生物分离与纯化技术(普通高等教育十一五规划教材)

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内容简介

第一篇 基础理论
　　第1章 绪论
　　学习目标
　　1.生物分离与纯化技术的基本概念。
　　2.生物材料的来源和加工特性。
　　3.生物分离与纯化的一般工艺过程。
　　4.生物分离与纯化方法的选择依据。
　　生物分离与纯化是生物工程产品生产中的基本技术环节。如图1-1所示，生物产品生产流程的主要步骤是各类分离操作。生物产品的自身特征、生产过程的条件限制以及产品的特殊性对产品纯度及杂质含量方面提出了很高的要求，发展高效生物分离和纯化技术成为生物工程技术领域的一个重要研究方向。生物分离与纯化的目的是从微生物发酵液、酶反应产物、动植物细胞培养和生物体本身分离并纯化对人类有用的、符合质量要求的各种生物药物和生物制品。药品和生物制品的质量优劣直接关系到人们的身体健康和生命安全，同时也是衡量生物制品工业生产水平的重要标志之一。进入20世纪90年代，生物科学、生物技术基础研究与化工分离科学、材料科学等相关学科的进步极大推动了新型高效生物分离技术的发展，同时生物分离过程特性的研究也逐渐被人们所重视。本章主要介绍生物分离与纯化的研究概况，并对其发展方向和前景进行讨论。
　　图1-1 生物分离与纯化的一般工艺过程
　　1.生物分离与纯化技术的发展史及其应用
　　生物分离与纯化技术至今已有几百年的历史。16世纪人们就发明了用水蒸气蒸馏从鲜花与香草中提取天然香料的方法，而从牛奶中提取奶酪的历史则更早。近代生物分离与纯化技术是在欧洲工业革命以后逐步发展形成的，最早的开发是由于发酵乙醇以及有机酸分离提取的需要。到20世纪40年代初，大规模深层发酵生产抗生素，反应粗产物的纯度较低，而最终产品要求的纯度却较高。近年来发展的生物技术包括利用基因工程菌生产人造胰岛素、人与动物疫苗等产品，粗产物的含量极低，而对分离所得的最终产物的要求却更高了。因而，对生物分离与纯化技术与装备的要求越来越高。
　　生物分离与纯化处理的是复杂的多相体系，含有微生物细胞、菌体、代谢产物、未耗用的培养基以及各种降解产物等。其中生物活性物质的浓度通常很低，如抗生素的质量浓度为10~30kg/m3、维生素Pm为0.12kg/m3、酶为2~5kg/m3，而杂质含量却很高，加之生物活性物质通常很不稳定，分离与纯化条件要求苛刻，因此分离与纯化在生物制品的生产过程中所占产品总成本的比例很大。对于抗生素而言，分离与纯化部分的投资费用约为发酵部分的4倍，对于基因工程药物，分离与纯化所占的费用可达到生产费用的80%~90%。因此，生物分离与纯化对生物制品的质量控制和生产成本控制起着十分关键的作用。
　　2.生物材料的来源
　　生产生物药物和生物制品的主要生物资源是动物、植物、微生物的组织、器官、细胞与代谢产物。其种类主要有以下几种。
　　1)动物脏器
　　以动物组织或器官为原料可制备多种生物药物及生物制品。动物组织或器官的主要来源是猪，其次是牛、羊、家禽和鱼类等的脏器。
　　2)血液、分泌物和其他代谢物
　　血液占体重的6%~10%，血液中水分占80%，干物质占20%。血液资源丰富，可用于生产药品、生化试剂、营养食品、医用化妆品及饲料添加剂等。以人血为原料生产的制品有人血制剂、免疫球蛋白、血纤溶酶原、人血白蛋白、SOD等。以动物为原料生产的制品有凝血酶、血活素、原卟啉、血红蛋白、血红素、SOD等。
　　尿液、胆汁、蜂毒等也是重要的生物材料。由尿液可制备尿激酶、激肽释放酶、蛋白抑制剂等。由胆汁可生产胆酸、胆红素等。
　　3)海洋生物
　　海洋生物是开发防治常见病、多发病和疑难病的重要生物材料。用于生产生物制品的海洋生物主要有海藻、腔肠动物、鱼类、软体动物等。
　　4)植物
　　药用植物种类繁多，除含有生物碱、强心苷、黄酮、皂苷、挥发油、树脂等有效药理成分外，还含有氨基酸、蛋白质、酶、激素、核酸、糖类、脂类等众多生化成分。由植物材料寻找有效生物药物巳逐渐引起重视，品种逐年增加，如伴刀豆蛋白、天花粉蛋白、人参多糖等。
　　5)微生物
　　微生物种类繁多，资源丰富，其代谢产物有1300多种，应用前景很广。以微生物为资源，除了可生产初级代谢产物，如氨基酸和维生素以外，还可用于生产许多次级代谢产物，如在抗菌治疗方面有青霉素和四环素等，在抗癌、抗真菌感染方面有丝裂霉素、灰黄霉素等。生物工程中应用的微生物主要有细菌、放线菌、真菌和酵母菌。
　　3.生物分离与纯化技术的特点
　　生物分离与纯化是指从动植物组织、微生物培养产物或细胞培养产物中分离及纯化目的产物的过程。例如，从牛乳中分离乳清、单克隆抗体以及生产疫苗等。这些看似互不关联的产品，其生产过程却有很多共同点。大部分的产物都存在于液相溶液中，而且与其他杂质共存。正是由于存在这一共同特点，才产生了生物分离与纯化这一技术。系统地研究生物分离与纯化过程，能够揭示其内在的分离原理。利用这些原理，我们可以设计目的产物的分离与纯化方法。
　　由于生物物质具有生理活性或药理作用，因此在分离与纯化的过程中必须根据目标产物的特点，在保持其生物机能的前提下进行分离与纯化操作。生物分离与纯化的特点主要体现在以下几个方面。
　　1)目的产物浓度低，纯化难度大
　　原料液中目的产物的浓度一般都很低，有时甚至是极微量的，如胰腺中脱氧核糖核酸酶的含量为0.04%、胰岛素含量为0.002%，胆红素在胆汁中含量为0.05%~0.08%，但杂质的含量却相对较高，这样就有必要对原料液进行高度浓缩。
　　2)活性物质性质不稳定，操作过程容易失活
　　生物物质的生理活性大多是在生物体内的温和条件下维持并发挥作用的，目的产物大多数对热、酸、碱、重金属、pH以及多种理化因素都比较敏感，容易失活。外部条件不稳定或急剧发生变化，容易引起生物活性的降低或丧失。因此，为维持生物物质的活性，对分离与纯化过程的操作条件有严格的限制。
　　3)生物材料中的生化组分数量大，分离困难
　　目的产物与杂质的理化性质如溶解度、相对分子质量、等电点等往往比较相近，所以分离与纯化比较困难。
　　4)生物材料容易变质，保存困难
　　生物材料容易腐败、染菌、被微生物的活动所分解或被自身的酶所破坏，甚至机械搅拌、金属器械、空气、日光等对生物物质的活性都会发生影响。因此，生物分离与纯化方法的正确选择，对维持目的产物的稳定性起着至关重要的作用。
　　5)生物产品质量标准高
　　生物产品一般用作医药、食品和化妆品，与人类生命息息相关。因此，要求分离与纯化过程必须除去原料液中的热原及具有免疫原性的异体蛋白等有害人体健康的物质，并且防止这些物质在操作过程中从外界混人。
　　4.生物分离与纯化的一般工艺过程
　　由于生物原料明显带有生物物质的特征，因此分离与纯化工艺不能简单地应用化工单元操作。按照生产过程，生物分离与纯化一般包括原料的选取和预处理、分离提取、精制和成品制作四个过程。
　　生物分离与纯化应选取来源丰富的材料，尽量做到一物多用，综合利用。首先要根据目的产物的分布，选择富含有效成分的生物品种。例如，制备催乳素，首先，不要选用鱼类、禽类和微生物，应以哺乳动物为材料；其次，要选择合适的组织器官，如制备胃蛋白酶最好选用胃为原料，免疫球蛋白应从血液或富含血液的胎盘组织中提取；此外，生物的生长期也是选择材料需要考虑的因素，因为生长期对生物活性物质的含量影响很大，如凝乳酶只能用哺乳期的小牛、仔羊的第四胃为材料，提取胸腺素以幼年动物胸腺为原料。
　　原料的预处理主要用过滤、离心等固-液分离技术。过滤和离心相比，无论是投资费用还是运转费用，前者都小得多，因而首选方法应是过滤。但因发酵液中的不溶性固形物和菌体细胞都是柔性体，细胞个体很小，特别是细菌，过滤时形成的滤饼是高度可压缩的，所以容易造成过滤困难。因此，凝聚和絮凝等是生物原料固-液分离时常用的辅助手段。
　　提取也称初步分离，其目的是利用制备目的物的溶解特性，将目的物与细胞的固形成分或其他结合成分分离，使其由固相转人液相或从细胞内的生理状态转人特定溶液环境的过程。提取可以除去与产物性质差异较大的杂质，为纯化操作创造有利条件。提取可选用的技术较多，如萃取、固相析出、膜过滤、吸附等单元操作。提取分为固-液提取和液-液提取两种。固-液提取包括浸渍（用冷溶剂溶出固体材料中的物质）与浸煮(用热溶剂溶于目的物）。液-液提取是将目的物从某一溶剂系统转人另一溶剂系统，即萃取。
　　精制也称高度纯化，其目的是去除与目的产物的物理化学性质比较接近的杂质。通常采用对产物有高度选择性的技术，如色谱分离和结晶技术通常能获得高纯度的目产物。
　　成品制作主要是根据产品的最终用途把产品加工成一定的形式。浓缩和干燥是成品制作常用的单元操作。生物分离与纯化的一般工艺过程可用图1-1表示。
　　5.生物分离与纯化方法的选择依据
　　生物分离与纯化的工艺过程首先取决于产品是胞内产物还是胞外产物。胞内产物是