵液和生物溶液是高粘度的和非牛頓流體，是很難過濾的，為了加快過濾速度，通?？刹捎靡韵路椒ǎ? 加熱（ Heating） ——降低液體粘度 凝聚和絮凝（ Coagulation and flocculation） ——在電介質(zhì)作用下，破壞溶質(zhì)膠體顆粒表面的雙電層，破壞膠體系統(tǒng)的分散狀態(tài)，使膠體粒子聚集的過程 三、影響凝聚作用的主要因素 簡單電解質(zhì)降低膠體間的排斥力。從而范德華引力起主導作用，聚合成較大的膠粒，粒子的密度越大，越易分離。 無機鹽的種類 無機鹽的化合價 無機鹽的用量 常用的凝聚劑有： Al2(SO4)(H2O)，(H2O) ， FeCl3 ，ZnSO4， MgCO3 四、絮凝作用(Flocculation) 概念：指在某些 高分子絮凝劑存在下，在懸浮 粒子之間發(fā)生架橋作用而使膠粒形成粗大的絮凝團的過程 合成助濾劑既降低靜電斥力又吸附周圍的微粒，形成橋架作用。膠粒過大，就發(fā)生絮凝，低密度聚合的膠粒，容易過濾。聚合電解質(zhì)有陽離子型、陰離子型或非離子型。 六、常用的絮凝劑 天然聚合物 多糖類物質(zhì)、海藻酸鈉、明膠等 人工合成聚合物 聚丙烯酰胺類衍生物、聚苯乙烯類衍生物、聚丙烯酸類等 六、助濾劑 目的：助濾劑是一種具有特殊性能的細粉或纖維，它能使某些難以過濾的物料變得容易過濾 常用的助濾劑： 硅藻土（ Diatomaceous earths） 珍珠巖（ Perlites） 七、過濾設(shè)備及其結(jié)構(gòu) 過濾設(shè)備的分類 根據(jù)推動力的不同可分為四類 （ a）重力過濾 自然過濾 （ b）加壓過濾 板框過濾 （ c）真空過濾 真空過濾器 （ d）離心過濾 離心過濾器 八、過濾介質(zhì) 無定形顆粒：顆?；钚蕴俊⑸?、無煙煤 成形顆粒：燒結(jié)金屬、燒結(jié)塑料 非金屬織物：尼龍、玻璃纖維 金屬織物：不銹鋼絲網(wǎng) 無紡品：紙、石棉 九、典型的過濾設(shè)備 板框壓濾機 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、過濾面積大、操作壓力高、適用范圍廣 缺點：設(shè)備笨重、間歇操作、勞動強 度大、輔助時間長 旋轉(zhuǎn)過濾機 可實現(xiàn)連續(xù)操作 本章作業(yè) 何謂過濾 過濾的基本形式 凝聚和絮凝的區(qū)別 常用的絮凝劑有哪些 過濾設(shè)備分類 常用過濾設(shè)備及其特點 教學后記 生化分離技術(shù) 生化系生物學教研室 授課內(nèi)容 第三講 離心與沉降 授課時間 2 學時 教學目的 通過本章學習應該掌握的內(nèi)容 何謂沉降 沉降與離心的異同 沉降與離心的速度方程 離心設(shè)備可分為哪兩大類 教學重點（難點） 沉降與離心的異同 沉降與離心的速度方程 教學課型 新授 教學方法 講授 法 一、離心的概念 基于固體顆粒和周圍液體密度存在的差異，在離心場中使不同密度的固體顆粒加速沉降的分離過程 實際上離心和過濾一樣，也是固液分離的一種單元操作 對于一些固體顆粒小、溶液粘度大的生物體系，過濾實際上是很難進行的，必須采用離心技術(shù)方能達到目的 二、沉降的概念 沉降：是指當懸浮液靜置時，密度較大的固體顆粒在重力的作用下逐漸下沉，這一過程成為沉降 沉降過程通常是十分緩慢的，對于一些固液密度差異很小的體系沉降往往需要很長時間 三、沉降速率方程 當一固體微粒通過連續(xù)介質(zhì)時，它的運動速度受到兩種力的作用 ： 由于密度差引起的浮力 微粒受到的流體阻力 四、重力沉降式液固分離設(shè)備 特點： 設(shè)備簡單、運行成本低、能耗低 體積龐大、分離效率低 傳統(tǒng)的沉降設(shè)備： （ a）矩形水平流動池 （ b）圓形徑向流動池 （ c）斜板與斜管式沉淀池 五、離心式沉降分離 分類： （ a）離心沉降 （ b）離心過濾 離心沉降 利用懸浮液或乳濁液中密度不同的組分在離心力場中迅速沉降分層，實現(xiàn)固液分離 操作方式：間歇式、連續(xù)式 型式：管式、套筒、碟片式 （ 1）管式離心機（ Tubular bowl） （ 2）碟片式離心機（ Disc type centrifuge.） 離心過濾 使懸浮液在離心力場作用下產(chǎn)生的離心力壓力，作用在過濾介質(zhì)上，使液體通過過濾介質(zhì)成為濾液，而固體顆粒被截留在過濾介質(zhì)表面，從而實現(xiàn)固液分離，是離心與過濾單元操作的集成，分離效率更高 常見的離心過濾設(shè)備 （ a）三足式離心機 是 最常見的過濾式離心機 ，立式有孔轉(zhuǎn)鼓懸掛于三根支足上故而得名