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1、生物工程下游技术 （Downstream technology of bioengineering）,学时安排 （40学时）,课堂授课 35 学时 实验演示 3 学时（实验室） 讨论与交流 1 学时 期末复习 1 学时 答疑 2 学时（非课堂） 自学 4 学时（非课堂）,学时安排,参考书目,参考教材： 生物分离工程 孙彦编著，化学工业出版社，2005年。 主要参考书目 生物工程下游技术 刘国诠主编，2002年。 生物分离工程田瑞华，科学出版社，2008年 生物产品分离纯化技术 李从军等，华中师范大学出版社，2009年。 Bioseparation Process ScienceAntonio
2、A. Garca等。,第一章 绪论,3学时,内容提要,生物下游加工技术简介 生物下游加工过程的特点 分离机理和分离操作 生物物质 分离效率的评价,学习目的和要求,要求：对本课程有比较初步的认识； 掌握：生物下游加工技术的特点；生物分离过程的单元操作原理； 了解：生物分离技术的研究内容和发展情况；生物物质的种类和特性；下游加工过程的一般流程； 应用：运用生物分离技术的评价方法分析实际问题。,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
3、） 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，动植物细胞培养 海洋生物培养 下游：生物分离工程,菌种筛选,摇瓶实验,发酵罐实验,生物技术的目标就是指利用培养微生物、动物细胞、植物细胞来生
4、产对人有用的产品。,何谓工程（学）？,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. 将科学及数学原理运用于实际用途的应用手段，如设计、制造并操纵高效、经济的结构、机器、过程及系统 -美国传统词典,早期的生物工程的萌芽,美国和英国合作对青霉素进行生产研究
5、（1941年），出现表面培养：1升扁瓶或锥形瓶，内装200mL麦麸培养基 40u/ml,Alexander Fleming （1928）,生物工程的萌芽,1943年沉浸培养： 5m3 200u/ml 当今：100m3200m3 5-7万u/ml,生物分离工程的萌芽,Golden Time概念的提出 血液制品的生产,1953年，DNA双螺旋结构的发现 1972年，美国斯坦福大学构建了第一个重组DNA分子 1996年，克隆羊“多利”诞生在英国的罗斯林研究所 1990-2006，人类基因组计划 现在，生物信息、生物芯片、胚胎干细胞等,生命科学的发展带动生物工程的进步,现代生物技术的兴起,两项技术 第
6、一个含有外源基因的重组质粒在细菌内增殖成功（1973年） 细胞融合技术（1975年） 直接结果： 上述两项技术的直接此前天然存在于生物体内极微量的生物物质得以通过大量生物培养方式进行商业的生产，出现了现代生物加工过程。,生物加工过程内容,优育生物物种的选育； 生物反应生产粗原料； 目标产物的分离纯化过程；,基因工程 遗传与育种,生物反应工程,生物分离工程,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
7、酵产品,生物下游加工过程的一般步聚,结构基因组的研究内容,结构基因组研究的制约因素,在蛋白质克隆和表达系统被不断优化的同时，分离纯化过程蛋白质的错误折叠及产物的不溶及聚合已成为结构基因组计划发展的制约因素。,生物分离技术与化工分离技术的区别,化工分离技术：获得纯的化学物质 生物分离技术：在得到纯的生物物质同时，还必须关注特定杂质的去除。,与传统的化学试剂的纯度概念不同，生物产物对有害物质有严格的控制，生产过程也要求有严格的管理，在最终产品中往往不允许有极微量的有害杂质存在。,工业应用的生物分离技术, 回收技术: 絮凝，离心，过滤，微过滤。 细胞破碎技术: 球磨，高压匀浆，化学破 碎技术 初步纯
8、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 高度纯化技术: 各类层析，亲和，疏水， 聚焦，离子交换 成品加工： 喷雾干燥，气流干燥，沸腾干 燥，冷冻干燥，结晶,生物分离与一般化学分离方法的比较,大约80%的化工分离方法可应用于生物分离技术； 生物分离一般比化工分离难度大； 成分复杂：固体成分包括完整有机体、培养基及底物中的不溶物。液体成分包括底物可溶物、代谢中产物及目标产物。,悬液中的目标产物浓度低：获得高纯度的干燥产品、需要几步、分离过程精细，成本高。,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）
9、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,发酵液中主要的产品含量,生物产品要求高质量： *purity（纯度） *sanitation（卫生） *biological activity（生物活性）,分离过程的成本占产品总投资的大部分：因此必须仔细考虑和设计产品的回收和纯化过程。,设计中应考虑下列问题：,1. What is the value of the product? （产品价值） 2. What is an acceptable product quality? (产品质量） 3. Where is the product
10、 in each process stream? （产物在生产过程中出现的位置）,4. Where are the impurities in each process stream?（杂质在生产过程中出现的位置） 5. What are the unusual physicochemical properties of the product and the principal impurities? （主要杂质独特的物化性质是什么？） 6. What are the economics of various alternative separations? （不同分离方法的技术经济比较）,
11、生物分离技术的重要性,生物产物的特殊性； 生物产物所处环境的复杂性； 对生物产品要求的严格性；,最终结果：导致下游加工过程度成本往往占整个生物加工过程生产成本的大部分。,下游加工技术的一般流程,生物下游加工过程是指目标产物的分离纯化过程，包括 产物提取(isolation) 产物浓缩(concentration) 产物纯化(purification) 成品化(polishing) 注意： 多步分离导致收率降低；,Separation Processes:,Extractors,溶质在二个互不相容的溶剂的分配系数不同，所造成的溶质的转移。,混合器和澄清器,生物分离一般分四步,A：不溶物的去除 过
12、滤 离心 细胞破碎 产物浓度和质量得到了提高,B:产物分离,离子交换吸附 萃取 a. 溶剂萃取 b. 反微团萃取 c. 超临界流体萃取 d. 双水相萃取 以上分离过程不具备特异性，只是进行初分,可提高产物浓度和质量,C:产品纯化,色谱 电泳 沉淀 以上技术具有产物的高选择性和杂质的去除性,D. Polishing （产品的精制） *crystallization（结晶） *drying （干燥）,中药动态水提取生产线流程图,Beer Well,Stillage,Fermenter,Beer Still,Screens,Rotary Dryer,Spray Dryer,Dried Grains,
13、Dried Solubles,Neutral Spirits,Condenser,Rectifying Column,Purifying Column,Condenser,Heads,Water,Whiskey,* Ethanol from fermentation.,蒸馏器,冷凝器,冷凝器,酒精,可溶性产品,* Citric acid manufacture,菌丝体,柠檬酸,石灰膏剂,废,* Penicillin production.,反萃取,Production of bakers yeast,面包酵母,糖蜜,发酵,麦芽汁,Production of monosodium glutama
14、te 味精,注射器,结晶,油水分离器,母液,Recovery of an extracellular enzyme,Recovery of intracellular enzymes,Recovery of penicillin,霉菌,菌丝体 杂质,Recovery of single-cell protein on a methanol basis甲醇底物,甲醇,絮凝,Recovery of toxoid vaccines类毒素疫苗,Recovery of whole-cell vaccines,澄清器,分离技术的选择依据,产物所处的位置； 产物性质（分子大小、疏水性、电荷形式和溶解度等）；
15、 生物加工过程自身的规模和产品的商业价值；一种目标产物的分离手段往往不止一种，根据生产的规模和价值，选择合适的分离技术,生物下游加工过程的特点,满足维持生物物质活性的要求 满足快速分离的要求 满足纯度和杂质去除的要求 满足高效分离的要求 满足成本优化的要求,生物分离本质,有效地识别混合物中不同溶质间物理、化学和生物学性质的差别，利用能够识别这些差别的分离介质和（或）扩大这些差别的分离设备实现溶质间的分离或目标组分的纯化。,常用的分离技术及其机理,分 离 过 程,分离效果的评价,分离因子又称分离因子(separation factor)。表示某一单元分离操作或某一分离流程将两种物质分离的程度。通常有两种定义：(1)单级分离系数，表示物料中两种物质在某一单元分离操作(单级分离操作)前后相对含量的比值。(2)流程分离系数，表示物料中两种物质在经过某一分离流程前后相对含量的比值。 收率 纯化因子 选择性: 又称分离系数(separation factor)，它的定义是：在一定的条件下，进行萃取分离时，被分离的某两种物质的分配系数的比值。即：=1/2。为分离系数(选择度)；1与2分别为物质1与物质2在相同萃取条件下的分配系数。表征了这两种物质萃取分离的难易程度或萃取剂的选择性。若=1，则这两种物质在此条件下不能萃取分离。若1，表明萃取剂对物质1能进行选择性萃取，且愈大
