生化分离 01 绪论课件.ppt

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1、第一章 绪论,1.1 生化分离的一般过程1.2 生化产品的类型1.3 生化产品的特点1.4 生化分离工作的重要性作业,1.1 生化分离工作的一般过程,动、植物组织、体液等 胞外产物 提取发酵液 预处理 c分离 c破碎 碎片分离 初步纯化 精制 制成品培养液 加 热 沉 淀 匀 化 离 心 沉 淀 分子筛 无菌过滤酶反应 调 pH 离 心 超 声 萃 取 吸 附 离 子 超 滤 絮 凝 过 滤 胞 溶 过 滤 萃 取 亲 和 冻 干 错流过滤 研 磨 错流过滤 超 滤 吸 附 喷 干 憎 水 结 晶 电 泳,基本定义,生化分离工程的定义：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

2、，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(Downstream Processing)。单元操作：完成一道工序所需的一种方法和手段。,1.2 生化产品的类型,1.2.1 按用途分类 食品类。保健品类。医用类产品（1998年，719种）。抗生素112种 农业用产品（1998年，36种）。生物试剂类（1998年，975种）。1.2.2 按分子量大小分类 Mass 1000D：酶、抗原、抗体、多肽、蛋白质类1.2.3 按发酵时目的产物所在的位置分类 cell内：胰岛素、白细胞介素、干扰素、重组蛋白质 cell外：抗生素（青霉素、红霉素）、胞

3、外酶（-淀粉酶）等,1.3 生化产品的特点,1)、应用面广。医药卫生、环保、动植物生长调节、食品和试剂等2)、种类繁多。分子量X0X000000，结构功能复杂，生物活性各异。3)、目的产物在初始物料中的含量低。青霉素（4.2%）、庆大霉素（0.2%）、干扰素（50ug/ml）。4)、产品价格与产物浓度呈反比:5)、初始物料成分复杂。除少量产物外，还有大量的细胞及碎片、其他代谢物（几百上千种）、培养基成分、无机盐等。6)、生物活性物质的稳定性低。易变质、易失活、易变性，对温度、pH值、重金属离子、有机溶剂、剪切力、表面张力等非常敏感。7)、产品的质量要求高，尤其是药品等。成品青霉素对其强致敏原-

4、青霉噻唑蛋白必须控制RIA值（放射免疫测定）小于100（1.5*10-6），蛋白类药物（杂质 2%）、重组胰岛素（Humulin）中杂蛋白小于0.01%。,1.4 生化分离工作的重要性,1)、生化产品的必经的过程(一夫挡关)。2)、回收率不高。抗生素(80%左右)，蛋白质(60-90%)。意义?3)、分离纯化昂贵。下游研究费用占整个R 大多数酶70%。意义?4)、基因工程的R&D费用，下游占50-80%。基因工程表达产品成本85-90%；劳动力和物力成本占整个劳动力的70-90%。意义?5)、中药现代化的重要技术平台。农学、分离科学、生化分析、药学等6)、提供产品竞争力的关键技术之一。WTO，

5、降低生产成本、提高产品标准。7)、环境污染的治理（慢性铅中毒）,第一章 绪论,1.5生化分离工程的分类1.6方法选择的基本原则1.7设计前应了解的信息1.8对环境的考虑1.9分离效率的评价1.10 生化分离技术的发展趋势,1.5生化分离工程的分类,原 理 技 术 应 用Phase change 1)、蒸馏 乙醇沸点和蒸汽压 2)、精馏 有机溶剂回收0h 3)、蒸发 制盐、抗生素富集Extraction 1)、液-液萃取 抗生素分配系数 2)、液-固萃取 中药分离 3)、固相萃取 天然产物4h 4)、双水相萃取 酶 5)、反胶束萃取 DNA重组蛋白质 6)、超临界萃取 中药提取Density d

6、ifference 1)、常规离心 细胞分离比重、密度 2)、高速离心 细胞、病毒分离2h 3)、超速离心 病毒,细胞器,DNA,1.5生化分离工程的分类,Membrane 1）、常规过滤 发酵液膜分离 2）、微滤 细菌、细胞碎片 3）、超滤 蛋白质、酶4h 4）、纳滤 有机物回收,污水治理 5）、反渗透 海水淡化、污水处理Solubility 1）、结晶 味精溶解度 2）、盐析 蛋白质、酶4h 3）、有机试剂 蛋白质 4）、等电点法 蛋白质、酶,1.5生化分离工程的分类,Absorbance 1）、非特异性吸附 抗生素(吸附)2）、特异性吸附 抗体2h 3）、亲和吸附 抗原抗体 4）、离子交

7、换 抗生素Chromatography 1）、凝胶 抗生素、蛋白质(色谱或层析)2）、亲和色谱 抗体6h 3）、离子交换 蛋白质Electric Field 1）、磁性免疫微球 抗原抗体(场致分离)2）、区带电泳 蛋白质6h 3）、等速电泳 蛋白类 4）、等点聚焦电泳 蛋白类,1.6方法选择的基本原则,1)、尽可能简单、低耗、高效、快速。反面例子-中药现代化、超临界萃取；正面例子2)、分离步骤尽可能少。Why?A)、n 为总回收率，n 为各单元回收率。意义？分离步骤越多，回收率越低；如10=0.9510=0.63，5=0.955=0.77B)、分离步骤多，设备投入大，人员物资消耗大，生产周期长

8、 How?,1.6方法选择的基本原则,3)、避免相同原理的分离技术多次重复出现比喻，分子筛和超滤技术按分子量大小分离，重复应用两次以上，意义就不大了。4)、尽量减少新化合物进入待分离的溶液。A)、引起新的化学污染；B)、蛋白质的变性失活5)、合理的分离步骤次序。原则是：先低选择性，后高选择性；先高通量，后低通量；先粗分，后精分；先低成本，后高成本。,1.7设计前应了解的信息,1）、在设计前，首先要掌握的产物物化性质，主要包括：(1)、溶解度及影响因素，包括温度、pH值、有机溶剂和盐等；(2)、分子量和分子形状。对于高分子物质非常有意义；(3)、沸点和蒸汽压。对于热稳定的小分子物质非常有意义；(

9、4)、极性大小；(5)、分子电荷及影响因素，包括pH值和盐等；(6)、功能团。功能团为萃取剂和特异性吸附的选择提供依据；(7)、免疫原性。设计亲和色谱；(8)、稳定性及其影响因素，包括温度、pH值、毒性试剂等(如青霉素低pH不稳定)；(9)、分子的淌度及影响因素，包括pH值、离子强度和盐等；(10)、等电点pI；,1.7设计前应了解的信息,2）、成品规格（或产品质量标准）表1.3 五肽胃泌素的上海市药品标准（1993年版32页）指标名称 指标 含量（C37H49N7O9S）97.0-103.0 比旋光度-25-29 吸收值比 A(280nm):A(288nm)=1.12-1.22 氨基酸 各氨

10、基酸之比为1 干燥失重，%0.53）、进料的组成和物性(1)、目的产物的浓度。高？低？(2)、物料中的与目的产物相近物质组成的物理化学性质。(3)、目的产物的定位。是胞内还是胞外？(4)、菌种的种类和形态。(5)、微生物的含量和发酵液的黏度。,1.7设计前应了解的信息,4）、生产规模 1.5）、危害性(1)、离心产生的气溶胶、发酵产生的废气、干燥产生的粉尘等。(2)、目的产物本身的危害性；抗肿瘤代谢类药物，类固醇类抗生素，激素类药物等。(3)、试剂危害。萃取试剂CCl4、甲苯、苯、二甲苯、CNBr。(4)、微生物的危害。重组DNA工程菌不能任意排放。这一菌种为新的物种，不能排除对生态系统和人的

11、危害。6）、分批分离还是连续纯化,1.8对环境的考虑,1）、废水 A、除菌过滤和灭菌处理；B、符合BOD的要求；2）、废料 A、灭菌处理；B、综合利用：动物饲料、饲料添加剂，有机肥料3）、废气 A、除菌过滤和灭菌处理；B、废气（有机溶剂）回收4）、溶剂的回收 A、减少环境排放，减少污染；B、循环利用，减低成本,1.9分离效率的评价,1）、浓缩率（富积率，concentration factor）原料(Raw material)分离器 产品(Product)FW,VW,cT,W,cX,W 废液(Waste fluid)意义：1）、如mT 1，则目标产物得到富积；2）、如mT=mX，则目标产物未得

12、到分离纯化。,1.9分离效率的评价,2)分离因子(separative factor)，或分离系数(separative coefficient)1.意义：A、目标产物浓度，杂质浓度，则分离因子大，分离效率；B、=1时，则未分离。故在分离为主要目的时,3)回收率(recovery)：4)纯化因子(purification factor)对于具有生物活性的蛋白质或酶，常常用分离前后目标产物的比活 2.A in U/mg之比表示目标产物的分离纯化程度，,1.10 生化分离技术的发展趋势,存在的问题：研发费用高、成本高、周期长 生物工程发展的瓶颈 如何解决？1)、加强基础理论研究 A、研究非理想溶液

13、中溶质与添加物料之间的选择性机制、影响因素 1.B、研究界面的结构、动力学和传质机制，以及影响因素 2.C、下游加工过程的数学模型的建立和计算机模拟。难 2)、完善老技术：正确对待“新”、“老”分离技术,1.10 生化分离技术的发展趋势,3)、发明新技术 研发新型高效经济的分离技术 推进各分离技术的杂交 分离技术与发酵技术结合 强化化学对分离技术的影响 1.4)、高效分离技术的工程化5)、分离技术的环保化,作业：检阅文献，谈谈分离科学的作用,刊原：1)、纯分离分析期刊：Bioassay(IF=6.227);Anal.Chem.(IF=4.650);Separ.Purif Method(IF=3

14、.600);Electrophoresis(IF=3.465);Adv.Chromatogr(IF=3.067);J Chromatogr A(IF=2.768);LC GC-Mag Sep Sci(IF=2.393);J Chromatogr B(IF=1.867)。调研论文数/月、本学科国际发展的速度 2)、综合性期刊：Nature(IF=27.074);Science(IF=21.911);Proc.Natl.Acad.Sci.USA(IF=10.520)。生物学论文的比例，分离分析在其中的作用？3)、生物工程类期刊：Cancer Gene Ther(IF=5.925);Bio-Technol(IF=3.519);Appl Environ Microb(IF=3.129);Yeast(IF=2.809);Curr Opin Biotech(IF=2.699);Biotechnol Bioeng(IF=2.350)。分离分析科学承担的作用？4)、国产期刊：Science in China B(IF=0.332);Science in China A(IF=0.266);Chinese Science Bulletin(IF=0.218);Prog Nat Sci(IF=0.255)。生物学论文的比例，分离分析科学在其中承担的作用？其他感想？,