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生物分离工程 13 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（Downstream Processing） 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（pH 4.0) 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 （60 C) B 过滤 C 灭活剂 目标蛋白的表征和分析方法 （1） HPLC （2） SDS （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% 1.4 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 1.5 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 1.6 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 1.7 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 1.8 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