李志刚《微生物工程工艺与设备》1生物工程工艺与设备-概述.ppt

微生物工程工艺与设备 微生物工程下游技术概述,李志刚,二十一世纪是生物的世纪,？,产业革命,第一次工业革命，是以机器取代人力（蒸汽技术革命） 第二次工业革命，以电力的大规模应用（电力技术革命） 第三次工业革命，以信息技术为代表 第四次产业革命，以生物技术、新能源为代表,第一节 生物技术,生物工程(Bioengineering)又称生物技术或生物工艺学(Biotechnology). 20世纪70年代发展起来的一门新的综合性技术学科。综合运用生物学、化学和工程学技术，改造物种、创造新物种，改造生物体中的某些组分(如酶、蛋白质、核酸、细胞器)，利用生物体的某些特殊机能(如酶的催化功能、抗体的免疫功能等) 为工农业生产以及医疗卫生服务。,第一节 生物技术,新兴、前沿学科往往在学科交叉中产生,生物技术的“第一次浪潮”,20世纪70年代 , 生物医药工程产业。 应用基因工程技术 , 从生物细胞内获得所需基因 , 将其并转入受体细胞 , 从而生产具有生理活性的蛋白质、多肽、酶、疫苗、细胞生长因子及单克隆抗体等 。 产品用作疾病诊断、治疗和预防。,“第二次浪潮”,1983年转基因植物问世 , 1986年被批准进入田间试验 。 应用基因工程技术和细胞工程技术建立了一系列快速高效的动植物育种新方法。 1996年转基因植物进入市场。预计21世纪农业生产品种的90%将通过生物技术改良 , 生物技术对农业生产技术总贡献率会高于70%。,生物技术“第三次浪潮”,Barry Marrs etal 1999 “Current Opinion of Microbiology” 继医药和农业之后，工业生物催化已经被广 泛看作 是生物技术的“第三次浪潮”。,三次生物技术浪潮的特点,生物经济的未来,比尔盖茨预言，超过他的下一个世界首富必出自生物技术领域。 全球生物经济总量每5年翻一番，增长率为25%30%，是世界经济增长率的10倍,工业生物技术,含意：在工业规模的生产过程中使用或部分使用生物技术来实现产品的制造，这种技术是应用微生物和生物催化剂来提供产品和服务 核心目标：大规模利用生物体系（如细胞或酶）作为催化剂实现物质转化,工业生物技术是生物技术的重要组成部分,工业生物技术发展空间,提升传统产业 生物能源 环境生物技术 生物材料,底物,发酵罐,检测控 制仪表,培养基,（灭菌）,经加工 原料,酶,细胞,生物催化剂 （游离或固定化）,机械能,除 菌,空气,产品提取纯化,副产品 产品 废物,热能,原材料,营养物,典型发酵工业技术过程,本部分解决的问题,微生物工程下游技术的时代背景,下游技术是生物产品工业化的必经之路 下游技术是目前产品竞争力的关键技术 下游技术经常是新产品开发能否工业化的关键因素。 下游技术与环境保护密切相关。,微生物工程下游技术概述,生物工程下游技术(Downstream Processing) ， 为提取生物产品时所需的原理、方法、技术及相关硬件设备的总称，微生物工程下游技术特指从发酵液中提取、分离纯化、富集生物产品的过程 。 下游技术的任务,发酵液,目的产物,原料伴随物，发酵副产物,设备磨蚀物，添加剂,低成本,质量合格,高收率,微生物工程下游技术概述,1 、下游技术的特点：物质分离 （1）非自发过程，需要能量 （2）专有设备 （3）清洁生产,微生物工程下游技术的发展历程,19世纪60年代前,利用自然微生物来酿酒、 制酱、醋、酸奶和干酪等 疾病的预防,我国古代的酿酒工艺,利用牛痘预防天花,不分离或简 单分离,微生物工程下游技术的发展历程,19世纪60年代至20世纪40年代,筛选和构建纯种微生物培养技术生产特殊产品。 典型的例子发酵产乙醇、丙酮、丁醇 1940年，丙酮和丁醇的产量分别超过了9000吨和4500吨,有机溶剂,蒸馏、精馏、过滤等技术,生物工程下游技术的发展历程,20世纪中叶（1940-1970）,无菌空气制备技术和液体深层耗氧发酵开发成功 不仅有小分子，也有具生命活性的大分子 典型产品：抗生素、酶、氨基酸。,萃取、吸附、沉淀等技术,微生物工程下游技术的发展历程,20世纪70年代末,基因重组技术和细胞如何技术的进步 第一个基因蛋白质胰岛素 大量高附加值产品吸引了大量投资。,层析、电泳等技术,微生物工程下游技术的发展历程,微滤、絮凝和连续过滤机等的新型固液分离技术与设备 冷冻加压释放和酶、化学破碎等细胞破碎技术 离子交换、双水相萃取、超滤等初步分离纯化技术。 亲和层析和凝胶层析等高度分离纯化技术。,酶,色素,细胞,盐离子（水合）,有机小分子,小分子,微生物工程下游技术难点,多糖,核酸,发酵产物浓度较低，大多小于10%，悬浮液中大部分是水； 酶的浓度经常小于千分之一， 产品浓缩等环节能耗大，步骤多,微生物工程下游技术难点,生物制品的多样性而导致的生物分离方法的多样性。 生物制品除糖类、脂类、蛋白质、氨基酸、核苷酸等以外，还有胰岛素、生长激素、干扰素等基因工程产品，另外，还有丁醇、丙二醇、甘油等小分子，产品的多样性导致分离方法的多样性。,微生物工程下游技术难点,悬浮物颗粒小，相对密度与液相相差不大； 固体粒子可压缩性大； 液相粘度大，大多为非牛顿型流体；,固液分离难度大,离心、过滤难度大、效率低,微生物工程下游技术难点,整个分离过程要求条件温和，及时快速操作。 欲分离的目的产物，通常不稳定，易失活。整个过程必须温度合适，pH合适，时间短，避免染菌。 残留底物和产物共存，大量活细胞新陈代谢的生命活动还在进行，有可能引起产物的破坏和降解，导致发酵液的变质，给下游操作带来不必要的困难。,微生物工程下游技术难点,产品的质量要求高 尤其是药品等。成品青霉素对其强致敏原 - 青霉噻唑蛋白必须控制RIA值（放射免疫测定）小于100（1.5*10-6）， 蛋白类药物（杂质 2%）、 重组胰岛素（Humulin）中杂蛋白小于0.01%,微生物工程下游技术难点,绝大多数生物分离方法来源于化学品的分离方法,成分简单,成分复杂,微生物工程下游技术现状,分离纯化成本高、工艺复杂，过程精细。 分离过程所占费用是产品的总成本的4080%。 基因工程的精细产品一般占到总成本的7090% 劳动力和物力成本占整个劳动力的70-90%。 产品收率低。 抗生素(80%左右)，蛋白质(60-90%)。 比化工分离研发难度大，费用高。 下游研究费用占整个R&D费用的50%以上,原 理 技 术 应 用 Phase change 1)、蒸馏 乙醇 沸点和蒸汽压 2)、精馏 有机溶剂回收 3)、蒸发 制盐、抗生素富集 Extraction 1)、液-液萃取 抗生素 分配系数 2)、液-固萃取 中药分离 3)、固相萃取 天然产物 4)、双水相萃取 酶 5)、反胶束萃取 DNA重组蛋白质 6)、超临界萃取 中药提取 Density difference 1)、常规离心 细胞分离 比重、密度 2)、高速离心 细胞、病毒分离 3)、超速离心 病毒,细胞器,DNA,微生物分离工程的分类,大约80%的化工分离方法应用于生物分离技术,微生物分离工程的分类,Membrane 1）、常规过滤 发酵液 膜分离 2）、微滤 细菌、细胞碎片 3）、超滤 蛋白质、酶 4）、纳滤 有机物回收,污水治理 5）、反渗透 浓缩、污水处理 Solubility 1）、结晶 味精 溶解度 2）、盐析 蛋白质、酶 3）、有机试剂 蛋白质 4）、等电点法 蛋白质、酶,微生物分离工程的分类,Absorbance 1）、非特异性吸附 抗生素 (吸附) 2）、特异性吸附 抗体 3）、亲和吸附 抗原抗体 4）、离子交换 抗生素 Chromatography 1）、凝胶 抗生素、蛋白质 (色谱或层析) 2）、亲和色谱 抗体 3）、离子交换 蛋白质 Electric Field 1）、磁性免疫微球 抗原抗体 (场致分离) 2）、区带电泳 蛋白质 3）、等速电泳 蛋白类 4）、等点聚焦电泳 蛋白类,发酵液成分复杂,产物稳定性差,产品浓度低,发酵液,预处理,加 热 调pH值,细胞分离,细胞破碎,碎片分离,初步分离,精制,产品,絮 凝 离 心 过 滤,匀 化 超 声 研 磨 胞 溶,离 心 萃 取 膜过滤,萃 取 吸 附 超 滤 沉 淀,分子筛 离 子 亲 和 吸 附 电 泳 冷冻干燥,胞外产物,1）工艺复杂,2）连续操作困难,3）回收率低,下游技术的一般工艺过程,具体的产品分离提取需考虑： （1）是胞内产物还是胞外产物； （2）原料中产物和主要杂质浓度； （3）产物和主要杂质的物理化学特性及差异； （4）产品用途和质量标准； （5）产品的市场价格； （6）废液的处理方法。,下游技术的一般工艺过程,工艺设计前应了解的信息,原料特性：(原料选择（粗、精)） 粗料杂质多 粗料发酵（酒精、柠檬酸、酶制剂等工业）粗料中带入大量的不参与发酵过程的可溶性杂质和不溶性悬浮物成本（下游技术）上升分离提取困难、（环保）发酵废液处理成本高。 清料（清液）发酵是发展方向。,产品特性： 小分子产品因分子结构简单，性质相对稳定，分离技术可选范围较大。 产品性质限制下游技术的可选范围。如当生物技术产品是食品或药物时，从安全性考虑，溶媒的使用受到一定限制，如苯、或氯仿对人都是有害的。是否污染，分离介质、膜材料等方面都有一些限制。,工艺设计前应了解的信息,产品特性,(1)、溶解度及影响因素； (2)、分子量和分子形状； (3)、沸点和蒸汽压； (4)、极性大小； (5)、分子电荷及影响因素； (6)、功能团； (7)、免疫原性； (8)、稳定性及其影响因素； (9)、分子的淌度及影响因素； (10)、等电点pI。,产品用途和质量标准 表1.3 五肽胃泌素的上海市药品标准（1993年版32页） 指标名称 指标 含量（C37H49N7O9S） 97.0-103.0 比旋光度 -25 -29 吸收值比 A(280nm):A(288nm) = 1.12-1.22 氨基酸 各氨基酸之比为1 干燥失重，% 0.5 产品的价格,工艺设计前应了解的信息,4）、生产规模 5）、危害性 离心产生的气溶胶、发酵产的废气、干燥产生的粉尘等。 目的产物本身的危害性； 试剂危害。 微生物的危害。 6）、分批分离还是连续纯化,工艺设计前应了解的信息,分离方法选择的基本原则,1)、尽可能简单、低耗、高效、快速。 2)、分离步骤尽可能少。 如5 = 0.955 =0.77 10 = 0.9510 = 0.63， 分离步骤多，设备投入大，人员物资消耗大，生产周期长,分离方法选择的基本原则,3)、避免相同原理的分离技术多次重复出现 4)、尽量减少新化合物进入待分离的溶液。 A)、引起新的化学污染；B)、活性物质的变性失活 5)、合理的分离步骤次序。 原则是：先低选择性，后高选择性； 先高通量，后低通量； 先粗分，后精分； 先低成本，后高成本。,对环境的考虑,1）、废水 A、除菌过滤和灭菌处理； B、符合BOD的要求； 2）、废料 A、灭菌处理； B、综合利用：动物饲料、饲料添加剂，有机肥料 3）、废气 A、除菌过滤和灭菌处理； B、废气（有机溶剂）回收 4）、溶剂的回收 A、减少环境排放，减少污染； B、循环利用，减低成本,分离效率的评价,1）、浓缩率 意义：1）、如mT 1，则目标产物得到富积； 2）、如mT = mX，则目标产物未得到分离纯化。,原料,分离器,产品,废液,分离效率的评价,2) 分离因子 1. 意义：A、分离因子大，分离效率； B、 = 1时，则未分离。 3) 回收率： 4) 纯化因子（活性物质） A 表示目标产物的比活 .,生物工程下游技术的发展趋势,研发费用高、成本高、周期长 生物工程发展的瓶颈。 解决方案： 一、加强基础理论研究 A、研究非理想溶液中溶质与添加物料之间的选择性机制、影响因素 B、研究界面的结构、动力学和传质机制，以及影响因素 C、下游加工过程的数学模型的建立和计算机模拟。难,生物工程下游技术的发展动态,二、传统分离技术的提高和完善 蒸馏