生物工程下游技術的課件

1、生物工程下游技術(生物分離工程)目的與要求了解生物工程下游技術的基礎理論及工藝過程。掌握細胞破碎、萃取分離、膜分離、色譜分離、親和分離等的基本原理及其特點及應用范圍。能在實際工作中掌握幾種分離技術的工藝過程及熟悉相關設備。能根據(jù)目的產物的特性，在生物產品產業(yè)化研究及工藝設計中合理應用相應分離技術?？己朔绞礁鶕?jù)課程基本要求，結合平時成績、課程論文及筆試（期末考試）三方面進行綜合評定。 平時成績20課程論文20期末考試60主要內容1. 緒論2. 下游技術理論基礎3. 發(fā)酵液預處理與細胞破碎4. 沉淀5. 萃取分離6. 膜分離7. 吸附與離子交換8. 色譜分離9. 親和色譜References-bo

2、oks田瑞華生物分離工程北京：科學出版社，2008曹學君現(xiàn)代生物分離工程上海：華東理工大學出版社，2007毛忠貴生物工業(yè)下游技術北京：中國輕工業(yè)出版社，1999嚴希康生化分離工程北京：化學工業(yè)出版社，2001孫彥生物分離工程北京：化學工業(yè)出版社，2005References-books劉國詮生物工程下游技術（第二版）北京：化學工業(yè)出版社，2003A. A. Garcia, M. R. Bonen, J. Ramirez-Vick, M. Sadaka and A. Vuppu. 生物分離過程科學北京：清華大學出版社，2002R. G. Harrison, P. Todd, S. R. Rudg

3、e, D. P. Petrides. Bioseparations Science and Engineering. New York: Oxford University Press, 2003A. A. Garcia, M. R. Bonen, J. Ramirez-Vick, M. Sadaka and A. Vuppu. Bioseparation Process Science. Massachusetts: Blackwell Science, Inc., 1999 References-booksP. A. Belter, E. L. Cussler, W. Hu. Biosep

4、arations: Downstream Processing for Biotechnology. New York: John Wiley & Sons, 1988D. Forciniti. Industrial Bioseparations: Principles and Practice. Iowa: Wiley-Blackwell, 2008 M. R. Ladisch (Purdue Univ). Bioseparations Engineering: Principles, Practice and Economics. New York: John Wiley and Sons

5、, 2001Raja Ghosh. Principles of Bioseparations Engineering. New York: World Scientific, 2006References-webs華東理工大學 /courses/swflgc/福州大學 /eduonline/shflgc/index.htm南京工業(yè)大學 /06jpkc/njgydx/index.aspReferences-journals色譜膜科學與技術離子交換與吸附生物工程學報高?；瘜W工程學報現(xiàn)代化工化工進展化工學報化學工程化學工業(yè)與工程China Journal of Chemical Engineerin

6、gReferences-SCI journalsJournal of Chromatography A /science/journal/00219673Journal of Supercritical Fluids /science/journal/08968446 Journal of Membrane Science /science/journal/03767388References-SCI journalsEnzyme and Microbial Technology /science/journal/01410229 Biochemical Engineering Journal

7、 /science/journal/1369703XSeparation and Purification Technology /science/journal/13835866References-SCI journalsBiotechnology and Bioengineering /jpages/0006-3592Journal of Separation Science /jpages/1615-9306Journal of Chemical Technology and Biotechnology /jpages/0268-2575 References-SCI journals

8、Separation and Purification Reviews www.tandf.co.uk/journals/titles/15422119.aspSeparation Science and Technologywww.tandf.co.uk/journals/titles/01496395.asp1 緒 論1.1 生物工程下游技術的研究對象1.2 生物工程下游技術的重要性1.3 生物工程下游技術的特點1.4 生物工程下游技術的發(fā)展歷程1.5 生物工程下游技術的一般工藝過程 1.6 生物工程下游技術的發(fā)展動態(tài)1.1 生物工程下游技術的研究對象生物工程下游技術（Downstream

9、 Processing for Biotechnology ）：由生物界自然產生的、由微生物菌體發(fā)酵的、動植物細胞培養(yǎng)的、酶反應產生的、微生物轉化的各種生物工業(yè)生產過程獲得的生物原料，經(jīng)提取分離、獲得純產品的技術，屬于“物質分離”范疇生物分離工程（Bioseparation Engineering)。1.1 生物工程下游技術的研究對象分離技術在人類生產和生活中具有重要作用。將地球上的各種各樣混合物進行分離和提純是提高生產力和改善生活水平的一種重要途徑。 分離是混合的逆過程，不能自發(fā)進行，需要作功才能實現(xiàn)。而且需要有專門的工藝和設備。在實際的工業(yè)生產中，目的產物往往與大量雜質混合在一起，分離的任

10、務，就是從這些混合物中用最低的投入（物力、財力和人力），獲得最高的產出（如產物的高得率、高純度）。1.2 生物工程下游技術的重要性 分離純化是生物技術產業(yè)的瓶頸。 下游加工過程的費用占全部產品研發(fā)費用的50以上；在的成本構成中，分離與純化部分占產品成本的比例很高。開發(fā)新的分離和純化工藝是降低成本、提高經(jīng)濟效益的重要途徑。ProductsCost (%)Solvents15-20Cells20-25Crude cellular extracts20-25Organics acids30-40Vitamins and amino acids30-40Gums and polymers40-50An

11、tibiotics20-60Industrial enzymes40-65Non-recombinant therapeutic proteins50-70r-DNA products60-80Monoclonal antibodies50-70Nucleic acid based products60-80Plasma proteins70-80Bioseparation costR. Ghosh. Principles of Bioseparations Engineering. New York: World Scientific, 20061.3 生物技術下游加工過程的特點 原料的特點

12、復雜的多相體系，非牛頓流體，成分復雜如發(fā)酵產品：粗原料產物、微生物代謝產物（metabolome）、各種添加劑，混合物產物數(shù)以萬計。Metabolic network1.3 生物技術下游加工過程的特點 原料的特點發(fā)酵或培養(yǎng)大多是分批操作，各批產物濃度和其他物性會出現(xiàn)差異，也會出現(xiàn)異常生物活性物質的穩(wěn)定性差如原料液中常存在降解目標產物的蛋白酶、菌體也可能自溶、容易被雜菌污染：發(fā)酵液放罐后，應及時快速操作，要求采用快速的分離純化方法除去影響目標產物穩(wěn)定性的雜質。原料液中常存在與目標分子結構極其相似的分子如同系物及異構體。 1.3 生物技術下游加工過程的特點 原料的特點原料中目標產物的濃度低 1.3

13、 生物技術下游加工過程的特點 對產物的要求保持生物產物的活性純度要求高當生物技術產品是食品或藥物時，要求 無污染物 無對映體反應停(thalidomide,酞胺哌啶酮)于1956 年上市, 作為鎮(zhèn)靜藥被廣泛應用。1961 年發(fā)現(xiàn)(S)-(-)異構體該藥具有致畸胎的不良反應。 天冬酰胺(S)- 味甜, (R)- 味苦)昆蟲信息素Olean(雄性果蠅，雌性果蠅) 無病毒 無熱原 無致敏原青霉素抗原決定簇 -內酰胺環(huán)1.3 生物技術下游加工過程的特點 對生產工藝的要求生物相容性高純度大規(guī)模經(jīng)濟性清潔性1.4 生物工程下游技術的發(fā)展古代釀造業(yè) 不經(jīng)過后處理第一代生物技術 過濾、蒸餾、精餾等第二代生物技

14、術 80傳統(tǒng)+現(xiàn)代第三代生物技術 20世紀80年代以來，出現(xiàn)了很多新概念、新技術、和新設備1.4 生物工程下游技術的發(fā)展 固液分離技術發(fā)酵液菌體特別是細菌的分離一直是生物工業(yè)上的難題。近20年來，研究開發(fā)了菌體及懸浮物絮凝技術，改善了發(fā)酵液的分離性能，加之纖維素助濾劑的開發(fā)，大大提高了發(fā)酵液的固液分離效率。用超濾法從發(fā)酵液中分離細菌的報道，但因技術和經(jīng)濟上的原因大規(guī)模應用尚不多見。1.4 生物工程下游技術的發(fā)展 細胞破碎技術細胞破碎是生產胞內物質所必需的技術已經(jīng)開發(fā)出球磨破碎、壓力釋放破碎、冷凍加壓釋放破碎和化學破碎等技術。細胞破碎技術的逐漸成熟，使得胞內生物物質的大規(guī)模工業(yè)化生產成為可能。1

15、.4 生物工程下游技術的發(fā)展 初步分離純化技術主要開發(fā)了沉淀、離子交換、萃取、超濾等技術。雙水相萃取技術比較適合于胞內活性物質和細胞脆片的分離；超濾技術解決了生物大分子對pH、熱、有機溶劑、金屬離子敏感等難題，在生物大分子的分級、濃縮、脫鹽等操作中得到了廣泛的使用。 1.4 生物工程下游技術的發(fā)展 高度分離純化技術小分子物質一般可通過離子交換、脫色和結晶、重結晶等方法獲得純度很高的產品。生物大分子的純化一直是個難題。20世紀70年代以來，逐漸開發(fā)出各種色譜（層析）技術，如親和色譜、疏水色譜、離子交換色譜和凝膠色譜等。 1.5 生物工程下游技術工藝過程 產品的分離提取工藝還與下列情況有關：產物本

16、身的性質；是胞內產物還是胞外產物；原料中產物和主要雜質濃度；產物和主要雜質的理化特性及差異；產品用途和質量標準；產品的市場價格；廢液的處理方法等。1.5 生物工程下游技術工藝過程預處理、提取、精制、成品制作：預處理細胞分離細胞破壁碎片分離提取 精制 成品制作 加熱 過濾 勻漿法 離心 沉淀 (重)結晶 濃縮 調 pH 離心 研磨法 雙水相 吸附 離子交換 干燥 絮凝 膜分離 酶解法 膜分離 萃取 色譜分離 無菌過濾 超濾 膜分離 結晶圖1-1 生物工程下游技術一般工藝過程 1.5 生物工程下游技術工藝過程原料中產品濃度越低，分離純化的成本越高。分離純化的的步驟越多，總收率也越低：重復提取是提高

17、總收率的一個有效方法： 如谷氨酸一步等電點結晶，結晶母液如再經(jīng)過一次離子交換提取 75（1 75） 65 91.25 。 246890%81.0%65.6%53.1%43.0%95%90.2%81.5%73.5%66.3%99%98.0%96.1%94.1%92.3%1.6 生物工程下游技術的發(fā)展動態(tài)生物分離工程研究動態(tài)：傳統(tǒng)分離技術的提高和完善新技術的研究和開發(fā)下游工程與上游工程相結合強化化學作用對下游工程的影響改進上游因素，簡化下游過程1.6.1 傳統(tǒng)分離技術的提高和完善蒸餾、蒸發(fā)、過濾、離心、結晶和離子交換等傳統(tǒng)技術由于應用面廣且相對成熟，對它們的提高和完善將會推動大范圍的技術進步。各種

18、新型高效的過濾機械和離心機械的問世，也從一個側面推動生物工業(yè)向更大規(guī)模方向發(fā)展。適合于大規(guī)模工業(yè)化生產的傳統(tǒng)技術經(jīng)過改造提高后，適應面會更寬。效率會更高，仍然顯示出強勁的生命力。1.6.2 新技術的研究和開發(fā) 新型分離介質的研究開發(fā)膜滲透蒸發(fā)膜膜萃取膜膜蒸溜膜膜吸收膜樹脂Amberlite系列（Rohm and Haas）Diaion HP系列（三菱化學 ）凝膠色譜填料1.6.2 新技術的研究和開發(fā)子代分離技術各種分離純化技術相互結合、交叉、滲透，形成形成了所謂融合技術或子代分離技術。如膜技術和萃取、蒸餾、蒸發(fā)技術相結合形成了膜萃取技術、膜蒸餾及滲透蒸發(fā)技術；又如膜分離過程與親和配基相結合，形

19、成了親和膜分離過程；離心分離與膜分離過程相結合，形成了膜離心分離過程等等。1.6.2 新技術的研究和開發(fā) 新興下游技術超臨界流體萃取Supercritical fluid extraction反膠團萃取Revised micelle extraction液膜分離Liquid membrane separation磁性親和分離magnetic affinity separation 聚焦色譜Chromatofocusing高速逆流色譜High speed countercurrent chromatography徑向流色譜Radial flow chromatography連續(xù)環(huán)狀色譜Continuous annular chromatography擬移動床色譜Simulated moving bed chromatography1.6.3 下游工程與上游工程相結合 發(fā)酵與分離耦合過程的研究這一新的技術思路在20世紀70年代首先用于厭氧發(fā)酵乙醇發(fā)酵過程中，取得了令人滿意的效果，近年來逐步發(fā)展到用于好氧發(fā)酵過程中來。發(fā)酵-分離耦合過程的優(yōu)點是可以解除終產物的反饋抑制效應，同時簡化產物提取過程，縮短生產周期，收到一舉