01 第一章 生化分离工程概论.ppt

第1页：第1章 生化分离工程概论封面

章节

第1章 生化分离工程概论

英文标题

Chapter 1 Overview of Bioseperation Process

第2页：概论章节目录

• 1 概论
• 2 生物技术的总论
• 3 生化分离工程在生物技术中的地位
• 4 生化分离工程的特点
• 5 生化分离工程的原则
• 6 生化分离工程的工艺流程
• 7 生化分离工程的单元操作汇总
• 8 生化分离加工过程的发展趋势

第3页：概论知识点、重点与难点

知识点：

生化分离工程在生物技术中的地位；传统生化产品与基因工程产品分离方法的比较；生化分离工程的特点；一般流程和单元操作；发展趋势。

重点：

• 掌握生化分离工程的概念、特点及其操作的常规程序
• 了解生化分离工程的地位及其发展趋势

难点：不同种类的产品分离纯化的一般流程和单元操作

第4页：生物技术相关英文概念

本页列出与生物技术相关的五个英文概念，供对照阅读原版文献时辨析使用。

• Biotechnology（生物技术）
• Bioengineering（生物工程）
• Biochemical Engineering（生化工程）
• Bioprocess（生物过程）
• Bioseparation Engineering（生化分离工程）

第5页：生物技术英文分类六类

• Genic Engineering（基因工程）
• Cell Engineering（细胞工程）
• Enzyme Engineering（酶工程）
• Fermentation Engineering（发酵工程）
• Protein Engineering（蛋白质工程）
• Biochemical Engineering（生化工程）

第6页：天然产物研究研发平台

• 生物碱产品
• 有机酸产品
• 黄酮产品
• 皂苷产品
• 活性多糖产品
• 天然色素产品
• 现代分离组合技术和集成技术

第7页：银杏叶综合利用技术项目

“银杏叶综合利用技术”项目是本课程的天然产物综合利用示例之一，围绕银杏叶中多类活性组分进行梯级分离与综合回收。

第8页：银杏叶黄酮

银杏叶黄酮：从银杏叶中分离得到的黄酮类活性成分，是该综合利用项目的主要产品之一。

第9页：银杏内酯

银杏内酯：银杏叶中所含的萜内酯类成分，需与黄酮类组分在分离流程中分开富集。

第10页：银杏酸

银杏酸：银杏叶中的酸性成分，在产品精制阶段需重点控制与去除。

第11页：聚戊烯醇

聚戊烯醇：银杏叶综合利用的另一类可回收组分，体现全组分梯级利用的思路。

第12页：柚子全组分综合利用技术项目

“柚子全组分综合利用技术”项目：以柚子为原料，对果皮、果肉中的黄酮、精油、果胶等组分进行全组分梯级分离与利用。

第13页：枇杷全组分综合利用技术项目

“枇杷全组分综合利用技术”项目：面向枇杷全果及叶，综合利用其中的三萜酸、黄酮等活性组分。

第14页：不同蛋白质的溶解度与硫酸铵浓度关系

不同蛋白质的溶解度随硫酸铵浓度升高而显著下降，且下降速率与起始溶解度因蛋白质种类而异，这正是盐析法分级分离蛋白质的依据。

• 低浓度硫酸铵区间：溶解度下降较缓
• 高浓度区间：溶解度急剧下降并析出沉淀
• 不同蛋白质的析出区间不同，可据此实现分级沉淀

第15页：生物技术总论小节目录

• 2.1 生物技术树
• 2.2 生物技术所涉及的行业种类
• 2.3 美国生物技术产品销售预测
• 2.4 美国工业化生物技术研究与发展基金分布图
• 2.5 生物技术的概念
• 2.6 生物技术（biotechnology）的定义与分类

第16页：生物技术树

生物技术树以树形结构表达生物技术的层级：根系为生物学基础学科，主干为各类工程技术分支，枝叶为成型的产品与产业应用。

第17页：生物科学与生物技术及其产业的关系

生物科学提供原理与发现，生物技术完成工程化与方法学转化，最终由生物产业实现产品化与市场化，三者呈递进支撑关系。

第18页：生物技术多学科性

生物技术具有突出的多学科交叉属性，涉及微生物学、生物化学、化学工程、机械与自动控制等多个学科，分离工程是其工程化落地的关键环节。

第19页：生物技术所涉及的行业种类

2.2 生物技术所涉及的行业种类：生物技术的应用横跨医药健康、农业与食品、轻化工、能源与环境治理等行业，行业跨度决定了分离对象的高度多样性。

第20页：美国生物技术产品销售预测

2.3 美国生物技术产品销售预测：图示美国生物技术产品销售额的预测增长趋势，反映生物技术产业的规模扩张与对分离纯化技术的持续需求。

第21页：美国工业化生物技术研究与发展基金分布图

2.4 美国工业化生物技术研究与发展基金分布图：图示研发基金在基因工程、发酵、分离纯化等方向的分布，可用于判断各环节的资源投入强度。

第22页：生物技术的基本概念

• Biotechnology（生物技术）
• Bioengineering（生物工程）
• Biochemical Engineering（生化工程）
• Bioprocess（生物过程）
• Bioseparation Engineering（生化分离工程）

第23页：生物技术分类六类

• Genic Engineering（基因工程）
• Cell Engineering（细胞工程）
• Enzyme Engineering（酶工程）
• Fermentation Engineering（发酵工程）
• Protein Engineering（蛋白质工程）
• Biochemical Engineering（生化工程）

第24页：传统发酵与现代发酵比较

传统发酵与现代发酵在产品浓度、过程控制与下游处理难度上差异显著：现代发酵产物浓度更高、组成更复杂，对分离纯化技术提出更高要求。

• 传统发酵：菌种与工艺相对稳定，产物浓度较低
• 现代发酵：高密度培养与基因工程菌广泛使用，下游分离难度更大

第25页：生物技术各分类间关系

图中表达生物技术各分支之间的相互支撑关系：基因工程与细胞工程提供菌种与细胞，发酵工程完成规模化培养，生化工程与分离工程完成产物回收与精制。

第26页：生物技术发展简史

生物技术发展简史：下表按阶段梳理生物技术的关键年代与代表事件。

第27页：

第28页：

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第33页：生化分离工程在生物技术中的地位

• 生物技术、生物工程的重要组成
• 生化产品制备的关键步骤
• 单元操作与化学工程相通

第34页：生物技术的最新进展

3.1 生物技术的最新进展

• 基因工程方面：试管婴儿、细胞融合、蛋白质序列分析、人参培养
• 生物反应器：连续式、柱式、固定化酶与固定化细胞反应器
• 发酵技术：固定化酶、固定化细胞技术

第35页：生化分离工程的重要性

• 传统发酵工业：分离与提取环节成本约占 60%
• 基因工程产品：分离纯化成本约占 80～90%

第36页：生化分离工程的研究现状

• 生物领域的瓶颈技术
• 制约产业化的关键环节

第37页：生化分离工程的特点

• 系统多相性
• 非牛顿性流体
• 低浓度
• 稳定性差
• 生物变异性大

第38页：

第39页：生化分离工程的原则

• 时间短
• 温度低
• pH 适中（生物物质的稳定性问题）
• 勤洗消毒
• 三废处理（BOD 和 COD 问题）
• 生物安全问题（对基因工程产品）
• 防止菌体扩散

第40页：生化分离工程的工艺流程

本页为生化分离工程的一般工艺流程图：发酵液经预处理与固液分离后，依次进入细胞破碎、初步分离、高度纯化与成品加工环节。

第41页：生化分离工程的单元操作汇总

• 离交
• 蒸馏
• 萃取
• 结晶
• 吸附
• 沉淀
• 浓缩
• 干燥
• 膜分离

第42页：

第43页：

第44页：

第45页：

第46页：

第47页：

第48页：

第49页：

第50页：

第51页：发酵液的预处理和固液分离

2. 发酵液的预处理和固液分离

• 预处理的目的
• 预处理的方法
• 预处理的设备

第52页：常用的凝聚剂

• ① 无机盐类
• ② 金属无机盐类
• ③ 聚合无机盐类
• 阳离子对负电荷的胶粒凝聚能力次序

第53页：常用絮凝剂的种类

• 1. 聚丙烯酰胺（Polyacrylamide）衍生物
• 2. 苯乙烯类衍生物及其无机高分子聚合物絮凝剂
• 3. 天然有机高分子絮凝剂

第54页：悬浮液的分离过程和分类

本页为悬浮液的分离过程和分类示意，按分离推动力（重力、离心力、压力差等）与设备形式对固液分离过程进行归类。

第55页：细胞破碎技术要点

2. 细胞破碎技术，要点如下：

• 破碎原理
• 破碎方法
• 生产设备
• 分离方法

第56页：

第57页：各种微生物细胞壁的结构与组成

本页图示细菌、酵母菌与真菌细胞壁在组成与结构上的差异，是选择细胞破碎方法的直接依据。

• 细菌：以肽聚糖网状结构为主
• 酵母菌：葡聚糖、甘露聚糖与蛋白质
• 真菌：几丁质、葡聚糖等多糖与蛋白质、脂类

第58页：返回：细胞壁的组成与破碎阻力

back：返回“细胞壁的组成和破碎阻力”一节，继续比较细菌、酵母菌与真菌细胞壁的破碎阻力来源。

第59页：返回：细胞壁结构讲解

back：返回微生物细胞壁结构图示，衔接后续各类破碎方法的选择与比较。

第60页：细胞破碎机理图

细胞破碎机理图：破碎外力作用于细胞壁，使其局部应力集中并破裂，胞内目标产物随之释放到液相中。

第61页：微生物细胞的破碎技术

本页概述微生物细胞的破碎技术，按作用原理分为机械法、物理法、化学法、酶解法与干燥法等类别。

第62页：细胞破碎主要方法

• 机械法
• 物理处理法
• 化学法
• 酶解法
• 干燥法

第63页：机械破碎法与非机械法比较

本页比较机械破碎法与非机械破碎法：机械法处理量大、通用性强但放热明显；非机械法条件温和、选择性高但成本与规模受限。

第64页：破碎技术的未来发展方向

• ① 多种破碎方法相结合
• ② 与上游过程相结合
• ③ 与下游过程相结合

第65页：破碎方法选择原则

• (1) 仅破坏或破碎存在目标生化物质的位置周围
• (2) 选择性溶解目标生化物质

第66页：沉淀法（蛋白质）

3. 沉淀法（蛋白质）

• (1) 盐析法
• (2) 等电点沉淀法
• (3) 有机溶剂沉淀法
• (4) 非离子型聚合物沉淀法
• (5) 聚电解质沉淀法
• (6) 金属离子沉淀法
• (7) 典型实例（扁桃酸脱氢酶、环氧化物水解酶）

第67页：离子交换法（抗生素）

4. 离子交换法（抗生素）

• 原理
• 技术要点
• 典型实例（卡那霉素、扁桃酸）

第68页：溶剂萃取法（药用植物）

5. 溶剂萃取法（药用植物）

• 原理
• 技术要点
• 典型实例（银杏叶提取物、荷叶碱）

第69页：超滤

6. 超滤

• 原理
• 技术要点
• 典型实例（大豆蛋白、红曲色素）
• 浓差极化
• 膜污染

第70页：层析

7. 层析

• 原理
• 技术要点
• 典型实例（扁桃酸脱氢酶、苦瓜肽）

第71页：结晶

8. 结晶

• 原理
• 技术要点
• 典型实例（卡那霉素、扁桃酸）

第72页：生化分离加工过程的发展趋势

9. 生化分离加工过程的发展趋势

• 1、膜分离技术的推广使用
• 2、亲和技术的推广使用
• 3、优质层析介质的研究
• 4、上游技术对生化分离过程的影响
• 5、发酵与提取相结合：生物反应器方面

第73页：本章作业

作业

• 1. 名词解释：生物技术、生化工程、生化反应工程、生化分离工程、热源、微生物工程
• 2. 生化分离工程的一般工艺流程和所包括的单元操作及其适用范围？
• 3. 哪些单元操作适用于生物小分子物质的提取？
• 4. 哪些单元操作适用于生物大分子物质的提取？
• 5. 生物分离工程的发展趋势
• 6. 说出世界上十家生物工程方面的大公司的名称