生物分离工程
生物分离工程
第一章绪论1.生物分离工程是指从发酵液、酶反应也活动植物培养液中分离、纯化生物产品的过程。
2.生物分离的一般流程：发酵液的预处理；提取；精制；成品加工。
第二章发酵液的预处理1.过滤和离心是最基本的单元操作。
2.凝集是指在投加的化学物质作用下，发酵液中的胶体脱稳并使粒子相互凝集成为1mm大小块状絮凝体的过程。
3.絮凝是指某些高分子絮凝剂能在悬浮粒子之间产生桥梁作用，使胶粒形成粗大絮凝团的过程。
4.调节pH法：在进行pH调节时，一般采用草酸等有机酸或某些无机酸来进行。
Ca+经常选用酸化剂为草酸；Mg+的去除是采用加入磷酸盐，如三磷酸钠；Fe+通常加入黄血盐。
5.影响发酵液过滤的因素：菌种；发酵液粘度。
6.发酵液的过滤设备形式很多，按过滤的推动力分为：重力式过滤器、压力式过滤器、针孔式过滤器和离心式过滤器。
7.目前国内外对过滤液的分离和过滤常采用的设备为：板框式压滤机；板式压滤机；自动板框式压滤机和真空过滤机。
第三章细胞分离技术1.细胞破碎的方法可分为：机械破碎发、物理破碎法、化学渗透法及酶溶法。
2.变性剂的加入，可削弱氢键的作用，使胞内产物相互之间的作用力减弱，从而易于释放。
3.包埋病毒粒子具一定形状和大小的蛋白结晶体，在相差显微镜下呈现强的折光性，由单一多肽构成。
第四章沉淀技术1.盐析：蛋白是在搞离子强度溶液中溶解度降低，以致从溶液里沉淀出来的现象称为盐析。
2. 常用脱盐处理的方法有：透析法、超滤法及凝胶过滤法。
3．有机溶剂沉淀法的原理：①传统观点认为向蛋白质溶液中加入丙醇或乙醇等有机溶剂，水的活度程度降低，水对蛋白子表面的水化程度降低，即破坏了蛋白子表面的某水化蹭；另外，溶液的介电常数下降，蛋白子分之间的静电引力增大，从而聚集和沉淀。
②新观点认为，有机溶剂可能破坏蛋白质的某种键，使其空间结构发生某种程度的变化，致使一些原来包在内部的疏水基团暴露于表面并与有机溶剂的疏水基团结合形成疏水层，从而是蛋白子沉底，而当蛋白子的空间结构发生变形超过一定程度时，使会导致完全的变性。
生物分离工程
生物分离工程1、生物分离工程概念指回收生物产品分离过程的原理与方法。
2、在设计生物分离过程前，必须考虑哪些问题方能确保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）主要杂质独特的理化性质是什么；（6）不同分离方法的技术、经济比较。
3、生物分离工程包括哪些单元操作？固液分离过程采用过滤、离心、细胞破碎操作；浓缩阶段采用萃取、吸附、离子交换等操作；纯化环节用沉淀、色谱、电泳等操作；精制步骤采用结晶、干燥。
4、生物分离的依据根据混合物中不同组分间物理、化学和生物学性质的差别。
5、生物分离效率分离效率从两个角度评价：分离方法和设备；分离过程和产品。
（1）分离方法和设备评价指标有分离容量、分离速度、分辨率1）分离容量：单位体积的分离设备（或分离介质）处理物料或目标产物的体积或质量。
2）分离速度：单批次分离所需要的时间，或连续分离的进料速度。
3）分辨率：目标产品的纯化效果或杂质的去除能力。
（2）分离过程和产品从具体分离过程对目标产品的浓缩程度、纯化程度和回收率来评价。
6、细胞分离方法重力沉降、离心沉降、过滤。
1）凝聚是指在电解质作用下，由于胶粒之间双电层排斥电位的降低，而使胶体体系不稳定的现象。
2）絮凝是指在某些高分子絮凝剂存在下，基于架桥作用，使细胞聚集形成粗大的絮凝团的过程。
7、细胞破碎方法机械破碎法、非机械破碎法（物理破碎、化学破碎、酶促破碎法）8、选择破碎方法的依据1）细胞处理量；2）细胞壁强度和结构(高聚物交联程度、种类和壁厚度)；3）目标产物对破碎条件的敏感性；4）破碎程度；5）目标产物的选择性释放。
9、沉淀法基本原理就是采用适当的措施改变溶液的理化参数，控制溶液中各种成分的溶解度，根据不同物质在溶剂中的溶解度不同而达到分离的目的。
10、沉淀法应用范围不仅用于实验室中，因其不需专门设备，且易于放大，也广泛用于生产的制备过程，是分离纯化生物大分子，特别是制备蛋白质和酶时最常用的方法。
生物分离工程
4、 生物技术下游加工过程的选择准则：（1）尽可能简单、低耗、高效、快速
（2）采用步骤应最少
（3）避免同一原理的多次出现
（4）尽量减少新化合物的进入待分离的溶液
按分离粒子大小分类：透析、微滤、超滤、纳滤、反渗透、电渗析、渗透气化
4、表征膜性能的参数：截断分子量、水通量、孔的特征、 pH适用范围、抗压能力、对热和溶剂的稳定性等。
5、截留分子量：相当于一定截留率(通常为90％或95％)的分子量，随厂商而异。
6、截留率：其定义为 R＝1－ Cp／Cb
Cp和Cb分别表示在某一瞬间，透过液和截留液的浓度。
对于弱酸：pH< pK 时，分配系数大
对于弱碱：pH> pK 时，分配系数大
如R＝1，则Cp＝0，表示溶质全部被截留；R＝0，则Cp＝ Cb，表示溶质能自由透过膜。
5、影响截留率的因素：①分子形状 ②吸附作用 ③浓差极化作用 ④温度/浓度 ⑤错流速度-，浓差极化作用ˉ ⑥pH、离子强度
6、水通量：纯水在一定压力(0.35MPa) ，温度(25℃)下试验，透过水的速度L / h×m2。
第四章 细胞的破碎与分离
1、细胞破碎：指利用外力破坏细胞膜和细胞壁，使细胞内物质包括目的产物成分释放出来的技术。
2、细胞破碎技术：
（1）机械破碎：捣碎法、研磨法、匀浆法、超声法
（2）物理破碎：温度差破碎法、压力差破碎法
（3）化学破碎：有机溶剂、表面活性剂、剂酸碱
9、 错 流 过 滤：又称切向流过滤，在压力推动下，悬浮液以高速在管状滤膜的内壁作切向流动，利用流动的剪切作用将过滤介质表面的固体（滤饼）移走，而附着在滤膜上的滤饼很薄，因而能在长时间内保持稳定不变的过滤速度。
《生物分离工程》知识点整理
生物分离工程第一章(绪论)生物分离工程的定义和过程生物分离工程定义（名词解释）：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。
过程：目标产物捕获目标产物初步纯化(萃取、沉淀、吸附等方法)目标产物高度纯化和精制细胞分离三种手段：重力沉降离心沉降过滤第二章离心分离原理和方法：原理：离心沉降是在离心力的作用下发生的。
单位质量的物质所受到的离心力：式中：r为离心半径，即从旋转轴心到沉降颗粒的距离；ω为旋转角速度；N为离心机的转数，s－1方法：（1）差速离心分级（2）区带离心（差速区带离心、平衡区带离心）离心分离设备：离心力（转速)的大小：低速离心机、高速离心机、超离心机按用途：分析性、制备性按工业应用：管式离心机、碟片式离心机实验室用以离心管式转子离心机，离心操作为间歇式悬浮液的预处理方法和目的：方法：1.加热：最简单和最廉价的处理方法。
黏度、促凝聚、固体成分体积、破坏凝胶结构、增加空隙率调pH值：方法简单有效、成本低廉2.凝聚：在凝聚剂(如铝盐、铁盐、石灰和NaCl)作用下，细胞蛋白质等胶体去稳定，并聚集成1mm大小的凝聚块的过程。
（机理：破坏双电层，水解后胶体吸附，氢键结合等）3.絮凝：在絮凝剂高分子聚合电解质的作用下，胶体颗粒和聚合电解质交连成网，形成10mm大小的絮凝团过程。
（机理：絮凝剂主要起中和电荷、桥架和网络作用）4.惰性助滤剂：一种颗粒均匀、质地坚硬的粒状物质，用于扩大过滤表面的适应范围，减轻细小颗粒的快速挤压变形和过滤介质的堵塞。
（使用方法：预涂层；按一定比率混合。
助滤剂种类：硅藻土、纤维素、未活化的炭、炉渣、重质碳酸钙等。
）目的：提高过滤速度和过滤质量是过滤操作的目标。
各种细胞破碎技术原理和优缺点：原理：许多生物产物在细胞培养过程中保留在细胞内，需破碎细胞，使目标产物选择性地释放到液相。
生物分离工程的原理是什么
生物分离工程的原理是什么生物分离工程是一种利用生物学和工程学的原理和方法，对混合物中的生物分子或细胞进行分离和纯化的过程。
其原理主要包括物理分离原理、化学分离原理和生物分离原理。
物理分离原理是基于生物分子或细胞在不同物理环境中的特性差异进行分离的方法。
常用的物理分离方法有离心、过滤、凝胶电泳和超滤等。
离心是通过界面张力和离心力的作用下，在不同密度的溶液中将生物分子或细胞分离出来。
过滤是根据物质的大小选择性通过滤膜的原理进行分离，通常用于分离细胞或大分子。
凝胶电泳则是利用电场作用，通过电泳迁移速度的差异将带电的生物分子在凝胶中逐渐分离开来。
超滤则是利用压差将分子或细胞通过半导膜分离出来。
化学分离原理是通过不同化学特性将生物分子或细胞分离和纯化的方法。
其中常用的方法包括溶剂萃取、凝胶过滤、层析和电解等。
溶剂萃取是利用溶解性差异将目标物质从溶液中分离出来，通常是用有机溶剂与水溶液相互萃取。
凝胶过滤则是利用粒径差别将生物分子或细胞分离出来，通过选择性选择不同尺寸的过滤膜或纤维经过过滤操作，大分子或细胞可以被留在膜的一侧。
层析是一种利用不同成分在固定相上的迁移速度差异进行分离的技术，常用的层析方法包括凝胶层析、离子交换层析和亲和层析等。
电解是将分子或细胞通过正负电荷的相互作用来分离的方法。
生物分离原理则是利用生物学上的特性对生物分子或细胞进行分离的过程。
常用的生物分离方法包括细胞离心、免疫分离和蛋白质结合等。
细胞离心是一种通过多次离心来分离细胞的方法，通常需要根据目标细胞的密度来选择不同的离心速度和时间。
免疫分离是利用抗体与特定抗原结合的特异性来分离目标细胞或生物分子的方法。
蛋白质结合则是利用蛋白质与配体的亲和性来进行分离和纯化，常用的方法有亲和层析、亲和吸附和免疫沉淀等。
总之，生物分离工程是利用物理分离原理、化学分离原理和生物分离原理，通过不同的方法对混合物中的生物分子或细胞进行分离和纯化的过程。
这些原理和方法的选择取决于需要分离的目标物质的特性和要求，通过灵活应用这些原理和方法，可以实现对复杂混合物中生物分子或细胞的高效纯化和分离。
生物分离工程与日常生活的关系
生物分离工程与日常生活的关系
生物分离工程是一门应用于生物工程领域的技术，主要用于分离、纯化和提取生物大分子、生物活性物质及其他相关物质。
它在很多领域都有广泛的应用，与日常生活也有一定的关系。
以下是生物分离工程与日常生活的一些关系：
1. 食品加工：生物分离工程在食品加工中起着重要的作用。
例如，通过分离技术可以提取食品中的营养成分、调味品、色素等，不仅提高了食品的品质和口感，还能增加食品的营养价值。
2. 药物开发：生物分离工程在药物开发领域有着重要的应用。
通过分离和纯化技术，可以获得药物原料和活性成分，从而制备出高纯度的药物，并提高药物的生物利用度和疗效。
3. 环境保护：生物分离工程也被用于环境保护领域。
例如，通过生物分离技术可以对废水、废气等进行处理，去除其中的有害物质，净化环境，保护生态系统。
4. 能源开发：生物分离工程在生物能源开发领域也有应用。
例如，通过分离技术可以提取生物质能源中的有用物质，用于生物燃料的制备和利用。
5. 医学诊断：生物分离工程在医学诊断中也有重要作用。
例如，通过分离和纯化技术可以获得高纯度的诊断试剂，用于疾病的检测和诊断。
总之，生物分离工程在日常生活中的应用相当广泛，涉及到食品、药物、环境、能源等多个方面，为我们的生活和健康带来了很多好处。
生物分离工程
名词解释1.凝聚:气体由稀变浓或变成液体2.絮凝:是指水或液体中悬浮微粒集聚变大，或形成絮团，从而加快粒子的聚沉，达到固液分离的目的。
3.扩散双电层:胶核由于吸附或电离作用，并为带电的胶核，由于静电引力，吸引介质中持相反电荷的离子，形成双电层，由于静电作用与扩散作用两种作用同时存在，两种作用达到平衡后，双电层的返离子不是整齐的排在胶核表面，而是呈一个扩散状态分布在溶液中，这样的双电层称为扩散双电层。
4.凝聚价或凝聚值:电解质的凝聚能力，可用凝聚值来表示使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度（毫摩尔每升）称为凝聚值。
5.过滤:过滤就是用机械方法使某一液体穿过多孔物质，使该液体的固相部分与液相部分分开。
6.滤饼过滤:滤饼过滤是使用织物、多孔材料或膜作为过滤介质只是起着支撑滤饼的作用，过滤介质的孔径不一定要小于最小颗粒的粒径。
7.深层过滤:深层过滤是指当颗粒尺寸小于介质孔道直径时，不能在过滤介质表面形成滤饼，这些颗粒便进入介质内部，借惯性和扩散作用趋近孔道壁面，并在静电和表面力的作用下沉积下来，从而与流体分离。
8.错流过滤:是在泵的推动下，料液平行于膜面流动。
9.离心分离:借助于离心力，使比重不同的物质进行分离的方法。
10.离心分离因数:离心分离机所转鼓内的悬浮液或乳浊液在离心力场中所受的离心力与其重力的比值，即离心加速度与重力加速度的比值。
11.沉降系数:用离心法时，大分子沉降速度的量度，等于每单位离心场的速度。
12.离心过滤:以离心力作为推动力，在具有过滤介质的有孔转鼓中加入悬浮液，固体粒子截留在过滤介质上，液体穿过滤饼层而流出，最后完成滤液和滤饼分离的过滤操作。
13.差速离心:根据颗粒大小和密度的不同，存在的沉降速度差别，分级增加离心力，从试样中依次分离出不同组分的方法。
14.密度梯度区带离心法（区带离心法）:是将样品加在惰性梯度介质中进行离心沉降或沉降平衡，在一定的离心力下把颗粒分配到梯度中某些特定位置上，形成不同区带的分离方法。
生物分离工程
生物分离工程生物分离工程是指采用物理、化学和生物学方法将生物体或其组成部分从混合物中分离出来，并纯化得到目标物质的一种工程领域。
该领域涉及到许多专业知识，包括生物学、生化学、物理化学等多个学科的理论和技术，应用广泛。
生物分离工程的目的是将生物体中的目标物分离出来，以便进行药物发现、分析化学以及生命科学研究等方面的应用。
生物分离工程包括生物分离过程、分离器设备及工艺控制等多个方面。
生物分离过程是将混合物中的目标物通过特定的工艺流程进行分离，得到纯化的目标物质。
一般包括以下几个步骤：（1）前处理：对样品进行初步处理，如细胞破碎、离心、过滤等。
（2）初步分离：将混合溶液通过某些技术方法进行初步分离，如各种色谱技术、电泳分离、凝胶柱分离等。
（3）中间分离：在初步分离的基础上，对样品进一步处理，如双向电泳、反渗透膜分离、超重力分离等。
（4）终极分离：最后通过某些技术，将目标物质从混合物中完全分离出来，如聚集素层析、反转移层析、凝胶电泳等。
分离器设备是指在生物分离过程中使用的各种设备，根据不同的分离过程，分离器设备也有所不同。
例如，在分离蛋白质时，最常用的分离器设备是各种色谱技术和电泳分离设备，而在分离细胞时，采用的设备则主要是离心机、过滤器等。
工艺控制是指对生物分离工程中各个步骤进行控制和调节，以确保分离工艺的有效性和纯化度的提高。
常用的工艺控制手段包括调节温度、压力、流量等系列参数的控制，并且可以采用自动化操作，进一步提高生物分离工程的自动化程度。
生物分离工程的应用非常广泛，包括生命科学研究、药物研发、食品工业以及纯化工程、环境保护等方面。
例如，在药物研发中，生物分离工程用于分离制备药物，提高药物纯度和效果；在食品工业中，生物分离工程用于提高食品的品质和安全性；在环境保护中，生物分离工程可用于处理污水和有害气体等。
总之，生物分离工程是一项复杂、细致的研究领域，在各个行业都有广泛的应用。
随着科技的发展和人们对生命科学研究的不断深入，生物分离工程将会越来越得到关注和重视，为人们的生活和健康做出更大的贡献。
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2020/11/26
生物分离工程
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13.5 生物技术产品的类型
v 按分子量大小
v 小分子产品：（小于1000）抗生素，有机酸， 氨基酸
v 大分子产品：（大于1000）酶, 抗体，多肽， 蛋白质
v 按产品所处的位置
v 细胞内: 胰岛素，干扰素，重组蛋白质 v 细胞外：抗生素，胞外酶
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13 绪论
13.1 概 述 生物分离工程：回收生物产品分离过程
原理与方法 生 物 技 术 下 游 加 工 过 程 （ Downstream
Processing）
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生物工程研究领域
v 微生物培养 v 动物细胞培养 v 植物细胞培养 v 天然资源 v 生化材料 v 海洋生物培养
v 中游：微生物发酵工程，动植物细胞，
v
海洋生物培养
v 下游：生物分离工程
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13.2 特点与重要性
v 生物产品特点：
v 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
v ② 组分复杂(a 大分子;b 小分子;c 可溶物;d
v 不可溶物;e 化学添加物
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13.8 生物技术下游加工过程的发展动向
① 基础理论研究
v A 选择性分离剂
v B 数学模型
② 应用研究
v A 新老技术的深化研究与融合
v B 下游技术与上游技术相结合(藕合分离）
v C 强化化学作用对分离能力的影响
v D 改进上游因素（改进菌种，培养基与发酵条件）
③ 工程问题研究
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非蛋白类杂质的去除
v （1） DNA
v
A 阴离子交换（pH 4.0)
v
B 亲和层析（不被吸附）
v
C 疏水层析
v （2）热原 （蛋白质溶液中的去热原）
v
A 产过程无菌
v
B 所有层析介质无菌
v
C 所用溶液无菌
v
D 亲和层析（多粘菌素）
v （3）去病毒
v
A 加热 （60 C)
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生物分离的经济性
v (1) 生物分离至少占总成本50% v (2) 仅付出5%努力 v (3) 降低废物排放（产品：废物=1:3250) v (4) 工艺改造
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质量控制意义
v (1) 来自管理机构的压力 v (2) 公众的觉醒 v (3) 市场扩张与竞争 v (4) 安全 v (5) 提高专一性作用，减少负作用
力）
（5）在位分离（边发酵边分离） v （6）环境相容（超临界） v （7）可再生循环（亲和沉淀，可再生两水相）
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膜技术
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•分子印迹分离
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•超临界流体分离
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• Recycling Polymers Forming Aqueous Two-phase Systems
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13.4 生物下游加工过程的一般步聚
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工业应用的生物分离技术
v ① 回收技术: 絮凝，离心，过滤，微过滤。 v ② 细胞破碎技术: 球磨，高压匀浆，化学破 v 碎技术 v ③ 初步纯化技术: 盐析法，有机溶剂沉淀， v 化学沉淀，大孔吸附树剂，膜分离技术 v ④ 高度纯化技术: 各类层析，亲和，疏水， v 聚焦，离子交换 v ⑤ 成品加工 喷雾干燥，气流干燥，沸腾干 v 燥，冷冻干燥，结晶
•Phase separation
•Top phase •Bottom phase
•Recycle
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•Light •p H •Light •p H
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13.10 分离过程评价
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分离效率评价
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3rew
v (1) v (2) v (3) v (4) v (5) v (6)
效价 鉴定 毒性试验 核酸 均一 无冲突活性
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生物过程开发目标
v (1) 产品在最短时间内进入市场 v (2) 符合所有安全要求 v (3) 工艺成本适当 v (4) 可靠 v (5) 安全（放大期间安全尤为重要）
v 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）
v ④ 质量要求高 （药品或食品）
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13.3 生物分离工艺要求
v (1) 高纯度 v (2) 大规模 v (3) 经济性 v (4) 生物相容性
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治疗用途的生物药物质量要求
④ 改善环境相容性
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13.9 现代生物分离程的研究方向与特点
v （1）大规模，高选择性（液膜萃取，逆胶束萃
取，两水相萃取，反渗透，纳米过滤，渗透蒸 发，亲和膜过滤，亲和错流过滤， 亲和沉 淀 ，分子模板，分子筛，分子蒸馏）
v （2）集成化（扩张床，两水相，液膜分离） v （3）快速分离（贯注层析） v （4）极端条件下分离（超临界，超声波，超重
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生物工程产业领域
v 生物制药（抗生素，基因重组蛋白，氨基酸，疫苗，菌苗，天
然药物，生化药物，血液制品，抗体，多糖，多肽）
v 生物化工（乳酸，柠檬酸，苹果酸，丙烯酸，甘油，异丙醇，
乙烯）
v 生物能源（甲醇，乙醇，生物柴油，生物汽油）
v 生物材料（明胶，胶原蛋白，人造皮肤，从造骨，人造脏器）
v 生物医学 （诊断试剂，基因治疗，人及生物克隆）
v 环境生物（环境治理，水污染，土壤污染，风沙治理）
v 生物食品（醋，啤酒业，酿酒，乳制品，奶制品）
v 生物资源（动物，植物，微生物）
v 生物农业 （基因食品，基因植物）
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生物工程的上中下游
上游： v
菌种，基因工程，分子生物学，遗传学
v
B 过滤
v
C 灭活剂
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目标蛋白的表征和分析方法
v （1） HPLC v （2） SDS-PAGE v （3） 氨基酸顺序分析 v （4） 氨基酸，肽图，免疫化学 v （5） 与标准品对照分析
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分离工程研发费用与成本
v 研究费用： 50%以上 v 产品成本： 40-80% v 人力物力： 70-90%
13.6 下游加工过程的沿革
v 传统产业（第一代） v 19世纪60年代-20世纪50年代 酒精，丙酮，丁醇 v 第二代生物技术产品 20世纪40年代 v 抗生素，有机酸，核酸，酶制剂，单细胞蛋白 v 第三代 20世纪70年代中期 v 动物细胞培养 v 植物细胞培养 v 基因工程发酵产品
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13.7 生物下游加工过程的选择准则
v ① 步聚少 v ② 次序合理 v ③ 产品规格 （注射，非注射） v ④ 生产规模 v ⑤ 物料组成 v ⑥ 产品形式 固体 适当结晶， 液体，适当浓缩 v ⑦ 产品稳定性 v ⑧ 物性 溶解度， 分子电荷，分子大小，功能团，稳
定性，挥发性
v ⑨ 危害性 v ⑩ 废水处理