第一章-生物工程下游技术概论

生物工程下游技术,主讲:周天教授,2,本课程学时分布,3,考核方式：,考试（闭卷）70%平时成绩：作业、考勤及提问30%,4,教材及参考书：,使用教材：生物工程下游技术（第二版）刘国诠等编著化学工业出版社2003主要参考书：生物工艺学（第一版）俞俊棠唐孝宣等编著华东理工大学出版社1997生物分离工程（第二版）孙彦化学工业出版社2005生物工程概论陶兴无等化学工业出版社2005生化分离工程严希康等化学工业出版社2001,5,第一章生物工程下游技术（downstreamprocessing）概述,本章主要内容生物工程的内容生物工程下游技术的工作领域生物工程下游技术的一般工艺过程生物工程下游技术的发展动态,6,第一章生物工程下游技术概述生物工程的内容一、生物工程的定义,由生物技术演变而来。1917年，匈牙利艾里基提出“凡是以生物机体为原料，无论用何种生物方法进行产品生产的技术”都属于生物技术。(太宽泛了，未被人们重视。)20世纪70年代末80年代初，分子生物学、DNA重组技术的出现，且某些基因工程产品如重组胰岛素、重组人体生长激素也相继问世，这时必须是采用基因工程等一类具有现代生物技术内涵或分子生物学为基础的技术才称得上生物技术。而把当时已成熟的发酵技术、酶催化技术、生物转化技术、原生质体融合技术等排斥在外。,7,第一章生物工程下游技术概述生物工程的内容一、生物工程的定义,1982年，国际经济合作与发展组织（IECDO）提出的定义为多数人所赞同：生物技术是“应用自然科学和工程学的原理，依靠生物作用剂的作用将物料进行加工以提供产品或用以为社会服务”的技术。,8,国家科学技术委员会制定中国生物技术政策纲要时，将生物技术定义为“以现代生命科学为基础，结合先进的工程技术手段和其他基础学科的科学原理，按照预先的设计改造生物体或加工生物原料，为人类生产出所需产品或达到某种目的的新技术。”,第一章生物工程下游技术概述生物工程的内容一、生物工程的定义,9,改造生物体是指获得优良品质的动物、植物或微生物品系。生物原料是指生物体的某一部分或生物体生长过程中所能利用的物质、如淀粉、糖蜜、纤维素等有机物，也包括一些无机化合物，甚至某些矿石。所需的产品包括粮食、医药、食品、化工原料、能源、金属等产品。达到的目的包括疾病的预防、诊断与治疗，环境污染的检测与治理等。,第一章生物工程下游技术概述生物工程的内容一、生物工程的定义,10,工程与技术技术面广泛些，带有较强的自然科学探索性和首创性，在学科归属中属理科范畴；工程面较小，重视过程的可实施性和经济上的合理性，属工科的范畴。注意：在我国，除了在高校中生物技术专业属理科，生物工程专业属工科外，其他场合下两者当作同义词看待。biotechnology,第一章生物工程下游技术概述生物工程的内容一、生物工程的定义,11,现代生物工程：基因工程、蛋白质工程、酶工程、细胞工程和发酵工程。相互联系，相互渗透。,第一章生物工程下游技术概述生物工程的内容二、生物工程的基本内容,12,基因工程（geneticengineering）:是在分子水平上对基因进行操作的复杂技术。是将外源基因通过体外重组后导入受体细胞内，使这个基因能在受体细胞内复制、转录、翻译表达的操作。最大特点是克服了固有的生物种间的限制，提高了定向创造新种的可能性。蛋白质工程（proteinengineering）:是指在研究蛋白质分子结构及其生物功能之间关系的基础上，对编码蛋白质的基因进行有目的的设计和改造，并通过基因工程的手段进行表达和分离，最终获得性能比自然界中存在的蛋白质更优良、更加符合人类社会需要的新型蛋白质。,第一章生物工程下游技术概述生物工程的内容二、生物工程的基本内容,13,目前，蛋白质工程主要集中在改造蛋白质这一领域。对目的蛋白结构与功能关系的认识程度是蛋白质工程进行的关键。如知道上述关系，则可根据不同的目的进行氨基酸的改造。研究对象主要集中在酶蛋白分子。细胞工程（cellengineering）：是在细胞水平上，按照人们预定的设计，有计划地改变细胞的遗传特性和细胞培养技术以产生出新的品种，或通过大规模细胞培养以获得人们所需物质的技术过程。主要涉及动植物组织和细胞培养技术、细胞融合技术、细胞器移植和细胞重组技术、体外授精技术、染色体工程技术、DNA重组技术和基因转移技术。,第一章生物工程下游技术概述生物工程的内容二、生物工程的基本内容,14,发酵工程（fermentationengineering）:又称微生物工程，是在人工控制的条件下，通过微生物生命活动来获得人们所需物质的技术过程。酶工程（enzymeengineering）:是指酶的生产与应用的技术过程，即通过人工操作，获得人们所需的酶，并通过各种方法使酶发挥其催化功能的技术过程。,第一章生物工程下游技术概述生物工程的内容二、生物工程的基本内容,15,化学酶工程：通过对酶的化学修饰或固定化处理，改善酶的性质以提高酶的效率和降低成本，甚至通过化学合成法制造人工酶；生物酶工程：即用基因重组技术生产酶及对酶基因进行修饰或设计新基因，从而生产出性能稳定、具有新的生物活性及催化效率更高的酶。,第一章生物工程下游技术概述生物工程的内容二、生物工程的基本内容,16,第一章生物工程下游技术概述生物工程下游技术的工作领域前言:生物工程下游技术重要性,下游技术是生物产品产业化的必经之路如基因重组技术生产的生物产品胰岛素等大都在宿主细胞内，我们必须分离纯化才能应用。下游技术是产品竞争力的关键技术如中药是生物界自然产生的生物原料，我国是发源地，独具优势，但在国际中药市场上贸易额仅占3%。下游技术与许多新产品的开发密切相关。中国林蛙的林蛙油应用价值很高，若开发成产品，就离不开下游技术；下游技术与环境保护密切相关。在一些产物的提取中会用到化学试剂，如氯仿有毒，磷酸缓冲液会造成水体富营养化。,17,第一章生物工程下游技术概述生物工程下游技术的工作领域一、技术范畴,下游技术(DownstreamProcessing)：也称为下游工程或下游加工过程，是对于由生物界自然产生的或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、加工并精制目的成分，最终使其成为产品的技术。,18,第一章生物工程下游技术概述生物工程下游技术的工作领域一、技术范畴,1、广义的下游技术（1）物质分离（2）产品加工（成品制备，结构衍生）某些生化物质接上某种基团后生成其他用途的衍生物；例如喜树碱是我国特有的植物喜树的根皮果实中提取的，抗癌药、干扰DNA合成。结构衍生的羟基喜树碱毒性小。,19,第一章生物工程下游技术概述生物工程下游技术的工作领域一、技术范畴,2、狭义的下游技术：物质分离（1）非自发过程，需要能量（2）专有设备（3）清洁生产如：酒精加入水中（自发混合）；需分离，要经过蒸馏，且需打破恒沸点才能将其彻底分开。3、下游技术的任务,20,第一章生物工程下游技术概述生物工程下游技术的工作领域二、下游技术的发展历程,1、古代酿造业包括酿酒、制酱（油）、醋、酸奶和干酪等。（技术原始、家庭作坊式、产物不经后处理直接使用，无上下游技术之分。）2、第一代生物技术（19世纪60年代20世纪40年代青霉素等抗生素出现之前）发现发酵的本质是微生物的作用，掌握纯种培养技术。20世纪上半叶逐渐形成了发酵法生产酒精、丙酮、丁醇等微生物发酵产业。但产品简单，基本上是无活性的小分子。引入成熟的近代分离技术，如过滤、蒸馏、精馏等。,21,第一章生物工程下游技术概述生物工程下游技术的工作领域二、下游技术的发展历程,3、第二代生物技术（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成功。产品品种、类型迅速增加，不仅有初级代谢产物，也有次级代谢产物；不仅有小分子，也有具生命活性的大分子，有的产品分子结构相当复杂。（抗生素、氨基酸、核酸、柠檬酸、淀粉酶等）,22,第一章生物工程下游技术概述生物工程下游技术的工作领域二、下游技术的发展历程,4、第三代生物技术（以20世纪70年代末掘起的DNA重组技术及细胞融合技术为代表。）高附加值的产品出现，如乙肝疫苗、干扰素和其它生理功能性物质。生理功能性物质:如属低聚糖类的活性糖质、活性肽、高度不饱和脂肪酸等。同时，人们认识到下游技术的落后会阻碍生物技术的发展，许多发达国家开始加强研究力量，增设研究机构。如日本，1988年，组建了高度分离系统技术联合体。,23,第一章生物工程下游技术概述生物工程下游技术的工作领域二、下游技术的发展历程,80年代以来，出现一系列新概念、新技术、新产品和新装备。（1）固液分离技术最初发酵液菌体特别是细菌的分离是生物工业上的难题。细菌细胞是高度分散的柔性体，大小仅1um左右，密度又与水相相差无几。而高速离心分离投资巨大，且运行成本高，很少采用。,24,第一章生物工程下游技术概述生物工程下游技术的工作领域二、下游技术的发展历程,絮凝技术（广泛应用于污水处理、化学工程）引入到发酵液的预处理上，开发了菌体及悬浮物絮凝技术，加之纤维素助滤剂的开发，改善了发酵液的分离性能，大提高发酵液的固液分离效率。分离机械方面：出现性能优良的固液分离机械，如带式过滤机、连续半连续板框过滤机、螺旋沉淀式离心机等；微滤膜。（2）细胞破碎技术开发出球磨破碎、压力释放破碎、冷冻加压释放破碎和化学破碎技术等。,25,第一章生物工程下游技术概述生物工程下游技术的工作领域二、下游技术的发展历程,（3）初步分离纯化技术主要开发了沉淀、离子交换、萃取、超滤等技术。酶及蛋白的盐析，有机溶剂沉淀法。双水相萃取技术：比较适合于胞内活性物质和细胞碎片的分离。超滤技术：应用于生物大分子的分级、浓缩、脱盐等。解决了生物大分子对pH、热、有机溶剂、金属离子敏感等问题。,26,第一章生物工程下游技术概述生物工程下游技术的工作领域二、下游技术的发展历程,（4）高度分离纯化技术小分子物质：通过离子交换、脱色和结晶、重结晶等方法获得纯度很高的产品。生物大分子的纯化：色谱（层析）技术(如亲和色谱、疏水色谱、离子交换色谱和凝胶色谱等。)（5）新型分离技术超临界CO2萃取技术在获取天然生物物质方面有很大优势。如啤酒花中有效成分和咖啡豆中咖啡因的萃取分离。介于反渗透和超滤之间的纳米过滤（nanofiltration）技术（能使水和大部分无机盐通过而截留分子量300-1000u的小分子，且操作压力低。）。,27,第一章生物工程下游技术概述下游技术的一般工艺过程一、原料及产品,生物原料种类繁多，包括小分子化合物、生物大分子、超大分子、细胞和具有复杂结构与构成成分的生物体组织。来源包括自然界存在的各种生物资源。常见的生物制品有抗生素、有机酸、氨基酸、多肽、蛋白质（包括酶、抗体）、核苷酸、核酸、病毒、糖类、脂类、生物碱、糖苷等。现代生物技术产品的主体是蛋白质药物，包括细胞因子（如干扰素、生长因子、红细胞生成素）、激素（如胰岛素、生长激素）、抗体药物（单克隆抗体、抗体片段、基因工程抗体）、酶类药物、溶血栓药物等。,28,第一章生物工程下游技术概述下游技术的一般工艺过程一、原料及产品,原料特性：(原料选择（粗、精）和原料预处理)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。,29,第一章生物工程下游技术概述下游技术的一般工艺过程一、原料及产品,有些产品，在待处理物料中产品浓度很低，比杂质含量还低，如青霉素3.6%，每千克产品中核黄素仅含几克，胰岛素仅含几十毫克。,产品稳定性制约下游技术的可选范围。如酶蛋白，具有一定的一级结构；二级结构、甚至于四级结构，才呈现活性。温度、PH、金属离子、无机盐浓度，有机溶媒以及操作过程的剪切率大小等对其活性均有影响。,有的产品对热、pH、光等到不稳定。如用超临界CO2萃取技术从啤酒花中提取有效成分时，在粉碎啤酒花时，温度可达300，风味物质极易挥发和氧化。,30,第一章生物工程下游技术概述下游技术的一般工艺过程一、原料及产品,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。,31,第一章生物工程下游技术概述下游技术的一般工艺过程一、原料及产品,产品特性：产品共存物的影响。如发酵液放罐后，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，有可能会沿着另一条代谢途径进行发酵，也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。要求：及时快速操作。,32,第一章生物工程下游技术概述下游技术的一般工艺过程二、一般工艺过程,生物分离的原料主要来源于生物反应过程。生物反应的产物一般是由细胞、游离的细胞外代谢产物、细胞内代谢产物、残存底物及惰性组分组成的混合液。,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）废液的处理方法等。,33,第一章生物工程下游技术概述下游技术的一般工艺过程二、一般工艺过程,工艺过程可大致分为4个阶段:（1）产物的预处理和固液分离过滤成本低（设备、耗能）离心离心机规格、种类也很多加热、调PH、絮凝，有利于过滤（2）提取（初步分离）目的是除去与产物性质差异较大的杂质，得到目标产物含量较高（浓缩比较大的）提取物的过程。沉淀、吸附、萃取、超滤、结晶,34,第一章生物工程下游技术概述下游技术的一般工艺过程二、一般工艺过程,（3）精制（高度纯化）目的是去除与产物的物理化学性质比较接近的杂质。通常采用对产物有高度选择性的技术，如色谱分离技术、离子交换、膜分离、结晶、重结晶（4）成品制作浓缩、干燥、无菌过滤、成型，成品形式与产品的最终用途有关。,35,第一章生物工程下游技术概述下游技术的一般工艺过程二、一般工艺过程,36,第一章生物工程下游技术概述生物工程下游技术的发展动态,下游技术发展的要求：成本低、质量较高、环保三个突出特点。一、传统分离技术的提高和完善二、新技术的研究和开发三、清洁生产,37,第一章生物工程下游技术概述生物工程下游技术的发展动态,一、传统分离技术的提高和完善蒸馏如酒精差压（多效）蒸馏技术(酒质、能耗)蒸发结合蒸汽喷射热泵的多效蒸发技术过滤、离心新型高效过滤机械和离心机械结晶结晶理论指导下提高产收率、质量离子交换技术新的发展技术,38,第一章生物工程下游技术概述生物工程下游技术的发展动态,二、新技术的研究和开发1、新型分离介质的研究开发膜关键是膜材料和膜制造工艺树脂新型的离子交换树脂和大孔吸附树脂凝胶以琼脂糖凝胶为基质，与各种配基结合后制成各种色谱分离介质。,39,40,第一章生物工程下游技术概述生物工程下游技术的发展动态,二、新技术的研究和开发2、子代分离技术（各种技术相互结合、交叉、渗透产生的）膜萃取技术膜技+萃取膜蒸馏膜技术+蒸馏离子交换色谱离子交换技术+色谱技术3、其它新兴下游技术如双水相萃取、超临界CO2萃取、反胶团萃取。菌体絮凝技术和菌体细胞破碎技术。,41,第一章生物工程下游技术概述生物工程下游技术的发展动态,三、清洁生产(cleanerproduction)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。生物工业的产品大多数是通过液态发酵获得的。酒精、谷氨酸和柠檬酸的发酵液浓度较高，也只有10%左右，其他一般只有2%-5%，有的甚至不到1%。因而，生物工业单位产品排放的废液量很大。,42,第一章生物工程下游技术概述生物工程下游技术的发展动态,三、清洁生产(cleanerproduction)三方面：清洁生产工艺（技术）；（节约原材料和能源，淘汰有毒害的原材料，并在全部排放物和废物离开生产过程以前，尽量大可能减少它们的排放量和毒性，对必须排放的污染物实行综合利用，使废物资源化。）清洁产品清洁能源,43,思考题,什么是下游技术？所用原料及产品的特性？下游技术的一般工艺过程？生物技术下游加工过程的重要性？,44,1、下游技术的生物原料可以是_。A、生物界自然产生的B、酶反应获得的C、动植物细胞组织培养的D、微生物菌体发酵的ABCD,45,1.什么是下游技术？所用原料及产品的特性？没有明确的定义。在我国它泛指从工程菌或工程细胞的大规模培养一直到产品的分离纯化、质量检测所需要的一系列单元操作技术。其中，产品的分离纯化是其最重要的组成部分。原料特性：粗料杂质多，分离纯化困难成本较高。清料（清液）发酵是发展方向。产品特性：1.有些产品，在待处理物料中产品浓度很低，比杂质含量还低，分离、纯化较困难。2.产品稳定性制约下游技术的可选范围。,46,3.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。4.产品性质限制下游技术的可选范围。5.产品共存物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。,47,2.下游技术的一般工艺过程？工艺过程可大致分为4个阶段:（1）产物的预处理和固液分