生物分离工程萃取
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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。
生物分离工程膜分离技术应用
生物分离工程膜分离技术应用
有机溶剂萃取-乳化和破乳
定义
乳化是一种液体（如水或有机溶剂）以微小液 滴形式分散于另一种不相混合的液体中的现象
乳浊液形式
油滴分散于水相中的乳浊液称为水包油型； 水滴分散于有机相中的乳浊液称为油包水型
生物分离工程膜分离技术应用
乳化形成
乳化现象的产生必需有第三种物质的出现，这种物 质就是表面活性剂。
-化学萃取平衡之分配平衡（2）
二（2－乙基己基）磷酸萃取氨基酸为例，其所对应的离 子交换反应
A2(H2RA ) R(3H H R )
KeH[A[AR]([(HH3]RR[2H )])]
氨基酸的表观分配系数为
mA
[AR(HR3)] cA
则
m AK eC [[H (H l])2 R ]2 1[H K 1][K H 1 K ]2 2 1
生物分离工程
生物分离过程中的萃取技术
生物分离工程膜分离技术应用
总体学习目的和要求
在了解萃取和分配定律、分配 平衡的基本概念的基础上，重点掌 握有机溶剂萃取，液液萃取，双水 相萃取，液膜萃取，反胶团萃取， 液固萃取,超临界流体萃取的设备， 操作及基本性质
生物分离工程膜分离技术应用
目录
基本概念
分配定律与分配平衡
在发酵液中存在的大量蛋白质、磷脂及固体颗粒物 质，这些物质（主要是蛋白质和磷脂）起到了表面 活性剂的作用。
这些物质的存在使得发酵液的 表面张力下降，这时增加单位 表面积所需要做的功变小，液 体容易分散成微滴而乳化。
生物分离工程膜分离技术应用
破乳方法
发酵液过滤或沉淀 除去蛋白质和磷脂
加热
降低粘度，破坏乳浊液
NH2
A－
K1
有机溶剂萃取-乳化和破乳
定义
乳化是一种液体（如水或有机溶剂）以微小液 滴形式分散于另一种不相混合的液体中的现象
乳浊液形式
油滴分散于水相中的乳浊液称为水包油型； 水滴分散于有机相中的乳浊液称为油包水型
生物分离工程膜分离技术应用
乳化形成
乳化现象的产生必需有第三种物质的出现，这种物 质就是表面活性剂。
-化学萃取平衡之分配平衡（2）
二（2－乙基己基）磷酸萃取氨基酸为例，其所对应的离 子交换反应
A2(H2RA ) R(3H H R )
KeH[A[AR]([(HH3]RR[2H )])]
氨基酸的表观分配系数为
mA
[AR(HR3)] cA
则
m AK eC [[H (H l])2 R ]2 1[H K 1][K H 1 K ]2 2 1
生物分离工程
生物分离过程中的萃取技术
生物分离工程膜分离技术应用
总体学习目的和要求
在了解萃取和分配定律、分配 平衡的基本概念的基础上，重点掌 握有机溶剂萃取，液液萃取，双水 相萃取，液膜萃取，反胶团萃取， 液固萃取,超临界流体萃取的设备， 操作及基本性质
生物分离工程膜分离技术应用
目录
基本概念
分配定律与分配平衡
在发酵液中存在的大量蛋白质、磷脂及固体颗粒物 质，这些物质（主要是蛋白质和磷脂）起到了表面 活性剂的作用。
这些物质的存在使得发酵液的 表面张力下降，这时增加单位 表面积所需要做的功变小，液 体容易分散成微滴而乳化。
生物分离工程膜分离技术应用
破乳方法
发酵液过滤或沉淀 除去蛋白质和磷脂
加热
降低粘度，破坏乳浊液
NH2
A－
K1
有机溶剂萃取法生物分离工程
分配达平衡时，溶质在两相的总浓度之比
对于弱酸性电解质
K
K0
H Kp H
=K0 /(1 ＋10 pH － pK )
对于弱碱性电解质
K
K0
Kp Kp H
=K0 /(1 ＋10 pK － pH )
K0－只与T、P有关； K－与T、P和pH有关 K可通过实验求出，而K0不能，可由公式求出。
溶剂萃取概述
分液漏斗
有机相 水相
一般工业液液萃取过程
料液 （待分离物
质＋杂质 萃 取
萃取液 （待分离物 质＋少量杂质
洗 涤 剂
洗 涤
萃取剂 ＋稀释剂
杂质+少量 萃残液 待萃物质 （杂质）
反
萃 萃取剂＋稀释剂
剂
（待返回使用）
待反 萃萃 物取 质
产物（待萃物质）
生物萃取与传统萃取相比的特殊性
生物工程不同于化工生产，主要表现在生物分离 往往需要从浓度很稀的水溶液中除去大部分的水， 而且反应液中存在多种副产物和杂质，使生物萃 取具有特殊性。
举例：
青霉素 ( pK2.75 ) 工业钾盐 ：
预处理及过滤
发酵液
滤洗液
萃取
调 pH2.02.5 1/3 v/v
丁酯逆流萃取
萃取液
NaCl 盐析脱水
活性炭脱色
丁酯逆共流萃沸取蒸馏结晶
结晶液
pen－k 成品
红霉素( pK9.4 ) ：
预处理和过滤
发酵液
滤液
萃取
调 pH9.810.2, 1/4V/V
青霉素的分配平衡
弱电解质的分配系数：
热力学分配系数K0 ：萃取平衡时，单分子化 合物溶质在两相中浓度之比。
第03章 萃取分离技术 生物分离工程ppt
重要的。 K与温度、压力以及溶质和溶剂性质有关， 与溶质 的浓度无关。K的大小取决于溶质与双水相系统间的各种相互 作用，其中主要有静电作用、疏水作用和生物亲和作用等。
ln K ln KE ln KH ln K A (3-80)
其中，KE，KH和KA分别为静电作用、疏水作用和生物亲和作用对 分配系数K的贡献。
影响分配系数的因素很多，加上各因素间又 互相影响， 定量地将蛋白质的一些分子性质与 分配系数关联起来是困难的。最佳的双水相操 作条件，还需要依靠实验来获得。
3.4.3 影响分配系数的各种因素
影响生物分子分配系数的因素很多：成相聚合物的分子 量和浓度、体系的pH、体系中盐的种类和浓度、 菌体或细 胞的种类和浓度、温度等等。 选择合适的条件，可以达到 较高的分配系数，选择性地萃取目标产物。
三步萃取流程示意图
如果第1步的选择性足 够大，可省略中间步 骤，在第3步中即将目 标产物分配于盐相， 以使目标产物与PEG分 离，便于PEG重复利用 和目标产物的进一步 加工处理。
连续双水相萃取流程
3.5 反微团萃取(Reversed micellar extraction)
3.5.1 反微团及其基本性质
20
PEG/盐 93 3.2 3.4
25
3．相平衡与相分离
双水相萃取过程包括：双水相的形成、溶质在双水相中的 分配和双水相的分离。
萃取在混合澄清槽或萃取塔中进行： 将固状(或浓 缩的)聚合物和盐直接加入到细胞匀浆液中，同时进行 机械搅拌使成相物质溶解，形成双水相。由于常用的 双 水 相 系 统 的 表 面 张 力 很 小 ( 如 PEG／ 盐 系 统 为 0 . 1 ~1mN／cm；PEG／Dex系统为1×10-4~0.1mN／cm)， 相间混合所需能量很低，通过机械搅拌容易分散成微 小液滴，相间比表面积极大。达到相平衡需时间很短 ，一般只露几秒钟。搅拌时只需较小的剪切力就能得 到分散度很高的悬浮液，能耗小。
ln K ln KE ln KH ln K A (3-80)
其中，KE，KH和KA分别为静电作用、疏水作用和生物亲和作用对 分配系数K的贡献。
影响分配系数的因素很多，加上各因素间又 互相影响， 定量地将蛋白质的一些分子性质与 分配系数关联起来是困难的。最佳的双水相操 作条件，还需要依靠实验来获得。
3.4.3 影响分配系数的各种因素
影响生物分子分配系数的因素很多：成相聚合物的分子 量和浓度、体系的pH、体系中盐的种类和浓度、 菌体或细 胞的种类和浓度、温度等等。 选择合适的条件，可以达到 较高的分配系数，选择性地萃取目标产物。
三步萃取流程示意图
如果第1步的选择性足 够大，可省略中间步 骤，在第3步中即将目 标产物分配于盐相， 以使目标产物与PEG分 离，便于PEG重复利用 和目标产物的进一步 加工处理。
连续双水相萃取流程
3.5 反微团萃取(Reversed micellar extraction)
3.5.1 反微团及其基本性质
20
PEG/盐 93 3.2 3.4
25
3．相平衡与相分离
双水相萃取过程包括：双水相的形成、溶质在双水相中的 分配和双水相的分离。
萃取在混合澄清槽或萃取塔中进行： 将固状(或浓 缩的)聚合物和盐直接加入到细胞匀浆液中，同时进行 机械搅拌使成相物质溶解，形成双水相。由于常用的 双 水 相 系 统 的 表 面 张 力 很 小 ( 如 PEG／ 盐 系 统 为 0 . 1 ~1mN／cm；PEG／Dex系统为1×10-4~0.1mN／cm)， 相间混合所需能量很低，通过机械搅拌容易分散成微 小液滴，相间比表面积极大。达到相平衡需时间很短 ，一般只露几秒钟。搅拌时只需较小的剪切力就能得 到分散度很高的悬浮液，能耗小。
第03章讲义 萃取分离技术 3.1 生物分离中的液液萃取 生物分离工程ppt
到分配平衡。对于弱酸性和弱碱性电解质，解离平衡关 系分别为
AH A H
(3-5)
BH BH
(3-6)
解离平衡常数分别为
[ A ][ H ]
k a [ AH ]
(3-7)
2020/6/24
kb
[ B ][ H ] [ BH ]
(3-8)
弱酸性溶质的萃取：弱酸在水相中部分电离，而在有机 溶剂中几乎不离解，在有机溶剂-水萃取体系中，表现分配 系数为：
[kkii((B A))]1 1[ kka a((B A))//[[H H ]]]
(3-14)
通过调节水相pH，控制溶质的分配行为，从而提高萃取 率的方法，广泛应用于抗生素和有机酸等弱电解质的萃取。
2020/6/24
例3-1 在醋酸戊酯-水系统中，青霉素K的ki＝215，青霉 素F的ki =131。根据有关手册的数据，pka值分别为 pka(K)=2.77, pka(F)=3.51，现有混合物青霉素F和K，而F 是有用的目的产物。
2020/6/24
如何得到满意的萃取效率？
1. 选择适当的萃取剂
尽量选择对溶质有较大分配系数k的萃取剂。良好 的萃取剂一般还应满足：
✓选择性好。化学稳定性好。 ✓易于分层：密度差较大，粘度小，表面张力适中，相 分散和相分离较容易，不产生第三相或产生乳化现象。 ✓萃取剂易于回收和再利用。 ✓萃取剂价廉易得，经济性好。 ✓毒性和环境污染小，闪点低，使用安全。
2020/6/24
2. 改变溶质的形态
生物产品的分离过程，不应使其丧失生物效能，这 就限制了萃取剂的选择范围。
通过适当改变溶质的形态，使分配系数k 改变，以 改进萃取分离。 具体方法主要有二，即通过溶质离子 对的变化和萃取体系pH值的改变来实现。
AH A H
(3-5)
BH BH
(3-6)
解离平衡常数分别为
[ A ][ H ]
k a [ AH ]
(3-7)
2020/6/24
kb
[ B ][ H ] [ BH ]
(3-8)
弱酸性溶质的萃取：弱酸在水相中部分电离，而在有机 溶剂中几乎不离解，在有机溶剂-水萃取体系中，表现分配 系数为：
[kkii((B A))]1 1[ kka a((B A))//[[H H ]]]
(3-14)
通过调节水相pH，控制溶质的分配行为，从而提高萃取 率的方法，广泛应用于抗生素和有机酸等弱电解质的萃取。
2020/6/24
例3-1 在醋酸戊酯-水系统中，青霉素K的ki＝215，青霉 素F的ki =131。根据有关手册的数据，pka值分别为 pka(K)=2.77, pka(F)=3.51，现有混合物青霉素F和K，而F 是有用的目的产物。
2020/6/24
如何得到满意的萃取效率？
1. 选择适当的萃取剂
尽量选择对溶质有较大分配系数k的萃取剂。良好 的萃取剂一般还应满足：
✓选择性好。化学稳定性好。 ✓易于分层：密度差较大，粘度小，表面张力适中，相 分散和相分离较容易，不产生第三相或产生乳化现象。 ✓萃取剂易于回收和再利用。 ✓萃取剂价廉易得，经济性好。 ✓毒性和环境污染小，闪点低，使用安全。
2020/6/24
2. 改变溶质的形态
生物产品的分离过程，不应使其丧失生物效能，这 就限制了萃取剂的选择范围。
通过适当改变溶质的形态，使分配系数k 改变，以 改进萃取分离。 具体方法主要有二，即通过溶质离子 对的变化和萃取体系pH值的改变来实现。
第03章 萃取分离技术 生物分离工程ppt
双水相系统的疏水性HF与成相聚合物的种类、相对 分子质量、浓度，添加盐的种类、浓度以及pH有关，一 般随聚合物的相对分子质量、浓度以及盐析盐浓度的增 大而增大。
影响分配系数的因素很多，加上各因素间又 互相影响， 定量地将蛋白质的一些分子性质与 分配系数关联起来是困难的。最佳的双水相操 2作020/6条/24 件，还需要依靠实验来获得。
2．盐的种类和浓度
盐的种类和浓度对分配系数的影响主要反映在对 相间电位和蛋白质疏水性的影响。
双聚合物系统中，无机离子具有各自的分配系数 。 可以看出，不同电解质的正负离子的分配系数不同 ，因此在两相间形成电位差。由于两相均应各自保持 电中性，这对带电生物大分子，如蛋白质、核酸等的 分配产生很大影响。
对一种特定的蛋白质，在不同盐系统中， 由于相间电 位Δφ 不同， pH和其分配系数之间的关系曲线也不同， 在等电点处，Z＝0，得到的均为不带电时的分配系数 [＝ K0，式(3－83)]，即两条关系曲线交于一点。
2020/6/24
K0
通过测定不同盐类存在下分 配系数与pH之间的关系曲线 的交点，可测定蛋白质、细 胞器以及微粒的等电点，该 方法为交错分配法(cross partitioning)。
3.4.3 影响分配系数的各种因素
影响生物分子分配系数的因素很多：成相聚合物的分子 量和浓度、体系的pH、体系中盐的种类和浓度、 菌体或细 胞的种类和浓度、温度等等。 选择合适的条件，可以达到 较高的分配系数，选择性地萃取目标产物。
1．成相聚合物
成相聚合物的分子量和浓度对分配平衡有重要影响。 若降低聚合物的相对分子质量，则蛋白质易分配于富含 该聚合物的相中；因为成相聚合物疏水性对酶等亲水性 物质的分配产生较大的影响。
2020/6/24
影响分配系数的因素很多，加上各因素间又 互相影响， 定量地将蛋白质的一些分子性质与 分配系数关联起来是困难的。最佳的双水相操 2作020/6条/24 件，还需要依靠实验来获得。
2．盐的种类和浓度
盐的种类和浓度对分配系数的影响主要反映在对 相间电位和蛋白质疏水性的影响。
双聚合物系统中，无机离子具有各自的分配系数 。 可以看出，不同电解质的正负离子的分配系数不同 ，因此在两相间形成电位差。由于两相均应各自保持 电中性，这对带电生物大分子，如蛋白质、核酸等的 分配产生很大影响。
对一种特定的蛋白质，在不同盐系统中， 由于相间电 位Δφ 不同， pH和其分配系数之间的关系曲线也不同， 在等电点处，Z＝0，得到的均为不带电时的分配系数 [＝ K0，式(3－83)]，即两条关系曲线交于一点。
2020/6/24
K0
通过测定不同盐类存在下分 配系数与pH之间的关系曲线 的交点，可测定蛋白质、细 胞器以及微粒的等电点，该 方法为交错分配法(cross partitioning)。
3.4.3 影响分配系数的各种因素
影响生物分子分配系数的因素很多：成相聚合物的分子 量和浓度、体系的pH、体系中盐的种类和浓度、 菌体或细 胞的种类和浓度、温度等等。 选择合适的条件，可以达到 较高的分配系数，选择性地萃取目标产物。
1．成相聚合物
成相聚合物的分子量和浓度对分配平衡有重要影响。 若降低聚合物的相对分子质量，则蛋白质易分配于富含 该聚合物的相中；因为成相聚合物疏水性对酶等亲水性 物质的分配产生较大的影响。
2020/6/24