生物工程下游技术-绪论.ppt

生物工程下游技术Downstreamprocessingofbiotechnology 生物工程下游技术 杨志红yangzhihong 691612 菌种筛选 摇瓶实验 发酵罐实验 IndustrialScaleup Totransferthepilotscaleresultsintoacommerciallyfeasibleproductionsetting Fermentorsizesrangefrom100Lto500 000L dependingonproducts 在疾病治疗方面的应用 生物制药 抗生素 基因治疗 生物工程 是20世纪70年代初开始兴起的一门新兴的综合性应用学科 所谓生物工程 一般认为是以生物学 特别是其中的微生物学 遗传学 生物化学和细胞学 的理论和技术为基础 结合化工 机械 电子计算机等现代工程技术 充分运用分子生物学的最新成就 自觉地操纵遗传物质 定向地改造生物或其功能 短期内创造出具有超远缘性状的新物种 再通过合适的生物反应器对这类 工程菌 或 工程细胞株 进行大规模的培养 以生产大量有用代谢产物或发挥它们独特生理功能一门新兴技术 生物工程包括五大工程 即遗传工程 基因工程 细胞工程 微生物工程 发酵工程 酶工程 生化工程 和生物反应器工程 在这五大领域中 前两者作用是将常规菌 或动植物细胞株 作为特定遗传物质受体 使它们获得外来基因 成为能表达超远缘性状的新物种 工程菌 或 工程细胞株 后三者的作用则是为这一有巨大潜在价值的新物种创造良好的生长与繁殖条件 进行大规模的培养 以充分发挥其内在潜力 为人们提供巨大的经济效益和社会效益 生物工程的应用领域非常广泛 包括农业 工业 医学 药物学 能源 环保 冶金 化工原料等 它必将对人类社会的政治 经济 军事和生活等方面产生巨大的影响 为世界面临的资源 环境和人类健康等问题的解决提供美好的前景 主要相关课程内容 有机化学 生物化学 化工原理 生化工程 微生物学 细胞生物学 遗传学 生物化学 分子生物学 基因工程 细胞工程 微生物工程 生化工程 生物工程下游技术 发酵工程设备等 生物工程研究领域 微生物培养动物细胞培养植物细胞培养天然资源生化材料海洋生物培养 生物工程产业领域 生物制药 抗生素 基因重组蛋白 氨基酸 疫苗 菌苗 天然药物 生化药物 血液制品 抗体 多糖 多肽 生物化工 乳酸 柠檬酸 苹果酸 丙烯酸 甘油 异丙醇 乙烯 生物能源 甲醇 乙醇 生物柴油 生物汽油 生物材料 明胶 胶原蛋白 人造皮肤 人造骨 人造脏器 生物医学 诊断试剂 基因治疗 人及生物克隆 环境生物 环境治理 水污染 土壤污染 风沙治理 生物食品 醋 啤酒业 酿酒 乳制品 奶制品 生物资源 动物 植物 微生物 生物农业 基因食品 基因植物 生物工程的上中下游 上游 菌种 基因工程 分子生物学 遗传学中游 微生物发酵工程 动植物细胞 海洋生物培养下游 生物分离工程 生物产品特点 产物浓度低的水溶液原因 a 氧传递限制 b 细胞量 c 产物抑制 组分复杂a 大分子 b 小分子 c 可溶物 d 不可溶物 e 化学添加物 产物稳定性差a 化学降解 pH 温度 b 微生物降解 酶作用 染菌 质量要求高 药品或食品 生物分离工艺要求 1 高纯度 2 大规模 3 经济性 4 生物相容性 生物过程开发目标 1 产品在最短时间内进入市场 2 符合所有安全要求 3 工艺成本适当 4 可靠 5 安全 放大期间安全尤为重要 质量控制意义 1 来自管理机构的压力 2 公众的觉醒 3 市场扩张与竞争 4 安全 5 提高专一性作用 减少负作用 非蛋白类杂质的去除 1 DNAA 阴离子交换 pH4 0 B 亲和层析 不被吸附 C 疏水层析 2 热原 蛋白质溶液中的去热原 A 生产过程无菌B 所有层析介质无菌C 所用溶液无菌D 亲和层析 多粘菌素 3 去病毒A 加热 60 B 过滤C 灭活剂 目标蛋白的表征和分析方法 1 HPLC 2 SDS PAGE 3 氨基酸顺序分析 4 氨基酸 肽图 免疫化学 5 与标准品对照分析 生物下游加工过程的一般步骤 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 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选择准则 步聚少 次序合理 产品规格 注射 非注射 生产规模 物料组成 产品形式 固体 适当结晶 液体 适当浓缩 产品稳定性 物性 溶解度 分子电荷 分子大小 功能团 稳定性 挥发性 危害性 废水处理 生物技术下游加工过程的发展动向 基础理论研究A选择性分离剂B数学模型 应用研究A新老技术的深化研究与融合B下游技术与上游技术相结合 藕合分离 C强化化学作用对分离能力的影响D改进上游因素 改进菌种 培养基与发酵条件 工程问题研究 改善环境相容性 现代生物分离过程的研究方向与特点 1 大规模 高选择性 液膜萃取 两水相萃取 反渗透 纳米过滤 渗透蒸发 亲和膜过滤 亲和错流过滤 亲和沉淀 分子筛 分子蒸馏 2 集成化 扩张床 两水相 液膜分离 3 快速分离 色谱 4 极端条件下分离 超临界 超声波 超重力 5 在位分离 边发酵边分离 6 环境相容 超临界 7 可再生循环 亲和沉淀 可再生两水相 SeparationProcesses Extractors 溶质在二个互不相容的溶剂的分配系数不同 所造成的溶质的转移 混合器和澄清器 膜技术 膜的分类与特征 分子印迹分离 超临界流体分离 RecyclingPolymersFormingAqueousTwo phaseSystems 亲和沉淀 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 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 导致下游加工过程中成本往往占整个生物加工过程生产成本的大部分 下游加工技术的一般流程 生物下游加工过程是指目标产物的分离纯化过程 包括产物提取 isolation 产物浓缩 concentration 产物纯化 purification 成品化 polishing 注意 多步分离导致收率降低 分离技术的选择依据 产物所处的位置 产物性质 分子大小 疏水性 电荷形式和溶解度等 生物加工过程自身的规模和产品的商业价值 一种目标产物的分离手段往往不止一种 根据生产的规模和价值 选择合适的分离技术 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