13．下游加工過程概論生物分離工程：回收生物產品分離過程原理與方法生物技術下游加工過程（DownstreamProcessing）生物化工產品通過微生物發酵過程,酶反應過程或動植物細胞大量培養獲得,從發酵液或培養液中分離精制有關產品的過程13．下游加工過程概論生物分離工程：回收生物產品分離過程1概論知識點：l

下游加工過程在生物技術中的地位l

傳統生化產品和基因工程產品回收方法的比較l

生物技術下游加工過程的特點l

生化分離工程的一般流程和單元操作l

選擇純化方法的依據l

非蛋白質類雜質的去除重點：

掌握下游加工過程的概念、特點及其操作的常規程序

了解生化工程的地位及其發展趨勢難點：

√不同種類的產品分離純化的一般流程和單元操作概論知識點：2天然產物研究研發平臺生物堿產品：有機酸產品:黃酮產品：皂苷產品：活性多糖產品：天然色素產品：現代分離組合技術和集成技術：天然產物研究研發平臺生物堿產品：3①“銀杏葉綜合利用技術”項目①“銀杏葉綜合利用技術”項目4銀杏葉黃酮銀杏葉黃酮5銀杏內酯銀杏內酯6銀杏酸銀杏酸7聚戊烯醇聚戊烯醇8②“柚子全組分綜合利用技術”項目②“柚子全組分綜合利用技術”項目9③“枇杷全組分綜合利用技術”項目③“枇杷全組分綜合利用技術”項目10不同蛋白質的溶解度與硫酸銨濃度關系不同蛋白質的溶解度與硫酸銨濃度關系112.1生物技術樹2.1生物技術樹12生物科學與生物技術及其產業的關系生物科學與生物技術及其產業的關系13生物技術多學科性生物技術多學科性142.2生物技術所涉及的行業種類2.2生物技術所涉及的行業種類152.3美國生物技術產品銷售預測2.3美國生物技術產品銷售預測16美國工業化生物技術研究與發展基金分布圖美國工業化生物技術研究與發展基金分布圖17傳統發酵與現代發酵比較傳統發酵與現代發酵比較18生物技術各分類間關系生物技術各分類間關系19生物技術發展簡史傳統生物技術4000年前中國、埃及、兩河流域釀酒造醋初期生物技術1680年荷蘭Leenwenhoek顯微鏡1857年法國Pasteur酒精發酵滅菌法1897年德國Buchner酶近代生物技術1943年美英青霉素深層發酵現代生物技術1953年

1944年闡明了DNA是遺傳信息的攜帶者。

1953年提出了DNA的雙螺旋結構模型，闡明了DNA的半保留復制模式，從而開辟了分子生物學研究的新紀元。

1961年等破譯了遺傳密碼，揭開了DNA編碼的遺傳信息是如何傳遞給蛋白質這一秘密。

DNA的雙螺旋結構模型

1972年首先實現了DNA體外重組技術，標志著生物技術的核心技術——基因工程技術的開始。生物技術發展簡史傳統生物技術20(生化工程課件)下游加工過程概論21(生化工程課件)下游加工過程概論22(生化工程課件)下游加工過程概論23(生化工程課件)下游加工過程概論24(生化工程課件)下游加工過程概論25(生化工程課件)下游加工過程概論26生物技術的最新進展

(1)基因工程方面試管嬰兒、細胞融合、蛋白質序列分析，人參培養(2)

生物反應器連續式，柱式、固定化酶、固定化細胞反應器

(3)發酵技術如：固定化酶、固定化細胞技術

生物技術的最新進展(1)基因工程方面2713.1生物下游加工在生物技術中的地位分離工程研發費用與成本

研究費用：50%以上產品成本：40-80%人力物力：70-90%13.1生物下游加工在生物技術中的地位分離工程研發費用與成2813.2傳統生物產品與基因工程產品回收方法的比較傳統產品

(1)小分子（少數工業用粗酶）(2)理化性質清楚(3)易于放大基因產品(1)大分子(2)胞內(3)不穩定(4)放大困難13.2傳統生物產品與基因工程產品回收方法的比較傳統產品29生物技術產品的類型按分子量大小小分子產品：（小于1000）抗生素，有機酸，氨基酸大分子產品：（大于1000）酶,抗體，多肽，蛋白質按產品所處的位置細胞內:胰島素，干擾素，重組蛋白質細胞外：抗生素，胞外酶生物技術產品的類型按分子量大小30

13.3生物技術下游加工過程特點生物產品特點：①產物濃度低的水溶液(原因：a氧傳遞限制；b細胞量;c產物抑制②組分復雜(a大分子;b小分子;c可溶物;d不可溶物;e化學添加物③產物穩定性差(a化學降解(pH,溫度);b微生物降解（酶作用，染菌）④分批操作，生物變異性大⑤質量要求高（藥品或食品）13.3生物技術下游加工過程特點生物產品特點：31發酵液中目標物濃度與產品售價發酵液中目標物濃度與產品售價32發酵液中目標物濃度與分離步聚的關系發酵液中目標物濃度與分離步聚的關系3313.4生物分離的流程與單元操作①細胞回收技術:絮凝，離心，過濾，微過濾。②細胞破碎技術:球磨，高壓勻漿，化學破碎技術③初步純化技術:吸附劑，離子交換，沉淀（鹽析法，有機溶劑沉淀，等電點，沉淀劑），溶劑萃取，兩水相萃取，超臨界萃取，逆膠束萃取，膜分離技術④高度純化技術:各類層析，親和，疏水，聚焦，離子交換，結晶⑤成品加工：濃縮，除菌與熱原，噴霧干燥，氣流干燥，沸騰干燥，冷凍燥13.4生物分離的流程與單元操作①細胞回收技術:絮凝3413.4生物下游加工過程的一般步聚13.4生物下游加工過程的一般步聚35(生化工程課件)下游加工過程概論36逆膠束示意圖逆膠束示意圖37表面活性劑溶于水在水中聚集一起形成（正膠束）;極性基團在外,非極性基團在內,溶解非極性物質;將表面活性劑溶于水中，當其濃度超過臨界膠束濃度(CMC)時，表面活性劑就會在水溶液中聚集在一起而形成聚集體，在通常情況下，這種聚集體是水溶液中的膠束，稱為正常膠束(normalmicelle)。結構示意見圖a。1、膠束與反膠束的形成a在膠束中，表面活性劑的排列方向是極性基團在外，與水接觸，非極性基團在內，形成一個非極性的核心、在此核心可以溶解非極性物質。正膠束表面活性劑溶于水在水中聚集一起形成（正膠束）;極性基團在外,38表面活性劑(雙親物質)在非極性有機溶劑中,并使其濃度超過臨界膠束濃度(CMC)，便會在有機溶劑內自發形成聚集體,又稱為反膠團、逆膠束(inversemicelle),極核具溶解極性物能力;其結構示意見圖b。在反膠束中，表面活性劑的非極性基團在外與非極性的有機溶劑接觸，而極性基團則排列在內形成一個極性核(po1arcore)。極性核溶解水后，就形成了“水池”(waterpool)。當含有此種反膠束的有機溶劑與蛋白質的水溶液接觸后，蛋白質及其他親水物質能夠通過螯合作用進入此“水池”。由于周圍水層和極性基團的保護，保持了蛋白質的天然構型，不會造成失活。蛋白質的溶解過程和溶解后的情況示意于圖c中。bc反膠束表面活性劑(雙親物質)在非極性有機溶劑中,并使其濃度超過臨界3913.5生物下游加工過程的選擇準則①步聚少②次序合理③產品規格（注射，非注射）④生產規模⑤物料組成⑥產品形式固體適當結晶，液體，適當濃縮⑦產品穩定性⑧物性溶解度，分子電荷，分子大小，功能團，穩定性，揮發性⑨危害性⑩廢水處理13.5生物下游加工過程的選擇準則①步聚少4013.6非蛋白類雜質的去除（1）DNAA陰離子交換（pH4.0)B親和層析（不被吸附）C疏水層析（2）熱原（蛋白質溶液中的去熱原）A生產過程無菌B所有層析介質無菌C所用溶液無菌D親和層析（多粘菌素）（3）去病毒A加熱（60C)B過濾C滅活劑13.6非蛋白類雜質的去除（1）DNA4113.7目標蛋白的表征和分析方法（1）HPLC（2）SDS（3）氨基酸順序分析（4）氨基酸，肽圖，免疫化學（5）與標準品對照分析13.7目標蛋白的表征和分析方法（1）HPLC42

⑴操作集成化⑵方法集成化⑶大分子與大分子分離方法的相互滲透⑷親和技術的推廣使用和親和配基的人工合成⑸優質層析介質的開發⑹基因工程對下游過程的影響⑺發酵與提取相耦合13.8發展趨向⑴操作集成化13.8發展趨向4313.9下游加工過程的沿革傳統產業（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產品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植物細胞培養基因工程發酵產品13.9下游加工過程的沿革傳統產業（第一代）4413.10生物分離工程的發展動向（1）操作集成化（擴張床，兩水相）（2）方法集成化（親和與膜結合）（3）大分子與小分子相互滲透（兩水相大分子向小分子分配）

（4）親和技術推廣與配基合成（分子印跡）（5）優質層析介質開發（大孔親水介質，貫注層析介質）（6）下游技術與上游技術相結合(藕合分離）（7）改進上游因素（改進菌種，培養基與發酵條件）（8）改善環境相容性13.10生物分離工程的發展動向（1）操作集成化（擴張床4513.11分離效率評價13.11分離效率評價4613.11分離效率評價13.11分離效率評價47思考題：1生物產品與普通化工產品分離過程有何不同？2設計生物產品的分離工藝應考慮哪些因素？3初步純化與高度純化分離效果有何不同？4如何除去蛋白質溶液中的熱原質？5生物分離為何主張采用集成化技術？6純化生物產品的得率是如何計算的？若每一步純化產物得率為90%，共6步純化得到符合要求產品，其總收率是多少？思考題：1生物產品與普通化工產品分離過程有何不同？4813．下游加工過程概論生物分離工程：回收生物產品分離過程原理與方法生物技術下游加工過程（DownstreamProcessing）生物化工產品通過微生物發酵過程,酶反應過程或動植物細胞大量培養獲得,從發酵液或培養液中分離精制有關產品的過程13．下游加工過程概論生物分離工程：回收生物產品分離過程49概論知識點：l

下游加工過程在生物技術中的地位l

傳統生化產品和基因工程產品回收方法的比較l

生物技術下游加工過程的特點l

生化分離工程的一般流程和單元操作l

選擇純化方法的依據l

非蛋白質類雜質的去除重點：

掌握下游加工過程的概念、特點及其操作的常規程序

了解生化工程的地位及其發展趨勢難點：

√不同種類的產品分離純化的一般流程和單元操作概論知識點：50天然產物研究研發平臺生物堿產品：有機酸產品:黃酮產品：皂苷產品：活性多糖產品：天然色素產品：現代分離組合技術和集成技術：天然產物研究研發平臺生物堿產品：51①“銀杏葉綜合利用技術”項目①“銀杏葉綜合利用技術”項目52銀杏葉黃酮銀杏葉黃酮53銀杏內酯銀杏內酯54銀杏酸銀杏酸55聚戊烯醇聚戊烯醇56②“柚子全組分綜合利用技術”項目②“柚子全組分綜合利用技術”項目57③“枇杷全組分綜合利用技術”項目③“枇杷全組分綜合利用技術”項目58不同蛋白質的溶解度與硫酸銨濃度關系不同蛋白質的溶解度與硫酸銨濃度關系592.1生物技術樹2.1生物技術樹60生物科學與生物技術及其產業的關系生物科學與生物技術及其產業的關系61生物技術多學科性生物技術多學科性622.2生物技術所涉及的行業種類2.2生物技術所涉及的行業種類632.3美國生物技術產品銷售預測2.3美國生物技術產品銷售預測64美國工業化生物技術研究與發展基金分布圖美國工業化生物技術研究與發展基金分布圖65傳統發酵與現代發酵比較傳統發酵與現代發酵比較66生物技術各分類間關系生物技術各分類間關系67生物技術發展簡史傳統生物技術4000年前中國、埃及、兩河流域釀酒造醋初期生物技術1680年荷蘭Leenwenhoek顯微鏡1857年法國Pasteur酒精發酵滅菌法1897年德國Buchner酶近代生物技術1943年美英青霉素深層發酵現代生物技術1953年

1944年闡明了DNA是遺傳信息的攜帶者。

1953年提出了DNA的雙螺旋結構模型，闡明了DNA的半保留復制模式，從而開辟了分子生物學研究的新紀元。

1961年等破譯了遺傳密碼，揭開了DNA編碼的遺傳信息是如何傳遞給蛋白質這一秘密。

DNA的雙螺旋結構模型

1972年首先實現了DNA體外重組技術，標志著生物技術的核心技術——基因工程技術的開始。生物技術發展簡史傳統生物技術68(生化工程課件)下游加工過程概論69(生化工程課件)下游加工過程概論70(生化工程課件)下游加工過程概論71(生化工程課件)下游加工過程概論72(生化工程課件)下游加工過程概論73(生化工程課件)下游加工過程概論74生物技術的最新進展

(1)基因工程方面試管嬰兒、細胞融合、蛋白質序列分析，人參培養(2)

生物反應器連續式，柱式、固定化酶、固定化細胞反應器

(3)發酵技術如：固定化酶、固定化細胞技術

生物技術的最新進展(1)基因工程方面7513.1生物下游加工在生物技術中的地位分離工程研發費用與成本

研究費用：50%以上產品成本：40-80%人力物力：70-90%13.1生物下游加工在生物技術中的地位分離工程研發費用與成7613.2傳統生物產品與基因工程產品回收方法的比較傳統產品

(1)小分子（少數工業用粗酶）(2)理化性質清楚(3)易于放大基因產品(1)大分子(2)胞內(3)不穩定(4)放大困難13.2傳統生物產品與基因工程產品回收方法的比較傳統產品77生物技術產品的類型按分子量大小小分子產品：（小于1000）抗生素，有機酸，氨基酸大分子產品：（大于1000）酶,抗體，多肽，蛋白質按產品所處的位置細胞內:胰島素，干擾素，重組蛋白質細胞外：抗生素，胞外酶生物技術產品的類型按分子量大小78

13.3生物技術下游加工過程特點生物產品特點：①產物濃度低的水溶液(原因：a氧傳遞限制；b細胞量;c產物抑制②組分復雜(a大分子;b小分子;c可溶物;d不可溶物;e化學添加物③產物穩定性差(a化學降解(pH,溫度);b微生物降解（酶作用，染菌）④分批操作，生物變異性大⑤質量要求高（藥品或食品）13.3生物技術下游加工過程特點生物產品特點：79發酵液中目標物濃度與產品售價發酵液中目標物濃度與產品售價80發酵液中目標物濃度與分離步聚的關系發酵液中目標物濃度與分離步聚的關系8113.4生物分離的流程與單元操作①細胞回收技術:絮凝，離心，過濾，微過濾。②細胞破碎技術:球磨，高壓勻漿，化學破碎技術③初步純化技術:吸附劑，離子交換，沉淀（鹽析法，有機溶劑沉淀，等電點，沉淀劑），溶劑萃取，兩水相萃取，超臨界萃取，逆膠束萃取，膜分離技術④高度純化技術:各類層析，親和，疏水，聚焦，離子交換，結晶⑤成品加工：濃縮，除菌與熱原，噴霧干燥，氣流干燥，沸騰干燥，冷凍燥13.4生物分離的流程與單元操作①細胞回收技術:絮凝8213.4生物下游加工過程的一般步聚13.4生物下游加工過程的一般步聚83(生化工程課件)下游加工過程概論84逆膠束示意圖逆膠束示意圖85表面活性劑溶于水在水中聚集一起形成（正膠束）;極性基團在外,非極性基團在內,溶解非極性物質;將表面活性劑溶于水中，當其濃度超過臨界膠束濃度(CMC)時，表面活性劑就會在水溶液中聚集在一起而形成聚集體，在通常情況下，這種聚集體是水溶液中的膠束，稱為正常膠束(normalmicelle)。結構示意見圖a。1、膠束與反膠束的形成a在膠束中，表面活性劑的排列方向是極性基團在外，與水接觸，非極性基團在內，形成一個非極性的核心、在此核心可以溶解非極性物質。正膠束表面活性劑溶于水在水中聚集一起形成（正膠束）;極性基團在外,86表面活性劑(雙親物質)在非極性有機溶劑中,并使其濃度超過臨界膠束濃度(CMC)，便會在有機溶劑內自發形成聚集體,又稱為反膠團、逆膠束(inversemicelle),極核具溶解極性物能力;其結構示意見圖b。在反膠束中，表面活性劑的非極性基團在外與非極性的有機溶劑接觸，而極性基團則排列在內形成一個極性核(po1arcore)。極性核溶解水后，就形成了“水池”(waterpool)。當含有此種反膠束的有機溶劑與蛋白質的水溶液接觸后，蛋白質及其他親水物質能夠通過螯合作用進入此“水池”。由于周圍水層和極性基團的保護，保持了蛋白質的天然構型，不會造成失活。蛋白質的溶解過程和溶解后的情況示意于圖c中。bc反膠束表面活性劑(雙親物質)在非極性有機溶劑中,并使其濃度超過臨界8713.5生物下游加工過程的選擇準則①步聚少②次序合理③產品規格（注射，非注射）④生產規模⑤物料組成⑥產品形式固體適當結晶，液體，適當濃縮⑦產品穩定性⑧物性溶解度，分子電荷，分子大小，功能團，穩定性，揮發性⑨危害性⑩廢水處理13.5生物下游加工過程的選擇準則①步聚少8813.6非蛋白類雜質的去除（1）DNAA陰離子交換（pH4.0)B親和層析（不被吸附）C疏水層析（2）熱原（蛋白質溶液中的去熱原）A生產過程無菌B所有層析介質無菌C所用溶液無菌D親和層析（多粘菌素）（3）去病毒A加熱（60C)B過濾C滅活劑13.6非蛋白類雜質的去除（1