生物工程下游技術(shù)專家講座

生物工程下游技術(shù)

(生物分離工程)何進(jìn)hejinhzau@梅余霞mei@生物工程下游技術(shù)專家講座第1頁(yè)目標(biāo)與要求了解生物工程下游技術(shù)基礎(chǔ)理論及工藝過(guò)程。掌握細(xì)胞破碎、萃取分離、膜分離、色譜分離、親和分離等基本原理及其特點(diǎn)及應(yīng)用范圍。能在實(shí)際工作中掌握幾個(gè)分離技術(shù)工藝過(guò)程及熟悉相關(guān)設(shè)備。能依據(jù)目標(biāo)產(chǎn)物特征，在生物產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化研究及工藝設(shè)計(jì)中合理應(yīng)用對(duì)應(yīng)分離技術(shù)。生物工程下游技術(shù)專家講座第2頁(yè)考評(píng)方式依據(jù)課程基本要求，結(jié)合平時(shí)成績(jī)、課程論文及筆試（期末考試）三方面進(jìn)行綜合評(píng)定。平時(shí)成績(jī)20％課程論文20％期末考試60％生物工程下游技術(shù)專家講座第3頁(yè)主要內(nèi)容1.緒論2.下游技術(shù)理論基礎(chǔ)3.發(fā)酵液預(yù)處理與細(xì)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.親和色譜生物工程下游技術(shù)專家講座第4頁(yè)References-books田瑞華．生物分離工程．北京：科學(xué)出版社，曹學(xué)君．當(dāng)代生物分離工程．上海：華東理工大學(xué)出版社，毛忠貴．生物工業(yè)下游技術(shù)．北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，1999嚴(yán)希康．生化分離工程．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，孫彥．生物分離工程．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，生物工程下游技術(shù)專家講座第5頁(yè)References-books劉國(guó)詮．生物工程下游技術(shù)（第二版）．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，A.A.Garcia,M.R.Bonen,J.Ramirez-Vick,M.SadakaandA.Vuppu.生物分離過(guò)程科學(xué)．北京：清華大學(xué)出版社，R.G.Harrison,P.Todd,S.R.Rudge,D.P.Petrides.BioseparationsScienceandEngineering.NewYork:OxfordUniversityPress,A.A.Garcia,M.R.Bonen,J.Ramirez-Vick,M.SadakaandA.Vuppu.BioseparationProcessScience.Massachusetts:BlackwellScience,Inc.,1999生物工程下游技術(shù)專家講座第6頁(yè)References-booksP.A.Belter,E.L.Cussler,W.Hu.Bioseparations:DownstreamProcessingforBiotechnology.NewYork:JohnWiley&Sons,1988D.Forciniti.IndustrialBioseparations:PrinciplesandPractice.Iowa:Wiley-Blackwell,

M.R.Ladisch(PurdueUniv).BioseparationsEngineering:Principles,PracticeandEconomics.NewYork:JohnWileyandSons,RajaGhosh.PrinciplesofBioseparationsEngineering.NewYork:WorldScientific,生物工程下游技術(shù)專家講座第7頁(yè)References-webs華東理工大學(xué)

/courses/swflgc/福州大學(xué)

/eduonline/shflgc/index.htm南京工業(yè)大學(xué)

/06jpkc/njgydx/index.asp生物工程下游技術(shù)專家講座第8頁(yè)References-journals色譜膜科學(xué)與技術(shù)離子交換與吸附生物工程學(xué)報(bào)高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào)當(dāng)代化工化工進(jìn)展化工學(xué)報(bào)化學(xué)工程化學(xué)工業(yè)與工程ChinaJournalofChemicalEngineering生物工程下游技術(shù)專家講座第9頁(yè)References-SCIjournalsJournalofChromatographyA

/science/journal/00219673JournalofSupercriticalFluids

/science/journal/08968446

JournalofMembraneScience

/science/journal/03767388生物工程下游技術(shù)專家講座第10頁(yè)References-SCIjournalsEnzymeandMicrobialTechnology

/science/journal/01410229

BiochemicalEngineeringJournal

/science/journal/1369703XSeparationandPurificationTechnology

/science/journal/13835866生物工程下游技術(shù)專家講座第11頁(yè)References-SCIjournalsBiotechnologyandBioengineering

/jpages/0006-3592JournalofSeparationScience

/jpages/1615-9306JournalofChemicalTechnologyandBiotechnology

/jpages/0268-2575

生物工程下游技術(shù)專家講座第12頁(yè)References-SCIjournalsSeparationandPurificationReviews

www.tandf.co.uk/journals/titles/15422119.aspSeparationScienceandTechnology

www.tandf.co.uk/journals/titles/01496395.asp生物工程下游技術(shù)專家講座第13頁(yè)1緒論1.1生物工程下游技術(shù)研究對(duì)象1.2生物工程下游技術(shù)主要性1.3生物工程下游技術(shù)特點(diǎn)1.4生物工程下游技術(shù)發(fā)展歷程1.5生物工程下游技術(shù)普通工藝過(guò)程

1.6生物工程下游技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)生物工程下游技術(shù)專家講座第14頁(yè)1.1生物工程下游技術(shù)研究對(duì)象生物工程下游技術(shù)（DownstreamProcessingforBiotechnology）：由生物界自然產(chǎn)生、由微生物菌體發(fā)酵、動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)、酶反應(yīng)產(chǎn)生、微生物轉(zhuǎn)化各種生物工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程取得生物原料，經(jīng)提取分離、取得純產(chǎn)品技術(shù)，屬于“物質(zhì)分離”范圍—生物分離工程（BioseparationEngineering)。生物工程下游技術(shù)專家講座第15頁(yè)1.1生物工程下游技術(shù)研究對(duì)象分離技術(shù)在人類生產(chǎn)和生活中含有主要作用。將地球上各種各樣混合物進(jìn)行分離和提純是提升生產(chǎn)力和改進(jìn)生活水平一個(gè)主要路徑。

分離是混合逆過(guò)程，不能自發(fā)進(jìn)行，需要作功才能實(shí)現(xiàn)。而且需要有專門工藝和設(shè)備。在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，目標(biāo)產(chǎn)物往往與大量雜質(zhì)混合在一起，分離任務(wù)，就是從這些混合物中用最低投入（物力、財(cái)力和人力），取得最高產(chǎn)出（如產(chǎn)物高得率、高純度）。生物工程下游技術(shù)專家講座第16頁(yè)1.2生物工程下游技術(shù)主要性

分離純化是生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)瓶頸。下游加工過(guò)程費(fèi)用占全部產(chǎn)品研發(fā)費(fèi)用50％以上；在成本組成中，分離與純化部分占產(chǎn)品成本百分比很高。開發(fā)新分離和純化工藝是降低成本、提升經(jīng)濟(jì)效益主要路徑。ProductsCost(%)Solvents15-20Cells20-25Crudecellularextracts20-25Organicsacids30-40Vitaminsandaminoacids30-40Gumsandpolymers40-50Antibiotics20-60Industrialenzymes40-65Non-recombinanttherapeuticproteins50-70r-DNAproducts60-80Monoclonalantibodies50-70Nucleicacidbasedproducts60-80Plasmaproteins70-80BioseparationcostR.Ghosh.PrinciplesofBioseparationsEngineering.NewYork:WorldScientific,生物工程下游技術(shù)專家講座第17頁(yè)1.3生物技術(shù)下游加工過(guò)程特點(diǎn)

原料特點(diǎn)復(fù)雜多相體系，非牛頓流體，成份復(fù)雜如發(fā)酵產(chǎn)品：粗原料產(chǎn)物、微生物代謝產(chǎn)物（metabolome）、各種添加劑，混合物產(chǎn)物數(shù)以萬(wàn)計(jì)。Metabolicnetwork生物工程下游技術(shù)專家講座第18頁(yè)1.3生物技術(shù)下游加工過(guò)程特點(diǎn)

原料特點(diǎn)發(fā)酵或培養(yǎng)大多是分批操作，各批產(chǎn)物濃度和其它物性會(huì)出現(xiàn)差異，也會(huì)出現(xiàn)異常生物活性物質(zhì)穩(wěn)定性差如原料液中常存在降解目標(biāo)產(chǎn)物蛋白酶、菌體也可能自溶、輕易被雜菌污染：發(fā)酵液放罐后，應(yīng)及時(shí)快速操作，要求采取快速分離純化方法除去影響目標(biāo)產(chǎn)物穩(wěn)定性雜質(zhì)。原料液中常存在與目標(biāo)分子結(jié)構(gòu)極其相同分子如同系物及異構(gòu)體。生物工程下游技術(shù)專家講座第19頁(yè)1.3生物技術(shù)下游加工過(guò)程特點(diǎn)

原料特點(diǎn)原料中目標(biāo)產(chǎn)物濃度低生物工程下游技術(shù)專家講座第20頁(yè)1.3生物技術(shù)下游加工過(guò)程特點(diǎn)

對(duì)產(chǎn)物要求保持生物產(chǎn)物活性純度要求高當(dāng)生物技術(shù)產(chǎn)品是食品或藥品時(shí)，要求無(wú)污染物無(wú)對(duì)映體反應(yīng)停(thalidomide,酞胺哌啶酮)于1956年上市,作為鎮(zhèn)靜藥被廣泛應(yīng)用。1961年發(fā)覺(jué)(S)-(-)異構(gòu)體該藥含有致畸胎不良反應(yīng)。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(wú)病毒無(wú)熱原無(wú)致敏原青霉素抗原決定簇β-內(nèi)酰胺環(huán)生物工程下游技術(shù)專家講座第21頁(yè)1.3生物技術(shù)下游加工過(guò)程特點(diǎn)

對(duì)生產(chǎn)工藝要求生物相容性高純度大規(guī)模經(jīng)濟(jì)性清潔性生物工程下游技術(shù)專家講座第22頁(yè)1.4生物工程下游技術(shù)發(fā)展古代釀造業(yè)不經(jīng)過(guò)后處理第一代生物技術(shù)過(guò)濾、蒸餾、精餾等第二代生物技術(shù)80％傳統(tǒng)+當(dāng)代第三代生物技術(shù)20世紀(jì)80年代以來(lái)，出現(xiàn)了很多新概念、新技術(shù)、和新設(shè)備生物工程下游技術(shù)專家講座第23頁(yè)1.4生物工程下游技術(shù)發(fā)展固液分離技術(shù)發(fā)酵液菌體尤其是細(xì)菌分離一直是生物工業(yè)上難題。近20年來(lái)，研究開發(fā)了菌體及懸浮物絮凝技術(shù)，改進(jìn)了發(fā)酵液分離性能，加之纖維素助濾劑開發(fā)，大大提升了發(fā)酵液固液分離效率。用超濾法從發(fā)酵液中分離細(xì)菌報(bào)道，但因技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上原因大規(guī)模應(yīng)用尚不多見(jiàn)。生物工程下游技術(shù)專家講座第24頁(yè)1.4生物工程下游技術(shù)發(fā)展細(xì)胞破碎技術(shù)細(xì)胞破碎是生產(chǎn)胞內(nèi)物質(zhì)所必需技術(shù)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(xué)破碎等技術(shù)。細(xì)胞破碎技術(shù)逐步成熟，使得胞內(nèi)生物物質(zhì)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)成為可能。生物工程下游技術(shù)專家講座第25頁(yè)1.4生物工程下游技術(shù)發(fā)展

初步分離純化技術(shù)主要開發(fā)了沉淀、離子交換、萃取、超濾等技術(shù)。雙水相萃取技術(shù)比較適合于胞內(nèi)活性物質(zhì)和細(xì)胞脆片分離；超濾技術(shù)處理了生物大分子對(duì)pH、熱、有機(jī)溶劑、金屬離子敏感等難題，在生物大分子分級(jí)、濃縮、脫鹽等操作中得到了廣泛使用。生物工程下游技術(shù)專家講座第26頁(yè)1.4生物工程下游技術(shù)發(fā)展高度分離純化技術(shù)小分子物質(zhì)普通可經(jīng)過(guò)離子交換、脫色和結(jié)晶、重結(jié)晶等方法取得純度很高產(chǎn)品。生物大分子純化一直是個(gè)難題。20世紀(jì)70年代以來(lái)，逐步開發(fā)出各種色譜（層析）技術(shù)，如親和色譜、疏水色譜、離子交換色譜和凝膠色譜等。

生物工程下游技術(shù)專家講座第27頁(yè)1.5生物工程下游技術(shù)工藝過(guò)程產(chǎn)品分離提取工藝還與以下情況相關(guān)：①產(chǎn)物本身性質(zhì)；②是胞內(nèi)產(chǎn)物還是胞外產(chǎn)物；③原料中產(chǎn)物和主要雜質(zhì)濃度；④產(chǎn)物和主要雜質(zhì)理化特征及差異；⑤產(chǎn)品用途和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；⑥產(chǎn)品市場(chǎng)價(jià)格；⑦廢液處理方法等。生物工程下游技術(shù)專家講座第28頁(yè)1.5生物工程下游技術(shù)工藝過(guò)程預(yù)處理、提取、精制、成品制作：預(yù)處理→細(xì)胞分離→細(xì)胞破壁→碎片分離→提取→精制→成品制作加熱過(guò)濾勻漿法離心沉淀(重)結(jié)晶濃縮調(diào)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(wú)菌過(guò)濾超濾膜分離結(jié)晶圖1-1生物工程下游技術(shù)普通工藝過(guò)程

生物工程下游技術(shù)專家講座第29頁(yè)1.5生物工程下游技術(shù)工藝過(guò)程原料中產(chǎn)品濃度越低，分離純化成本越高。分離純化步驟越多，總收率也越低：重復(fù)提取是提升總收率一個(gè)有效方法：

如谷氨酸一步等電點(diǎn)結(jié)晶，結(jié)晶母液如再經(jīng)過(guò)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%生物工程下游技術(shù)專家講座第30頁(yè)1.6生物工程下游技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)生物分離工程研究動(dòng)態(tài)：傳統(tǒng)分離技術(shù)提升和完善新技術(shù)研究和開發(fā)下游工程與上游工程相結(jié)合強(qiáng)化化學(xué)作用對(duì)下游工程影響改進(jìn)上游原因，簡(jiǎn)化下游過(guò)程生物工程下游技術(shù)專家講座第31頁(yè)1.6.1傳統(tǒng)分離技術(shù)提升和完善蒸餾、蒸發(fā)、過(guò)濾、離心、結(jié)晶和離子交換等傳統(tǒng)技術(shù)因?yàn)閼?yīng)用面廣且相對(duì)成熟，對(duì)它們提升和完善將會(huì)推進(jìn)大范圍技術(shù)進(jìn)步。各種新型高效過(guò)濾機(jī)械和離心機(jī)械問(wèn)世，也從一個(gè)側(cè)面推進(jìn)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(chǎn)傳統(tǒng)技術(shù)經(jīng)過(guò)改造提升后，適應(yīng)面會(huì)更寬。效率會(huì)更高，依然顯示出強(qiáng)勁生命力。生物工程下游技術(shù)專家講座第32頁(yè)1.6.2新技術(shù)研究和開發(fā)

新型分離介質(zhì)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（RohmandHaas）DiaionHP系列（三菱化學(xué)）凝膠色譜填料生物工程下游技術(shù)專家講座第33頁(yè)1.6.2新技術(shù)研究和開發(fā)子代分離技術(shù)各種分離純化技術(shù)相互結(jié)合、交叉、滲透，形成形成了所謂融合技術(shù)或子代分離技術(shù)。如膜技術(shù)和萃取、蒸餾、蒸發(fā)技術(shù)相結(jié)合形成了膜萃取技術(shù)、膜蒸餾及滲透蒸發(fā)技術(shù)；又如膜分離過(guò)程與親和配基相結(jié)合，形成了親和膜分離過(guò)程；離心分離與膜分離過(guò)程相結(jié)合，形成了膜離心分離過(guò)程等等。生物工程下游技術(shù)專家講座第34頁(yè)1.6.2新技術(shù)研究和開發(fā)

新興下游技術(shù)超臨界流體萃取Supercriticalfluidextraction反膠團(tuán)萃取Revisedmicelleextraction液膜分離Liquidmembraneseparation磁性親和分離magneticaffinityseparation

聚焦色譜Chromatofocusing高速逆流色譜Highspeedcountercurrentchromatography徑向流色譜Radialflowchromatography連續(xù)環(huán)狀色譜Continuousannularchromatography擬移動(dòng)床色譜Simulatedmovingbedchromatography生物工程下游技術(shù)專家講座第35頁(yè)1.6.3下游工程與上游工程相結(jié)合

發(fā)酵與分離耦合過(guò)程研究這一新技術(shù)思緒在20世紀(jì)70年代首先用于厭氧發(fā)酵——乙醇發(fā)酵過(guò)程中，取得了令人滿意效果，近年來(lái)逐步發(fā)展到用于好氧發(fā)酵過(guò)程中來(lái)。發(fā)酵-分離耦合過(guò)程優(yōu)點(diǎn)是能夠解除終產(chǎn)物反饋抑制效應(yīng)，同時(shí)簡(jiǎn)化產(chǎn)物提取過(guò)程，縮短生產(chǎn)周期，收到一舉數(shù)得效果。

生物工程下