【正文】 質(zhì)不同的溶質(zhì)在分離操作中具有不同的 傳質(zhì)速率和（或）平衡狀態(tài) ，從而實行分離。 分批分離還是連續(xù)純化 對環(huán)境的考慮 1）、廢水 A、除菌過濾和滅菌處理； B、符合 BOD 的要求； 2）、廢料 A、滅菌處理； B、綜合利用：動物飼料、飼料添加劑，有機肥料 3）、廢氣 A、除菌過濾和滅菌處理； B、廢氣 （有機溶劑）回收 4）、溶劑的回收 A、減少環(huán)境排放，減少污染； B、循環(huán)利用，減低成本 生物分離一般包括四步： A 不容物的去除： 過濾，離心，細胞破碎 B 產(chǎn)物分離： 離子交換，萃取 （ c 超臨界流體萃取 d. 雙水相萃?。?以上分離過程不具備特異性，只是進行初分，可提高產(chǎn)物濃度和質(zhì)量。重組 DNA 工程菌不能任意排放。萃取試劑 CCl甲苯、苯、二甲苯、 CNBr。 (2)、目的產(chǎn)物本身的危害性；抗腫瘤代謝 類藥物，類固醇類抗生素，激素類藥物等。 (5) 微生物的含量和發(fā)酵液的黏度。 (3) 目的產(chǎn)物的定位。設(shè)計親和色譜； (8)、 穩(wěn)定性 及其影響因素，包括溫度、 pH 值、毒性試劑等 (如青霉 素低 pH 不穩(wěn)定 )； (9)、 分子的淌度 及影響因素，包括 pH 值、離子強度和鹽等； (10)、 等電點 pI 成品規(guī)格（或產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準 ） 表 五肽胃泌素的上海市藥品標(biāo)準（ 1993 年版 32 頁） 指標(biāo)名稱 指標(biāo) 含量（ C37H49N7O9S） 比旋光度 25? ~ 29? 吸收值比 A(280nm):A(288nm) = 氨基酸 各氨基酸之比為 1 干燥失重， % 進料的組成和物性 (1) 目的產(chǎn)物的濃度。對于熱穩(wěn)定的小分子物質(zhì)非常有意義； (4)、 極性大小 ； (5)、 分子電荷 及影響因素，包括 pH 值和鹽等； (6)、 功能團 。 設(shè)計前應(yīng)了解的信息： 在設(shè)計前，首先要掌握的 產(chǎn)物物化性質(zhì) ，主要包括： (1)、 溶解度 及影響因素，包括溫度、 pH 值、有機溶劑和鹽等； (2)、 分子量和分子形狀 。 A)、引起新的化學(xué)污染； B)、蛋白質(zhì)的變性失活 5)、 合理的分離步驟次序 。意義？ 分離步驟越多，回收率越低；如 φ 10 = = ， φ 5 = = B)、分離步驟多，設(shè)備投入大，人員物資消耗大，生產(chǎn)周期長 How ? 3)、避免 相同原理的分離技術(shù) 多次重復(fù)出現(xiàn) 比如，分子篩和超濾技術(shù)按分子量大小分離，重復(fù)應(yīng)用兩次以上，意義就不大了。 2)、 分離步驟盡可能少 。設(shè)計中應(yīng)考慮下列問題？ 1. 產(chǎn)品價值 置 5. 主要雜質(zhì)獨特的物化性質(zhì)是什么？ 上述問題的考慮將有助于優(yōu)質(zhì)、高效產(chǎn)物分離過程的優(yōu)化。 e 化學(xué)添加物 ③ 產(chǎn)物穩(wěn)定性差 ( a 化學(xué)降解 (pH , 溫度 )。 c 可溶物 。 c 產(chǎn)物抑制 ② 組分復(fù)雜 (a 大分子 。生物試劑類。醫(yī)用類產(chǎn)品。 b 懸液中的目標(biāo)產(chǎn)物濃度低 . 生化產(chǎn)品的類型： 按用途分類 ： 食品類。 C 生物分離一般比化工分離難度大。 產(chǎn)品的多樣性導(dǎo)致分離方法的多樣性。 現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)品的主體是蛋白質(zhì)藥物 。 獲得產(chǎn)品的有效途徑： 原材料、預(yù)處理、生物反應(yīng)、生物分離、產(chǎn)物 傳統(tǒng)發(fā)酵與現(xiàn)代發(fā)酵比較 生物物質(zhì)和生物分離 生物物質(zhì) 種類繁多，包括自然界存在的各種生物資源。生物技術(shù)的主要目標(biāo)是生物物質(zhì)的高效生產(chǎn)，分離純化是 生物產(chǎn)品工程的重要環(huán)節(jié)，因此生物分離是生物技術(shù)的重要組成部分。 生物技術(shù)：即有機體的操作和應(yīng)用有機體生產(chǎn)有用物質(zhì)、改善人類生存環(huán)境的技術(shù)。 第一章 生物分離工程概述 生物分離在生物技術(shù)中所占位置 1 生化分離工程的定義：為提取生物產(chǎn)品時所需的 原理、方法、技術(shù) 及相關(guān)硬件 設(shè)備 的總稱，指從發(fā)酵液、動植物細胞培養(yǎng)液、酶反應(yīng)液和動植物組織細胞與體液等中提取、分離純化、富集生物產(chǎn)品的過程。 單元操作：完成一道工序所需的一種方法和手段。 生物技術(shù)的目標(biāo)：就是指利用培養(yǎng)微生物、動物細胞、植物細胞來生產(chǎn)對人有用的產(chǎn)品。 狹義生物技術(shù)的產(chǎn)物僅為化學(xué)產(chǎn)品，約有 100 年的歷史?，F(xiàn)代生物技術(shù)主要通過生物反應(yīng)過程生產(chǎn)各種物質(zhì)。 生物分離過程 生物分離的特點： A 生物工程的主要特點是生物制品多種多樣。 B 絕大多數(shù)生物分離方法來源于化學(xué)品的分離方法 。 a 成分復(fù)雜 ,固體成分包括完整有機體、培養(yǎng)基及底物中的不溶物，液體成分包括底物可溶物、代謝中產(chǎn)物及目標(biāo)產(chǎn)物。保健品類。農(nóng)業(yè)用產(chǎn)品。 按分子量大小分類 ： Mass 1000D：抗生素、有機酸、 aa、多肽類等 Mass 1000D：酶、抗原、抗體、多肽、蛋白質(zhì)類 按發(fā)酵時目的產(chǎn)物所在的位置分類 ： cell 內(nèi)：胰島素、白細胞介素、干擾素、重組蛋白質(zhì) cell 外：抗生素（青霉素、紅霉素）、胞外酶（α 淀粉酶）等 、分離過程的分類： ? 機械分離（離心、過濾） ? 傳質(zhì)分離（平衡分離、速率分離） ? 平衡分離 —萃取、吸附、沉淀、結(jié)晶、層析等 ? 速率分離 —膜分離、電滲析、透析 生物產(chǎn)品特點： ① 產(chǎn)物濃度低的水溶液 (原因： a 氧傳 遞限制； b 細胞量 。 b 小分子 。 d 不可溶物 。 b 微生物降解 （酶作用， 染菌） ④ 分批操作，生物變異性大 ⑤ 質(zhì)量要求高 （藥品或食品） 生物產(chǎn)品要求高質(zhì)量： 純度、衛(wèi)生、生物活性 分離過程的成本占產(chǎn)品總投資的大部分，因此必須仔細考慮和設(shè)計產(chǎn)品的回收和純化過程 。 方法選擇的基本原則： 1)、盡可能 簡單、低耗、高效、快速。 Why? A) φ n 為總回收率， λ n 為各單元回收率。 4)、盡量減少 新化合物進入 待分離的溶液。 原則是：先低選擇性，后高選擇性；先高通量，后低通量；先粗分 ，后精分；先低成本，后高成本。對于高分子物質(zhì)非常有意義； (3)、 沸點 和蒸汽壓。功能團為萃取劑和特異性吸附的選擇提供依據(jù)； (7)、 免疫原性 。 高？ 低？ (2) 物料中的與目的產(chǎn)物相近物質(zhì)組成的物理化學(xué)性質(zhì)。是胞內(nèi)還是胞外？ (4) 菌種的種類和形態(tài)。 生產(chǎn)規(guī)模 危害性 (1)、離心產(chǎn)生的氣溶膠、發(fā)酵產(chǎn)生的廢氣、干燥產(chǎn)生的粉塵等。 (3)、試劑危害。 (4)、微生物的危害。這一菌種為新的物種，不能排除對生態(tài)系統(tǒng)和人的危害。 C 產(chǎn)品的純化： 色譜，電泳，沉淀 D 產(chǎn)品的精制： 結(jié)晶，干燥 生物分離技術(shù)和原理 物質(zhì)分離的本質(zhì)是識別混合物中不同溶質(zhì)間 物理、化學(xué)和生物性質(zhì)的差別 ，利用能識別這些差 別的分離介質(zhì)和擴大這些差別的分離設(shè)備實行溶質(zhì)間的分離或目標(biāo)組分的純化。 1) 物理性質(zhì) ? 力學(xué)性質(zhì)：重力、離心力、膜分離； ? 熱力學(xué)性質(zhì)：狀態(tài)變化、相平衡； ? 傳質(zhì)性質(zhì)：粘度、擴散、熱擴散； ? 電磁性質(zhì)：電泳、電滲析、磁化； 2）化學(xué)性質(zhì) ? 化學(xué)熱力學(xué)：化學(xué)平衡； ? 化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)：反應(yīng)速率； ? 光化學(xué)特性：激光激發(fā)的離子化進行同位素分離 3）生物學(xué)性質(zhì) 生物分子識別：生物親和作用； ? 生物輸送性質(zhì)：生物膜輸送； ? 生物反應(yīng)、控制：酶反應(yīng)、免疫系統(tǒng)。溶質(zhì)達到分配平衡的推動力僅取決于系統(tǒng)的熱力學(xué)性質(zhì)。蒸餾、蒸發(fā)、吸收、萃取、結(jié)晶（沉淀）、泡沫分離、吸附和離子交換等是典型的平衡分離過程。傳統(tǒng)的機械分離方法：過濾、重力沉降、離心沉降。 分離效率的評價 1）、濃縮率（富積率， 原料 分離器 產(chǎn)品 意義： 1）、如 mT 1，則目標(biāo)產(chǎn)物得到富積； 2）、如 mT = mX，則目標(biāo)產(chǎn)物未得到分離純化。故在分離為主要目的時 ,? ? ? 3) 回收率 (recovery)： 4) 純化因子 對 于具有生物活性的蛋白質(zhì)或酶，常常用分離前后目標(biāo)產(chǎn)物的比活 2. A [in U/mg]之比表示目標(biāo)產(chǎn)物的分離純化程度， 非蛋白類雜質(zhì)的去除： （ 1） DNA A 陰離子交換 （ pH ) B 親和層析（不被吸附） C 疏水層析 （ 2） 熱原 （蛋白質(zhì)溶液中的去熱原） A 生產(chǎn)過程無菌 B 所有層析介質(zhì)無菌 C 所用溶液無菌 D 親和層析（多粘菌素） （ 3）去病毒 A 加熱 （ 60 C) B 過濾 C 滅活劑 目標(biāo)蛋白的表征和分析方法： （ 1） HPLC（ 2） SDSPAGE（ 3） 氨基酸順序分析（ 4） 氨基酸，肽圖，免疫化學(xué)（ 5） 與標(biāo)準品對照分析 下游加工過程的沿革： ? 傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)（第一代） ? 19 世紀 60 年代 20 世紀 50 年代 酒精，丙酮，丁醇 ? 第二代生物技術(shù) 產(chǎn)品 20 世紀 40 年代 ? 抗生素，有機酸，核酸，酶制劑，單細胞蛋白 ? 第三代 20 世紀 70 年代中期 ? 動物細胞培養(yǎng) ? 植物細胞培養(yǎng) ? 基因工程發(fā)酵產(chǎn)品 生化分離技術(shù)的發(fā)展趨勢： 存在的問題：研發(fā)費用高、成本高、周期長 —— 生物工程發(fā)展的瓶頸 如何解決？ 1)、加強基礎(chǔ)理論研究 A、研究非理想溶液中溶質(zhì)與添加物料之間的選擇性機制、影響因素 1. B、研究界面的結(jié)構(gòu)、動力學(xué)和傳質(zhì)機制，以及影響因素 2. C、下游加工過程的數(shù)學(xué)模型的建立和計算機模擬。生物細胞培養(yǎng)液基本上也是懸浮液。 B、固液密度相近，黏度高：沉降和離心分離困難 C、固體成分可壓縮可變形 + 高黏度：過濾困難，黏附在濾布，錯流過濾形成凝膠層 D、動 植物細胞抗剪切力差：錯流膜過濾和離心等不適 E、流變性復(fù)雜，非牛頓型流體，青霉素發(fā)酵液為卡森型流體， 120h 鏈霉素發(fā)酵液為擬塑性流體，灰色鏈絲菌發(fā)酵液為塑性流體。 粘彈性流體，大多數(shù)高分子熔體、高分子溶液是典型的粘彈性流體，而且是非線性粘彈性流體。 流動性質(zhì)有時間依賴性的流體。 對微小而形狀多變的微生物細胞，發(fā)酵液和 其它生物溶液的固液分離就變得復(fù)雜了 。 五、預(yù)處理的目的 : （ 1） 改變發(fā)酵液的物理性質(zhì) (黏度、顆粒大小 ?、顆粒穩(wěn)定性等 )，固液分離速度 ?，分離器分離效率 ?；） （ 2） 目標(biāo)產(chǎn)物轉(zhuǎn)移其中一相 (多數(shù)為液相 )； （ 3） 六、目標(biāo)產(chǎn)物轉(zhuǎn)移其中一相 (多數(shù)為液相 )； 六、預(yù)處理的方法： 1 加熱： .最簡單、最經(jīng)濟的預(yù)處理方法是加熱。但加熱變 性的方法只適合于對熱穩(wěn)定性的產(chǎn)物。 對于氨基酸、蛋白質(zhì)等兩性物質(zhì)作為雜質(zhì)存在于液體中時，常采用 調(diào) pH 至等電點使兩性物質(zhì)沉淀 。此外，細胞、細胞碎片及某些膠體物質(zhì)等在某個 pH 下 也可能趨于 絮凝 而成為較大顆粒，有利于固液分離。 3).凝聚：指在投加的化學(xué)物質(zhì)（鋁、鐵的鹽類或石灰等）作用下，膠體脫穩(wěn)并使粒子相互聚集成１ mm 大小塊狀凝聚體 的過程。 機理 ： A、破壞雙電層， B、水解后膠體吸附， C、氫鍵結(jié)合等。其中絮凝劑主要起 架橋 作用。 機理：架橋作用 絮凝劑種類 ： A、陽離子類，如聚丙烯酰胺 (+)、聚苯烯酸二烷基胺乙酯、聚二烯丙基四胺； B、陰 離子類，如聚丙烯酸納、聚苯乙烯磺酸、聚丙烯酰胺 ()； C、非離子類，如聚丙烯酰胺 (0)、環(huán)氧化乙烯。 通常發(fā)酵液中細胞或菌體帶有負電 荷，由于靜電引力的作用使溶液中帶相反電荷的粒于（即正離子）被吸附在其周圍，在界面上形成了 雙電層。 使用方法 ： A、預(yù)涂層； B、按一定比率混合。 用量標(biāo)準 ： A、單位質(zhì)量助濾劑所產(chǎn)生的最大濾液產(chǎn)量 (最常用 )； B、或最長周期； C、或最快流速； D、或濾餅的最大空間利用 度。 加入反應(yīng)劑和某些可溶性鹽類發(fā)生反應(yīng)生成不溶性沉淀，如 CaSO4 、磷酸鋁 等。 七、 發(fā)酵液的相對純化 1. 無機離子的去除 Ca2+ 、 Mg2+ 、 Fe2+等 Ca2+離子濃度較高時，可采用可溶性鹽，如草酸鈉等 Mg2+離子的去除一般采用加入三聚磷酸鈉 磷酸鹽處理，也能 大大降低 Ca2+ 、 Mg2+離子的濃度 鐵離子，可加入黃血鹽，使其形成普魯士藍沉淀而除去 2．雜蛋白的去除 利用各種沉淀方法，可以去除液相中各種蛋白質(zhì)。這些沉淀方法既可以作為除雜質(zhì)的方法，也可以作為提取目標(biāo)產(chǎn)物的技術(shù)手段。 4．有色物質(zhì)