生物分离工程

生物分离工程曹学君[e-mail]T:642526951391699488013绪论13.1概述生物分离工程：回收生物产品分离过程原理与方法生物技术下游加工过程（DownstreamProcessing）生物工程研究领域微生物培养动物细胞培养植物细胞培养天然资源生化材料海洋生物培养生物工程产业领域生物制药（抗生素，基因重组蛋白，氨基酸，疫苗，菌苗，天然药物，生化药物，血液制品，抗体，多糖，多肽）生物化工（乳酸，柠檬酸，苹果酸，丙烯酸，甘油，异丙醇，乙烯）生物能源（甲醇，乙醇，生物柴油，生物汽油）生物材料（明胶，胶原蛋白，人造皮肤，从造骨，人造脏器）生物医学（诊断试剂，基因治疗，人及生物克隆）环境生物（环境治理，水污染，土壤污染，风沙治理）生物食品（醋，啤酒业，酿酒，乳制品，奶制品）生物资源（动物，植物，微生物）生物农业（基因食品，基因植物）生物工程的上中下游上游：菌种，基因工程，分子生物学，遗传学中游：微生物发酵工程，动植物细胞，海洋生物培养下游：生物分离工程13.2特点与重要性生物产品特点：①产物浓度低的水溶液(原因：a氧传递限制；b细胞量;c产物抑制②组分复杂(a大分子;b小分子;c可溶物;d不可溶物;e化学添加物③产物稳定性差(a化学降解(pH,温度);b微生物降解（酶作用，染菌）④质量要求高（药品或食品）13.3生物分离工艺要求(1)高纯度(2)大规模(3)经济性(4)生物相容性治疗用途的生物药物质量要求(1)效价(2)鉴定(3)毒性试验(4)核酸(5)均一(6)无冲突活性生物过程开发目标(1)产品在最短时间内进入市场(2)符合所有安全要求(3)工艺成本适当(4)可靠(5)安全（放大期间安全尤为重要）生物分离的经济性(1)生物分离至少占总成本50%(2)仅付出5%努力(3)降低废物排放（产品：废物=1:3250)(4)工艺改造质量控制意义(1)来自管理机构的压力(2)公众的觉醒(3)市场扩张与竞争(4)安全(5)提高专一性作用，减少负作用非蛋白类杂质的去除（1）DNAA阴离子交换（pH4.0)B亲和层析（不被吸附）C疏水层析（2）热原（蛋白质溶液中的去热原）A生产过程无菌B所有层析介质无菌C所用溶液无菌D亲和层析（多粘菌素）（3）去病毒A加热（60C)B过滤C灭活剂目标蛋白的表征和分析方法（1）HPLC（2）SDS-PAGE（3）氨基酸顺序分析（4）氨基酸，肽图，免疫化学（5）与标准品对照分析分离工程研发费用与成本研究费用：50%以上产品成本：40-80%人力物力：70-90%13.4生物下游加工过程的一般步聚工业应用的生物分离技术①回收技术:絮凝，离心，过滤，微过滤。②细胞破碎技术:球磨，高压匀浆，化学破碎技术③初步纯化技术:盐析法，有机溶剂沉淀，化学沉淀，大孔吸附树剂，膜分离技术④高度纯化技术:各类层析，亲和，疏水，聚焦，离子交换⑤成品加工喷雾干燥，气流干燥，沸腾干燥，冷冻干燥，结晶13.5生物技术产品的类型按分子量大小小分子产品：（小于1000）抗生素，有机酸，氨基酸大分子产品：（大于1000）酶,抗体，多肽，蛋白质按产品所处的位置细胞内:胰岛素，干扰素，重组蛋白质细胞外：抗生素，胞外酶13.6下游加工过程的沿革传统产业（第一代）19世纪60年代-20世纪50年代酒精，丙酮，丁醇第二代生物技术产品20世纪40年代抗生素，有机酸，核酸，酶制剂，单细胞蛋白第三代20世纪70年代中期动物细胞培养植物细胞培养基因工程发酵产品13.7生物下游加工过程的选择准则①步聚少②次序合理③产品规格（注射，非注射）④生产规模⑤物料组成⑥产品形式固体适当结晶，液体，适当浓缩⑦产品稳定性⑧物性溶解度，分子电荷，分子大小，功能团，稳定性，挥发性⑨危害性⑩废水处理13.8生物技术下游加工过程的发展动向①基础理论研究A选择性分离剂B数学模型②应用研究A新老技术的深化研究与融合B下游技术与上游技术相结合(藕合分离）C强化化学作用对分离能力的影响D改进上游因素（改进菌种，培养基与发酵条件）③工程问题研究④改善环境相容性13.9现代生物分离程的研究方向与特点（1）大规模，高选择性（液膜萃取，逆胶束萃取，两水相萃取，反渗透，纳米过滤，渗透蒸发，亲和膜过滤，亲和错流过滤，亲和沉淀，分子模板，分子筛，分子蒸馏）（2）集成化（扩张床，两水相，液膜分离）（3）快速分离（贯注层析）（4）极端条件下分离（超临界，超声波，超重力）（5）在位分离（边发酵边分离）（6）环境相容（超临界）（7）可再生循环（亲和沉淀，可再生两水相）膜技术分子印迹分离超临界流体分离PhaseseparationTopphaseBottomphaseRecycleLightLightRecyclingPolymersFormingAqueousTwo-phaseSystems13.10分离过程评价分离效率评价思考题1生物产品与普通化工产品分离过程有何不同？2设计生物产品的分离工艺应考虑哪些因素？3初步纯化与高度纯化分离效果有何不同？4分离纯化的得率与纯化倍数如何计算？5现化生物分离工程研究方向有哪些特点？