生化分离工程详解Word格式.docx

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从而导致下游加工过程度成本往往占整个生物加工过程生产成本的大部分。

（教材中列出了若干生物制品生产过程中分离过程的成本）

因此，下游加工过程的成本往往决定整个生物加工过程的成败，设计合理的下游加工过程可大大降低目标产品的生产成本，实现更大规模上的商业生产。

评价生化物质分离纯化技术的标准是纯度、收率和成本等三个因素，应从这三个方面进行综合考虑和优化才能决定最佳工艺技术。

3.下游加工技术的一般流程

参照教材第3页图1.1

强调如下几点：

第一，流程图包括了本课程所涉及的大部分教学内容；

第二，一个目标产物的获得需要进行多步处理，这样导致总收率的降低。

得出结论：

选择恰当的分离技术至关重要。

4.分离技术的选择依据

第一，产物所处的位置；

物料组成（组成中杂质、目标组分的量，是否有必须去除的物质）；

第二，产物性质

分子大小、疏水性、稳定性（目标产物稳定性，杂质稳定性）、电荷形式和溶解度、功能团、挥发性等；

产品形式：

固体适当结晶，液体，适当浓缩；

危害性：

过程保护性分离；

第三，生物加工过程自身的规模（越大所选用的设备不同，如凝胶层析不能规模过大）和产品的商业价值[产品规格（注射，非注射）（标准、吸收等）]；

一种目标产物的分离手段往往不止一种，根据生产的规模和价值，选择合适的分离技术。

第四，步骤少（回收率高，如每次的损失90%，多次损失越多；

避免相同原理的分离技术多次重复出现；

减少新化合物进入）；

第五，次序合理（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）（考虑的是损失率，成本等）；

第六，清洁生产：

废水处理，如甲壳素的生产会产生许多强酸碱，酶法分离；

废气；

废渣。

5.生物下游加工过程的特点

生物下游加工过程的特点是由蛋白质的特性所决定的，可以概括为“五项要求”：

第一，满足维持生物物质活性的要求

生物物质的生理活性大多是在生物体内的温和条件下维持并发挥作用，当遇到高温，pH的改变以及某些化学药物存在等周围环境的急剧变化时极不稳定，容易发生生物活性的降低甚至丧失。

因此，生产过程对分离纯化过程的操作条件有严格的限制。

第二，满足快速分离的要求

原料液中常存在降解目标产物的杂质，如可水解目标蛋白的蛋白酶。

因此，要求采用快速的分离纯化方法除去影响目标产物稳定性的杂质。

第三，满足纯度和杂质去除的要求

根据目标产物的使用目的，完全除去妨碍其功能发挥的杂质，但不像电子材料和无机材料那样要求非常高的纯度。

第四，满足高效分离的要求

原料液中常存在与目标分子在结构、构成成分等理化性质上极为相似的分子异构体，形成用常法难于分离的混合物。

因此，一般要求利用特殊的高效分离技术纯化目标产物。

第五，满足成本优化的要求

原料液中目标产物的浓度一般都很低，有时甚至是极微量的，这样就有必要对原料液进行高度浓缩，从而使下游加工过程的成本显著增大。

6.分离机理与分离操作

对于一个待分离的原料，一般利用原料中目标产物与共存杂质之间在物理、化学以及生物性质上的差异，使其在分离操作中具有不同的传质速率或平衡状态，从而达到分离目标产物的目的。

因此，常用的分离技术是基于

物理性质

力学性质

重力、离心力、筛分

热力学性质

状态变化、相平衡

传质性质

粘度、扩散、热扩散

电磁性质

电泳、电渗、磁化

化学性质

化学热力学

化学平衡

反应动力学

反应速率

光化学性质

激光激发、离子化

生物学性质

分子识别

生物亲和作用、生物学识别

输送性质

生物膜输送

反应、响应、控制

免疫系统

7.根据生物分离过程原理

机械分离

对象：

非均相物系，

原理：

根据物质大小、密度的差异进行分离

过滤

重力沉降

离心沉降

传质分离

均相物系；

输送分离

根据溶质在外力作用下产生的移动速度的差异实现分离

（速度分离法）

推动力：

压力差、电位梯度和磁场梯度

超滤

反渗透

反渗析

电泳和磁泳

扩散分离

根据溶质在两相中分配平衡状态的差异实现分离

（平衡分离法）

偏离平衡态的浓度差

蒸馏、蒸发

吸收、吸附和离子交换

萃取

结晶

8.分离效率的评价

评价一个分离过程的效率主要有三个指标：

目标产品的浓缩程度－浓缩率：

包括产品浓缩率（

）和杂质浓缩率（

）两种

分离纯化程度－分离因子：

又称分离系数，反映目标产物的纯化程度，用

表示

获得产物的量－回收率

第2章细胞破碎与分离

第一部分细胞分离

1.重力沉降是传统化工过程中常用的从含有固体颗粒的流体中将颗粒分离出来的操作，其是利用流体与颗粒间的密度差，在重力的作用下使颗粒与流体之间产生相对运动，从而实现两者的分离。

2.提高重力沉降速度的途径

由于菌体或动物细胞的尺寸较小，因此虽然利用重力沉降分离细胞比较简单易行，但沉降速度很慢。

因此，在实际过程中往往采取某些方法来提高细胞的沉降速度。

1.加入中性盐

细胞表面都带有一定的电荷，其在溶液中将形成双电层。

当中性盐加入后，细胞表面双电层的排斥电位降低，有利于细胞之间发生凝聚。

2.加入高分子絮凝剂

向含有细胞的料液中加入聚丙烯酰胺或聚乙烯亚胺等高分子絮凝剂，可使细胞之间产生架桥作用而形成较大的凝聚颗粒。

3.引入外力离心沉降。

3.离心沉降定义

离心沉降是利用沉降设备使流体和颗粒旋转，在离心力的作用下，由于颗粒和流体间存在密度差，所以颗粒沿径向与流体产生相对运动，从而使颗粒和流体分离。

4.离心沉降理论

离心力场中颗粒的沉降速度

与重力沉降速度的最大区别在于用离心加速度

代替了重力加速度。

S为沉降系数，它是用超速离心的发明人斯维德贝格（Svedberg）来命名，1S＝10-13s。

沉降系数与溶剂的粘度有关，是溶剂物性的函数。

5.离心分离法

1.差速离心分级

差速离心是生化工业中最常用的离心分离方法。

以菌体细胞的收集或除去为目的的固液离心分离是分级离心操作的一种特殊情况，即为一级分级分离。

2.区带离心

区带离心是生化研究中的重要分离手段，主要包括差速区带离心和平衡区带离心。

下面我们采用对比的方法分析一下两者的特点。

区带离心能够进行的前提条件是，在离心管内的溶液存在密度梯度。

采用事先配好的不同浓度（密度）的梯度介质（蔗糖等），按照浓度从大到小的原则，依次层层加入。

加入离心管中的梯度介质经高速离心或静置后可形成连续的密度梯度。

区带离心方法的比较

区带离心种类

差速区带离心

平衡区带离心

共同点

事先在离心管内用低分子量溶质调配好密度梯度

梯度介质

常用蔗糖

常用氯化铯

密度梯度

最大的密度梯度低于最大密度的沉降样品

最大的密度梯度大于最大密度的沉降样品

区带形成条件

根据各个组分沉降系数的差别，形成各自的区带

根据各组分密度差形成区带

离心条件

在最前的沉降物质达到管底前停止，短时间，低速度

使各组分沉降到其平衡的密度区，长时间，高速度

6.在工业上比较常用的离心机包括管式和碟式等。

管式离心机

优点

结构简单，转速和离心力较大，分离因子高8000—15000g

缺点

沉降面积小、处理能力低；

应用

液-液分离（连续式）；

低固体含量（<

1%）的固-液分离（间歇式）。

多室离心机

加强功能：

分离液流程长、沉降面积大、流层减薄、沉降距离减小；

颗粒的筛分作用：

粗颗粒沉降到内层分离室，细颗粒沉降到外层分离室；

沉淀清理困难

处理能力2.5-10m3/h；

颗粒d>

0.1dm；

固体浓度<

5％。

碟式离心机

转子中存在隔板以增大沉降面积，处理能力大

结构复杂、转速较低；

螺旋卸料沉降离心机

A、操作温度高300°

C大；

B、处理量大，可达60t/h。

分离因子小于6000g，不适合于小颗粒的分离。

高浓度的大颗粒的固液分离（达50%,2um-5mm），如淀粉精制和污水处理。

碟式离心机：

化学、制药和生化工业应用最广泛

特点：

A、10-100个锥顶角为60-100Ｃ的锥形碟片；

B、碟片距很短0.5-2.5mm，沉降距离极短，分离效果高；

C、碟片多，沉降面积大，增加分离效果；

D、抗对流效果高。

分类：

Ａ、人工排渣式

应用：

A、液-液分离，并含少量固体，B、固-液分离，固相含量小于２%，C、澄清操作。

优点：

A、分离因子达10000g以上，B、特别适合于含少量细颗粒的液液分离。

缺点：

A、转鼓与碟片之间空隙大，不易发挥离心机的高效分离性能；

B、停车清洗，生产效率低，劳动强度大。

Ｂ、喷嘴排渣式

多用于cell浓缩，浓缩比在5-20。

A、颗粒富积好，B、处理量大，可达300t/h。

A、分离因子5000g，低，不适合于小颗粒的分离；

B、富积的颗粒含水量大。

C、活塞排渣式

多种颗粒的分离（0.1--500m颗粒），固体含量<

10%,应用范围最广

A、颗粒富积好，B、处理量较大40t/h。

A、富积的颗粒含水量大；

B、不适合于高固体含量的发酵液（>

10%）。

7.过滤是利用多孔性介质（如滤布）截留固液悬浮液中的固体粒子，进行固液分离的方法。

过滤本身是一种膜分离技术。

在分离细胞、菌体或它们的碎片过程中除了沉降分离方法外，过滤技术也是一种常备的分离方法。

8.滤饼阻力与滤饼干重W之间存在如下的关系，

其中，

为滤饼的平均比阻，m/kg。

平均比阻对于不可压缩的滤饼，

为常数。

对于可压缩性滤饼而言，平均比阻

为过滤介质两端压力差

的函数，可用下式表示，

其中k为

时的

值；

m为可压缩性指数。

9.过滤设备

1转鼓真空过滤器

大规模生物分离的主要过滤设备，用于较难分离的低黏度发酵液

Ａ、大规模，Ｂ、自动化、操作简单，Ｃ、滤布装卸容易、易保养维护。

Ａ、占地大，单位体积利用率低，Ｂ、周期性中断进料、滤布利用率低，Ｃ、压力低，仅应用于低黏度发酵。

2

带式真空过滤器：

大规模分离的主要过滤设备，可分离较难分离的低黏度