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1、生物分离与纯化技术授课教案 第一章 绪论 教学目的：熟悉生物物质的概念、种类和来源；了解分离纯化技术及其基本原理；熟悉分离纯化工艺的优化、放大和验证工作；掌握分离纯化的特点与一般步骤；了解生物分离纯化技术的发展历史；熟悉生物分离纯化技术的发展趋势。教学重点：生物物质的概念、种类和来源；分离纯化工艺的优化、放大和验证工作；分离纯化的特点与一般步骤；生物分离纯化技术的发展趋势。教学难点：分离纯化技术及其基本原理；分离纯化工艺的优化、放大和验证工作。教学课时：4 学时 教学方法：多媒体教学 教学内容：第一节 生物分离与纯化的概念与原理 一、生物物质的概念、种类和来源 1.生物物质：氨基酸及其衍生物类
2、、活性多肽类、蛋白质、酶类、核酸及其降解物、糖、脂类、动物器官或组织制剂、小动物制剂、菌体制剂。2.生物物质来源：动物器官与组织、植物器官与组织、微生物及其代谢产物、细胞培养产物、血液、分泌物及其代谢物 二、生物分离纯化概念 指从发酵液、动植物细胞培养液、酶反应液或动植物组织细胞与体液等中分离、纯化生物产品的过程。三、生物分离纯化技术 生物技术 上游：基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程及组织工程；下游：生物产品的回收生物分离与纯化技术，主要包括离心技术、细胞破碎技术、萃取技术、固相析出技术、色谱技术和膜分离技术等。四、分离纯化基本原理 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，
3、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。原理 分离纯化技术 产物举例 带电性 电泳 离子交换色谱 等电点沉淀 蛋白质、核酸、氨基酸 氨基酸、有机酸、抗生素、蛋白质、核酸 蛋白质、氨基酸 化学性质 电渗析 离子交换色谱 亲和色谱 氨基酸、有机酸、盐、水 氨基酸、有机酸、抗生素、蛋白质、核酸 蛋白质、核酸 理熟悉分离纯化工艺的优化放大和验证工作掌握分离纯化的特点与一般步骤了解生物分离纯化技术的发展历史熟悉生物分离纯化技术的发展趋势教学重点生物物质的概念种类和来源分离纯化工艺的优化放大和验证工作分离纯化的特工作教学课时学时教学方法多媒体教学教学内容第
4、一节生物分离与纯化的概念与原理一生物物质的概念种类和来源生物物质氨基酸及其衍生物类活性多肽类蛋白质酶类核酸及其降解物糖脂类动物器官或组织制剂小动物制剂菌体制剂离纯化概念指从发酵液动植物细胞培养液酶反应液或动植物组织细胞与体液等中分离纯化生物产品的过程三生物分离纯化技术生物技术上游基因工程细胞工程酶工程发酵工程及组织工程下游生物产品的回收生物分离与纯化技术主要生物功能特性 亲和色谱 疏水色谱 蛋白质、核酸 蛋白质、核酸 原理 分离纯化技术 产物举例 分子大小、形状 离心 超滤 微滤 透析 电渗析 凝胶色谱 菌体、细胞碎片、蛋白质 蛋白质、多醣、抗生素 菌体、细胞 尿素、盐、蛋白质 氨基酸、有机酸
5、、盐、水 盐、分子大小不同的蛋白质 溶解度、挥发性 萃取 盐析 结晶 蒸馏 等电点沉淀 有机溶剂沉淀 氨基酸、有机酸、抗生素、蛋白质、香料 蛋白质、核酸 氨基酸、有机酸、抗生素、蛋白质 乙醇、香精 蛋白质、氨基酸 蛋白质、核酸 第二节 分离纯化策略 一、生物分离纯化技术的特点 1.环境复杂、分离纯化困难 2.含量低、工艺复杂 理熟悉分离纯化工艺的优化放大和验证工作掌握分离纯化的特点与一般步骤了解生物分离纯化技术的发展历史熟悉生物分离纯化技术的发展趋势教学重点生物物质的概念种类和来源分离纯化工艺的优化放大和验证工作分离纯化的特工作教学课时学时教学方法多媒体教学教学内容第一节生物分离与纯化的概念与
6、原理一生物物质的概念种类和来源生物物质氨基酸及其衍生物类活性多肽类蛋白质酶类核酸及其降解物糖脂类动物器官或组织制剂小动物制剂菌体制剂离纯化概念指从发酵液动植物细胞培养液酶反应液或动植物组织细胞与体液等中分离纯化生物产品的过程三生物分离纯化技术生物技术上游基因工程细胞工程酶工程发酵工程及组织工程下游生物产品的回收生物分离与纯化技术主要3.稳定性差、操纵要求严格 4.目标产物最终的质量要求很高 5.终极产品纯度的均一性与化学分离上纯度的概念并不完全相同 二、分离纯化方法选择的原则 1.技术路线、工艺流程尽量简单化；2.尽可能采用低成本的材料与设备；3.将完整工艺流程划分为不同的工序；4.注意时效性
7、；5.采用成熟技术和可靠设备；6.准备好书面标准操作程序等技术文件；7.检测纯化过程中产物产量和活性 三、分离纯化的原材料选择与成品保存 1.原材料的选择(1)来源(2)与目标产物含量相关的因素 合适的生物品种 合适的组织器官 生物材料的种属特异性 合适的生长发育阶段 合适的生理状态 2.天然生物材料的采后处理 天然生物材料需要处理的原因 理熟悉分离纯化工艺的优化放大和验证工作掌握分离纯化的特点与一般步骤了解生物分离纯化技术的发展历史熟悉生物分离纯化技术的发展趋势教学重点生物物质的概念种类和来源分离纯化工艺的优化放大和验证工作分离纯化的特工作教学课时学时教学方法多媒体教学教学内容第一节生物分离
8、与纯化的概念与原理一生物物质的概念种类和来源生物物质氨基酸及其衍生物类活性多肽类蛋白质酶类核酸及其降解物糖脂类动物器官或组织制剂小动物制剂菌体制剂离纯化概念指从发酵液动植物细胞培养液酶反应液或动植物组织细胞与体液等中分离纯化生物产品的过程三生物分离纯化技术生物技术上游基因工程细胞工程酶工程发酵工程及组织工程下游生物产品的回收生物分离与纯化技术主要细胞自溶导致目标产物失活或降解；易受微生物污染导致目标产物失活或降解。易受光照、氧气等的作用导致其分子结构改变。一般植物材料需进行适当的干燥后再保存，动物材料需经清洗后速冻、有机溶剂脱水或制成丙酮粉在低温下保存。3.成品的保存(1)影响生物产品保存的主
9、要因素 空气温度水分光线pH保存期(2)蛋白质和酶制品的保存方法 低温下保存制成干粉或结晶保存保存时添加保护剂 四、分离纯化的准备工作 1.软件材料的准备 2.硬件材料的准备 五、分离纯化的基本步骤 六、分离纯化技术的综合运用与工艺放大 理熟悉分离纯化工艺的优化放大和验证工作掌握分离纯化的特点与一般步骤了解生物分离纯化技术的发展历史熟悉生物分离纯化技术的发展趋势教学重点生物物质的概念种类和来源分离纯化工艺的优化放大和验证工作分离纯化的特工作教学课时学时教学方法多媒体教学教学内容第一节生物分离与纯化的概念与原理一生物物质的概念种类和来源生物物质氨基酸及其衍生物类活性多肽类蛋白质酶类核酸及其降解物
10、糖脂类动物器官或组织制剂小动物制剂菌体制剂离纯化概念指从发酵液动植物细胞培养液酶反应液或动植物组织细胞与体液等中分离纯化生物产品的过程三生物分离纯化技术生物技术上游基因工程细胞工程酶工程发酵工程及组织工程下游生物产品的回收生物分离与纯化技术主要一种合格产品要运用多种分离设备和技术进行纯化，原因为：在每个工序中根据现有设备条件和目标产物的性质、规格、用途不同可采用多种分离纯化手段；每种分离纯化操作本身各项影响加工效果的因素都直接影响分离纯化的效果和成本；各工序间具有复杂的相互影响作用。1.建立在制品、半制品成品上的检测方法是工艺优化的前提 2.明确优化工艺的评判标准，处理好收率、纯度、经济性之间
11、的平衡 应将处理体积大、加工成本低的工序尽量前置，而价格昂贵、精制工序易放在工艺流程的后段。随产物纯度的提高，对工艺流程下游加工所用的设备、试剂的要求亦提高。七、分离纯化的中试放大 1.中试放大具备的条件 确定并系统鉴定了生物材料的资源 目标产物的收率稳定即重复性好，质量可靠 工艺路线和操作条件已经确定，并且已经建立了原料、半制品、产品的的分析检测方法 已经进行过物料平衡预算，并且建立了“三废”的处理和监测方法 确立了中试规模及所需原材料的规格和数量 建立了教完善的安全生产预警措施和方法 2.中试放大中力求解决及注意的问题(1)进一步确定生产中所需原辅料的规格和来源 理熟悉分离纯化工艺的优化放
12、大和验证工作掌握分离纯化的特点与一般步骤了解生物分离纯化技术的发展历史熟悉生物分离纯化技术的发展趋势教学重点生物物质的概念种类和来源分离纯化工艺的优化放大和验证工作分离纯化的特工作教学课时学时教学方法多媒体教学教学内容第一节生物分离与纯化的概念与原理一生物物质的概念种类和来源生物物质氨基酸及其衍生物类活性多肽类蛋白质酶类核酸及其降解物糖脂类动物器官或组织制剂小动物制剂菌体制剂离纯化概念指从发酵液动植物细胞培养液酶反应液或动植物组织细胞与体液等中分离纯化生物产品的过程三生物分离纯化技术生物技术上游基因工程细胞工程酶工程发酵工程及组织工程下游生物产品的回收生物分离与纯化技术主要(2)进一步确定生产
13、设备的选型与设备材料的质量(3)进一步确定分离纯化操作的条件限度(4)研究和建立原辅材料、中间体及产品质量的分析方法和手段 3.中试放大的方法 经验放大法、相似放大法、数学模型放大法、步步为营法、一竿子插到底法 4.中试放大的关键环节 工艺路线及各工序操作步骤 设备材质与型号的选择 原辅材料、中间体的质量标准 操作条件 物料衡算 安全生产与“三废”防治 原辅材料、中间体及产品的理化和生物学测定 消耗定额、原料成本、操作工时与生产周期等的计算 八、生物药品生产工艺的验证 1.验证的概念 证明任何程序、生产过程、设备、物料、活动或系统确实能达到预期结果的有文件明的一系列活动。2.药品生产验证的主要
14、内容 设备与厂房和公用设施验证、工艺验证、清洁验证、分析方法验证、计算机验证 3.生产工艺验证 关键工艺步骤的验证 理熟悉分离纯化工艺的优化放大和验证工作掌握分离纯化的特点与一般步骤了解生物分离纯化技术的发展历史熟悉生物分离纯化技术的发展趋势教学重点生物物质的概念种类和来源分离纯化工艺的优化放大和验证工作分离纯化的特工作教学课时学时教学方法多媒体教学教学内容第一节生物分离与纯化的概念与原理一生物物质的概念种类和来源生物物质氨基酸及其衍生物类活性多肽类蛋白质酶类核酸及其降解物糖脂类动物器官或组织制剂小动物制剂菌体制剂离纯化概念指从发酵液动植物细胞培养液酶反应液或动植物组织细胞与体液等中分离纯化生
15、物产品的过程三生物分离纯化技术生物技术上游基因工程细胞工程酶工程发酵工程及组织工程下游生物产品的回收生物分离与纯化技术主要关键工艺参数的验证 工艺一致性验证 第三节 生物分离纯化技术的发展 一、生物分离纯化技术的发展历史 1.古代酿造业 包括酿酒、制酱(油)、醋、酸奶和干酪等，都是家庭作坊式的，产物基本不经过后处理而直接使用。2.原始分离纯化时期（第一代生物技术产品）主要指 19 世纪 60 年代到 20 世纪 40 年代青霉素等抗生素出现之前的生物技术产业。3.传统分离纯化方法推广使用时期(传统第二代生物技术产品)以青霉素产品的出现为代表。这一时期的特点是产品类型多，分子结构较为复杂，对分离
16、纯化提出了更高要求。这期间引进吸收了大量的近代化学工业的分离技术，据报道有80的化工单元操作技术被引进生物工业。4.快速发展时期(第三代生物技术产品)一般认为以 20 世纪 70 年代末崛起的 DNA 重组技术及细胞融合技术为代表。如乙肝疫苗、干扰素等一批对人类十分有益的高附加值的产品开始面世，生物下游技术领域的研究和开发力度不断加大，推出新技术。二、生物分离纯化技术的发展趋势 1.多种分离纯化技术和新、老技术的相互交叉、渗透和融合 2.强化化学作用对分离纯化过程的影响 3.注重上游技术的改进，简化分离纯化过程 理熟悉分离纯化工艺的优化放大和验证工作掌握分离纯化的特点与一般步骤了解生物分离纯化
17、技术的发展历史熟悉生物分离纯化技术的发展趋势教学重点生物物质的概念种类和来源分离纯化工艺的优化放大和验证工作分离纯化的特工作教学课时学时教学方法多媒体教学教学内容第一节生物分离与纯化的概念与原理一生物物质的概念种类和来源生物物质氨基酸及其衍生物类活性多肽类蛋白质酶类核酸及其降解物糖脂类动物器官或组织制剂小动物制剂菌体制剂离纯化概念指从发酵液动植物细胞培养液酶反应液或动植物组织细胞与体液等中分离纯化生物产品的过程三生物分离纯化技术生物技术上游基因工程细胞工程酶工程发酵工程及组织工程下游生物产品的回收生物分离与纯化技术主要4.由环境污染向清洁生产工艺转变 理熟悉分离纯化工艺的优化放大和验证工作掌握分离纯化的特点与一般步骤了解生物分离纯化技术的发展历史熟悉生物分离纯化技术的发展趋势教学重点生物物质的概念种类和来源分离纯化工艺的优化放大和验证工作分离纯化的特工作教学课时学时教学方法多媒体教学教学内容第一节生物分离与纯化的概念与原理一生物物质的概念种类和来源生物物质氨基酸及其衍生物类活性多肽类蛋白质酶类核酸及其降解物糖脂类动物器官或组织制剂小动物制剂菌体制剂离纯化概念指从发酵液动植物细胞培养液酶反应液或动植物组织细胞与体液等中分离纯化生物产品的过程三生物分离纯化技术生物技术上游基因工程细胞工程酶工程发酵工程及组织工程下游生物产品的回收生物分离与纯化技术主要