第一章 绪 论 -《生物物质分离工程》 严希康主编.

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1 第一章 绪 论 -《生物物质分离工程》 严希康主编

2 主要内容 生物物质分离工程的 1 2 3 4 概念和过程 特点和重要性 步骤和选择准则 发展动向

3 1 生物物质分离工程的概念和过程 1.1 生物物质分离工程的概念
1 生物物质分离工程的概念和过程 生物 物质 谷物、肉类和木材 器官、组织和细胞 蛋白、核酸、糖类和脂质 维生素、氨基酸、抗生素 1.1 生物物质分离工程的概念 指在工业规模上，通过适当的分离纯化技术与装备并消耗一定的能量和分离介质来实现生物物质（产品）制备的过程，是生物产业的一种重要组成部分。 来源于生物体的活性物质！

4 1.2 生物物质分离过程 一般称为下游加工过程（downstream processing），是生物技术转化为生产力的重要环节。
本书的生物物质主要指：微生物发酵产物、酶反应物或动植物细胞培养过程中得到的代谢产物，包括以下步骤： 固液分离 初步纯化 高度纯化 成品制备 一般称为下游加工过程（downstream processing），是生物技术转化为生产力的重要环节。

5 2 生物物质分离工程的特点 2.1 发酵液中产物的浓度很低 原因： 高密度发酵的限制 微生物自身的限制 代谢产物的限制 乙醇 胰岛素 尿激素
2 生物物质分离工程的特点 2.1 发酵液中产物的浓度很低 乙醇 售价 （$/kg） 10-1 10-7 原料质量浓度（g/L) 胰岛素 尿激素 10 3 原因： 高密度发酵的限制 微生物自身的限制 代谢产物的限制

6 2.2 培养液是多组分的混合物 2.3 生物产品的稳定性差 大分子量物质：核酸、蛋白质、多糖、类脂； 低分子量物质：氨基酸、有机酸和碱；
胶体悬浮颗粒：细胞、细胞碎片等 2.3 生物产品的稳定性差 化学降解和微生物降解

7 2.4 对最终产品的质量要求很高 生物物质分离工程是生物技术产品工业化的必要手段，在产品的成本构成中占有很大的比重！ 产品要满足：

8 3 生物物质分离工程的步骤和选择标准 3.1 生物物质分离的步骤 预处理 目的：固液分离 单元操作：过滤、离心和细胞破碎 初步纯化
3 生物物质分离工程的步骤和选择标准 3.1 生物物质分离的步骤 预处理 目的：固液分离 单元操作：过滤、离心和细胞破碎 初步纯化 目的：提高产品纯度，除去与产品性质差异大的物质 单元操作：沉淀、萃取和吸附 高度纯化 目的：进一步提高产品的纯度 单元操作：层析、电泳和沉淀 成品加工 目的：决定产品最终的形态 单元操作：结晶、干燥

9 3.2 单元操作选择的原则 (1) 采用步骤数量应最少 例如：
假设每步收率为95％（φ=0.95），则n个步骤之后的总收率的期望值为φn＝0.95n，如果现用10个步骤进行分离纯化，那么产物的总收率是0.9510=

10 (2) 采用步骤的次序要相对合理 (3) 其他因素 产品规格 生产规模 进料组成 产品的形式 产品的稳定性 物性 危害性 废水
分批或连续过程 (3) 其他因素

11 4 生物物质分离工程的发展动向 4.1 生物分离技术的沿革 （1）传统生物技术产品 19世纪60年代起 酿造向发酵过渡：酒精、丙酮、丁醇
4 生物物质分离工程的发展动向 4.1 生物分离技术的沿革 （1）传统生物技术产品 19世纪60年代起 酿造向发酵过渡：酒精、丙酮、丁醇 过滤、蒸馏

12 （2）第二代生物技术产品 20世纪40年代起 出现了抗生素、氨基酸、有机酸、核酸、酶制剂和单细胞蛋白等繁多的生物产品
传统化学工业中的分离技术用于生物技术产品的生产，基本满足需求 生物工程发展迅速

13 （3）第三代生物技术产品 20世纪70年代起 基因工程、酶工程、细胞工程、微生物工程迅速发展 干扰素、抗体、胰岛素为代表的生物技术产品
瑞典的Biolink公司 高度纯化技术：亲和色谱、聚焦色谱、灌注层析、离子交换色谱

14 4.2 生物分离技术的发展动向 （1）基础理论研究 （2）提高分离过程的选择性 （3）开发新型分离介质 （4）耦合和高效集成化
（5）规模化、工程化

15 想一想： 生物物质分离如何与 发酵生产有机的“耦合”？

16 第二章 提取、分离和精制过程中蛋白质活性的 稳定性和保存
第二章 提取、分离和精制过程中蛋白质活性的 稳定性和保存

17 主要内容 1 2 3 蛋白质的结构 蛋白质的失活 解决方法

18 1 蛋白质的结构 1.1 蛋白质的组织层次 （1）一级结构：多肽键中氨基酸残基的序列。 关键词：氨基酸、肽键

19 （2）二级结构：主链骨架有规则的盘曲折叠所形成的构象。
关键词：折叠、螺旋和转角

20 （3）三级结构：进一步卷曲折叠，构成一个不规则的特定构象。
二硫键：半胱氨酸残基； 侧链基团的相互作用和蛋白质折叠； 非极性和极性侧链 芳香族之间的相互作用 氢键：急性基团处于蛋白内部的方式 结构域

21 （4）四级结构：三级结构聚集而成。 非共价键 亚基 寡聚蛋白和多聚蛋白

22 2 蛋白质的失活 氨基酸顺序决定蛋白结构，而蛋白结构又决定了蛋白的功能！ 氨基酸残基的顺序： 参与活化过程或与底物或受体结合过程；
促进蛋白质的三级结构 氨基酸顺序决定蛋白结构，而蛋白结构又决定了蛋白的功能！

23 当温度升高时，折叠的蛋白质发生伸展，进而丧失活性。
2.1 折叠和伸展 蛋白质的变性： 当温度升高时，折叠的蛋白质发生伸展，进而丧失活性。 动态过程 可逆和不可逆 N U U …… D 天然活性状态 伸展状态1 伸展状态2 失活状态

24 2.2 导致蛋白质可逆失活的因素 温度：0-4℃，蛋白质最稳定； pH值：是氨基酸离子化或去离子化；
2.2 导致蛋白质可逆失活的因素 温度：0-4℃，蛋白质最稳定； pH值：是氨基酸离子化或去离子化； 化学物质：破坏氢键，如尿素、盐酸胍和SDS； 泡沫、甲醇、金属离子。 化学反应：氧化、还原、酰化、皖化和芳香化；影响三维结构的稳定性。

25 2.3 热稳定蛋白的特征 分子内部附加的离子相互作用 分子内部附加的氢键 附加的二硫键 分子内部的疏水性 金属结合位点的数目

26 3 解决的方法 3.1 利用基因工程改变蛋白的结构； 3.2 固定化：天然构型蛋白质表面的众多基团与刚性支撑物 共价结合； 3.3 防治污染
3.4 干燥储存