1、生物工程下游技術(shù)生物工程下游技術(shù)（Downstream technology of bioengineering）學(xué)時安排學(xué)時安排 （40學(xué)時）學(xué)時）n課堂授課 35 學(xué)時n實(shí)驗(yàn)演示 3 學(xué)時（實(shí)驗(yàn)室） n討論與交流 1 學(xué)時n期末復(fù)習(xí) 1 學(xué)時n答疑 2 學(xué)時（非課堂）n自學(xué) 4 學(xué)時（非課堂）學(xué)時安排學(xué)時安排目錄目錄學(xué)時學(xué)時目錄目錄學(xué)時學(xué)時第一章 緒論3第六章 吸附分離技術(shù) 4第二章 細(xì)胞破碎 3第七章 色譜技術(shù)5第三章 生物大分子的初級分離技術(shù) 3第八章 電泳技術(shù) 4第四章 膜分離技術(shù) 5第九章 蛋白質(zhì)的復(fù)性 2第五章 萃取技術(shù) 4第十章 干燥、結(jié)晶 2理論結(jié)合實(shí)驗(yàn)演示3討論與交流、復(fù)習(xí)

2、總結(jié)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(xué)工業(yè)出版社，2005年。n主要參考書目 生物工程下游技術(shù) 劉國詮主編，2002年。 生物分離工程田瑞華，科學(xué)出版社，2008年 生物產(chǎn)品分離純化技術(shù) 李從軍等，華中師范大學(xué)出版社，2009年。Bioseparation Process ScienceAntonio A. Garca等。第一章第一章 緒論緒論3學(xué)時學(xué)時內(nèi)容提要內(nèi)容提要n生物下游加工技術(shù)簡介生物下游加工技術(shù)簡介n生物下游加工過程的特點(diǎn)生物下游加工過程的特點(diǎn)n分離機(jī)理和分離操作分離機(jī)理和分離操作n生物物質(zhì)生物物質(zhì)n分離效率的評價(jià)分離效率的評價(jià)學(xué)習(xí)目的和要求學(xué)習(xí)目的和要求

3、n要求：要求：對本課程有比較初步的認(rèn)識；對本課程有比較初步的認(rèn)識；n掌握：掌握：生物下游加工技術(shù)的特點(diǎn)；生物分離過程生物下游加工技術(shù)的特點(diǎn)；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(shù)的研究內(nèi)容和發(fā)展情況；生生物分離技術(shù)的研究內(nèi)容和發(fā)展情況；生物物質(zhì)的種類和特性；下游加工過程的一般流程；物物質(zhì)的種類和特性；下游加工過程的一般流程；n應(yīng)用：應(yīng)用：運(yùn)用生物分離技術(shù)的評價(jià)方法分析實(shí)際問運(yùn)用生物分離技術(shù)的評價(jià)方法分析實(shí)際問題。題。生物工程研究領(lǐng)域n微生物培養(yǎng)n動物細(xì)胞培養(yǎng)n植物細(xì)胞培養(yǎng)n天然資源n生化材料n海洋生物培養(yǎng)生物工程產(chǎn)業(yè)領(lǐng)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(yī)學(xué) （診斷試劑，基因治療，人及生物克隆）n環(huán)境生物（環(huán)境治理，水污染，土壤污染，風(fēng)沙治理）n生物食品（醋，啤酒業(yè)，釀酒，乳制品，奶制品）n生物資源（動物，植物，微生物）n生物農(nóng)業(yè) （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(xué)，遺傳學(xué)n中游：微生物發(fā)酵工程，動植物細(xì)胞培養(yǎng) 海洋生物培養(yǎng)n下游：生物分離工程菌種篩選菌種篩選搖瓶實(shí)驗(yàn)搖瓶實(shí)驗(yàn)發(fā)酵

5、罐實(shí)驗(yàn)發(fā)酵罐實(shí)驗(yàn)n生物技術(shù)的目標(biāo)就是指利用培養(yǎng)微生物、生物技術(shù)的目標(biāo)就是指利用培養(yǎng)微生物、動物細(xì)胞、植物細(xì)胞來生產(chǎn)對人有用的動物細(xì)胞、植物細(xì)胞來生產(chǎn)對人有用的產(chǎn)品。產(chǎn)品。何謂工程（學(xué)）？何謂工程（學(xué)）？ 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(xué)及數(shù)學(xué)原理運(yùn)用于實(shí)際用途的應(yīng)用手段，將科學(xué)及數(shù)學(xué)原理運(yùn)用于實(shí)際用途的應(yīng)用手段，如設(shè)計(jì)、制造并操縱高效、經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)、機(jī)器、過如設(shè)計(jì)、制造并操縱高效、經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)、機(jī)器、過程及系統(tǒng)程及系統(tǒng) -美國傳統(tǒng)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(jìn)行生產(chǎn)研究美國和英國合作對青霉素進(jìn)行生產(chǎn)研究（1941年），出現(xiàn)表面培養(yǎng)：年），出現(xiàn)表面培養(yǎng)：1升扁瓶升扁瓶或錐形瓶，內(nèi)裝或錐形瓶，內(nèi)裝200mL麥麩培養(yǎng)基麥麩培養(yǎng)基 40u/ml Alexander Fleming （1928）生物工程的萌芽生物工程的萌芽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

7、品的生產(chǎn)n1953年，年，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)n1972年，美國斯坦福大學(xué)構(gòu)建了第一個重年，美國斯坦福大學(xué)構(gòu)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所n1990-2006，人類基因組計(jì)劃，人類基因組計(jì)劃n現(xiàn)在，生物信息、生物芯片、胚胎干細(xì)胞等現(xiàn)在，生物信息、生物芯片、胚胎干細(xì)胞等生命科學(xué)的發(fā)展帶動生物工程的進(jìn)步生命科學(xué)的發(fā)展帶動生物工程的進(jìn)步現(xiàn)代生物技術(shù)的興起現(xiàn)代生物技術(shù)的興起 n兩項(xiàng)技術(shù)兩項(xiàng)技術(shù) 第一個含有外源基因的重組質(zhì)粒在細(xì)菌內(nèi)增殖第一個含有外源基因的重組質(zhì)粒在細(xì)菌內(nèi)增殖成功（成功（1973年

8、）年） 細(xì)胞融合技術(shù)（細(xì)胞融合技術(shù)（1975年）年）n直接結(jié)果：直接結(jié)果： 上述兩項(xiàng)技術(shù)的直接此前天然存在于生物體內(nèi)上述兩項(xiàng)技術(shù)的直接此前天然存在于生物體內(nèi)極微量的生物物質(zhì)得以通過大量生物培養(yǎng)方式極微量的生物物質(zhì)得以通過大量生物培養(yǎng)方式進(jìn)行商業(yè)的生產(chǎn)，出現(xiàn)了現(xiàn)代生物加工過程。進(jìn)行商業(yè)的生產(chǎn)，出現(xiàn)了現(xiàn)代生物加工過程。 生物加工過程內(nèi)容生物加工過程內(nèi)容 n優(yōu)育生物物種的選育；優(yōu)育生物物種的選育； n生物反應(yīng)生產(chǎn)粗原料；生物反應(yīng)生產(chǎn)粗原料； n目標(biāo)產(chǎn)物的分離純化過程；目標(biāo)產(chǎn)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(yīng)工程生物反應(yīng)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

9、工過程的沿革n傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)（第一代）傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)（第一代）n19世紀(jì)世紀(jì)60年代年代-20世紀(jì)世紀(jì)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(shù)產(chǎn)品第二代生物技術(shù)產(chǎn)品 20世紀(jì)世紀(jì)40年代年代 n抗生素，有機(jī)酸，核酸，酶制劑，單細(xì)胞蛋白抗生素，有機(jī)酸，核酸，酶制劑，單細(xì)胞蛋白n第三代第三代 20世紀(jì)世紀(jì)70年代中期年代中期n動物細(xì)胞培養(yǎng)動物細(xì)胞培養(yǎng)n植物細(xì)胞培養(yǎng)植物細(xì)胞培養(yǎng)n基因工程發(fā)酵產(chǎn)品基因工程發(fā)酵產(chǎn)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(jié)構(gòu)基因組的研究內(nèi)容結(jié)構(gòu)基因組的研究內(nèi)容Bottleneck結(jié)構(gòu)基因組研究的制約因素結(jié)構(gòu)基因組研究的制約因素 在蛋白質(zhì)克隆和表

10、達(dá)系統(tǒng)被不斷優(yōu)化的同時，分離純化過程蛋白質(zhì)的錯誤折疊及產(chǎn)物的不溶及聚合已成為結(jié)構(gòu)基因組計(jì)劃發(fā)展的制約因素。生物分離技術(shù)與化工分離技術(shù)的區(qū)別生物分離技術(shù)與化工分離技術(shù)的區(qū)別 n化工分離技術(shù)：化工分離技術(shù)：獲得純的化學(xué)物質(zhì)獲得純的化學(xué)物質(zhì)n生物分離技術(shù)：生物分離技術(shù)：在得到純的生物物質(zhì)同時，還必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。須關(guān)注特定雜質(zhì)的去除。 與傳統(tǒng)的化學(xué)試劑的純與傳統(tǒng)的化學(xué)試劑的純度概念不同，生物產(chǎn)物對度概念不同，生物產(chǎn)物對有害物質(zhì)有害物質(zhì)有嚴(yán)格的控制，有嚴(yán)格的控制，生產(chǎn)生產(chǎn)過程過程也要求有嚴(yán)格的也要求有嚴(yán)格的管理，在最終產(chǎn)品中往往管理，在最終產(chǎn)品中往往不允許有極微量的有

11、害雜不允許有極微量的有害雜質(zhì)存在。質(zhì)存在。 工業(yè)應(yīng)用的生物分離技術(shù)工業(yè)應(yīng)用的生物分離技術(shù)n 回收技術(shù)回收技術(shù): : 絮凝，離心，過濾，微過濾。絮凝，離心，過濾，微過濾。n 細(xì)胞破碎技術(shù)細(xì)胞破碎技術(shù): : 球磨，高壓勻漿，化學(xué)破球磨，高壓勻漿，化學(xué)破n 碎技術(shù)碎技術(shù)n 初步純化技術(shù)初步純化技術(shù): : 鹽析法，有機(jī)溶劑沉淀，鹽析法，有機(jī)溶劑沉淀，n 化學(xué)沉淀，大孔吸附樹劑，膜分離技術(shù)化學(xué)沉淀，大孔吸附樹劑，膜分離技術(shù)n 高度純化技術(shù)高度純化技術(shù): : 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，

12、沸騰干n 燥，冷凍干燥，結(jié)晶燥，冷凍干燥，結(jié)晶生物分離與一般化學(xué)分離方法的比較生物分離與一般化學(xué)分離方法的比較n大約大約80%80%的化工分離方法可應(yīng)用于生物分的化工分離方法可應(yīng)用于生物分離技術(shù)；離技術(shù)；n生物分離一般比化工分離難度大；生物分離一般比化工分離難度大；n成分復(fù)雜：固體成分包括完整有機(jī)體、成分復(fù)雜：固體成分包括完整有機(jī)體、培養(yǎng)基及底物中的不溶物。培養(yǎng)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(chǎn)物及目標(biāo)產(chǎn)物。底物可溶物、代謝中產(chǎn)物及目標(biāo)產(chǎn)物。n懸液中的目標(biāo)產(chǎn)物濃度低：懸液中的目標(biāo)產(chǎn)物濃度低：獲得高純度獲得高純度的干燥產(chǎn)品、需要幾步、分離過程精細(xì)，的干燥產(chǎn)品、需要幾

13、步、分離過程精細(xì)，成本高。成本高。 生物技術(shù)產(chǎn)品的類型生物技術(shù)產(chǎn)品的類型n按分子量大小按分子量大小n小分子產(chǎn)品：（小于小分子產(chǎn)品：（小于1000）抗生素，有機(jī)酸，氨基）抗生素，有機(jī)酸，氨基酸酸n大分子產(chǎn)品：（大于大分子產(chǎn)品：（大于1000）酶）酶, 抗體，多肽，蛋白質(zhì)抗體，多肽，蛋白質(zhì)n按產(chǎn)品所處的位置按產(chǎn)品所處的位置n細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞內(nèi): 胰島素，干擾素，重組蛋白質(zhì)胰島素，干擾素，重組蛋白質(zhì)n細(xì)胞外：抗生素，胞外酶細(xì)胞外：抗生素，胞外酶發(fā)酵液中主要的產(chǎn)品含量products Concentration g/l Antibiotics 25 Amino acids 100 Ethanol 100 O

14、rganic acids 100 Enzymes 20 r-DNA protein 10 in n生物產(chǎn)品要求高質(zhì)量：n*purity（純度）（純度）n*sanitation（衛(wèi)生）（衛(wèi)生）n*biological activity（生物活性）（生物活性）n分離過程的成本占產(chǎn)品總投資的大部分：分離過程的成本占產(chǎn)品總投資的大部分：因此必須仔細(xì)考慮和設(shè)計(jì)產(chǎn)品的回收和因此必須仔細(xì)考慮和設(shè)計(jì)產(chǎn)品的回收和純化過程。純化過程。設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮下列問題：設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮下列問題：n1. What is the value of the product? （產(chǎn)品價(jià)值）（產(chǎn)品價(jià)值）n2. What is an acce

15、ptable product quality? ( (產(chǎn)品質(zhì)量）產(chǎn)品質(zhì)量）n3. Where is the product in each process stream? （產(chǎn)物在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的位置）（產(chǎn)物在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的位置）n4. Where are the impurities in each process stream?（雜質(zhì)在生產(chǎn)過程中（雜質(zhì)在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的位置）出現(xiàn)的位置）n5. What are the unusual physicochemical properties of the product and the principal impurities? （主要雜質(zhì)

16、獨(dú)特的物化性質(zhì)是什么？）（主要雜質(zhì)獨(dú)特的物化性質(zhì)是什么？）n6. What are the economics of various alternative separations? （不同分離方法的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較）（不同分離方法的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較）生物分離技術(shù)的重要性生物分離技術(shù)的重要性 n生物產(chǎn)物的特殊性；生物產(chǎn)物的特殊性；n生物產(chǎn)物所處環(huán)境的復(fù)雜性；生物產(chǎn)物所處環(huán)境的復(fù)雜性；n對生物產(chǎn)品要求的嚴(yán)格性；對生物產(chǎn)品要求的嚴(yán)格性； 最終結(jié)果：導(dǎo)致下游加工過程度成本往往最終結(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。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)的一般流程下游

17、加工技術(shù)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(biāo)產(chǎn)物的分離純化過程，標(biāo)產(chǎn)物的分離純化過程，包括包括產(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；多步分離導(dǎo)致收率降低；Separation Processes: Extractors溶質(zhì)在二個互不相容的溶劑的分配溶質(zhì)在二個互不相容的溶劑的分配系數(shù)不同，所造成的溶質(zhì)的轉(zhuǎn)移。系數(shù)不同，所造成的溶質(zhì)的轉(zhuǎn)移。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

18、細(xì)胞破碎細(xì)胞破碎n產(chǎn)物濃度和質(zhì)量得到了提高產(chǎn)物濃度和質(zhì)量得到了提高B:產(chǎn)物分離產(chǎn)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(tuán)萃取反微團(tuán)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(jìn)行初分以上分離過程不具備特異性，只是進(jìn)行初分,可提可提高產(chǎn)物濃度和質(zhì)量高產(chǎn)物濃度和質(zhì)量C:產(chǎn)品純化產(chǎn)品純化n色譜n電泳n沉淀n以上技術(shù)具有產(chǎn)物的高選擇性和雜質(zhì)的去除性以上技術(shù)具有產(chǎn)物的高選擇性和雜質(zhì)的去除性nD. Polishing （產(chǎn)品的精制）（產(chǎn)品的精制）n *crystallization（結(jié)晶）（結(jié)晶）n

19、 *drying （干燥）（干燥） 中藥動態(tài)水提取生產(chǎn)線流程圖中藥動態(tài)水提取生產(chǎn)線流程圖 * Ethanol from fermentation.蒸餾器冷凝器冷凝器酒精可溶性產(chǎn)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(fā)酵麥芽汁Production of monosodium glutamate 味精注射器結(jié)晶 油水分離器 母液Recovery of an extracellular enzymeRecovery of intrac

20、ellular enzymesRecovery of penicillin霉菌 菌絲體雜質(zhì) 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(shù)的選擇依據(jù)分離技術(shù)的選擇依據(jù)n產(chǎn)物所處的位置；產(chǎn)物所處的位置；n產(chǎn)物性質(zhì)（分子大小、疏水性、產(chǎn)物性質(zhì)（分子大小、疏水性、電荷形式和溶解度等）；電荷形式和溶解度等）；n生物加工過程自身的規(guī)模和產(chǎn)生物加工過程自身的規(guī)模和產(chǎn)品的商業(yè)價(jià)值；一種目標(biāo)

21、產(chǎn)物品的商業(yè)價(jià)值；一種目標(biāo)產(chǎn)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(jù)生產(chǎn)的規(guī)模和價(jià)值，選擇合據(jù)生產(chǎn)的規(guī)模和價(jià)值，選擇合適的分離技術(shù)適的分離技術(shù) 生物下游加工過程的特點(diǎn)生物下游加工過程的特點(diǎn) n滿足滿足維持維持生物物質(zhì)生物物質(zhì)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(zhì)去除雜質(zhì)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(yōu)化成本優(yōu)化的要求的要求 生物分離本質(zhì)生物分離本質(zhì) 有效地識別混合物中不同溶質(zhì)間有效地識別混合物中不同溶質(zhì)間物物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)的差別，利用能的差別，利用能夠識別這些差別的分離

22、介質(zhì)和（或）擴(kuò)夠識別這些差別的分離介質(zhì)和（或）擴(kuò)大這些差別的分離設(shè)備實(shí)現(xiàn)溶質(zhì)間的分大這些差別的分離設(shè)備實(shí)現(xiàn)溶質(zhì)間的分離或目標(biāo)組分的純化。離或目標(biāo)組分的純化。常用的分離技術(shù)及其機(jī)理常用的分離技術(shù)及其機(jī)理物理性質(zhì)物理性質(zhì)力學(xué)性質(zhì)力學(xué)性質(zhì)重力、離心力、篩分重力、離心力、篩分 熱力學(xué)性質(zhì)熱力學(xué)性質(zhì)狀態(tài)變化、相平衡狀態(tài)變化、相平衡 傳質(zhì)性質(zhì)傳質(zhì)性質(zhì)粘度、擴(kuò)散、熱擴(kuò)散粘度、擴(kuò)散、熱擴(kuò)散 電磁性質(zhì)電磁性質(zhì)電泳、電滲、磁化電泳、電滲、磁化化學(xué)性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)化學(xué)熱力學(xué)化學(xué)熱力學(xué)化學(xué)平衡化學(xué)平衡 反應(yīng)動力學(xué)反應(yīng)動力學(xué)反應(yīng)速率反應(yīng)速率 光化學(xué)性質(zhì)光化學(xué)性質(zhì)激光激發(fā)、離子化激光激發(fā)、離子化生物學(xué)性質(zhì)生物學(xué)性質(zhì)分子識別分

23、子識別生物親和作用、生物學(xué)識別生物親和作用、生物學(xué)識別 輸送性質(zhì)輸送性質(zhì)生物膜輸送生物膜輸送 反應(yīng)、響應(yīng)、控制反應(yīng)、響應(yīng)、控制免疫系統(tǒng)免疫系統(tǒng)分分離離過過程程分離效果的評價(jià)分離效果的評價(jià)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(zhì)分離的程度。通常有兩種定義：物質(zhì)分離的程度。通常有兩種定義：(1)單級分離系數(shù)，表示物料中兩種物質(zhì)在某一單元分單級分離系數(shù)，表示物料中兩種物質(zhì)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(shù)，表示物料中兩種物質(zhì)在經(jīng)過流程分離系數(shù)，表示物料中兩種物質(zhì)在經(jīng)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(shù)又稱分離系數(shù)(separation factor)，它的定義是：在一定的條件下，進(jìn)行萃