生物工程下游技术绪论-1

1、生物工程下游技术,生命科学与生物制药学院 生物技术系,生物工程：又称生物技术，是指在现代生命科学的指导下，应用自然科学和工程学的原理，依靠微生物、动物、植物体或者其一部分作为反应器，将物料进行加工以提供产品为社会服务的技术。,1.课程简介,生物工程下游技术课程解析,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） 生物医学（诊断试剂，基因治疗，动物克隆、干细胞和组织工程） 生物农业 （基因食品，基因植物） 生物资源（动物，植物，微生物

2、） 生物化工（乳酸，柠檬酸，苹果酸，丙烯酸，甘油，异丙醇，乙烯） 生物材料（明胶，胶原蛋白，人造皮肤，从造骨，人造脏器） 生物食品（醋，啤酒业，酿酒，乳制品，奶制品） 环境生物（环境治理，水污染，土壤污染，风沙治理） 生物能源（甲醇，乙醇，生物柴油，生物汽油）,菌种、细胞,生物工程一般过程,发酵培养,分离纯化,上游,中游,下游,生物工程下游技术,课程内容：主要阐述生物活性物质的提取、分离、纯化的主要技术、原理和应用。 根本任务：设计和优化分离过程，提高分离效率，降低过程成本。 主要目标：研究开发高容量、高速度和高分辨率的新技术、新介质和新设备。,生物(化)分离技术（Bioseparation

3、Technology） 生物(化)分离工程（Bioseparation Engineering) 下游加工过程（downstream processing) 分离与纯化(Separation and purification) 生物产品回收(Recovery of Biological products),课程其它名称,教材： 生物分离技术谭天伟,参考教材： 生化分离工程严希康 生物分离工程孙彦 现代生化分离技术郭勇 现代生物分离工程曹学君,主讲教师：赵林， 任课教师：段涛，lc_ 张玲， 课程学时：54个理论学时+36个实验学时 教学方法：讲解、多媒体、案例、讨论、 任务 课程考核：闭卷，

4、70%期末成绩+30%平时成绩,2.生物分离技术的研究历史,1906年俄国植物学家Tswett发现并系统提出了色谱分离法（层析法）。chrom+graph=chromatography 后来无色物质也可利用吸附柱层析分离。,1924年，Svedberg发明了超高速离心机，并首次从血液中分离出血红蛋白。1926年获得诺贝尔化学奖。 1937年，Tiselius采用新的移动界面电泳装置从血清蛋白粗品中分离出血清蛋白及三种球蛋白，即为-、-、-球蛋白。40年代后开始色谱分离技术的研究。1948年获得诺贝尔化学奖。 1956年Tiselius发明了羟基磷灰石，系统研究了吸附色谱的规律，建立了三种色谱洗

5、脱方式（洗脱、前沿、置换）。,1959年Porath和Flodin在Nature上发表了“Gel Filtration: A Method for Desalting and Group Separation”，发明了凝胶过滤。Pharmacia大量生产凝胶过滤介质Sephadex。 20世纪60年代初Uppsala大学的Hjerten从琼脂中分离出琼脂糖，制备了琼脂糖凝胶球，成功建立了琼脂糖凝胶电泳。并且推动了琼脂糖色谱介质的开发。 60年代Hjerten系统研究了聚丙烯酰胺凝胶电泳，提出了两个公式，建立了SDS-PAGE模式。,1964年vensson的学生Vesterberg合成了世界上

6、第一个用于等电聚焦的两性电解质，宣告了等电聚焦实用技术的诞生。 1968年发明了染料亲和色谱技术。 1973年发明了固定化金属离子亲和色谱。 1981年建立了高效毛细管电泳技术。1988年美国的Bio-Rad推出了国际上第一个毛细管电泳仪。,3.生物分离过程的一般流程,培养液的预处理和固液分离,初步纯化,高度纯化,精制,四个阶段,4.生物分离过程的特点,（1）分离过程的操作条件要求严格 高温、pH的改变、化学物质、降解目标产物的杂质均对分离造成很大影响。 （2）原料液是多组分的混和物，目标产物的浓度一般很低。 （3）必须除去原料液中热原、具有免疫原性的异体蛋白，并防止外界混入。 （4）高度选择

7、性，多种分离技术和分离步骤合理组合。,生物分离过程成本在生产成本的占比,5.生物分离技术和原理,物质分离的本质是有效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实现溶质间的分离或目标组分的纯化。,物理性质 （1）力学性质，包括密度、尺寸和形状。 （2）热力学性质，包括溶质的溶解度、挥发度、表面活性及相间分配平衡行为等。 （3）传质性质，包括黏度、分子扩散系数和热扩散现象等。（直接应用较少） （4）电磁性质，即溶质的荷电特性、电荷分布、等电点和磁性等。,化学性质 包括化学热力学（化学平衡）、反应动力学（反应速率）和光化学特性（激

8、光激发作用）等。 化学吸附和化学吸收是利用化学反应进行分离的典型例证。,生物学性质 利用生物物质间的分子识别作用，可进行生物分子的亲和分离。 亲和分离技术是其典型应用。,从分离操作的角度，一般可将分离技术分为两大类：一是基于相间分配平衡差异的平衡分离法，二是外力作用下产生的溶质移动速度差别的差速分离法。,平衡分离法：根据溶质在两相（气液、气固、液液、液固、气固）间分配平衡的差异实现分离。 蒸馏、蒸发、吸收、萃取、结晶（沉淀）、泡沫分离、吸附和离子交换（色谱）等。,差速分离：利用外力（压力、重力、离心力、电场力、磁力）驱动溶质迁移产生的速度差进行分离的方法。 过滤、重力沉降、离心沉降、超滤、反渗

9、透、电渗析、电泳和磁泳等。,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,6.生物分离技术的选择准则, 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,7.生物分离技术的发展动向, 基础理论研究

10、 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,8.生物分离技术的研究方向与特点,（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） （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）,9.生物分离效率,分离容量：单位体积的分离设备（或分离介质）处理料液或目标产物的体积或质量； 分离速度：单批次分离所需的时间； 分辨率：目标产品的纯化效果或杂质