生物工程下游技术专家讲座

生物工程下游技术

(生物分离工程)何进hejinhzau@梅余霞mei@生物工程下游技术专家讲座第1页目标与要求了解生物工程下游技术基础理论及工艺过程。掌握细胞破碎、萃取分离、膜分离、色谱分离、亲和分离等基本原理及其特点及应用范围。能在实际工作中掌握几个分离技术工艺过程及熟悉相关设备。能依据目标产物特征，在生物产品产业化研究及工艺设计中合理应用对应分离技术。生物工程下游技术专家讲座第2页考评方式依据课程基本要求，结合平时成绩、课程论文及笔试（期末考试）三方面进行综合评定。平时成绩20％课程论文20％期末考试60％生物工程下游技术专家讲座第3页主要内容1.绪论2.下游技术理论基础3.发酵液预处理与细胞破碎4.沉淀5.萃取分离6.膜分离7.吸附与离子交换8.色谱分离9.亲和色谱生物工程下游技术专家讲座第4页References-books田瑞华．生物分离工程．北京：科学出版社，曹学君．当代生物分离工程．上海：华东理工大学出版社，毛忠贵．生物工业下游技术．北京：中国轻工业出版社，1999严希康．生化分离工程．北京：化学工业出版社，孙彦．生物分离工程．北京：化学工业出版社，生物工程下游技术专家讲座第5页References-books刘国诠．生物工程下游技术（第二版）．北京：化学工业出版社，A.A.Garcia,M.R.Bonen,J.Ramirez-Vick,M.SadakaandA.Vuppu.生物分离过程科学．北京：清华大学出版社，R.G.Harrison,P.Todd,S.R.Rudge,D.P.Petrides.BioseparationsScienceandEngineering.NewYork:OxfordUniversityPress,A.A.Garcia,M.R.Bonen,J.Ramirez-Vick,M.SadakaandA.Vuppu.BioseparationProcessScience.Massachusetts:BlackwellScience,Inc.,1999生物工程下游技术专家讲座第6页References-booksP.A.Belter,E.L.Cussler,W.Hu.Bioseparations:DownstreamProcessingforBiotechnology.NewYork:JohnWiley&Sons,1988D.Forciniti.IndustrialBioseparations:PrinciplesandPractice.Iowa:Wiley-Blackwell,

M.R.Ladisch(PurdueUniv).BioseparationsEngineering:Principles,PracticeandEconomics.NewYork:JohnWileyandSons,RajaGhosh.PrinciplesofBioseparationsEngineering.NewYork:WorldScientific,生物工程下游技术专家讲座第7页References-webs华东理工大学

/courses/swflgc/福州大学

/eduonline/shflgc/index.htm南京工业大学

/06jpkc/njgydx/index.asp生物工程下游技术专家讲座第8页References-journals色谱膜科学与技术离子交换与吸附生物工程学报高校化学工程学报当代化工化工进展化工学报化学工程化学工业与工程ChinaJournalofChemicalEngineering生物工程下游技术专家讲座第9页References-SCIjournalsJournalofChromatographyA

/science/journal/00219673JournalofSupercriticalFluids

/science/journal/08968446

JournalofMembraneScience

/science/journal/03767388生物工程下游技术专家讲座第10页References-SCIjournalsEnzymeandMicrobialTechnology

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BiochemicalEngineeringJournal

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/science/journal/13835866生物工程下游技术专家讲座第11页References-SCIjournalsBiotechnologyandBioengineering

/jpages/0006-3592JournalofSeparationScience

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生物工程下游技术专家讲座第12页References-SCIjournalsSeparationandPurificationReviews

www.tandf.co.uk/journals/titles/15422119.aspSeparationScienceandTechnology

www.tandf.co.uk/journals/titles/01496395.asp生物工程下游技术专家讲座第13页1绪论1.1生物工程下游技术研究对象1.2生物工程下游技术主要性1.3生物工程下游技术特点1.4生物工程下游技术发展历程1.5生物工程下游技术普通工艺过程

1.6生物工程下游技术发展动态生物工程下游技术专家讲座第14页1.1生物工程下游技术研究对象生物工程下游技术（DownstreamProcessingforBiotechnology）：由生物界自然产生、由微生物菌体发酵、动植物细胞培养、酶反应产生、微生物转化各种生物工业生产过程取得生物原料，经提取分离、取得纯产品技术，属于“物质分离”范围—生物分离工程（BioseparationEngineering)。生物工程下游技术专家讲座第15页1.1生物工程下游技术研究对象分离技术在人类生产和生活中含有主要作用。将地球上各种各样混合物进行分离和提纯是提升生产力和改进生活水平一个主要路径。

分离是混合逆过程，不能自发进行，需要作功才能实现。而且需要有专门工艺和设备。在实际工业生产中，目标产物往往与大量杂质混合在一起，分离任务，就是从这些混合物中用最低投入（物力、财力和人力），取得最高产出（如产物高得率、高纯度）。生物工程下游技术专家讲座第16页1.2生物工程下游技术主要性

分离纯化是生物技术产业瓶颈。下游加工过程费用占全部产品研发费用50％以上；在成本组成中，分离与纯化部分占产品成本百分比很高。开发新分离和纯化工艺是降低成本、提升经济效益主要路径。ProductsCost(%)Solvents15-20Cells20-25Crudecellularextracts20-25Organicsacids30-40Vitaminsandaminoacids30-40Gumsandpolymers40-50Antibiotics20-60Industrialenzymes40-65Non-recombinanttherapeuticproteins50-70r-DNAproducts60-80Monoclonalantibodies50-70Nucleicacidbasedproducts60-80Plasmaproteins70-80BioseparationcostR.Ghosh.PrinciplesofBioseparationsEngineering.NewYork:WorldScientific,生物工程下游技术专家讲座第17页1.3生物技术下游加工过程特点

原料特点复杂多相体系，非牛顿流体，成份复杂如发酵产品：粗原料产物、微生物代谢产物（metabolome）、各种添加剂，混合物产物数以万计。Metabolicnetwork生物工程下游技术专家讲座第18页1.3生物技术下游加工过程特点

原料特点发酵或培养大多是分批操作，各批产物浓度和其它物性会出现差异，也会出现异常生物活性物质稳定性差如原料液中常存在降解目标产物蛋白酶、菌体也可能自溶、轻易被杂菌污染：发酵液放罐后，应及时快速操作，要求采取快速分离纯化方法除去影响目标产物稳定性杂质。原料液中常存在与目标分子结构极其相同分子如同系物及异构体。生物工程下游技术专家讲座第19页1.3生物技术下游加工过程特点

原料特点原料中目标产物浓度低生物工程下游技术专家讲座第20页1.3生物技术下游加工过程特点

对产物要求保持生物产物活性纯度要求高当生物技术产品是食品或药品时，要求无污染物无对映体反应停(thalidomide,酞胺哌啶酮)于1956年上市,作为镇静药被广泛应用。1961年发觉(S)-(-)异构体该药含有致畸胎不良反应。天冬酰胺((S)-味甜,(R)-味苦)昆虫信息素Olean(雄性果蝇，雌性果蝇)无病毒无热原无致敏原青霉素抗原决定簇β-内酰胺环生物工程下游技术专家讲座第21页1.3生物技术下游加工过程特点

对生产工艺要求生物相容性高纯度大规模经济性清洁性生物工程下游技术专家讲座第22页1.4生物工程下游技术发展古代酿造业不经过后处理第一代生物技术过滤、蒸馏、精馏等第二代生物技术80％传统+当代第三代生物技术20世纪80年代以来，出现了很多新概念、新技术、和新设备生物工程下游技术专家讲座第23页1.4生物工程下游技术发展固液分离技术发酵液菌体尤其是细菌分离一直是生物工业上难题。近20年来，研究开发了菌体及悬浮物絮凝技术，改进了发酵液分离性能，加之纤维素助滤剂开发，大大提升了发酵液固液分离效率。用超滤法从发酵液中分离细菌报道，但因技术和经济上原因大规模应用尚不多见。生物工程下游技术专家讲座第24页1.4生物工程下游技术发展细胞破碎技术细胞破碎是生产胞内物质所必需技术已经开发出球磨破碎、压力释放破碎、冷冻加压释放破碎和化学破碎等技术。细胞破碎技术逐步成熟，使得胞内生物物质大规模工业化生产成为可能。生物工程下游技术专家讲座第25页1.4生物工程下游技术发展

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。双水相萃取技术比较适合于胞内活性物质和细胞脆片分离；超滤技术处理了生物大分子对pH、热、有机溶剂、金属离子敏感等难题，在生物大分子分级、浓缩、脱盐等操作中得到了广泛使用。生物工程下游技术专家讲座第26页1.4生物工程下游技术发展高度分离纯化技术小分子物质普通可经过离子交换、脱色和结晶、重结晶等方法取得纯度很高产品。生物大分子纯化一直是个难题。20世纪70年代以来，逐步开发出各种色谱（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。

生物工程下游技术专家讲座第27页1.5生物工程下游技术工艺过程产品分离提取工艺还与以下情况相关：①产物本身性质；②是胞内产物还是胞外产物；③原料中产物和主要杂质浓度；④产物和主要杂质理化特征及差异；⑤产品用途和质量标准；⑥产品市场价格；⑦废液处理方法等。生物工程下游技术专家讲座第28页1.5生物工程下游技术工艺过程预处理、提取、精制、成品制作：预处理→细胞分离→细胞破壁→碎片分离→提取→精制→成品制作加热过滤匀浆法离心沉淀(重)结晶浓缩调pH离心研磨法双水相吸附离子交换干燥絮凝膜分离酶解法膜分离萃取色谱分离无菌过滤超滤膜分离结晶图1-1生物工程下游技术普通工艺过程

生物工程下游技术专家讲座第29页1.5生物工程下游技术工艺过程原料中产品浓度越低，分离纯化成本越高。分离纯化步骤越多，总收率也越低：重复提取是提升总收率一个有效方法：

如谷氨酸一步等电点结晶，结晶母液如再经过一次离子交换提取75％＋（1－75％）×65％＝91.25％。

246890%81.0%65.6%53.1%43.0%95%90.2%81.5%73.5%66.3%99%98.0%96.1%94.1%92.3%生物工程下游技术专家讲座第30页1.6生物工程下游技术发展动态生物分离工程研究动态：传统分离技术提升和完善新技术研究和开发下游工程与上游工程相结合强化化学作用对下游工程影响改进上游原因，简化下游过程生物工程下游技术专家讲座第31页1.6.1传统分离技术提升和完善蒸馏、蒸发、过滤、离心、结晶和离子交换等传统技术因为应用面广且相对成熟，对它们提升和完善将会推进大范围技术进步。各种新型高效过滤机械和离心机械问世，也从一个侧面推进生物工业向更大规模方向发展。适合于大规模工业化生产传统技术经过改造提升后，适应面会更宽。效率会更高，依然显示出强劲生命力。生物工程下游技术专家讲座第32页1.6.2新技术研究和开发

新型分离介质研究开发膜渗透蒸发膜膜萃取膜膜蒸溜膜膜吸收膜树脂Amberlite系列（RohmandHaas）DiaionHP系列（三菱化学）凝胶色谱填料生物工程下游技术专家讲座第33页1.6.2新技术研究和开发子代分离技术各种分离纯化技术相互结合、交叉、渗透，形成形成了所谓融合技术或子代分离技术。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；又如膜分离过程与亲和配基相结合，形成了亲和膜分离过程；离心分离与膜分离过程相结合，形成了膜离心分离过程等等。生物工程下游技术专家讲座第34页1.6.2新技术研究和开发

新兴下游技术超临界流体萃取Supercriticalfluidextraction反胶团萃取Revisedmicelleextraction液膜分离Liquidmembraneseparation磁性亲和分离magneticaffinityseparation

聚焦色谱Chromatofocusing高速逆流色谱Highspeedcountercurrentchromatography径向流色谱Radialflowchromatography连续环状色谱Continuousannularchromatography拟移动床色谱Simulatedmovingbedchromatography生物工程下游技术专家讲座第35页1.6.3下游工程与上游工程相结合

发酵与分离耦合过程研究这一新技术思绪在20世纪70年代首先用于厌氧发酵——乙醇发酵过程中，取得了令人满意效果，近年来逐步发展到用于好氧发酵过程中来。发酵-分离耦合过程优点是能够解除终产物反馈抑制效应，同时简化产物提取过程，缩短生产周期，收到一举数得效果。

生物工程下