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生物工程下游技术 Downstream technology of bioengineering 生物分离工程 Bioseparation Engineering,刘 晶 电话QQ: 495215268,参考书目,参考教材： 生物分离工程 孙彦编著，化学工业出版社，2005年。 主要参考书目 生物工程下游技术 刘国诠主编，2002年。 生物分离工程田瑞华，科学出版社，2008年 生物产品分离纯化技术 李从军等，华中师范大学出版社，2009年。 Bioseparation Process ScienceAntonio A. Garca等。,学习目的和要求,要求：对本课程有比较初步的认识； 掌握：生物下游加工技术的特点；生物分离过程的单元操作原理； 了解：生物分离技术的研究内容和发展情况；生物物质的种类和特性；下游加工过程的一般流程； 应用：运用生物分离技术的评价方法分析实际问题。,生物技术将会为解决人类面临的重大问题如粮食、健康、环境、能源等开辟广阔的前景，它与计算器微电子技术、新材料、新能源、航天技术等被列为高科技，被认为是21世纪科学技术的核心。其应用范围十分广泛，主要包括医药卫生、食品轻工、农牧渔业、能源工业、化学工业、冶金工业、环境保护等几个方面。目前最活跃的应用领域是生物医药行业 。,生物工艺过程 基因工程 发酵工程产物分离及产 细胞工程 酶工程 品制作 微生物育种技术 生物反应器工程 上游技术 中游技术 下游技术,（1）基因工程主要是基因重组技术 遗传物质（基因） （剪切、组合、拼接） 重新组合 （载体） 转入微生物或动植物细胞 （无性繁殖） 新基因表达 改良或创建生物新种,（2）细胞工程包括细胞水平的遗传操作技术和动 植物细胞、组织培养技术。 （3）酶与蛋白质工程主要包括蛋白质的结构与功 能、酶的活性调节、酶与蛋白质的分子改造与修饰技 术，酶的固定化、酶的开发与应用等。 （4）微生物发酵工程包括菌种选育、菌体生产、 代谢产物的生产、微生物机能的利用等。 （5）生化工程主要包括生物反应器的设计、传感 器的研制与生物反应工程控制、产品分离与精制三部 分。,1.2 生物分离工程的定义 （1）从生物产品的生产技术看，指生物产品的 下游加工过程（Down stream processing） 微生物发酵工程发酵液 酶反应工程反应液 动植物细胞培养培养液 生物产品 分离、精制 （2）从生物工程的新技术看，主要指工程菌 和动植物细胞产品的分离与纯化。 （3）从研究对象看，主要指生物大分子产品 的分离与纯化。,1.3 生物分离工程在生物技术中的地位 （1）对于生物新产品，分离工程所占成本最大。 A类：液体或固体混合物产品。 下游加工占总成本1020% B类：小分子生物产品、非活性大分子产品和细 胞产品（即传统发酵工厂产品）。 投资占60%左右 下游过程成本占30%左右 能源消耗占6080%,C类：生物活性物质产品。 下游过程成本占8095%,生物工程下游技术泛指从工程细胞的大规模培养一直到产品的分离纯化、质量检测、清洁生产所需的一系列单元操作技术。 生物技术必须实现产业化才能给人们造福，下游技术在生物技术产品成本中所占的比例极大，是生物高技术实现产业化的关键。 分离工程的落后阻碍生物技术的发展。 许多生物工程上游技术的新成果由于没有合适的提取与精制方法而不能转化为生产力。 由于提取和精制方法的落后，使某些生物产品收率低、成本高，缺乏竟争力。,菌种筛选,摇瓶实验,发酵罐实验,生物技术的目标就是指利用培养微生物、动物细胞、植物细胞来生产对人有用的产品。,早期的生物工程的萌芽,美国和英国合作对青霉素进行生产研究（1941年），出现表面培养：1升扁瓶或锥形瓶，内装200mL麦麸培养基 40u/ml,Alexander Fleming （1928）,生物工程的萌芽,1943年沉浸培养： 5m3 200u/ml 当今：100m3200m3 5-7万u/ml,生物分离工程的萌芽,Golden Time概念的提出 血液制品的生产,1953年，DNA双螺旋结构的发现 1972年，美国斯坦福大学构建了第一个重组DNA分子 1996年，克隆羊“多利”诞生在英国的罗斯林研究所 1990-2006，人类基因组计划 现在，生物信息、生物芯片、胚胎干细胞等,生命科学的发展带动生物工程的进步,现代生物技术的兴起,两项技术 第一个含有外源基因的重组质粒在细菌内增殖成功（1973年） 细胞融合技术（1975年） 直接结果： 上述两项技术的直接此前天然存在于生物体内极微量的生物物质得以通过大量生物培养方式进行商业的生产，出现了现代生物加工过程。,生物加工过程内容,优育生物物种的选育； 生物反应生产粗原料； 目标产物的分离纯化过程；,基因工程 遗传与育种,生物反应工程,生物分离工程,下游加工过程的沿革,传统产业（第一代） 19世纪60年代-20世纪50年代 酒精，丙酮，丁醇 第二代生物技术产品 20世纪40年代 抗生素，有机酸，核酸，酶制剂，单细胞蛋白 第三代 20世纪70年代中期 动物细胞培养 植物细胞培养 基因工程发酵产品,生物下游加工过程的一般步聚,下游工艺过程决定于产品的性质和要求达到的纯度 如产品为菌体本身，则工艺比较简单，只需经过滤、得到菌体，再经干燥就可，如单细胞蛋白的生产。 如可以从发酵液直接提取，则可省去固液分离步骤。 如为胞外产物则可省去细胞破碎步骤。,生物分离技术与化工分离技术的区别,化工分离技术：获得纯的化学物质 生物分离技术：在得到纯的生物物质同时，还必须关注特定杂质的去除。,与传统的化学试剂的纯度概念不同，生物产物对有害物质有严格的控制，生产过程也要求有严格的管理，在最终产品中往往不允许有极微量的有害杂质存在。,工业应用的生物分离技术, 回收技术: 絮凝，离心，过滤，微过滤。 细胞破碎技术: 球磨，高压匀浆，化学破 碎技术 初步纯化技术: 盐析法，有机溶剂沉淀， 化学沉淀，大孔吸附树剂，膜分离技术 高度纯化技术: 各类层析，亲和，疏水， 聚焦，离子交换 成品加工： 喷雾干燥，气流干燥，沸腾干 燥，冷冻干燥，结晶,生物分离与一般化学分离方法的比较,大约80%的化工分离方法可应用于生物分离技术； 生物分离一般比化工分离难度大； 成分复杂：固体成分包括完整有机体、培养基及底物中的不溶物。液体成分包括底物可溶物、代谢中产物及目标产物。,悬液中的目标产物浓度低：获得高纯度的干燥产品、需要几步、分离过程精细，成本高。,生物技术产品的类型,按分子量大小 小分子产品：（小于1000）抗生素，有机酸，氨基酸 大分子产品：（大于1000）酶, 抗体，多肽，蛋白质 按产品所处的位置 细胞内: 胰岛素，干扰素，重组蛋白质 细胞外：抗生素，胞外酶,发酵液中主要的产品含量,生物产品要求高质量： *purity（纯度） *sanitation（卫生） *biological activity（生物活性）,分离过程的成本占产品总投资的大部分：因此必须仔细考虑和设计产品的回收和纯化过程。,设计中应考虑下列问题：,1. What is the value of the product? （产品价值） 2. What is an acceptable product quality? (产品质量） 3. Where is the product in each process stream? （产物在生产过程中出现的位置）,4. Where are the impurities in each process stream?（杂质在生产过程中出现的位置） 5. What are the unusual physicochemical properties of the product and the principal impurities? （主要杂质独特的物化性质是什么？） 6. What are the economics of various alternative separations? （不同分离方法的技术经济比较）,生物分离技术的重要性,生物产物的特殊性； 生物产物所处环境的复杂性； 对生物产品要求的严格性；,最终结果：导致下游加工过程度成本往往占整个生物加工过程生产成本的大部分。,生物下游加工过程的特点,满足维持生物物质活性的要求 满足快速分离的要求 满足纯度和杂质去除的要求 满足高效分离的要求 满足成本优化的要求,生物分离本质,有效地识别混合物中不同溶质间物理、化学和生物学性质的差别，利用能够识别这些差别的分离介质和（或）扩大这些差别的分离设备实现溶质间的分离或目标组分的纯化。,常用的分离技术及其机理,分 离 过 程,适合于大规模工业化生产的传统技术经过改造提高后，适应面更宽，效率会更高，仍然显示出强劲的生命力。 各种新型高效的过滤机械和离心机械的问世，结晶理论和离子交换技术的新进展，提高了产品的收率、质量和生产效率。,五、生物工业下游技术的发展动态,成本、质量、环保将是该技术发展方向和动力,1. 传统分离技术的提高和完善,1）新型分离介质的研究开发 2）子代分离技术 3）其他新兴下游技术,2. 新技术的研究开发,膜（膜材料和膜制造工艺）、树脂（离子交换树脂和大网格树脂）和凝胶（琼脂糖凝胶为基质，与各种配基结合后制成各种色谱分离介质）是目前主要的新型分离介质。,各种分离纯化技术相互结合、交叉、渗透，形成子代分离技术。如膜技术和萃取、蒸馏、蒸发技术相结合形成了膜萃取技术、膜蒸馏及渗透蒸发技术；色谱技术与离子交换技术等结合形成了离子交换色谱、等电聚焦色谱等。,由溶剂萃取技术衍生出一大批生物工业分离技术，如双水相萃取、超临界CO2萃取、反胶团萃取（细胞碎片去除、细胞胞内物质、酶及蛋白质、天然生物物质的提取分离）；菌体絮凝技术和菌体细胞破碎技术的进展为工业化经济地分离菌体细胞和大规模生产胞内物质创造了技术前提。,3. 清洁生产 清洁生产是指将综合预防的环境保护策略持续应用于生产过程和产品中，以期减少对人类和环境的风险。 包括三方面内容：