生物工程下游技術(shù)-緒論

1、生物工程下游技術(shù),生物工程，是20世紀70年代初開始興起的一門新興的綜合性應(yīng)用學(xué)科。 所謂生物工程，一般認為是以生物學(xué)(特別是其中的微生物學(xué)、遺傳學(xué)、生物化學(xué)和細胞學(xué))的理論和技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合化工、機械、電子計算機等現(xiàn)代工程技術(shù)，充分運用分子生物學(xué)的最新成就，自覺地操縱遺傳物質(zhì)，定向地改造生物或其功能，短期內(nèi)創(chuàng)造出具有超 遠緣性狀的新物種，再通過合適的生物反應(yīng)器對這類“工程菌”或“工程細胞株”進行大規(guī)模的培養(yǎng)，以生產(chǎn)大量有用代謝產(chǎn)物或發(fā)揮它們獨特生理功能一門新興技術(shù)。,生物工程包括五大工程，即遺傳工程(基因工程)、細胞工程、微生物工程(發(fā)酵工程)、酶工程(生化工程)和生物反應(yīng)器工程。在這五大領(lǐng)

2、域中，前兩者作用是將常規(guī)菌(或動植物細胞株)作為特定遺傳物質(zhì)受體，使它們獲得外來基因，成為能表達超遠緣性狀的新物種“工程菌”或“工程細胞株”。后三者的作用則是這一有巨大潛在價值的新物種創(chuàng)造良好的生長與繁殖條件，進行大規(guī)模的培養(yǎng)，以充分發(fā)揮其內(nèi)在潛力，為人們提供巨大的經(jīng)濟效益 和社會效益。, 生物工程的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，包括農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)學(xué)、藥物學(xué)、能源、環(huán)保、冶金、化工原料等。它必將對人類社會的政治、經(jīng)濟、軍事和生活等方面產(chǎn)生巨大的影響，為世界面臨的資源、環(huán)境和人類健康等問題的解決提供美好的前景。 主要課程：有機化學(xué)、生物化學(xué)、化工原理、生化工程、微生物學(xué)、細胞生物學(xué)、遺傳學(xué)、生物化學(xué)、分子生

3、物學(xué)、基因工程、細胞工程、微生物工程、生化工程、生物工程下游技術(shù)、發(fā)酵工程設(shè)備等。,生物工程研究領(lǐng)域,微生物培養(yǎng) 動物細胞培養(yǎng) 植物細胞培養(yǎng) 天然資源 生化材料 海洋生物培養(yǎng),生物工程產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域,生物制藥（抗生素，基因重組蛋白，氨基酸，疫苗，菌苗，天然藥物，生化藥物，血液制品，抗體，多糖，多肽） 生物化工（乳酸，檸檬酸，蘋果酸，丙烯酸，甘油，異丙醇，乙烯） 生物能源（甲醇，乙醇，生物柴油，生物汽油） 生物材料（明膠，膠原蛋白，人造皮膚，從造骨，人造臟器） 生物醫(yī)學(xué) （診斷試劑，基因治療，人及生物克?。?環(huán)境生物（環(huán)境治理，水污染，土壤污染，風(fēng)沙治理） 生物食品（醋，啤酒業(yè)，釀酒，乳制品，奶制品）

4、 生物資源（動物，植物，微生物） 生物農(nóng)業(yè) （基因食品，基因植物）,生物工程的上中下游,上游：菌種，基因工程，分子生物學(xué)，遺傳學(xué) 中游：微生物發(fā)酵工程，動植物細胞， 海洋生物培養(yǎng) 下游：生物分離工程,生物產(chǎn)品特點： 產(chǎn)物濃度低的水溶液 原因：a 氧傳遞限制；b 細胞量;c 產(chǎn)物抑制 組分復(fù)雜 a 大分子;b 小分子;c 可溶物;d 不可溶物;e 化學(xué)添加物 產(chǎn)物穩(wěn)定性差 a 化學(xué)降解(pH , 溫度); b 微生物降解 （酶作用， 染菌） 質(zhì)量要求高 （藥品或食品）,生物分離工藝要求,(1) 高純度 (2) 大規(guī)模 (3) 經(jīng)濟性 (4) 生物相容性,生物過程開發(fā)目標,(1) 產(chǎn)品在最短時間內(nèi)

5、進入市場 (2) 符合所有安全要求 (3) 工藝成本適當 (4) 可靠 (5) 安全（放大期間安全尤為重要）,質(zhì)量控制意義,(1) 來自管理機構(gòu)的壓力 (2) 公眾的覺醒 (3) 市場擴張與競爭 (4) 安全 (5) 提高專一性作用，減少負作用,非蛋白類雜質(zhì)的去除,（1） DNA A 陰離子交換（pH 4.0) B 親和層析（不被吸附） C 疏水層析 （2）熱原 （蛋白質(zhì)溶液中的去熱原） A 生產(chǎn)過程無菌 B 所有層析介質(zhì)無菌 C 所用溶液無菌 D 親和層析（多粘菌素） （3）去病毒 A 加熱 （60 C) B 過濾 C 滅活劑,目標蛋白的表征和分析方法,（1） HPLC （2） SDS-PA

6、GE （3） 氨基酸順序分析 （4） 氨基酸，肽圖，免疫化學(xué) （5） 與標準品對照分析,生物下游加工過程的一般步驟,工業(yè)應(yīng)用的生物分離技術(shù), 回收技術(shù): 絮凝，離心，過濾，微過濾。 細胞破碎技術(shù): 球磨，高壓勻漿，化學(xué)破碎技術(shù) 初步純化技術(shù): 鹽析法，有機溶劑沉淀，化學(xué)沉淀，大孔吸附樹劑，膜分離技術(shù) 高度純化技術(shù): 各類層析，親和，疏水，聚焦，離子交換 成品加工 噴霧干燥，氣流干燥，沸騰干燥，冷凍干燥，結(jié)晶,生物技術(shù)產(chǎn)品的類型,按分子量大小 小分子產(chǎn)品：（小于1000）抗生素，有機酸，氨基酸 大分子產(chǎn)品：（大于1000）酶, 抗體，多肽，蛋白質(zhì) 按產(chǎn)品所處的位置 細胞內(nèi): 胰島素，干擾素，重組

7、蛋白質(zhì) 細胞外：抗生素，胞外酶,下游加工過程的沿革,傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)（第一代） 19世紀60年代-20世紀50年代 酒精，丙酮，丁醇 第二代生物技術(shù)產(chǎn)品 20世紀40年代 抗生素，有機酸，核酸，酶制劑，單細胞蛋白 第三代 20世紀70年代中期 動物細胞培養(yǎng) 植物細胞培養(yǎng) 基因工程發(fā)酵產(chǎn)品,生物下游加工過程的選擇準則, 步聚少 次序合理 產(chǎn)品規(guī)格 （注射，非注射） 生產(chǎn)規(guī)模 物料組成 產(chǎn)品形式 （固體 適當結(jié)晶， 液體，適當濃縮） 產(chǎn)品穩(wěn)定性 物性 （溶解度， 分子電荷，分子大小，功能團，穩(wěn)定性，揮發(fā)性） 危害性 廢水處理,生物技術(shù)下游加工過程的發(fā)展動向, 基礎(chǔ)理論研究 A 選擇性分離劑 B 數(shù)學(xué)模型

8、應(yīng)用研究 A 新老技術(shù)的深化研究與融合 B 下游技術(shù)與上游技術(shù)相結(jié)合(藕合分離） C 強化化學(xué)作用對分離能力的影響 D 改進上游因素（改進菌種，培養(yǎng)基與發(fā)酵條件） 工程問題研究 改善環(huán)境相容性,現(xiàn)代生物分離過程的研究方向與特點,（1）大規(guī)模，高選擇性（液膜萃取，兩水相萃取，反滲透，納米過濾，滲透蒸發(fā)，親和膜過濾，親和錯流過濾， 親和沉淀 ，分子篩，分子蒸餾） （2）集成化（擴張床，兩水相，液膜分離） （3）快速分離（貫注層析） （4）極端條件下分離（超臨界，超聲波，超重力） （5）在位分離（邊發(fā)酵邊分離） （6）環(huán)境相容（超臨界） （7）可再生循環(huán)（親和沉淀，可再生兩水相）,膜技術(shù),分子印跡分

9、離,超臨界流體分離,Recycling Polymers Forming Aqueous Two-phase Systems,生物分離技術(shù)與化工分離技術(shù)的區(qū)別,化工分離技術(shù)：獲得純的化學(xué)物質(zhì) 生物分離技術(shù)：在得到純的生物物質(zhì)同時，還必須關(guān)注特定雜質(zhì)的去除；,與傳統(tǒng)的化學(xué)試劑的純度概念不同，生物產(chǎn)物對有害物質(zhì)有嚴格的控制，生產(chǎn)過程也要求有嚴格的管理，在最終產(chǎn)品中往往不允許有極微量的有害雜質(zhì)存在。,生物分離技術(shù)的重要性,生物產(chǎn)物的特殊性； 生物產(chǎn)物所處環(huán)境的復(fù)雜性； 對生物產(chǎn)品要求的嚴格性；,最終結(jié)果：導(dǎo)致下游加工過程度成本往往占整個生物加工過程生產(chǎn)成本的大部分。,下游加工技術(shù)的一般流程,生物下游

10、加工過程是指目標產(chǎn)物的分離純化過程，包括 產(chǎn)物提取(isolation) 產(chǎn)物濃縮(concentration) 產(chǎn)物純化(purification) 成品化(polishing) 注意： 多步分離導(dǎo)致收率降低；,分離技術(shù)的選擇依據(jù),產(chǎn)物所處的位置； 產(chǎn)物性質(zhì)（分子大小、疏水性、電荷形式和溶解度等）； 生物加工過程自身的規(guī)模和產(chǎn)品的商業(yè)價值；一種目標產(chǎn)物的分離手段往往不止一種，根據(jù)生產(chǎn)的規(guī)模和價值，選擇合適的分離技術(shù),生物下游加工過程的特點,滿足維持生物物質(zhì)活性的要求 滿足快速分離的要求 滿足純度和雜質(zhì)去除的要求 滿足高效分離的要求 滿足成本優(yōu)化的要求,生物分離本質(zhì),有效地識別混合物中不同溶質(zhì)間物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)的差別，利用能夠識別這些差別的分離介質(zhì)和（或）擴大這些差別的分離設(shè)備實現(xiàn)溶質(zhì)間的分離或目標組分的純化。,常用的分離技術(shù)及其機理,分離過程,