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1、生物分离工程 Bioseparation Engineering,河北农业大学生命科学学院 制药工程系,课程性质,生物分离工程是制药工程本科专业专业必修课。 生物分离工程是生物工程的重要分支，主要讲述生物活性物质的各种分离纯化技术，是生物工程产业化的必要手段和重要环节，是一门应用性、实践性较强的专业课。,教学目的,本课程主要讲授生物活性物质中各种杂质的去除、分离、纯化和精制技术，是生物工程中不可缺少的组成部分。 通过对本课程的学习，能使学生针对不同产品的特性，较好地运用各种分离技术来设计合理的提取、精制的工艺路线。 能从理论上解释各种现象，提高分析问题和解决问题的能力，是一门理论和实践密切结合
2、的课程。,教学任务,了解生物体系的基本特点及对分离过程的特殊要求，掌握生物物质的分离纯化方法的基本概念、原理、工业操作方式及其适用性。 把前驱课程中学到的基础理论知识，全面灵活地运用在生物物质分离过程的基本原理和相关的工程问题中，并努力做到理论联系实际。 培养创新能力，综合运用各种生物分离方法设计工艺路线。,考核及成绩评定,（1）平时成绩，形式有：课堂讨论、作业、论文、考勤等。 （2）实验成绩。 （3）考试成绩：闭卷考试。,主要内容,学习提取有用物质的技术。 生物技术产品的分离纯化的原理、方法、过程理论及其应用。 主要内容包括固液分离法、细胞破碎法、超临界流体萃取、双水相萃取、吸附分离法、离子
3、交换法、膜分离方法、层析分离法、结晶法等以及一些最新生化分离技术的进展。,选用教材,References-books,田瑞华生物分离工程北京：科学出版社，2008 曹学君现代生物分离工程上海：华东理工大学出版社，2007 毛忠贵生物工业下游技术北京：中国轻工业出版社，1999 严希康生化分离工程北京：化学工业出版社，2001 孙彦生物分离工程北京：化学工业出版社，2005,References-books,刘国诠生物工程下游技术（第二版）北京：化学工业出版社，2003 A. A. Garcia, M. R. Bonen, J. Ramirez-Vick, M. Sadaka and A. Vu
4、ppu. 生物分离过程科学北京：清华大学出版社，2002 R. G. Harrison, P. Todd, S. R. Rudge, D. P. Petrides. Bioseparations Science and Engineering. New York: Oxford University Press, 2003 A. A. Garcia, M. R. Bonen, J. Ramirez-Vick, M. Sadaka and A. Vuppu. Bioseparation Process Science. Massachusetts: Blackwell Science, Inc.
5、, 1999,References-books,P. A. Belter, E. L. Cussler, W. Hu. Bioseparations: Downstream Processing for Biotechnology. New York: John Wiley & Sons, 1988 D. Forciniti. Industrial Bioseparations: Principles and Practice. Iowa: Wiley-Blackwell, 2008 M. R. Ladisch (Purdue Univ). Bioseparations Engineering
6、: Principles, Practice and Economics. New York: John Wiley and Sons, 2001 Raja Ghosh. Principles of Bioseparations Engineering. New York: World Scientific, 2006,References-journals,色谱 膜科学与技术 离子交换与吸附 生物工程学报 高校化学工程学报 现代化工 化工进展 化工学报 化学工程 化学工业与工程 China Journal of Chemical Engineering,References-SCI jour
7、nals,Journal of Chromatography A Journal of Supercritical Fluids Journal of Membrane Science ,References-SCI journals,Enzyme and Microbial Technology Biochemical Engineering Journal Separation and Purification Technology ,References-SCI journals,Biotechnology and Bioengineering Journal of Separation
8、 Science Journal of Chemical Technology and Biotechnology ,References-SCI journals,Separation and Purification Reviews www.tandf.co.uk/journals/titles/15422119.asp Separation Science and Technology www.tandf.co.uk/journals/titles/01496395.asp,生物产品生产过程示意图,本门课程解决的问题,菌种筛选,摇瓶实验,发酵罐实验,Industrial Scale up
9、,To transfer the pilot scale results into a commercially feasible production setting. Fermentor sizes range from 100 L to 500,000 L, depending on products.,在疾病治疗方面的应用,生物制药,抗生素,基因治疗,第一章 绪 论,第一节 生物技术与生物分离 第二节 生物分离概述,第一节 生物技术与生物分离,生物技术是以生命科学为基础，利用生物体（或生物组织、细胞及其成分）的特征和功能，设计构建具有预期性状的新物种或新品系，并与工程相结合，利用这样的
10、新物种、新品系进行加工生产，为社会提供商品和服务的一个综合性的技术体系。 生物技术的目标就是指利用培养微生物、动物细胞、植物细胞来生产对人有用的产品。,生物技术树,生物科学与生物技术及其产业的关系,生物技术多学科性,生物技术分类,Genic Engineering Cell Engineering Enzyme Engineering Fermentation Engineering Protein Engineering Biochemical Engineering,生物技术发展阶段,重要的现代生物技术仪器与设备,从微生物、工程菌、动植物工程细胞培养液、酶反应液以及动植物材料中提取、纯化、
11、加工目的产物的过程，通称生物分离或下游过程（技术）。 生物分离的目的是从微生物细胞或其发酵液、酶反应液、动植物细胞或其培养液中分离、提取、精制生化产品和处理副产物。,一、生物分离定义,第二节 生物分离概述,生物分离工程是生物技术的下游加工技术，属生物技术的重要组成部分，是生物技术成果实现产业化的基础保证和必备环节。 生物分离过程特性主要体现在生物产物的特殊性、复杂性和对生物产品要求的严格性上，其结果导致分离过程成本往往占整个生产过程成本的大部分。,例如，大多数工业酶的分离过程成本往往占整个生产过程的70%，而对纯度要求更高的医用酶如天冬酰胺酶，分离过程成本高达生产过程的85%；基因重组蛋白质药
12、物的分离过程成本一般占85%90%以上。 与此相比，小分子生物产物的分离成本较低，如青霉素的分离过程成本约占50%，而乙醇的分离过程成本仅占14%。,因此，在生物大分子药物的生产过程中，分离过程的质量往往决定整个生物加工过程的成败。 开发高效的分离技术、设计合理的生物分离过程可大幅度降低生物加工过程成本，提高产品的市场竞争力，促进人类健康水平和生活质量的提高以及社会经济的发展。,1、生物制品的多样性而导致的生物分离方法的多样性。 生物制品除糖类、脂类、蛋白质、氨基酸、核苷酸等以外，还有胰岛素、生长激素、干扰素等基因工程产品，产品的多样性导致分离方法的多样性。,二、生物分离技术的特点,2、绝大多
13、数生物分离方法来源于化学品的分离方法。 大约80%的化工分离方法应用于生物分离技术中。,3、生物分离一般比化工分离难度大 体系成分复杂。 固体成分包括完整有机体、培养基及底物中的不溶物； 液体成分包括底物可溶物、代谢中间产物及目标产物。,悬液中的目标产物浓度低，杂质含量高，操作复杂，过程精细。 目的物浓度一般千分之一甚至万分之一左右。体系包含培养基成分，菌体，菌体代谢产物，各种蛋白质，核酸等等。成分相当复杂。获得高纯度的干燥产品需多步操作。,Typical products from fermentation,固液分离难度大。 发酵液、培养液是复杂的多相体系，分散在其中的固体和胶体物质具有可压
14、缩性，其密度和液体相近，粘度大，从中分离固体很难。,整个分离过程要求条件温和。 欲分离的目的产物，通常不稳定。对热、pH、有机溶剂、机械剪切，往往导致失活。而且所分离的物质往往要求纯度高，增加了分离的难度，如医药制品等。整个过程必须温度合适，pH合适，时间短，避免染菌。,分离过程十分艰难，收率低，代价高。 分离过程所占费用是产品的总成本的4080%。基因工程的精细产品一般占到总成本的7090%。,4、生物分离是包括各种物理、化学、生物学的各种技术的综合应用的技术体系。,鉴于生物分离的以上特点，因此必须仔细考虑和设计产品的回收和纯化过程。,产品价值 产品质量 产物在生产过程中出现的位置 杂质在生
15、产过程中出现的位置 主要杂质独特的物化性质是什么 不同分离方法的技术经济比较,三、设计生物分离过程时应考虑的问题,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。,四、生物分离的一般步骤,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
16、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。,生物分离过程的一般流程,生物分离与纯化的一般工艺过程,中药动态水提取生产线流程图,* Ethanol from fermentation.,* Citric acid manufacture,* Penicillin production.,Production of bakers yeast,Production of monosodium glutamate,Recovery of an extracellular enzyme,Recovery of intracellular enzymes,Recovery of penicillin,Recovery of single-cell protein on a methanol basis,Recovery of toxoid vaccines,Recovery of while-cell vaccines
