生物工程下游分离与纯化课件.ppt
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- 生物工程 下游 分离 纯化 课件
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1、 生物工程下游分离与纯化生物工程下游分离与纯化让我们从两个实例说起让我们从两个实例说起白色结晶体粉末。无臭,无味。水难溶,溶于氯仿、丙酮。白色结晶体粉末。无臭,无味。水难溶,溶于氯仿、丙酮。紫杉醇主要适用于紫杉醇主要适用于卵巢癌和乳腺癌卵巢癌和乳腺癌,对,对肺癌、大肠癌、黑色素瘤、头颈部癌肺癌、大肠癌、黑色素瘤、头颈部癌、淋巴瘤、脑瘤淋巴瘤、脑瘤也都有一定疗效。也都有一定疗效。1963年美国化学家瓦尼从美国西部大森林年美国化学家瓦尼从美国西部大森林 太平洋杉(太平洋杉(Pacific Yew)也叫短叶)也叫短叶红豆杉红豆杉树皮和木材分离得到。树皮和木材分离得到。从红豆杉中如何获得的呢?从红豆杉
2、中如何获得的呢?树皮树皮粉碎粉碎-85-95%酒精酒精-35-55热回流浸提热回流浸提三次三次-50-70真空减压浓缩真空减压浓缩-氯仿氯仿萃取萃取-得得1%氯仿膏氯仿膏-氯仿完全溶解氯仿完全溶解-硅胶搅拌均匀硅胶搅拌均匀-干燥干燥-过筛过筛-装装层析柱层析柱-氯仿氯仿-甲醇梯度洗脱甲醇梯度洗脱-浓缩浓缩-得得58%半成品半成品-丙酮溶解丙酮溶解-硅胶搅拌硅胶搅拌均匀均匀-干燥干燥-过筛过筛-装层析柱装层析柱-丙酮石油醚梯度洗脱丙酮石油醚梯度洗脱-浓缩浓缩-得得2025%半成品半成品-丙酮丙酮-石油醚石油醚-结晶结晶34次次-抽滤抽滤-50真空减压干燥真空减压干燥-得得7580%半成品半成品-
3、16Mpa压力层析分离压力层析分离-浓缩浓缩-丙酮石油醚结晶丙酮石油醚结晶-抽滤抽滤-干燥,得干燥,得995%成品。成品。严谨而复杂的分离纯化过程!严谨而复杂的分离纯化过程!发酵培养发酵培养1个月个月20-25紫杉醇发酵液紫杉醇发酵液预处理预处理过滤过滤滤液滤液萃取萃取收集有机物收集有机物或纳滤浓缩或纳滤浓缩45减压蒸发减压蒸发紫杉醇粗提物紫杉醇粗提物大孔吸附树脂大孔吸附树脂脱色提取脱色提取80%乙腈乙腈洗脱洗脱硅胶柱层析硅胶柱层析(去除酯、蜡等杂质)(去除酯、蜡等杂质)高纯度紫杉醇高纯度紫杉醇正己烷结晶正己烷结晶真空干燥真空干燥 40紫杉醇晶紫杉醇晶体体等体积萃取液等体积萃取液 氯仿:甲醇氯
4、仿:甲醇=10:1内生真菌内生真菌冷冻离心冷冻离心3min8-12h严谨而复杂的分离纯化过程!严谨而复杂的分离纯化过程! 是急慢性肾功能衰竭患者肾脏替代治疗方式之一。它通过将体内血液引流是急慢性肾功能衰竭患者肾脏替代治疗方式之一。它通过将体内血液引流至体外,经一个由无数根空心纤维组成的透析器中,血液与含机体浓度相似的至体外,经一个由无数根空心纤维组成的透析器中,血液与含机体浓度相似的电解质溶液(透析液)在一根根空心纤维内外,通过弥散电解质溶液(透析液)在一根根空心纤维内外,通过弥散/对流进行物质交换对流进行物质交换,清除体内的代谢废物、维持电解质和酸碱平衡;同时清除体内过多的水分,清除体内的代
5、谢废物、维持电解质和酸碱平衡;同时清除体内过多的水分,并将经过净化的血液回输的整个过程称为血液透析。并将经过净化的血液回输的整个过程称为血液透析。严谨而复杂的清除代谢废物过程!严谨而复杂的清除代谢废物过程! 从以上两个实例:从复杂的体系中分离纯化从以上两个实例:从复杂的体系中分离纯化出目的出目的 产物产物或者分离清除出或者分离清除出代谢废物代谢废物的过程至关重要!的过程至关重要!生物技术专业还开设一门课称为生物技术专业还开设一门课称为生物过程下游工艺生物过程下游工艺生物制品生产过程示意图本课程解决的问题本课程解决的问题- -下游技术下游技术上游过程发酵液发酵液/ /天天然动然动/ /植物植物预
6、处理预处理固液分离固液分离细胞破碎细胞破碎细胞碎细胞碎片分离片分离胞外产物胞外产物初步纯化初步纯化高度纯化高度纯化产品及包装加工产品及包装加工均均质质超超声声研研磨磨溶胞溶胞沉降沉降过滤过滤离心离心粉碎粉碎/ /加加热热溶解溶解/ /调调pHpH絮凝或凝聚絮凝或凝聚再凝聚等再凝聚等离心分离离心分离萃萃 取取过过 滤滤沉沉 淀淀吸吸 附附萃萃 取取膜膜过滤过滤吸附色吸附色谱谱分配色分配色谱谱离子交离子交换换凝凝胶胶色色谱谱亲亲和色和色谱谱液相色液相色谱谱无菌过滤无菌过滤超超 滤滤冷冻干燥冷冻干燥真空干燥真空干燥喷雾干燥喷雾干燥结结 晶晶生物分离的一般过程生物分离的一般过程What? 课程基本内容
7、 1. 生物工程下游技术的特点和一般流程生物工程下游技术的特点和一般流程 2. 生物样品的预处理生物样品的预处理 (凝聚、絮凝、沉降、过滤、离心(凝聚、絮凝、沉降、过滤、离心 ) 3. 膜分离技术膜分离技术 (微滤、超滤、纳滤、反渗透、电渗析、透析等)微滤、超滤、纳滤、反渗透、电渗析、透析等) 4. 色谱分离技术色谱分离技术 (吸附(吸附/分配分配/ 离子交换离子交换/凝胶凝胶/亲和)亲和) 5. 离子交换与吸附离子交换与吸附(阳离子交换、阴离子交换、吸附分离)(阳离子交换、阴离子交换、吸附分离) 6. 萃取技术萃取技术( 溶剂溶剂/双水相双水相/超临界)超临界) 7. 电泳技术电泳技术(等电
8、聚焦(等电聚焦/毛细管电泳毛细管电泳/制备电泳)制备电泳) 8. 生物样品的精制生物样品的精制浓缩结晶干燥浓缩结晶干燥 生物工程产品的特点 产物在初始物料中的含量低产物在初始物料中的含量低( 氧传递限制;细胞量;产氧传递限制;细胞量;产物抑制物抑制 ) 初始原料的组成成分复杂初始原料的组成成分复杂( 大分子大分子;小分子小分子;可溶物可溶物;不可不可溶物溶物;化化 学添加物);学添加物); 产品中有时含有微生物的细胞、代谢产物、残留培养基;产品中有时含有微生物的细胞、代谢产物、残留培养基; 生物活性物质的稳定性差生物活性物质的稳定性差(对(对pH、温度、金属离子、有、温度、金属离子、有机溶剂、
9、机溶剂、 剪切力、表面张力等都十分敏感,易失活变性);剪切力、表面张力等都十分敏感,易失活变性); 生物发酵产品种类繁多,产物的分子量、结构、性质等生物发酵产品种类繁多,产物的分子量、结构、性质等往往差异往往差异 很大;很大; 质量要求高质量要求高(许多产品用作医药、食品、试剂等许多产品用作医药、食品、试剂等)。生物工程下游分离过程的特点 满足维持生物物质活性的要求满足维持生物物质活性的要求 满足快速分离的要求满足快速分离的要求 满足纯度和杂质去除的要求满足纯度和杂质去除的要求 满足高效分离的要求满足高效分离的要求 满足成本优化的要求满足成本优化的要求生物分离的经济性 (1) 生物分离至少占总
10、成本生物分离至少占总成本50% (2) 降低废物排放降低废物排放(有时甚至产品:废物(有时甚至产品:废物=1:3250) (3) 工艺改造工艺改造分离工程研发费用与成本分离工程研发费用与成本 研究费用:研究费用: 50%以上以上 产品成本:产品成本: 40-80% 人力物力:人力物力: 70-90% 因此,生物工程下游技术不可忽视!因此,生物工程下游技术不可忽视!生物分离纯化需满足的要求具体化 操作条件必须温和,特别是对具有生物活性的物质,在操作条件必须温和,特别是对具有生物活性的物质,在后处理过后处理过 程中必须保持其生物活性;程中必须保持其生物活性; 分离纯化技术的选择性和专一性强,能从复
11、杂的混合物分离纯化技术的选择性和专一性强,能从复杂的混合物中有效地中有效地 将目的产物分离出来,达到较高的分离纯化倍数;将目的产物分离出来,达到较高的分离纯化倍数; 目的产物的量和活性具有较高的收率;目的产物的量和活性具有较高的收率; 在提高单个分离技术效率的同时,注意各单元操作间的在提高单个分离技术效率的同时,注意各单元操作间的整体协整体协 调,工艺步骤尽可能的少;调,工艺步骤尽可能的少; 整个过程快速。整个过程快速。分离纯化路线包括两个基本阶段 产物的初级分离阶段产物的初级分离阶段初级分离阶段初级分离阶段在细胞培养结束之后,主要是分离细胞和培养液、破碎细在细胞培养结束之后,主要是分离细胞和
12、培养液、破碎细胞释放产物(如胞内酶),溶解包涵体,复原蛋白质,浓缩产物和胞释放产物(如胞内酶),溶解包涵体,复原蛋白质,浓缩产物和去除去除大部分杂质大部分杂质等。等。 产物的纯化精制阶段产物的纯化精制阶段纯化精制阶段纯化精制阶段是在初级分离的基础上,用各种高选择性的技术手段,是在初级分离的基础上,用各种高选择性的技术手段,将将 目的产物和干扰杂质尽可能地分开目的产物和干扰杂质尽可能地分开,使产物的纯度达到相关的要求。,使产物的纯度达到相关的要求。活性物质分离纯化工艺选择原则 质量原则:质量原则:保证产品的高质量,一是所选择的分离纯化方法要有利于最保证产品的高质量,一是所选择的分离纯化方法要有利
13、于最大程度的去除杂质。二是在分离纯化过程中要防止生物活性物质的降解大程度的去除杂质。二是在分离纯化过程中要防止生物活性物质的降解失活。失活。 收率原则:收率原则:工艺条件优化时,必须考虑收率的最大化。收率与纯度是一工艺条件优化时,必须考虑收率的最大化。收率与纯度是一对矛盾体,通过工艺优化研究可以使收率与纯度都达到最佳值。对矛盾体,通过工艺优化研究可以使收率与纯度都达到最佳值。 时间原则时间原则:一是掌握生物活性物质稳定性的时间;二是工艺路线设计时:一是掌握生物活性物质稳定性的时间;二是工艺路线设计时各单元操作所需时间的匹配,尽量节省时间。各单元操作所需时间的匹配,尽量节省时间。生物分离纯化的基
14、本策略下游分离纯化工作前的准备:下游分离纯化工作前的准备:全面的调查分析全面的调查分析 ,充分地论证;准备充,充分地论证;准备充足的实验和生产设备足的实验和生产设备提取工艺:提取工艺: 尽可能选择简单的提取工艺尽可能选择简单的提取工艺 分离纯化步骤:分离纯化步骤: 原材料的预处理原材料的预处理 颗粒性杂质的去除颗粒性杂质的去除固液分离固液分离(离心法、过滤法)(离心法、过滤法) 可溶性杂质的去除和目标产物的初步纯化可溶性杂质的去除和目标产物的初步纯化(选择性沉淀、膜过滤、(选择性沉淀、膜过滤、选择性吸附以及萃取等技术,去除与目标产物混溶的可溶性杂质;必选择性吸附以及萃取等技术,去除与目标产物混
15、溶的可溶性杂质;必要时采用集成分离技术)要时采用集成分离技术) 目标产物的精制目标产物的精制(如:层析法和电泳法)(如:层析法和电泳法)工艺放大策略工艺放大策略 :小试中试大规模生产小试中试大规模生产生物分离技术与化工分离技术的区别 化工分离技术:化工分离技术: 获得纯的化学物质获得纯的化学物质 生物分离技术:生物分离技术: 在得到纯的生物物质同时,还必须关注特定杂质的去在得到纯的生物物质同时,还必须关注特定杂质的去 除;同时保持其除;同时保持其生物活性生物活性 与传统的化学试剂的纯度概念不同与传统的化学试剂的纯度概念不同,生物产物对有害物质有严格的控制,生物产物对有害物质有严格的控制,生产过
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