2005-3-21 1
生化分离工程
2005-3-21 2
目的与要求
? 掌握萃取分离、膜分离、色谱分离、亲
和分离等的基本原理及其特点。
? 能在实际工作中掌握几种分离技术的工
艺过程及熟悉相关设备。
? 能在生物产品产业化研究及工艺设计中
合理应用相应分离技术。
2005-3-21 3
主要内容
1,绪论
2,萃取分离
3,膜分离
4,色谱分离
5,亲和纯化
2005-3-21 4
教材及参考资料
? 孙彦, 生物分离工程, 化学工业出版社,2001
? 严希康, 生化分离工程, 化学工业出版社,2001
? 刘国诠, 生物工程下游技术（第二版）, 化学工
业出版社,2003
? 毛忠贵, 生物工业下游技术, 中国轻工业出版社，
1999
? 欧阳平凯、胡永红, 生物分离原理与技术，化
学工业出版社,1999。
? 刘茉娥, 膜分离技术, 化学工业出版社,2000
? 张镜澄, 超临界流体萃取, 化学工业出版社，
2000
2005-3-21 5
国内杂志
? 膜科学与技术
? 化工进展
? 生物工程学报
? 现代化工
? 化工学报
? 高校化学工程学报
? 化学工程
? CHIN J CHEM ENGI
? 离子交换与吸附
? 化学工业与工程
SCI杂志
? BIOTECHNOL BIOENG
www.interscience.wiley.com/jpages/0006-3592
? J SEP SCI
www.interscience.wiley.com/jpages/1615-9306
? J CHEM TECHNOL BIOT
www.interscience.wiley.com/jpages/0268-2575
? J CHROMATOG A
www.elsevier.com/locate/chroma
? J MEMBRANE SCI
www.elsevier.com/locate/memsci
? J SUPERCRIT FLUID
www.elsevier.com/locate/supflu
? ENZYME MICROB TECH
www.elsevier.com/locate/enzmictec
? CHEM ENG SCI
www.elsevier.com/locate/ces
? SEP PURIF TECHNOL
www.elsevier.com/locate/seppur
? BIOCHEM ENG J
www.elsevier.com/locate/bej
? DESALINATION
www.elsevier.com/locate/desal
? SEPAR PURIF METHOD
www.dekker.com/servlet/product/productid/SPM
? SEPAR SCI TECHNOL
www.dekker.com/servlet/product/productid/SS
? BIOSEPARATION
? www.kluweronline.com/issn/0923-179X/contents
2005-3-21 10
1,绪 论
1.1 生化分离工程的研究对象
1.2 生化分离工程的重要性
1.3 生化分离工程的特点
1.4 生化分离工程的一般工艺过程
1.5 生化分离工程的发展动态
2005-3-21 11
1.1 生化分离工程的研究对象
定义
? 对于由生物界自然产生的或由微生物菌
体发酵的、动植物细胞组织培养的、酶
反应等各种生物工业生产过程获得的生
物原料，经提取分离、加工并精制目的
成分，最终使其成为产品的技术。
2005-3-21 12
1.2 生化分离工程的重要性
? 生物技术产品一般存在于一个复杂的
多相体系中。唯有经过分离和纯化等
下游加工过程，才能制得符合使用要
求的产品。因此产品的分离纯化是生
物技术工业化的必需手段。
2005-3-21 13
? 在生物产品的开发研究中，分离过程的
费用占全部研究费用的 50％以上；
? 在产品的成本构成中，分离与纯化部分
占总成本的 40～ 80％；精细、药用产品
的比例更高达 70～ 90％。
? 显然开发新的分离和纯化工艺是提高经
济效益或减少投资的重要途径。
? 生化分离是生物技术产品产业化的必经
之路，故而越来越受到人们的重视。
2005-3-21 14
1.3 生物技术下游加工过程的特点
? 生物技术产品以粗料发酵为主, 粗原料
增加了下游操作成本, 包括发酵废液的
处理成本, 其中清液 （ 精料 ） 发酵将是
一个方向 。
? 目前发酵或培养大多是分批操作，各批
发酵液产物浓度和其他物性会出现差异，
实际生产中也会出现染菌的发酵液，因
而需要技术的适应面宽，操作弹性大。
2005-3-21 15
? 生物活性物质产品的稳定性制约了下游
技术的可选范围 。
? 发酵液放罐后，应及时快速操作：
? 菌体也可能自溶
? 容易被杂菌污染
? 引起产物的破坏和降解，如原料液中常
存在降解目标产物的杂质，如可水解目
标蛋白质的蛋白酶。
? 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。
2005-3-21 16
? 原料液中目标产物的浓度一般都很低 。
如 L-异亮氨酸为 2.4％，青霉素为 3.6％，
庆大霉素为 0.2％，胰岛素仅为 0.001％。
? 原料液中常存在与目标分子结构极其相
似的分子及异构体。
? 当生物技术产品是食品或药物时，溶剂
的使用受到一定的限制，萃取、色谱、
膜分离会受到一定的限制。
2005-3-21 17
1.4 生化分离工程工艺过程
? 某一具体产品的分离提取工艺还与下列
情况有关：
①产物本身的性质；
②是胞内产物还是胞外产物；
③原料中产物和主要杂质浓度；
④产物和主要杂质的理化特性及差异；
⑤产品用途和质量标准；
⑥产品的市场价格；
⑦ 废液的处理方法等。
? 可分为 4个阶段，即预处理、提取、精制、成
品制作，如图 1-1所示。
预处理 → 细胞分离 → 细胞破壁 → 碎片分离 → 提取 → 精制 → 成品制作
加热 过滤 匀浆法 离心 沉淀 (重 )结晶 浓缩
调 pH 离心 研磨法 双水相 吸附 离子交换 干燥
絮凝 膜分离 酶解法 膜分离 萃取 色谱分离 无菌过滤
超滤 膜分离
结晶
图 1-1 生化分离工程一般工艺过程
2005-3-21 19
? 一般情况下，原料中产品浓度越低，下游
技术的成本越高。
? 下游技术的步骤越多，总收率也越低：
?(90 ％ ) 6 ＝ 53.1％
?(95 ％ ) 6 ＝ 73.5％。
? 重复提取是提高总收率的一个有效方法。
如谷氨酸一步等电点结晶，结晶母液如再
经过一次离子交换提取,
? 75％＋（ 1－ 75％） × 65％ ＝ 91.25％ 。
2005-3-21 20
1.5 生化分离工程的发展动态
? 生化分离工程研究动态：
? 传统分离技术的提高和完善
? 新技术的研究和开发
? 下游工程与上游工程相结合
? 强化化学作用对下游工程的影响
? 改进上游因素，简化下游过程
2005-3-21 21
传统分离技术的提高和完善
? 蒸馏, 蒸发, 过滤, 离心, 结晶和离子
交换等传统技术由于应用面广且相对成
熟, 对它们的提高和完善将会推动大范
围的技术进步 。
? 各种新型高效的过滤机械和离心机械的
问世, 也从一个侧面推动生物工业向更
大规模方向发展 。
? 适合于大规模工业化生产的传统技术经
过改造提高后, 适应面会更宽 。 效率会
更高, 仍然显示出强劲的生命力 。
新技术的研究和开发
? 新型分离介质的研究开发
? 膜, 树脂和凝胶是主要的新型分离介质 。
? 从半渗透膜开始, 膜技术已经逐步发展成一个庞大的
膜家族 （ 图 1-2） 。
膜
离子交换膜 过滤膜 气体分离膜 液膜 渗析膜 新分离膜
微滤 超滤 反渗 纳米 乳化 支持 渗透蒸 膜萃 膜蒸 膜吸
膜 膜 透膜 滤膜 液膜 液膜 发膜 取膜 溜膜 收膜
图 1-2 膜技术家族图
2005-3-21 23
? 色谱分离是有机化学和生物化学中大分
子分离的一项十分重要的分离技术，属
精细分离。
? 如琼脂糖凝胶作为基质，与各种配基结
合后制成各种色谱分离介质，开发出一
大类各具特色的，对分离生物大分子十
分有效的色谱分离技术。
2005-3-21 24
子代分离技术
? 各种分离纯化技术相互结合、交叉、渗透，
形成形成了所谓融合技术或子代分离技术。
? 如膜技术和萃取、蒸馏、蒸发技术相结合
形成了膜萃取技术、膜蒸馏及渗透蒸发技
术；
? 又如膜分离过程与亲和配基相结合，形成
了亲和膜分离过程；
? 离心分离与膜分离过程相结合，形成了膜
离心分离过程等等。
2005-3-21 25
其他新兴下游技术
? 由溶剂萃取技术衍生出一大批生化分离
技术，如
? 菌体絮凝技术
? 菌体细胞破碎
? 超临界 CO2萃取
? 反胶团萃取
? 液膜分离
? 电泳分离
? 磁性亲和分离
2005-3-21 26
? 聚焦色谱（ Chromatofocusing）
? 径向流色谱 （ radial flow
chromatography）
? 连续环状色谱 （ continuous annular
chromatography） 。
? 高速逆流色谱（ high speed
countercurrent chromatography）
? 拟移动床色谱（ Simulated Moving Bed
Chromatography）
2005-3-21 27
下游工程与上游工程相结合
? 发酵与分离耦合过程的研究
? 这一新的技术思路在 70年代首先用于厌
氧发酵 —— 乙醇发酵过程中，取得了令
人满意的效果，近年来逐步发展到用于
好氧发酵过程中来。
? 发酵 -分离耦合过程的优点是可以解除
终产物的反馈抑制效应，同时简化产物
提取过程，缩短生产周期，收到一举数
得的效果。
2005-3-21 28
强化化学作用对下游工程的影响
? 强化化学作用对体相分离能力的影响。
? 一是选择适当的分离剂，增大分离因子，
增加对某一组分的选择性。
? 二是向分离体系投入附加组分，改变原来
体系的化学位，从而增大分离因子，如手
性物质的分离。
? 强化化学作用对相界面传质速率的影响：
利用一些相转移促进剂来增大相间的传质
速率。如亲和色谱、亲和吸附、亲和过滤、
亲和膜分离等。
2005-3-21 29
改进上游因素, 简化下游过程
? 着重于两方面的改进：
? 培养基和发酵条件；
? 代谢工程：一般以开发新物种和提高目
的产物量为目标，现在应该转变观念，
从整体出发，除了达到以上目标外，还
应设法增加产物的胞外分泌量，减少非
目的产物的分泌（如色素、毒素、降解
酶及其他干扰性杂质等）以及赋于菌种
或产物以某种有益的性质以改善产物的
分离特性，从而简化下游加工过程。
生化分离工程
2005-3-21 2
目的与要求
? 掌握萃取分离、膜分离、色谱分离、亲
和分离等的基本原理及其特点。
? 能在实际工作中掌握几种分离技术的工
艺过程及熟悉相关设备。
? 能在生物产品产业化研究及工艺设计中
合理应用相应分离技术。
2005-3-21 3
主要内容
1,绪论
2,萃取分离
3,膜分离
4,色谱分离
5,亲和纯化
2005-3-21 4
教材及参考资料
? 孙彦, 生物分离工程, 化学工业出版社,2001
? 严希康, 生化分离工程, 化学工业出版社,2001
? 刘国诠, 生物工程下游技术（第二版）, 化学工
业出版社,2003
? 毛忠贵, 生物工业下游技术, 中国轻工业出版社，
1999
? 欧阳平凯、胡永红, 生物分离原理与技术，化
学工业出版社,1999。
? 刘茉娥, 膜分离技术, 化学工业出版社,2000
? 张镜澄, 超临界流体萃取, 化学工业出版社，
2000
2005-3-21 5
国内杂志
? 膜科学与技术
? 化工进展
? 生物工程学报
? 现代化工
? 化工学报
? 高校化学工程学报
? 化学工程
? CHIN J CHEM ENGI
? 离子交换与吸附
? 化学工业与工程
SCI杂志
? BIOTECHNOL BIOENG
www.interscience.wiley.com/jpages/0006-3592
? J SEP SCI
www.interscience.wiley.com/jpages/1615-9306
? J CHEM TECHNOL BIOT
www.interscience.wiley.com/jpages/0268-2575
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www.elsevier.com/locate/chroma
? J MEMBRANE SCI
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? ENZYME MICROB TECH
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? SEPAR SCI TECHNOL
www.dekker.com/servlet/product/productid/SS
? BIOSEPARATION
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2005-3-21 10
1,绪 论
1.1 生化分离工程的研究对象
1.2 生化分离工程的重要性
1.3 生化分离工程的特点
1.4 生化分离工程的一般工艺过程
1.5 生化分离工程的发展动态
2005-3-21 11
1.1 生化分离工程的研究对象
定义
? 对于由生物界自然产生的或由微生物菌
体发酵的、动植物细胞组织培养的、酶
反应等各种生物工业生产过程获得的生
物原料，经提取分离、加工并精制目的
成分，最终使其成为产品的技术。
2005-3-21 12
1.2 生化分离工程的重要性
? 生物技术产品一般存在于一个复杂的
多相体系中。唯有经过分离和纯化等
下游加工过程，才能制得符合使用要
求的产品。因此产品的分离纯化是生
物技术工业化的必需手段。
2005-3-21 13
? 在生物产品的开发研究中，分离过程的
费用占全部研究费用的 50％以上；
? 在产品的成本构成中，分离与纯化部分
占总成本的 40～ 80％；精细、药用产品
的比例更高达 70～ 90％。
? 显然开发新的分离和纯化工艺是提高经
济效益或减少投资的重要途径。
? 生化分离是生物技术产品产业化的必经
之路，故而越来越受到人们的重视。
2005-3-21 14
1.3 生物技术下游加工过程的特点
? 生物技术产品以粗料发酵为主, 粗原料
增加了下游操作成本, 包括发酵废液的
处理成本, 其中清液 （ 精料 ） 发酵将是
一个方向 。
? 目前发酵或培养大多是分批操作，各批
发酵液产物浓度和其他物性会出现差异，
实际生产中也会出现染菌的发酵液，因
而需要技术的适应面宽，操作弹性大。
2005-3-21 15
? 生物活性物质产品的稳定性制约了下游
技术的可选范围 。
? 发酵液放罐后，应及时快速操作：
? 菌体也可能自溶
? 容易被杂菌污染
? 引起产物的破坏和降解，如原料液中常
存在降解目标产物的杂质，如可水解目
标蛋白质的蛋白酶。
? 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。
2005-3-21 16
? 原料液中目标产物的浓度一般都很低 。
如 L-异亮氨酸为 2.4％，青霉素为 3.6％，
庆大霉素为 0.2％，胰岛素仅为 0.001％。
? 原料液中常存在与目标分子结构极其相
似的分子及异构体。
? 当生物技术产品是食品或药物时，溶剂
的使用受到一定的限制，萃取、色谱、
膜分离会受到一定的限制。
2005-3-21 17
1.4 生化分离工程工艺过程
? 某一具体产品的分离提取工艺还与下列
情况有关：
①产物本身的性质；
②是胞内产物还是胞外产物；
③原料中产物和主要杂质浓度；
④产物和主要杂质的理化特性及差异；
⑤产品用途和质量标准；
⑥产品的市场价格；
⑦ 废液的处理方法等。
? 可分为 4个阶段，即预处理、提取、精制、成
品制作，如图 1-1所示。
预处理 → 细胞分离 → 细胞破壁 → 碎片分离 → 提取 → 精制 → 成品制作
加热 过滤 匀浆法 离心 沉淀 (重 )结晶 浓缩
调 pH 离心 研磨法 双水相 吸附 离子交换 干燥
絮凝 膜分离 酶解法 膜分离 萃取 色谱分离 无菌过滤
超滤 膜分离
结晶
图 1-1 生化分离工程一般工艺过程
2005-3-21 19
? 一般情况下，原料中产品浓度越低，下游
技术的成本越高。
? 下游技术的步骤越多，总收率也越低：
?(90 ％ ) 6 ＝ 53.1％
?(95 ％ ) 6 ＝ 73.5％。
? 重复提取是提高总收率的一个有效方法。
如谷氨酸一步等电点结晶，结晶母液如再
经过一次离子交换提取,
? 75％＋（ 1－ 75％） × 65％ ＝ 91.25％ 。
2005-3-21 20
1.5 生化分离工程的发展动态
? 生化分离工程研究动态：
? 传统分离技术的提高和完善
? 新技术的研究和开发
? 下游工程与上游工程相结合
? 强化化学作用对下游工程的影响
? 改进上游因素，简化下游过程
2005-3-21 21
传统分离技术的提高和完善
? 蒸馏, 蒸发, 过滤, 离心, 结晶和离子
交换等传统技术由于应用面广且相对成
熟, 对它们的提高和完善将会推动大范
围的技术进步 。
? 各种新型高效的过滤机械和离心机械的
问世, 也从一个侧面推动生物工业向更
大规模方向发展 。
? 适合于大规模工业化生产的传统技术经
过改造提高后, 适应面会更宽 。 效率会
更高, 仍然显示出强劲的生命力 。
新技术的研究和开发
? 新型分离介质的研究开发
? 膜, 树脂和凝胶是主要的新型分离介质 。
? 从半渗透膜开始, 膜技术已经逐步发展成一个庞大的
膜家族 （ 图 1-2） 。
膜
离子交换膜 过滤膜 气体分离膜 液膜 渗析膜 新分离膜
微滤 超滤 反渗 纳米 乳化 支持 渗透蒸 膜萃 膜蒸 膜吸
膜 膜 透膜 滤膜 液膜 液膜 发膜 取膜 溜膜 收膜
图 1-2 膜技术家族图
2005-3-21 23
? 色谱分离是有机化学和生物化学中大分
子分离的一项十分重要的分离技术，属
精细分离。
? 如琼脂糖凝胶作为基质，与各种配基结
合后制成各种色谱分离介质，开发出一
大类各具特色的，对分离生物大分子十
分有效的色谱分离技术。
2005-3-21 24
子代分离技术
? 各种分离纯化技术相互结合、交叉、渗透，
形成形成了所谓融合技术或子代分离技术。
? 如膜技术和萃取、蒸馏、蒸发技术相结合
形成了膜萃取技术、膜蒸馏及渗透蒸发技
术；
? 又如膜分离过程与亲和配基相结合，形成
了亲和膜分离过程；
? 离心分离与膜分离过程相结合，形成了膜
离心分离过程等等。
2005-3-21 25
其他新兴下游技术
? 由溶剂萃取技术衍生出一大批生化分离
技术，如
? 菌体絮凝技术
? 菌体细胞破碎
? 超临界 CO2萃取
? 反胶团萃取
? 液膜分离
? 电泳分离
? 磁性亲和分离
2005-3-21 26
? 聚焦色谱（ Chromatofocusing）
? 径向流色谱 （ radial flow
chromatography）
? 连续环状色谱 （ continuous annular
chromatography） 。
? 高速逆流色谱（ high speed
countercurrent chromatography）
? 拟移动床色谱（ Simulated Moving Bed
Chromatography）
2005-3-21 27
下游工程与上游工程相结合
? 发酵与分离耦合过程的研究
? 这一新的技术思路在 70年代首先用于厌
氧发酵 —— 乙醇发酵过程中，取得了令
人满意的效果，近年来逐步发展到用于
好氧发酵过程中来。
? 发酵 -分离耦合过程的优点是可以解除
终产物的反馈抑制效应，同时简化产物
提取过程，缩短生产周期，收到一举数
得的效果。
2005-3-21 28
强化化学作用对下游工程的影响
? 强化化学作用对体相分离能力的影响。
? 一是选择适当的分离剂，增大分离因子，
增加对某一组分的选择性。
? 二是向分离体系投入附加组分，改变原来
体系的化学位，从而增大分离因子，如手
性物质的分离。
? 强化化学作用对相界面传质速率的影响：
利用一些相转移促进剂来增大相间的传质
速率。如亲和色谱、亲和吸附、亲和过滤、
亲和膜分离等。
2005-3-21 29
改进上游因素, 简化下游过程
? 着重于两方面的改进：
? 培养基和发酵条件；
? 代谢工程：一般以开发新物种和提高目
的产物量为目标，现在应该转变观念，
从整体出发，除了达到以上目标外，还
应设法增加产物的胞外分泌量，减少非
目的产物的分泌（如色素、毒素、降解
酶及其他干扰性杂质等）以及赋于菌种
或产物以某种有益的性质以改善产物的
分离特性，从而简化下游加工过程。
