生物分离与纯化技术

生物分离与纯化技术主讲教师：田忠景分离分离（separation）是利用混合物中各组分在物理性质或化学性质上的差异，通过适当的装置或方法，使各组分分配至不同的空间区域或在不同的时间依次分配至同一空间区域的过程。实际上，分离是一个相对的概念，人们不可能将一种物质从混合物中100%地分离出来。分离是认识物质世界的必经之路；是各种分析技术的前提。富集（enrichment）富集是指在分离过程中使目标化合物在某空间区域的浓度增加。富集是分离的目的之一。富集需要借助分离的手段，富集与分离往往是同时实现。富集涉及目标溶质与其他溶质的分离。浓缩(concentration)浓缩指将溶液中的一部分溶剂蒸发掉，使溶液中存在的所有溶质的浓度都同等程度的提高的过程。浓缩过程也是一个分离过程，是溶剂与溶质的相互分离，不同溶质并不相互分离，它们在溶液中的相对含量(摩尔分数)不变。富集涉及目标溶质与其他溶质的分离。富集往往伴随着浓缩，因为以富集为目的的浓缩往往使溶液体积减少。纯化（purification）纯化是通过分离操作使目标产物纯度提高的过程，是进一步从目标产物中除去杂质的过程。纯化的操作过程可以是同一分离方法反复使用，也可以是多种分离方法反复使用。纯度（purity）是用来表示纯化产物主组分含量高低或所含杂质多少的一个概念。纯是相对的，不是绝对的。纯度越高，则纯化操作的成本越高。物质的用途不同，对纯度的要求也不同。富集、浓缩和纯化的区分根据目标组分在原始溶液中的相对含量（摩尔分数）的不同进行区分：方法被分离组分的摩尔分数富集0.1浓缩0.1~0.9纯化0.9常用的分离方法常用到得分离方法：盐析、萃取分离法（包括溶剂萃取、胶团萃取、双水相萃取、超临界流体萃取、固相萃取、固相微萃取、溶剂微萃取等）、膜分离方法（包括渗析、微滤、超滤、纳滤、反渗透、电渗析、膜萃取、膜吸收、渗透汽化、膜蒸馏等）、层析方法（离子交换层析、尺寸排阻层析、疏水层析、固定化金属螯合亲和层析IMAC、亲和层析等）、沉淀分离法、浮选分离法等。分离富集在生命科学中的应用被分离物质：生物体生物分离纯化的概念：指从发酵液、酶反应液或动植物组织细胞培养液中分离、纯化生物产品的过程。一、生物物质及来源1.生物物质：来源于生物中天然的或利用现代生物工程技术以生物为载体合成的，从氨基酸、多肽等低相对分子质量化合物到病毒、微生物活体制剂等具有复杂结构和成分的一类物质。一、生物物质及来源氨基酸及其衍生物类活性多肽类蛋白质类酶类1234动物器官或组织制剂小动物制剂菌体制剂核酸及其降解物糖类脂质2.生物物质来源：动物脏器；血液、分泌物和其他代谢产物海洋生物：主要是海藻动物、鱼类、软体动物等植物：生化成分众多微生物：主要有细菌、放线菌、真菌和酵母菌二、分离纯化基本原理生物材料生物材料上游加工非均相混合物均相混合物有效识别混合物中不同组分间物理、化学和生物学性质的差别，利用能够识别这些差别的分离介质或扩大这些差别的分离设备来实现组分间的分离或目标产物的纯化。分离纯化的本质：三、生物分离技术的特点生物材料容易变质，保存困难终极产品质量标准高目标产物浓度低、分离纯化困难活性物质性质不稳定，操作过程容易失活生物材料中的生化组分数量大，分离困难1.2.3.4.5.按生产过程的性质划分，分离与纯化工艺过程可划分为四个阶段：①分离与纯化前的预处理②提取③精制④成品加工四、生物分离的一般流程1.分离纯化前的预处理预处理是分离纯化操作的第一步。利用凝聚、絮凝、沉淀等技术，除去部分杂质，改变流体特性，以利于固-液分离；经离心分离、膜分离等固-液分离操作后，分别获得固相和液相。2.提取提取为分离纯化操作的主要步骤。利用超滤、萃取、吸附、离子交换等分离技术进行提取操作，除去与产物性质差异较大的杂质，提高目标物浓度。3.精制采用结晶、色谱分离、冷冻干燥等对产物有较高选择性的纯化技术，除去与目标物性质相近的杂质。4.成品加工精制后进行无菌过滤和去热源、干燥、造粒、分离过筛等成品加工操作，经检验合格后包装。上述分离与纯化过程可划分为两部分：初步分离和高度纯化。其中包含多种分离纯化技术，其中一些分离纯化技术既可用于初步分离过程，又可用于高度纯化过程。（沉淀、吸附、萃取、超滤、结晶）发酵液初步纯化细胞碎片分离细胞破碎细胞分离高度纯化成品加工预处理胞外产物（加热、调pH、絮凝）（过滤、离心分离、膜分离)（匀浆、研磨、酶解）（离心分离、双水相萃取、膜分离）（重结晶、离子交换、色谱分离、膜分离）（浓缩、无菌过滤、干燥、成型）胞内产物提取精制生物分离纯化的一般流程五、分离纯化方法选择的原则技术路线、工艺流程尽量简单化；尽可能采用低成本的材料与设备；将完整工艺流程划分为不同的工序；注意时效性；采用成熟技术和可靠设备；做好准备工作；检测纯化过程中产物产量和活性1.分离纯化的准备工作(1)软件材料的准备2.原材料的选择(1)来源(2)与目标产物含量相关的因素①合适的生物品种②合适的组织器官③生物材料的种属特异性④合适的生长发育阶段⑤合适的生理状态3.天然生物材料的采后处理处理原因：六、成品的保存空气温度保存期pH水分光线影响因素①低温下保存②制成干粉或结晶保存