生物工程下游技术1课件

DownstreamProcessingofBioengineering,生物工程下游技术,SectionOne,Preface,Considerableeffortandtimeisallocatedtointroducingcellcultureandfermentationtechnologytoundergraduatestudentsinacademia,generallythrougharangeofcoursesinindustrialbiotechnologyandrelateddisciplines.Similarly,alargenumberoftextbooksareavailabletodescribetheapplicationsofthesetechnologiesinindustry.,However,therehasbeenagenerallackofappreciationofthesignificantdevelopmentsindownstreamprocessingandisolationtechnology,theneedforwhichislargelydrivenbythestringentregulatoryrequirementsforpurityandqualityofinjectablebiopharmaceuticals.Thisisparticularlyreflectedbythegeneralabsenceofcoverageofthissubjectinmanybiotechnologyandrelatedcoursesineducationalinstitutions.,ForaconsiderablewhileIhavefeltthatthereisincreasingneedforanintroductorytexttovariousaspectsofdownstreamprocessing,particularlywithrespecttotheneedsofthebiopharmaceuticalandbiotechnologyindustry.Althoughtherearenumeroustextsthatcovervariousaspectsofproteinpurificationtechniquesinisolation,thereisaneedforaworkthatcoversthebroadrangeofisolationtechnologyinanindustrialsetting.,ItisanticipatedthatDownstreamProcessingofProteins:MethodsandProtocolswillplayasmallpartinfillingthisgapandthusproveausefulcontributiontothefield.Itisalsodesignedtoencourageeducationalstrategiststobroadenthecoverageofthesetopicsinindustrialbiotechnologycoursesbyincludingaccountsofthisimportantandrapidlydevelopingelementoftheindustrialprocess.,Thehopeisthatthiswillresultingraduateshavingareasonableunderstandingofdownstreamprocessingprinciplesandtechniques,andthusbebetterpreparedtofulfilltheever-increasingdemandforcompetentisolationscientistsinindustries.,Thisis,ofcourse,achievedwiththehelpofthededicatedcontributingauthorsofDownstreamProcessingofProteins:MethodsandProtocols,withoutwhosewillingnesstocontributeandpatienceitwouldnothavebeenpossible.IwouldalsoliketothanktheHumanaPressandProf.JohnWalker(theserieseditor)fortheirencouragementandpromptfeedback.,MythanksarealsoduetotheMedevaPharmaDevelopmentmanagementforprovidingmewiththetimeandopportunitytofulfillthistask,andwithoutwhosesupportitwouldhavebeenimpossible.Finally,Iwishtothankmywife,children,andfamilymembersforallowingmetoperseverewithmyeditingactivitiesinperhapswhatshouldhavebeentheirtime.,SectionTwo,下游加工过程的沿革,古代酿造业传统产业（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,生物工业下游技术的发展历程,古代酿造业,古代酿造业包括酿酒、制酱（油）、醋、酸奶和干酪等。技术原始、家庭式作坊、产物基本不经过后处理而直接使用，无下游技术。,2.第一代生物技术,主要指19世纪60年代-20世纪40年代青霉素等抗生素出现之前的生物技术产业。发现了发酵的本质是微生物的作用，掌握了纯种培养技术，生物技术进入近代酿造产业的发展阶段。到20世纪上半叶，逐渐开发形成了发酵法生产酒精、丙酮、丁醇等微生物发酵工业（厌氧发酵），其产品相对简单，基本上是无活性的小分子。此时开始引入过滤、蒸馏、精馏等近代分离技术。,以20世纪40年代出现的青霉素产品为代表。无菌空气制备技术、大型好氧发酵装置开发，一大批通风发酵技术产品相继投入了工业生产，如抗生素（链霉素）、氨基酸（谷氨酸）、有机酸（核酸、柠檬酸）、酶制剂（淀粉酶）、微生物多糖和单细胞蛋白等。产品多样性决定了分离方法的多样性。借鉴和引进吸收了大量的近代化学工业的分离技术，如沉淀、离子交换、萃取、结晶等。,3.第二代生物技术,以20世纪70年代末崛起的DNA重组技术及细胞融合技术为代表。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。1988年，日本由40多家公司组建高度分离系统技术研究联合体，瑞典的Pharmacia，Alfa-Laval等组建了Biolink公司，加强在生物工业下游技术领域的研究开发力量，不断推出新技术、新产品、新装备，以抢占更多的市场。新技术有超临界CO2萃取技术、膜过滤、渗透蒸发技术、各种色谱（层析）技术等。,4.第三代生物技术,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,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,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,lowercriticalsolutiontemperature,LCST,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