生物分离工程课件

生物分离工程曹学君caoxj@T:6425269513916994880生物分离工程曹学君113绪论13.1概述生物分离工程：回收生物产品分离过程原理与方法生物技术下游加工过程（DownstreamProcessing）13绪论13.1概述2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研究领域微生物培养3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）生物工程产业领域生物制药（抗生素，基因重组蛋白，氨基酸，疫苗4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：生物分离工程生物工程的上中下游上游：菌种，基因工程，分子生物学，遗传学513.2特点与重要性生物产品特点：①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②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③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）④质量要求高（药品或食品）13.2特点与重要性613.3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13.3生物分离工艺要求(1)高纯度7治疗用途的生物药物质量要求(1)效价(2)鉴定(3)毒性试验(4)核酸(5)均一(6)无冲突活性治疗用途的生物药物质量要求(1)效价8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）生物过程开发目标(1)产品在最短时间内进入市场9生物分离的经济性(1)生物分离至少占总成本50%(2)仅付出5%努力(3)降低废物排放（产品：废物=1:3250)(4)工艺改造生物分离的经济性(1)生物分离至少占总成本50%10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，减少负作用质量控制意义(1)来自管理机构的压力11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（60C)B过滤C灭活剂非蛋白类杂质的去除（1）DNA12目标蛋白的表征和分析方法（1）HPLC（2）SDS（3）氨基酸顺序分析（4）氨基酸，肽图，免疫化学（5）与标准品对照分析目标蛋白的表征和分析方法（1）HPLC13分离工程研发费用与成本研究费用：50%以上产品成本：40-80%人力物力：70-90%分离工程研发费用与成本研究费用：50%以上1413.4生物下游加工过程的一般步聚13.4生物下游加工过程的一般步聚15工业应用的生物分离技术①回收技术:絮凝，离心，过滤，微过滤。②细胞破碎技术:球磨，高压匀浆，化学破碎技术③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④高度纯化技术:各类层析，亲和，疏水，聚焦，离子交换⑤成品加工喷雾干燥，气流干燥，沸腾干燥，冷冻干燥，结晶工业应用的生物分离技术①回收技术:絮凝，离心，1613.5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13.5生物技术产品的类型按分子量大小1713.6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13.6下游加工过程的沿革传统产业（第一代）1813.7生物下游加工过程的选择准则①步聚少②次序合理③产品规格（注射，非注射）④生产规模⑤物料组成⑥产品形式固体适当结晶，液体，适当浓缩⑦产品稳定性⑧物性溶解度，分子电荷，分子大小，功能团，稳定性，挥发性⑨危害性⑩废水处理13.7生物下游加工过程的选择准则①步聚少19

13.8生物技术下游加工过程的发展动向①基础理论研究A选择性分离剂B数学模型②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）③工程问题研究④改善环境相容性13.8生物技术下游加工过程的发展动向①基础理论研究2013.9现代生物分离程的研究方向与特点（1）大规模，高选择性（液膜萃取，逆胶束萃取，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，分子模板，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（贯注层析）（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）13.9现代生物分离程的研究方向与特点（1）大规模，高选择21膜技术膜技术22分子印迹分离分子印迹分离23超临界流体分离超临界流体分离24PhaseseparationTopphaseBottomphaseRecycleLightpHLightpH

RecyclingPolymersFormingAqueousTwo-phaseSystemsPhaseseparationTopphaseBotto25生物分离工程课件2613.10分离过程评价13.10分离过程评价27分离效率评价分离效率评价28思考题1生物产品与普通化工产品分离过程有何不同？2设计生物产品的分离工艺应考虑哪些因素？3初步纯化与高度纯化分离效果有何不同？4分离纯化的得率与纯化倍数如何计算？5现化生物分离工程研究方向有哪些特点？思考题1生物产品与普通化工产品分离过程有何不同？29

生物分离工程曹学君caoxj@T:6425269513916994880生物分离工程曹学君3013绪论13.1概述生物分离工程：回收生物产品分离过程原理与方法生物技术下游加工过程（DownstreamProcessing）13绪论13.1概述31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研究领域微生物培养32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）生物工程产业领域生物制药（抗生素，基因重组蛋白，氨基酸，疫苗33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：生物分离工程生物工程的上中下游上游：菌种，基因工程，分子生物学，遗传学3413.2特点与重要性生物产品特点：①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②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③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）④质量要求高（药品或食品）13.2特点与重要性3513.3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13.3生物分离工艺要求(1)高纯度36治疗用途的生物药物质量要求(1)效价(2)鉴定(3)毒性试验(4)核酸(5)均一(6)无冲突活性治疗用途的生物药物质量要求(1)效价37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）生物过程开发目标(1)产品在最短时间内进入市场38生物分离的经济性(1)生物分离至少占总成本50%(2)仅付出5%努力(3)降低废物排放（产品：废物=1:3250)(4)工艺改造生物分离的经济性(1)生物分离至少占总成本50%39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，减少负作用质量控制意义(1)来自管理机构的压力40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（60C)B过滤C灭活剂非蛋白类杂质的去除（1）DNA41目标蛋白的表征和分析方法（1）HPLC（2）SDS（3）氨基酸顺序分析（4）氨基酸，肽图，免疫化学（5）与标准品对照分析目标蛋白的表征和分析方法（1）HPLC42分离工程研发费用与成本研究费用：50%以上产品成本：40-80%人力物力：70-90%分离工程研发费用与成本研究费用：50%以上4313.4生物下游加工过程的一般步聚13.4生物下游加工过程的一般步聚44工业应用的生物分离技术①回收技术:絮凝，离心，过滤，微过滤。②细胞破碎技术:球磨，高压匀浆，化学破碎技术③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④高度纯化技术:各类层析，亲和，疏水，聚焦，离子交换⑤成品加工喷雾干燥，气流干燥，沸腾干燥，冷冻干燥，结晶工业应用的生物分离技术①回收技术:絮凝，离心，4513.5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13.5生物技术产品的类型按分子量大小4613.6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13.6下游加工过程的沿革传统产业（第一代）4713.7生物下游加工过程的选择准则①步聚少②次序合理③产品规格（注射，非注射）④生产规模⑤物料组成⑥产品形式固体适当结晶，液体，适当浓缩⑦产品稳定性⑧物性溶解度，分子电荷，分子大小，功能团，稳定性，挥发性⑨危害性⑩废水处理13.7生物下游加工过程的选择准则①步聚少48

13.8生物技术下游加工过程的发展动向①基础理论研究A选择性分离剂B数学模型②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）③工程问题研究④改善环境相容性13.8生物技术下游加工过程的发展动向①基础理论研究4913.9现代生物分离程的研究方向与特点（1）大规模，高选择性（液膜萃取，