生物分离工程第三章综述
《生物分离工程》知识点整理
《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，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》课程笔记
《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。
生物分离工程复习资料
第一章绪论生物工程学：亦称生物技术，是指通过技术手段，利用生物体或生物过程生产有经济价值产品的学科。
研究领域：基因工程、细胞工程、微生物工程、酶工程。
生物分离工程：指从发酵液、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，因它处于整个生物产品生产过程的后端，又称为生物工程下游技术。
研究内容：研究目标产品及基质的性质；分离、纯化技术的选择。
直接产物：由发酵直接生产，分离过程由发酵罐流出物开始；间接产物：由发酵过程得到的细胞或酶，再经转化和修饰得到产品。
分离：指利用混合物中各组分在物理性质或化学性质上的差异，通过适当的装置和方法，使各组分分配至不同的空间区域或者在不同的时间依次分配至同一空间区域的过程。
生物分离纯化过程：指利用产物与杂质理化性质的不同，从发酵液中提取、分离、纯化产物的过程。
生物分离工程流程：1、发酵液的预处理：离心和过滤是最基本的单元操作，凝聚和絮凝可加速固液两相的分离。
2、产物的提取：主要是去除与目标产物性质有很大差异的杂质，使目标产物的纯度和浓度有较大程度的提高。
吸附，萃取，沉淀。
3、产物的精制：用于去除与目标产物有类似化学功能和物理性质的杂质。
首选色谱分离技术，涉及色谱技术有层析、离子交换、亲和色谱、吸附色谱等。
4、成品的加工处理：产品的加工方式是由产物的最终用途和要求所决定的，浓缩、结晶和干燥。
生物分离纯化工艺过程的选择依据：1生产成本要低；2工艺步骤要少；3操作程序要合理；4适应产品的技术规格；5生产要有规模；6产品具有稳定性；7环保和安全要求；8生产方式。
生物分离过程的特点：一、体系特殊：1、原料液的特点：原料液体系复杂；存在与目标分子结构相近的分子及异构体；产物浓度很低；产物活性易降低或失活。
2、对产物的要求：目标物具有活性；产物高纯度；副作用小。
二、工艺流程特殊：1、工艺设计：操作条件特殊；多种高选择技术结合使用；优化设计分离过程和各个单元操作；要求设计工艺流程具有一定的适用范围。
生物分离工程部分习题和答案新编
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1 、生物下游加工过程（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。
（ppt 第一章、课本page 1）2、生物加工过程：一般将生物产品的生产过程叫生物加工过程，包括优良生物物种的选育、基因工程、细胞工程、生物反应工程及目标产物的分离纯化过程。
（课本page 1）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）答：生物下游加工过程特点：<1>：发酵液组成复杂，固液分离困难——这是生物分离过程中的薄弱环节<2>：原料中目标产物含量低，有时甚至是极微量——从酒精的1/10到抗菌素1/100，酶1/100万左右，成本高。
<3>：原料液中常伴有降解目标产物的杂质——各种蛋白酶降解基因工程蛋白产物，应快速分离。
<4>：原料液中常伴有与目标产物性质非常相近的杂质——高效纯化技术进行分离。
<5>：生物产品稳定性差——严格限制操作条件，保证产物活性。
<6>：分离过程常需要多步骤操作，收率低，分离成本高——提高每一步的产物收得率，尽可能减少操作步骤。
<7>：各批次反应液性质有所差异——分离技术具有一定的弹性。
2 生物分离工程在生物技术中的地位？答：生物技术的主要目标产物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，而且分离工程的质量往往决定整个生物加工过程的成败，因此，生物分离纯化过程在生物技术中极为重要。
3 分离效率评价的主要标准有哪些各有什么意义（ppt）答：根据分离目的的不同，评价分离效率主要有3个标准：以浓缩为目的：目标产物浓缩程度（浓缩率m）以纯度为目的：目标产物最终纯度（分离因子a）以收率为目的：产品收得率（%）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）答：生物分离工程分四大部分：<1>、发酵液预处理与液固分离。
生物分离工程(三版)03章课件
的沉淀
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沉淀的定义
由于物理环境的变化而引起 溶质溶解度的降低、生成固体凝 聚物的现象，称为沉淀。
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沉淀与结晶的区别
沉淀生成的固体颗粒是不定形的 结晶产品为单一组分，而沉淀凝聚物则
成分非常复杂（除了目标产物外，还夹 杂着多种共存的杂质、盐和溶剂等） 沉淀的纯度远低于结晶 多步沉淀操作也可获得高纯度的目标产 品
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初级分离概念
初级分离是指从发酵液、细胞培养液、胞 内抽提液（细胞破碎液）及其他各种生物 原料初步提取目标产物，使目标产物得到 浓缩和初步分离的下游加工过程。
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初级分离特点
分离对象：体积大、杂质含量高； 分离技术：低操作成本、适于大规模生产
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沉淀分离－学习要点
识记：盐析和盐溶概念 理解：蛋白质凝集沉淀的屏障，各种沉
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等电点沉淀-实现方式
在低离子强度下调整溶液pH值至等电点 在等电点的pH值下利用透析等方法降低
溶液的离子强，使蛋白质沉淀
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等电点沉淀-操作特点
等电点沉淀在较低的离子强度下进行， 因此沉淀操作结束后无需脱盐
与其它沉淀结合使用，例如在等电点附 近进行的盐析沉淀操作时可以获得更小 的蛋白质溶解度
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其他沉淀技术
聚合物沉淀
非离子型聚合物沉淀 聚电解质沉淀
重金属盐沉淀蛋白质 生物碱试剂以及某些酸类沉淀蛋白质
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沉淀生成动力学-沉淀生长
异向生长 发生在沉淀生成初期，微细的蛋白质颗粒
为布朗粒子，沉淀生长为扩散速率控制 同向凝聚
较大的沉淀颗粒在搅拌剪切作用下通过碰 撞而进一步凝聚，生成大颗粒沉淀
高离子强度下的盐析
生物分离工程
Chapter 1 Introduction
§1.1 Downstream processing in biotechnology
• The producing process of a biotechnological product is termed bioprocess, that can be divided into two processes as follows
• Strictly monitor the DSP steps for keeping the activity of the product;
• Rapidly remove those impurities can affecting the stability of the final product;
– Upstream processing：strain development and bioreaction （enzyme catalyze reaction, microbial fermentation, plant/mammalian cell culture, etc）
– Downstream processing：the isolation and purification of biotechnological products
• Centrifugation
– Differential centrifugation
• It is an unit operation commonly used in the biochemical industry. According to the characteristics of the broth, the aim of isolation, and the extent of separation requested, different components can be separated from the broth separately by selecting proper operational parameters in practice.
生物分离工程.
第一章绪论1.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。
2.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。
㈠物理学性质①力学性质溶质的密度、尺寸、大小和形状。
利用这些力学性质的不同可进行颗粒（如细胞）的重力沉降，分子或颗粒的离心分离和膜分离。
②热力学性质溶质的溶解度（液相固相平衡）、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、吸附和离子交换分离等。
③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。
④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泳、电色谱、电渗析、离子交换、磁性分离等方法进行分离。
㈡化学性质①化学热力学性质（化学平衡常数）②反应动力学(反应速率)③化学解离特性（激光激发作用极化、离子化）㈢生物学性质①生物分子识别：生物亲和作用；②生物输送性质：生物膜输送；③生物反应、控制：酶反应、免疫系统。
3.分离效率的评价标准目标物浓缩程度→浓缩率分离纯化程度→分离因子回收效率→收率第二章发酵液预处理和固液分离1.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。
生物分离工程
⽣物分离⼯程绪论1、⽣物分离⼯程的定义：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、⽣物分离⼯程特点：1 发酵液或培养液是产物浓度很低的⽔溶液；2 培养液是多组分的混合物；3 ⽣化产品的稳定性差；4 对最终产品的质量要求⾼。
3、⽣物分离⼯程可分为⼏⼤部分，分别包括哪些单元操作？答：1、发酵液的预处理与固液分离，过滤(filtration)、离⼼(centrifugation) 2、初步纯化，沉淀(precipitation)、萃取(extraction)、吸附（adsorption）、膜分离(membrane separation)3、⾼度纯化，⾊谱（chromatography）、电泳(electrophoresis)4、成品加⼯，结晶(crystallization)、⼲燥(drying)。
4、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？答：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、产品和主要杂质独特的物化性质6、不同分离⽅法的技术经济⽐较。
5、阐述⽣物分离⼯程的发展动向。
答、1、基础理论研究2、提⾼分离过程的选择性3、开发分离介质4、提⾼分离纯化技术5、清洁⽣产6、规模化、⼯程化研究6、分离效率的评价：⽬标产物的浓缩程度、分离纯化程度、回收率第⼆章细胞分离与破碎Cell isolation and disruption1如何预处理发酵液?答：1.⾼价⽆机离⼦的去除⽅法去除钙离⼦：通常使⽤草酸。
去除镁离⼦：加⼊三聚磷酸钠，与镁离⼦形成络合物。
⽤磷酸盐处理，也能⼤⼤降低钙离⼦和镁离⼦的浓度。
去除铁离⼦: 加⼊黄⾎盐，使其形成普鲁⼠蓝沉淀⽽除去。
2、杂蛋⽩质的除去：沉淀、吸附法、变性法、凝聚Coagulation和絮凝flocculation 3.有⾊物质的去除及其他：使⽤吸附剂去除有⾊物质（离⼦交换剂、离⼦交换纤维、活性炭等）、⽤⼯业酶制剂可净化发酵产物，除去⼲扰性浑浊物、使⽤惰性助滤剂、加⼊反应剂2凝聚和絮凝的区别答：凝聚：向胶体悬浮液中加⼊电解质，由于双电层电位降低，使胶体体系不稳定，胶体粒⼦间因相互碰撞⽽产⽣凝集（1mm左右）的现象。
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入761g硫酸铵，饱和溶液体积为1.425dm3
加盐方式
采用硫酸铵进行盐析时可按二种方式加入：
①直接加入固体(NH4)2SO4 粉末，工业上常采 用这种方法，加入速度不能太快，应分批加入， 并充分搅拌，使其完全溶解和防止局部浓度过 高；
②是加入硫酸铵饱和溶液，在实验室和小规模 生产中，或(NH4)2SO4 浓度不需太高时，可采 用这种方式，它可防止溶液局部过浓，但加量 较多时，料液会被稀释。
用硫酸铵分级盐析蛋白质时，盐析出某种蛋
蛋白质可以看作是一个表面分布有正、
负电荷的球体，这种正、负电荷是由氨 基和羧基的离子化形成的，换句话说， 该球体是带有均衡电荷分布的胶体颗粒。 因此，蛋白质的沉淀，实际上与胶体颗 粒的凝聚和絮凝现象相似。 ★静电斥力 ★吸引力
蛋白质/胶体颗粒的凝聚和絮凝现象相似
蛋白质粒子在水溶液中是带电的， 带电的原因主要是吸附溶液中的离子或
自身基团的电离。因溶液是电中性的，
水中应有等当量的反离子存在。蛋白质
表面的电荷与溶液中反离子的电荷构成
双电层。
3.1.2 盐析沉淀
早在1859年，从血液中分离蛋白质，随 后: 尿蛋白、血浆蛋白。 在蛋白质溶液中加入中性盐后会压缩扩 散双电层、降低ζ电位，即中性盐既会 使蛋白质脱水，又会中和蛋白质所带电 荷，使颗粒间的相互排斥力失去，在布 朗运动的互相碰撞下，蛋白质分子结合 成聚集物而沉淀析出。
3.1.其组成、构象以及分子周围的环境所 决定。 一般而言，小分子蛋白质比大分子蛋白 质更易溶解。 蛋白质在自然环境中通常是可溶的，所 以其大部分是亲水的，但其内部大部分 是疏水的。
蛋白质是两性高分子电解质，主要由疏
水性各不相同的 20 种氨基酸组成。在 水溶液中，多肽链中的疏水性氨基酸残 基具有向内部折叠的趋势，使亲水性氨 基酸残基基本分布在蛋白质立体结构的 外表面。即便如此，一般仍有部分疏水 性氨基酸残基暴露在外表面，形成疏水 区。疏水性氨基酸含量高的蛋白质的疏 水区大，疏水性强。因此，蛋白质表面 由不均匀分布的荷电基团形成荷电区、 亲水区和疏水区构成。
Cohn方程式
现在常用 Cohn经验式来表示蛋白质的溶解度 与盐的浓度之间的关系： ㏒S=β－ＫsＩ 式中 S——蛋白质的溶解度，g/L; I－一离子强度等于I=1/2∑mizi2; mi——离子 i的摩尔浓度； Zi——所带电荷； β——常数，与盐的种类无关，但与温度、 pH和蛋白质种类有关; Ks——盐析常数，与温度和PH无关，但 与蛋白质和盐的种类有关。 有时为简单计，也可以用浓度代替离子强度， 则上式成为
内容提要
3 初级分离
3.1沉淀分级 3.2泡沫分离
初级分离特点
初级分离：从各种原料（菌体发酵
液，细胞培养液，细胞破碎液，及 其他各种生物原料）中初步分离和 浓缩得到一定浓度的目标产品。 初级分离的对象：体积大，杂质含 量高； 初级分离技术：操作成本低，适于 大规模生产。
3.1 沉淀分级
沉淀是溶液中的溶质由液相变成固相析出 的过程。采用沉淀的手段，主要是为了通过沉
淀达到浓缩的目的，或者通过沉淀，固液分相
后，除去留在液相或沉积在固体中的非必要成 分；其次，沉淀可以将已纯化的产品由液态变 成固态，加以保存或进一步处理。沉淀方法用 于分离纯化是有选择性的，即有选择地沉淀杂
质或有选择地沉淀所需成分。
沉淀操作常在发酵液经过过滤和离心（除 去不溶性杂质及细胞碎片）以后进行，得到的 沉析物可直接干燥制得成品或经进一步提纯， 如透析、超滤、层析或结晶制得高纯度生化产 品。
操作方式可分连续法或间歇法两种，规模 较小时，常采用间歇法。不管哪一种方式操作 步骤通常按三步进行：
沉淀法操作步骤
①首先加入沉淀剂;
②沉淀剂的陈化，促进粒子生长；
③离心或过滤，收集沉淀物。
加沉淀剂的方式和陈化条件对产物的纯度、
收率和沉淀物的形状都有很大影响。
沉淀法的分类
根据所加入的沉淀剂的不同，沉淀法可以分为： （1）盐析法； （2）等电点沉淀法； （3）有机溶剂沉淀法； （4）非离子型聚合物沉淀法； （5）聚电解质沉淀法； （6）高价金属离子沉淀法等。 除第（3）种有机溶剂沉淀法也能适用于抗 生素等小分子外，其他各种方法只适用蛋白质等 大分子。
虽然Cohn公式能够描述盐析状态下蛋白
质的溶解度，但它不能体现低盐浓度 （盐溶状态）下蛋白质的溶解度。
盐析操作
硫酸铵是最常用的蛋白质盐析沉淀剂 硫酸铵的溶解度在0～30℃范围内变化很小 20℃时的饱和浓度约为4.05mol/dm3
（534g/dm3)，饱和溶液密度为1.235kg/dm3
Cohnx 经验式（用浓度代替离子强度）
lgS= β－Ｋs m
式中m 为盐的摩尔浓度.
(16.2)
用盐析法分离蛋白质的二种方法
⑴在一定的 pH值及温度条件下，改变盐的浓度 （即离子强度）达到沉淀的目的，称为“Ｋs” 分级盐析法。
（Ks盐析：固定pH, 温度，改变盐浓度） ⑵在一定的离子强度下，改变溶液的pH值及温 度，达到沉淀的目的，称为“β”分级盐析法。 （β盐析：固定离子强度，改变pH及温度。）
蛋白质分子表面的憎水区域和荷电区域
防止蛋白质凝聚沉淀的屏障
⑴蛋白质周围的水化层可以使蛋白质形
成稳定的胶体溶液。 ⑵蛋白质分子间静电排斥作用。（存在 双电层） 因此，可通过降低蛋白质周围的水化层 和双电层厚度（ζ 电位）降低蛋白质溶 液的稳定性，实现蛋白质的沉淀。
蛋白质胶体溶液的稳定性
沉淀法
生物分子在水中形成稳定的溶液是有条件的， 这些就是溶液的各种理化参数。任何能够影响这 些条件的因素都会破坏溶液的稳定性。 沉淀法就是采用适当的措施改变溶液的理化 参数，控制溶液的各种成分的溶解度，从而将溶 液中的欲提取的成分和其它成分分开的技术。 沉淀法是最古老的分离和纯化生物物质的方 法，但目前仍广泛应用在工业上和实验室中。