生物分的离工程绪论.doc

1 绪 论 1.1生物技术与生物分离 生物技术（biotechnology）即有机体的操作和应用有机体生产有用物质、改善人类生存环境的技术。 1953年，Watson和Crick提出了脱氧核苷酸（DNA）的双螺旋结构模型，阐明了DNA是生物遗传信息（基因）的携带者，开辟了现代分子生物学的新纪元，为生物技术及其产业的发展开辟了广阔的空间。20世纪70年代，重组DNA（recombinant DNA,rDNA）技术和细胞融合技术相继建立，现代生物技术步入了崭新的发展时期。1980年前后，世界主要发达国家先后实施生物技术发展计划，生物技术迎来了日新月异的高速发展阶段。进入21世纪，人类基因组研究取得巨大成就，各染色体测序工作逐步完成，迎来了生物技术的后基因组时代，蛋白质组学、药物基因组学、生物信息学和系统生物学研究蓬勃兴起，为生物技术的发展注入了巨大的生机和活力。 生物技术的主要目标是生物物质的高效生产，而分离纯化是生物产品工程（bioproduct engineering）的重要环节。因此，生物分离（biopseparation）是生物技术的重要组成部分。在生物技术领域，一般将生物产品的生产过程称为生物加工过程（bioprocess），包括优良生物物种的选育、基因工程、细胞工程、生物反应过程（酶反应、微生物发酵、动植物细胞培养等）及目标产物的分离纯化过程，后者又称下游加工过程（downstream processing）。生物分离过程包括目标产物的提取（isolation）、浓缩（concentration）、纯化（pruification）及成品化（product polishing）等过程。生物分离过程特性主要体现在生物产物的特殊性、复杂性和对生物产品要求的严格性上，其结果导致分离过程成本往往约占生产过程成本的大部分。例如，大多数工业酶（enzyme）的分离过程成本约占70%，而对纯度要求更高的医用酶如天冬酰胺酶（asparaginase）,分离过程成本高达生产过程的85%；基因重组蛋白质药物的分离过程成本一般占85%~90%以上。与此相比，小分子生物产物的分离成本较低，如青霉素的分离过程成本约占50%，而乙醇的分离过程成本仅占14%。因此，在生物大分子药物的生产过程中，分离过程的质量往往决定整个生物加工过程的成败。开发高效的分离技术、设计合理的生物分离过程可大幅度降低生物加工过程成本，提高产品的市场竞争力，促进人类健康水平和生活质量的提高以及社会经济的发展。 图1.1生物分离过程的一般流程 （括号内为各步骤的主要分离纯化方法） 生物物质和生物分离 1.2.1生物物质 生物物质种类繁多，包括小分子化学物、生物大分子、超大分子、细胞和具有复杂结构与构成成分的生物体组织，在大小、形态和性质上具有广泛的分布。生物物质的来源包括自然界存在的各种生物资源，但现代生物技术主要通过生物反应过程生产各种有用生物物质，如生物医药、疫苗、诊断试剂、精细生物化学品、大宗生物化学品、生物材料、生物能源（生物制氢、生物柴油）、人工器官、药物输送载体、功能食品和添加剂、饲料、化妆品等。常见的生物制品有抗生素、有机酸、氨基酸、多肽、蛋白质（包括酶、抗体0、核苷酸、聚核苷酸、核酸、病毒、糖类脂类、生物碱、糖苷等，其中与人类健康直接相关的治疗药物和疫苗是生物分离工程研究的重要内容。 现代生物技术产品的主体是蛋白质药物，包括细胞因子（如干扰素、生长因子、红细胞生成素）、激素（如胰岛素、生长激素）、抗体药物（单克隆抗体）、抗体片段、基因工程抗体）、酶类药物、溶血栓药物、（如尿激酶、组织纤溶酶原激活剂）等。在功能基因组学和蛋白质组学研究的推动下，蛋白质药物将获得更大发展。近年来，基因工程疫苗、反义核酸药物和核酸疫苗研究进展迅速，为治疗和预防各种疑难疾病开辟了新的发展空间。同时，随着2004年初第一个基因治疗药物获得生产批文，基因治疗也进入了新的发展时期。基因治疗药物的主体是目的基因的载体（vector）。基因治疗载体包括病）毒载体（如腺病毒、逆转录病毒）和非病毒载体（如质粒DNA），其相对分子质量（或颗粒尺寸）均远大于蛋白质（相对分子质量106~107数量级，尺寸30~1000nm）,可称作超大生物分子，其大规模分离纯化为生物分离纯化为生物分离工程的发展带来了新的机遇和挑战。 1.2.2生物分离过程 生物分离的原料主要来源于生物反应过程。生物反应的产物一般是由细胞、游离的细胞外代谢产物、细胞内代谢产物、残余底物及惰性组分组成的混合液。常见生物药物和天然药物（中药）的分离制备过程已编辑成书或手册可供参考。图1.1是通过细胞（包括微生物和动植物细胞）培养生产生物物质的分离过程的一般流程。首先，将细胞与培养液分离开来。若目标产物存