生物工程下游技术-第一章-绪论

生物工程下游技术ally_wlp,主讲：王丽萍,第一章绪论,对于由生物界自然产生的、由微生物菌体发酵的、动植物细胞组织培养的、酶反应等各种生物工业生产过程获得的生物原料，经提取分离加工并精致目的成分，最终使其成为产品的技术，通常称为下游技术，也成为下游工程或下游加工过程。广义：细胞的大规模培养、产物的分离纯化、产品的成型加工和质量监控等,第一节概述,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，从造骨，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,组成：下游加工过程是生物技术的重要组成部分，发酵液或反应液需要经过下游加工过程才能成为成品；费用：传统发酵工业中下游部分的费用占整个工厂投资费用的，而对重组生产蛋白质等基因工程产品，下游加工的费用可占整个生产费用的；关注程度：英国政府工业部于年发起生物分离计划（），专门研究下游加工过程；年英国化学工业会召开了专门讨论下游加工过程的国际会议；我国也于年在济南召开了一次专门会议；近十年来国内外有关生物分离或蛋白质纯化的专著陆续出版。,第二节下游加工过程的重要性和特点,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。,与化工分离技术的区别,生物物质的生物活性要求温和条件，需快速分离对纯度要求高，需除去热源物质；产物成分复杂，需合理设计过程达到高效分离；原料液中目标产物的浓度低。(青霉素含量为3.6，庆大霉素为0.2，胰岛素仅为0.001),生物下游加工过程的特点,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。,时间短；温度低；pH适中（选择在生物物质的温度范围内）；严格清洗消毒（包括厂房、设备及管路，注意死角），这和传统产品抗生素的生产是一致的。,对基因工程产品还应注意生物安全（biosafety）问题，要防止菌体扩散，一般要求在密封的环境下操作。,下游加工过程应遵循原则,某一具体产品的分离提取工艺还与下列情况有关：（1）是胞内还是胞外产物（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）不同分离方法的技术经济比较（7）废液的处理方法等,酿酒制醋是人类最早通过实践所掌握的生物技术之一。酱油、泡菜、奶酒、干酪制作、面团发酵、粪便和秸秆的沤制等,经验生物技术时期,酱油,泡菜,奶酪,面包发酵,秸秆沤制,第三节下游加工过程的沿革,2.近代生物技术建立时期第一代生物技术（19世纪50年代20世纪40年代）,1680年Leenwenhoek通过显微镜观察到细菌；1857年Pasteur发现了酒精发酵是由活酵母引起的，其他不同的发酵产物则由不同微生物作用而形成发酵生物学理论1897年Buchner进一步发现破碎的酵母仍能作用产生酒精，将此具有发酵能力的物质称为酶，发酵现象的真相终于开始被人们了解。,这一时期的发酵产物都属于微生物形成的初级代谢产物，诸如：乳酸、酒精、面包酵母、丙酮丁醇、柠檬酸、淀粉酶、蛋白酶,柠檬酸,近代生物技术全盛时期第二代生物技术（20世纪40年代20世纪70年代末）,第二次世界大战-青霉素问世其间，抗生素发酵工艺得到不断的改进（培养瓶固体培养机械搅拌、通氧、密闭式发酵罐液体培养）；氨基酸、酶、有机酸、抗生素、多糖、甾体化合物等,AlexanderFleming（1928）,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,抗生素,4.现代生物技术产品建立和发展时期第三代生物技术（20世纪70年代末开始）,两项技术：DNA重组技术(1973年）细胞融合技术（1975年）,人胰岛素,生物技术在其主要领域：基因工程、酶工程、细胞工程和微生物发酵工程取得了长足进步，一批高附加值的产品开始面世，如乙肝疫苗、干扰素等。80年代，发现了一大批生理功能性物质，如活性糖质、活性肽、高度不饱和脂肪酸等，生物技术在深度和广度上都取得了很大的进展。,结构基因组的研究内容,结构基因组研究的制约因素,在蛋白质克隆和表达系统被不断优化的同时，分离纯化过程蛋白质的错误折叠及产物的不溶及聚合已成为结构基因组计划发展的制约因素。,一些正在开发或已开始生产的DNA重组技术产品,第四节下游加工过程流程,（1）预处理和固液分离主要技术：过滤和离心（2）提取（初步分离）目的：除去与产物性质差异较大的杂质，为后道精制工序创造有利条件。可选技术较多：盐析法、有机溶剂沉淀、化学沉淀、大孔吸附树剂、膜分离技术,下游加工的主要4个阶段及技术,（3）精致（高度纯化）目的：除去与产物性质差异较大的杂质通常采用对产物有高度选择性的技术，如色谱分离技术、结晶、重结晶（4）成品制作喷雾干燥，气流干燥，沸腾干燥，冷冻干燥，结晶,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。,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,生物下游加工过程的选择准则,第五节分离效果的评价,浓缩率分离因子纯化因子选择性,i,分离效果的评价-浓缩率（m）,YT=Yi,C、P、W分别表示原料、产品和废料T：目标产物X：杂质,分离效果的评价-分离因子（）,（针对原料和产品）,（针对废料和产品）,分离效果的评价-回收率,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。,第六节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,一.传统分离技术的提高和完善,二.新技术的研究开发,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4）下游技术与上游技术相结合,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。,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,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。,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4）下游技术与上游技术相结合,分子印迹分离,超临界流体分离,RecyclingPolymersF