1、生物工程下游技術生物工程下游技術（Downstream technology of bioengineering）學時安排學時安排 （40學時）學時）n課堂授課 35 學時n實驗演示 3 學時（實驗室） n討論與交流 1 學時n期末復習 1 學時n答疑 2 學時（非課堂）n自學 4 學時（非課堂）學時安排學時安排目錄目錄學時學時目錄目錄學時學時第一章 緒論3第六章 吸附分離技術 4第二章 細胞破碎 3第七章 色譜技術5第三章 生物大分子的初級分離技術 3第八章 電泳技術 4第四章 膜分離技術 5第九章 蛋白質的復性 2第五章 萃取技術 4第十章 干燥、結晶 2理論結合實驗演示3討論與交流、復習

2、總結2參考書目參考書目n參考教材：生物分離工程 孫彥編著，化學工業出版社，2005年。n主要參考書目 生物工程下游技術 劉國詮主編，2002年。 生物分離工程田瑞華，科學出版社，2008年 生物產品分離純化技術 李從軍等，華中師范大學出版社，2009年。Bioseparation Process ScienceAntonio A. Garca等。第一章第一章 緒論緒論3學時學時內容提要內容提要n生物下游加工技術簡介生物下游加工技術簡介n生物下游加工過程的特點生物下游加工過程的特點n分離機理和分離操作分離機理和分離操作n生物物質生物物質n分離效率的評價分離效率的評價學習目的和要求學習目的和要求

3、n要求：要求：對本課程有比較初步的認識；對本課程有比較初步的認識；n掌握：掌握：生物下游加工技術的特點；生物分離過程生物下游加工技術的特點；生物分離過程的單元操作原理；的單元操作原理；n了解：了解：生物分離技術的研究內容和發展情況；生生物分離技術的研究內容和發展情況；生物物質的種類和特性；下游加工過程的一般流程；物物質的種類和特性；下游加工過程的一般流程；n應用：應用：運用生物分離技術的評價方法分析實際問運用生物分離技術的評價方法分析實際問題。題。生物工程研究領域n微生物培養n動物細胞培養n植物細胞培養n天然資源n生化材料n海洋生物培養生物工程產業領域n生物制藥（抗生素，基因重組蛋白，氨基酸，

4、疫苗，菌苗，天然藥物，生化藥物，血液制品，抗體，多糖，多肽）n生物化工（乳酸，檸檬酸，蘋果酸，丙烯酸，甘油，異丙醇，乙烯）n生物能源（甲醇，乙醇，生物柴油，生物汽油）n生物材料（明膠，膠原蛋白，人造皮膚，從造骨，人造臟器）n生物醫學 （診斷試劑，基因治療，人及生物克隆）n環境生物（環境治理，水污染，土壤污染，風沙治理）n生物食品（醋，啤酒業，釀酒，乳制品，奶制品）n生物資源（動物，植物，微生物）n生物農業 （基因食品，基因植物）生物工程的上中下游n上游：菌種，基因工程，分子生物學，遺傳學n中游：微生物發酵工程，動植物細胞培養 海洋生物培養n下游：生物分離工程菌種篩選菌種篩選搖瓶實驗搖瓶實驗發酵

5、罐實驗發酵罐實驗n生物技術的目標就是指利用培養微生物、生物技術的目標就是指利用培養微生物、動物細胞、植物細胞來生產對人有用的動物細胞、植物細胞來生產對人有用的產品。產品。何謂工程（學）？何謂工程（學）？ The application of scientific and mathematical principles to practical ends such as the design, manufacture, and operation of efficient and economical structures, machines, processes, and systems. 將

6、科學及數學原理運用于實際用途的應用手段，將科學及數學原理運用于實際用途的應用手段，如設計、制造并操縱高效、經濟的結構、機器、過如設計、制造并操縱高效、經濟的結構、機器、過程及系統程及系統 -美國傳統詞典早期的生物工程的萌芽早期的生物工程的萌芽 美國和英國合作對青霉素進行生產研究美國和英國合作對青霉素進行生產研究（1941年），出現表面培養：年），出現表面培養：1升扁瓶升扁瓶或錐形瓶，內裝或錐形瓶，內裝200mL麥麩培養基麥麩培養基 40u/ml Alexander Fleming （1928）生物工程的萌芽生物工程的萌芽p ro d u c ts C o n c e n tra tio n g

7、 /l A n tib io tic s 2 5 A m in o a c id s 1 0 0 E th a n o l 1 0 0 O r g a n ic a c id s 1 0 0 E n z y m e s 2 0 r -D N A p ro te in 1 0 in 生物分離工程的萌芽生物分離工程的萌芽Golden Time概念的提出血液制品的生產n1953年，年，DNA雙螺旋結構的發現雙螺旋結構的發現n1972年，美國斯坦福大學構建了第一個重年，美國斯坦福大學構建了第一個重組組DNA分子分子n1996年，克隆羊年，克隆羊“多利多利”誕生在英國的羅誕生在英國的羅斯林研究所斯林研究

8、所n1990-2006，人類基因組計劃，人類基因組計劃n現在，生物信息、生物芯片、胚胎干細胞等現在，生物信息、生物芯片、胚胎干細胞等生命科學的發展帶動生物工程的進步生命科學的發展帶動生物工程的進步現代生物技術的興起現代生物技術的興起 n兩項技術兩項技術 第一個含有外源基因的重組質粒在細菌內增殖第一個含有外源基因的重組質粒在細菌內增殖成功（成功（1973年）年） 細胞融合技術（細胞融合技術（1975年）年）n直接結果：直接結果： 上述兩項技術的直接此前天然存在于生物體內上述兩項技術的直接此前天然存在于生物體內極微量的生物物質得以通過大量生物培養方式極微量的生物物質得以通過大量生物培養方式進行商業

9、的生產，出現了現代生物加工過程。進行商業的生產，出現了現代生物加工過程。 生物加工過程內容生物加工過程內容 n優育生物物種的選育；優育生物物種的選育； n生物反應生產粗原料；生物反應生產粗原料； n目標產物的分離純化過程；目標產物的分離純化過程； 基因工程基因工程遺傳與育種遺傳與育種生物反應工程生物反應工程生物分離工程生物分離工程下游加工過程的沿革下游加工過程的沿革n傳統產業（第一代）傳統產業（第一代）n19世紀世紀60年代年代-20世紀世紀50年代年代 酒精，丙酮，丁醇酒精，丙酮，丁醇n第二代生物技術產品第二代生物技術產品 20世紀世紀40年代年代 n抗生素，有機酸，核酸，酶制劑，單細胞蛋白

10、抗生素，有機酸，核酸，酶制劑，單細胞蛋白n第三代第三代 20世紀世紀70年代中期年代中期n動物細胞培養動物細胞培養n植物細胞培養植物細胞培養n基因工程發酵產品基因工程發酵產品 生物下游加工過程的一般步聚生物下游加工過程的一般步聚 結構基因組的研究內容結構基因組的研究內容Bottleneck結構基因組研究的制約因素結構基因組研究的制約因素 在蛋白質克隆和表達系統被不斷優化的同時，分離純化過程蛋白質的錯誤折疊及產物的不溶及聚合已成為結構基因組計劃發展的制約因素。生物分離技術與化工分離技術的區別生物分離技術與化工分離技術的區別 n化工分離技術：化工分離技術：獲得純的化學物質獲得純的化學物質n生物分離

11、技術：生物分離技術：在得到純的生物物質同時，還必在得到純的生物物質同時，還必須關注特定雜質的去除。須關注特定雜質的去除。 與傳統的化學試劑的純與傳統的化學試劑的純度概念不同，生物產物對度概念不同，生物產物對有害物質有害物質有嚴格的控制，有嚴格的控制，生產生產過程過程也要求有嚴格的也要求有嚴格的管理，在最終產品中往往管理，在最終產品中往往不允許有極微量的有害雜不允許有極微量的有害雜質存在。質存在。 工業應用的生物分離技術工業應用的生物分離技術n 回收技術回收技術: : 絮凝，離心，過濾，微過濾。絮凝，離心，過濾，微過濾。n 細胞破碎技術細胞破碎技術: : 球磨，高壓勻漿，化學破球磨，高壓勻漿，化

12、學破n 碎技術碎技術n 初步純化技術初步純化技術: : 鹽析法，有機溶劑沉淀，鹽析法，有機溶劑沉淀，n 化學沉淀，大孔吸附樹劑，膜分離技術化學沉淀，大孔吸附樹劑，膜分離技術n 高度純化技術高度純化技術: : 各類層析，親和，疏水，各類層析，親和，疏水，n 聚焦，離子交換聚焦，離子交換n 成品加工：成品加工： 噴霧干燥，氣流干燥，沸騰干噴霧干燥，氣流干燥，沸騰干n 燥，冷凍干燥，結晶燥，冷凍干燥，結晶生物分離與一般化學分離方法的比較生物分離與一般化學分離方法的比較n大約大約80%80%的化工分離方法可應用于生物分的化工分離方法可應用于生物分離技術；離技術；n生物分離一般比化工分離難度大；生物分離

13、一般比化工分離難度大；n成分復雜：固體成分包括完整有機體、成分復雜：固體成分包括完整有機體、培養基及底物中的不溶物。培養基及底物中的不溶物。液體成分包括液體成分包括底物可溶物、代謝中產物及目標產物。底物可溶物、代謝中產物及目標產物。n懸液中的目標產物濃度低：懸液中的目標產物濃度低：獲得高純度獲得高純度的干燥產品、需要幾步、分離過程精細，的干燥產品、需要幾步、分離過程精細，成本高。成本高。 生物技術產品的類型生物技術產品的類型n按分子量大小按分子量大小n小分子產品：（小于小分子產品：（小于1000）抗生素，有機酸，氨基）抗生素，有機酸，氨基酸酸n大分子產品：（大于大分子產品：（大于1000）酶）

14、酶, 抗體，多肽，蛋白質抗體，多肽，蛋白質n按產品所處的位置按產品所處的位置n細胞內細胞內: 胰島素，干擾素，重組蛋白質胰島素，干擾素，重組蛋白質n細胞外：抗生素，胞外酶細胞外：抗生素，胞外酶發酵液中主要的產品含量n生物產品要求高質量：n*purity（純度）（純度）n*sanitation（衛生）（衛生）n*biological activity（生物活性）（生物活性）n分離過程的成本占產品總投資的大部分：分離過程的成本占產品總投資的大部分：因此必須仔細考慮和設計產品的回收和因此必須仔細考慮和設計產品的回收和純化過程。純化過程。設計中應考慮下列問題：設計中應考慮下列問題：n1. What i

15、s the value of the product? （產品價值）（產品價值）n2. What is an acceptable product quality? ( (產品質量）產品質量）n3. Where is the product in each process stream? （產物在生產過程中出現的位置）（產物在生產過程中出現的位置）n4. Where are the impurities in each process stream?（雜質在生產過程中（雜質在生產過程中出現的位置）出現的位置）n5. What are the unusual physicochemical pr

16、operties of the product and the principal impurities? （主要雜質獨特的物化性質是什么？）（主要雜質獨特的物化性質是什么？）n6. What are the economics of various alternative separations? （不同分離方法的技術經濟比較）（不同分離方法的技術經濟比較）生物分離技術的重要性生物分離技術的重要性 n生物產物的特殊性；生物產物的特殊性；n生物產物所處環境的復雜性；生物產物所處環境的復雜性；n對生物產品要求的嚴格性；對生物產品要求的嚴格性； 最終結果：導致下游加工過程度成本往往最終結果：導致下

17、游加工過程度成本往往占整個生物加工過程生產成本的大部分。占整個生物加工過程生產成本的大部分。下游加工技術的一般流程下游加工技術的一般流程 生物下游加工過程是指目生物下游加工過程是指目標產物的分離純化過程，標產物的分離純化過程，包括包括產物提取(isolation)產物濃縮(concentration)產物純化(purification)成品化(polishing)注意：多步分離導致收率降低；多步分離導致收率降低；Separation Processes: Extractors溶質在二個互不相容的溶劑的分配溶質在二個互不相容的溶劑的分配系數不同，所造成的溶質的轉移。系數不同，所造成的溶質的轉移。

18、混合器和澄清器混合器和澄清器生物分離一般分四步生物分離一般分四步nA：不溶物的去除：不溶物的去除n過濾過濾n離心離心n細胞破碎細胞破碎n產物濃度和質量得到了提高產物濃度和質量得到了提高B:產物分離產物分離n離子交換吸附離子交換吸附n萃取萃取n a. 溶劑萃取溶劑萃取n b. 反微團萃取反微團萃取 n c. 超臨界流體萃取超臨界流體萃取n d. 雙水相萃取雙水相萃取n 以上分離過程不具備特異性，只是進行初分以上分離過程不具備特異性，只是進行初分,可提可提高產物濃度和質量高產物濃度和質量C:產品純化產品純化n色譜n電泳n沉淀n以上技術具有產物的高選擇性和雜質的去除性以上技術具有產物的高選擇性和雜質

19、的去除性nD. Polishing （產品的精制）（產品的精制）n *crystallization（結晶）（結晶）n *drying （干燥）（干燥） 中藥動態水提取生產線流程圖中藥動態水提取生產線流程圖 * Ethanol from fermentation.蒸餾器冷凝器冷凝器酒精可溶性產品 * Citric acid manufacture菌絲體 檸檬酸 石灰膏劑 廢 * Penicillin production.反萃取 Production of bakers yeast面包酵母糖蜜 發酵麥芽汁Production of monosodium glutamate 味精注射器結晶 油水

20、分離器 母液Recovery of an extracellular enzymeRecovery of intracellular enzymesRecovery of penicillin霉菌 菌絲體雜質 Recovery of single-cell protein on a methanol basis甲醇底物甲醇 絮凝 Recovery of toxoid vaccines類毒素疫苗Recovery of whole-cell vaccines澄清器澄清器分離技術的選擇依據分離技術的選擇依據n產物所處的位置；產物所處的位置；n產物性質（分子大小、疏水性、產物性質（分子大小、疏水性、電

21、荷形式和溶解度等）；電荷形式和溶解度等）；n生物加工過程自身的規模和產生物加工過程自身的規模和產品的商業價值；一種目標產物品的商業價值；一種目標產物的分離手段往往不止一種，根的分離手段往往不止一種，根據生產的規模和價值，選擇合據生產的規模和價值，選擇合適的分離技術適的分離技術 生物下游加工過程的特點生物下游加工過程的特點 n滿足滿足維持維持生物物質生物物質活性活性的要求的要求n滿足滿足快速分離快速分離的要求的要求n滿足純度和滿足純度和雜質去除雜質去除的要求的要求n滿足滿足高效分離高效分離的要求的要求n滿足滿足成本優化成本優化的要求的要求 生物分離本質生物分離本質 有效地識別混合物中不同溶質間有

22、效地識別混合物中不同溶質間物物理、化學和生物學性質理、化學和生物學性質的差別，利用能的差別，利用能夠識別這些差別的分離介質和（或）擴夠識別這些差別的分離介質和（或）擴大這些差別的分離設備實現溶質間的分大這些差別的分離設備實現溶質間的分離或目標組分的純化。離或目標組分的純化。常用的分離技術及其機理常用的分離技術及其機理物理性質物理性質力學性質力學性質重力、離心力、篩分重力、離心力、篩分 熱力學性質熱力學性質狀態變化、相平衡狀態變化、相平衡 傳質性質傳質性質粘度、擴散、熱擴散粘度、擴散、熱擴散 電磁性質電磁性質電泳、電滲、磁化電泳、電滲、磁化化學性質化學性質化學熱力學化學熱力學化學平衡化學平衡 反

23、應動力學反應動力學反應速率反應速率 光化學性質光化學性質激光激發、離子化激光激發、離子化生物學性質生物學性質分子識別分子識別生物親和作用、生物學識別生物親和作用、生物學識別 輸送性質輸送性質生物膜輸送生物膜輸送 反應、響應、控制反應、響應、控制免疫系統免疫系統分分離離過過程程分離效果的評價分離效果的評價n分離因子分離因子又稱分離因子又稱分離因子(separation factor)。表示某一單元分離操作或某一分離流程將兩種。表示某一單元分離操作或某一分離流程將兩種物質分離的程度。通常有兩種定義：物質分離的程度。通常有兩種定義：(1)單級分離系數，表示物料中兩種物質在某一單元分單級分離系數，表示物料中兩種物質在某一單元分離操作離操作(單級分離操作單級分離操作)前后相對含量的比值。前后相對含量的比值。(2)流程分離系數，表示物料中兩種物質在經過流程分離系數，表示物料中兩種物質在經過某一分離流程前后相對含量的比值。某一分離流程前后相對含量的比值。n收率收率n純化因子純化因子n選擇性選擇性: 又稱分離系數又稱分離系數(separation factor)，它的定義是：在一定的條