生物工程下游技术.ppt
生物工程下游技术(生物分离工程),何 进 梅余霞,目的与要求,了解生物工程下游技术的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、亲和分离等的基本原理及其特点及应用范围。能在实际工作中掌握几种分离技术的工艺过程及熟悉相关设备。能根据目的产物的特性，在生物产品产业化研究及工艺设计中合理应用相应分离技术。,考核方式,根据课程基本要求，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,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,References-books,田瑞华生物分离工程北京：科学出版社，2008曹学君现代生物分离工程上海：华东理工大学出版社，2007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，2001孙彦生物分离工程北京：化学工业出版社，2005,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，2003A.A.Garcia,M.R.Bonen,J.Ramirez-Vick,M.Sadaka and A.Vuppu.生物分离过程科学北京：清华大学出版社，2002R.G.Harrison,P.Todd,S.R.Rudge,D.P.Petrides.Bioseparations Science and Engineering.New York:Oxford University Press,2003A.A.Garcia,M.R.Bonen,J.Ramirez-Vick,M.Sadaka and A.Vuppu.Bioseparation Process Science.Massachusetts:Blackwell Science,Inc.,1999,References-books,P.A.Belter,E.L.Cussler,W.Hu.Bioseparations:Downstream Processing for Biotechnology.New York:John Wiley&Sons,1988D.Forciniti.Industrial Bioseparations:Principles and Practice.Iowa:Wiley-Blackwell,2008 M.R.Ladisch(Purdue Univ).Bioseparations Engineering:Principles,Practice and Economics.New York:John Wiley and Sons,2001Raja Ghosh.Principles of Bioseparations Engineering.New York:World Scientific,2006,References-webs,华东理工大学 福州大学 南京工业大学,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现代化工化工进展化工学报化学工程化学工业与工程China Journal of Chemical Engineering,References-SCI journals,Journal of Chromatography A Journal of Supercritical Fluids Journal of Membrane Science,References-SCI journals,Enzyme and Microbial Technology Biochemical Engineering Journal Separation and Purification Technology,References-SCI journals,Biotechnology and Bioengineering Journal of Separation Science Journal of Chemical Technology and Biotechnology,References-SCI journals,Separation and Purification Reviews Separation Science and Technology,1 绪 论,1.1 生物工程下游技术的研究对象1.2 生物工程下游技术的重要性1.3 生物工程下游技术的特点1.4 生物工程下游技术的发展历程1.5 生物工程下游技术的一般工艺过程 1.6 生物工程下游技术的发展动态,1.1 生物工程下游技术的研究对象,生物工程下游技术（Downstream Processing for Biotechnology）：由生物界自然产生的、由微生物菌体发酵的、动植物细胞培养的、酶反应产生的、微生物转化的各种生物工业生产过程获得的生物原料，经提取分离、获得纯产品的技术，属于“物质分离”范畴生物分离工程（Bioseparation Engineering)。,1.1 生物工程下游技术的研究对象,分离技术在人类生产和生活中具有重要作用。将地球上的各种各样混合物进行分离和提纯是提高生产力和改善生活水平的一种重要途径。分离是混合的逆过程，不能自发进行，需要作功才能实现。而且需要有专门的工艺和设备。在实际的工业生产中，目的产物往往与大量杂质混合在一起，分离的任务，就是从这些混合物中用最低的投入（物力、财力和人力），获得最高的产出（如产物的高得率、高纯度）。,1.2 生物工程下游技术的重要性,分离纯化是生物技术产业的瓶颈。下游加工过程的费用占全部产品研发费用的50以上；在的成本构成中，分离与纯化部分占产品成本的比例很高。开发新的分离和纯化工艺是降低成本、提高经济效益的重要途径。,Bioseparation cost,R.Ghosh.Principles of Bioseparations Engineering.New York:World Scientific,2006,1.3 生物技术下游加工过程的特点,原料的特点复杂的多相体系，非牛顿流体，成分复杂如发酵产品：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。,Metabolic network,1.3 生物技术下游加工过程的特点,原料的特点发酵或培养大多是分批操作，各批产物浓度和其他物性会出现差异，也会出现异常生物活性物质的稳定性差如原料液中常存在降解目标产物的蛋白酶、菌体也可能自溶、容易被杂菌污染：发酵液放罐后，应及时快速操作，要求采用快速的分离纯化方法除去影响目标产物稳定性的杂质。原料液中常存在与目标分子结构极其相似的分子如同系物及异构体。,1.3 生物技术下游加工过程的特点,原料的特点原料中目标产物的浓度低,1.3 生物技术下游加工过程的特点,对产物的要求保持生物产物的活性纯度要求高当生物技术产品是食品或药物时，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 年发现(S)-(-)异构体该药具有致畸胎的不良反应。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-内酰胺环,1.3 生物技术下游加工过程的特点,对生产工艺的要求生物相容性高纯度大规模经济性清洁性,1.4 生物工程下游技术的发展,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+现代第三代生物技术 20世纪80年代以来，出现了很多新概念、新技术、和新设备,1.4 生物工程下游技术的发展,固液分离技术发酵液菌体特别是细菌的分离一直是生物工业上的难题。近20年来，研究开发了菌体及悬浮物絮凝技术，改善了发酵液的分离性能，加之纤维素助滤剂的开发，大大提高了发酵液的固液分离效率。用超滤法从发酵液中分离细菌的报道，但因技术和经济上的原因大规模应用尚不多见。,1.4 生物工程下游技术的发展,细胞破碎技术细胞破碎是生产胞内物质所必需的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。细胞破碎技术的逐渐成熟，使得胞内生物物质的大规模工业化生产成为可能。,1.4 生物工程下游技术的发展,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的分离；超滤技术解决了生物大分子对pH、热、有机溶剂、金属离子敏感等难题，在生物大分子的分级、浓缩、脱盐等操作中得到了广泛的使用。,1.4 生物工程下游技术的发展,高度分离纯化技术小分子物质一般可通过离子交换、脱色和结晶、重结晶等方法获得纯度很高的产品。生物大分子的纯化一直是个难题。20世纪70年代以来，逐渐开发出各种色谱（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。,1.5 生物工程下游技术工艺过程,产品的分离提取工艺还与下列情况有关：产物本身的性质；是胞内产物还是胞外产物；原料中产物和主要杂质浓度；产物和主要杂质的理化特性及差异；产品用途和质量标准；产品的市场价格；废液的处理方法等。,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 生物工程下游技术一般工艺过程,1.5 生物工程下游技术工艺过程,原料中产品浓度越低，分离纯化的成本越高。分离纯化的的步骤越多，总收率也越低：重复提取是提高总收率的一个有效方法：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。,1.6 生物工程下游技术的发展动态,生物分离工程研究动态：传统分离技术的提高和完善新技术的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的影响改进上游因素，简化下游过程,1.6.1 传统分离技术的提高和完善,蒸馏、蒸发、过滤、离心、结晶和离子交换等传统技术由于应用面广且相对成熟，对它们的提高和完善将会推动大范围的技术进步。各种新型高效的过滤机械和离心机械的问世，也从一个侧面推动生物工业向更大规模方向发展。适合于大规模工业化生产的传统技术经过改造提高后，适应面会更宽。效率会更高，仍然显示出强劲的生命力。,1.6.2 新技术的研究和开发,新型分离介质的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（Rohm and Haas）Diaion HP系列（三菱化学）凝胶色谱填料,1.6.2 新技术的研究和开发,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。,1.6.2 新技术的研究和开发,新兴下游技术超临界流体萃取Supercritical fluid extraction反胶团萃取Revised micelle extraction液膜分离Liquid membrane separation磁性亲和分离magnetic affinity separation 聚焦色谱Chromatofocusing高速逆流色谱High speed countercurrent chromatography径向流色谱Radial flow chromatography连续环状色谱Continuous annular chromatography拟移动床色谱Simulated moving bed chromatography,1.6.3 下游工程与上游工程相结合,发酵与分离耦合过程的研究这一新的技术思路在20世纪70年代首先用于厌氧发酵乙醇发酵过程中，取得了令人满意的效果，近年来逐步发展到用于好氧发酵过程中来。发酵-分离耦合过程的优点是可以解除终产物的反馈抑制效应，同时简化产物提取过程，缩短生产周期，收到一举数得的效果。,1.6.4 强化物理化学作用的影响,物理作用将微波、超声波、电磁等应用于分离：微波萃取微波蒸馏超声波萃取磁性亲和分离,1.6.4 强化物理化学作用的影响,化学作用选择适当的分离剂，增大分离因子，增加对目的组分的选择性向分离体系投入附加组分，改变原来体系的化学位，从而增大分离因子。无水乙醇的制备手性物质的分离强化化学作用对相界面传质速率的影响利用一些相转移促进剂来增大相间的传质速率。若把这类相转移促进剂结合在固相的界面上，便形成各类“亲和”分离过程，如亲和色谱、亲和萃取、亲和错流过滤、亲和膜分离等，这是强化分离过程的一个前沿研究方向。,1.6.5 改进上游因素，简化下游过程,培养基和发酵条件直接决定着输送给下游的发酵液质量，如采用液体培养基，不用酵母膏、玉米浆等有色物质和杂蛋白等为原料，控制比生长速率、消沫剂用量，放罐时间等发酵条件，可使分离过程方便、经济。,1.6.5 改进上游因素，简化下游过程,代谢工程 Metabolic engineering菌种选育和工程菌构建一般以提高目的产物量为目标，现在应该转变观念，从整体出发，除了达到以上目标外，还应设法增加产物的胞外分泌量，减少非目的产物的分泌（如色素、毒素、降解酶及其他干扰性杂质等）以及赋于菌种或产物以某种有益的性质以改善产物的分离特性，从而简化下游加工过程。,复习思考题,掌握生物工程下游技术的研究对象。理解生物工程下游技术的重要性。掌握生物工程下游技术有何特点？掌握生物工程下游技术的一般工艺过程。掌握生物工程下游技术的发展动态。,Thank You!,
