生物工程下游技术 PPT课件
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• Biochemical Engineering Journal
/science/journal/1369703X
• Separation and Purification Technology
/science/journal/13835866
• Journal of Membrane Science
/science/journal/03767388
References-SCI journals
• Enzyme and Microbial Technology
/science/journal/01410229
• Journal of Chemical Technology and Biotechnology
/jpages/0268-2575
References-SCI journals
• Separation and Purification Reviews
• P. A. Belter, E. L. Cussler, W. Hu. Bioseparations: Downstream Processing for Biotechnology. New York: John Wiley & Sons, 1988
• D. Forciniti. Industrial Bioseparations: Principles and Practice. Iowa: WileyBlackwell, 2008
考核方式
• 根据课程基本要求，结合平时成绩、课程论文及 笔试（期末考试）三方面进行综合评定。
• 平时成绩20％ • 课程论文20％ • 期末考试60％
主要内容
1. 绪论 2. 下游技术理论基础 3. 发酵液预处理与细胞破碎 4. 沉淀 5. 萃取分离 6. 膜分离 7. 吸附与离子交换 8. 色谱分离 9. 亲和色谱
• 原料中目标 产物的浓度 低
1.3 生物技术下游加工过程的特点
对产物的要求 • 保持生物产物的活性 • 纯度要求高
当生物技术产品是食品或药物时，要求 无污染物 无对映体
反应停(thalidomide,酞胺哌啶酮)于1956 年上市, 作为镇静药被广泛应用。 1961 年发现(S)-(-)异构体该药具有致畸胎的不良反应。
1.4 生物工程下游技术的发展
初步分离纯化技术 • 主要开发了沉淀、离子交换、萃取、超滤等技术。 • 双水相萃取技术比较适合于胞内活性物质和细胞
脆片的分离； • 超滤技术解决了生物大分子对pH、热、有机溶剂、
金属离子敏感等难题，在生物大分子的分级、浓 缩、脱盐等操作中得到了广泛的使用。
1.4 生物工程下游技术的发展
• 用超滤法从发酵液中分离细菌的报道，但因技术 和经济上的原因大规模应用尚不多见。
1.4 生物工程下游技术的发展
细胞破碎技术 • 细胞破碎是生产胞内物质所必需的技术 • 已经开发出球磨破碎、压力释放破碎、冷冻加压
释放破碎和化学破碎等技术。 • 细胞破碎技术的逐渐成熟，使得胞内生物物质的
大规模工业化生产成为可能。
References-SCI journals
• Biotechnology and Bioengineering
/jpages/0006-3592
• Journal of Separation Science
/jpages/1615-9306
1.1 生物工程下游技术的研究对象
生物工程下游技术（Downstream Processing for Biotechnology ）：
• 由生物界自然产生的、 • 由微生物菌体发酵的、 • 动植物细胞培养的、 • 酶反应产生的、 • 微生物转化的 各种生物工业生产过程获得的生物原料，经提取
• 在实际的工业生产中，目的产物往往与大量杂质 混合在一起，分离的任务，就是从这些混合物中 用最低的投入（物力、财力和人力），获得最高 的产出（如产物的高得率、高纯度）。
1.2 生物工程下游技术的重要性
• 分离纯化是生物技术产 业的瓶颈。
• 下游加工过程的费用占 全部产品研发费用的50 ％以上；
• 在的成本构成中，分离 与纯化部分占产品成本 的比例很高。
• A. A. Garcia, M. R. Bonen, J. Ramirez-Vick, M. Sadaka and A. Vuppu. Bioseparation Process Science. Massachusetts: Blackwell Science, Inc., 1999
References-books
References-books
• 刘国诠．生物工程下游技术（第 二版）．北京：化学工业出版社， 2003
• A. A. Garcia, M. R. Bonen, J. Ramirez-Vick, M. Sadaka and A. Vuppu. 生物分离过程科学．北京： 清华大学出版社，2002
• R. G. Harrison, P. Todd, S. R. Rudge, D. P. Petrides. Bioseparations Science and Engineering. New York: Oxford University Press, 2003
References-journals
• 色谱 • 膜科学与技术 • 离子交换与吸附 • 生物工程学报 • 高校化学工程学报 • 现代化工 • 化工进展 • 化工学报 • 化学工程 • 化学工业与工程 • China Journal of Chemical Engineering
References-SCI journals
1.3 生物技术下游加工过程的特点
原料的特点 • 复杂的多相体系，非牛顿流体，成分复杂
如发酵产品：粗原料产物、微生物代谢产物 （metabolome）、各种添加剂，混合物产物数以万计。
Metabolic network
1.3 生物技术下游加工过程的特点
原料的特点
• 发酵或培养大多是分批操作，各批产物浓度和其 他物性会出现差异，也会出现异常
分离、获得纯产品的技术，属于“物质分离”范 畴—生物分离工程（Bioseparation Engineering)。
1.1 生物工程下游技术的研究对象
• 分离技术在人类生产和生活中具有重要作用。将 地球上的各种各样混合物进行分离和提纯是提高 生产力和改善生活水平的一种重要途径。
• 分离是混合的逆过程，不能自发进行，需要作功 才能实现。而且需要有专门的工艺和设备。
Cost (%) 15-20 20-25 20-25 30-40 30-40 40-50 20-60 40-65 50-70
60-80 50-70 60-80 70-80
R. Ghosh. Principles of Bioseparations Engineering. New York: World Scientific, 2006
References-webs
• 华东理工大学
/courses/swflgc/
• 福州大学
/eduonline/shflgc/index.htm
• 南京工业大学
/06jpkc/njgydx/index.asp
天冬酰胺((S)- 味甜, (R)- 味苦) 昆虫信息素Olea敏原
青霉素抗原决定簇 β-内酰胺环
1.3 生物技术下游加工过程的特点
对生产工艺的要求 • 生物相容性 • 高纯度 • 大规模 • 经济性 • 清洁性
1.4 生物工程下游技术的发展
• 古代酿造业 不经过后处理
• 第一代生物技术 过滤、蒸馏、精馏等
• 第二代生物技术 80％传统+现代
• 第三代生物技术 20世纪80年代以来，出现了很多新概念、新技术、 和新设备
1.4 生物工程下游技术的发展
固液分离技术
• 发酵液菌体特别是细菌的分离一直是生物工业上 的难题。
• 近20年来，研究开发了菌体及悬浮物絮凝技术， 改善了发酵液的分离性能，加之纤维素助滤剂的 开发，大大提高了发酵液的固液分离效率。
• 开发新的分离和纯化工 艺是降低成本、提高经 济效益的重要途径。
Bioseparation cost
Products Solvents Cells Crude cellular extracts Organics acids Vitamins and amino acids Gums and polymers Antibiotics Industrial enzymes Non-recombinant therapeutic proteins r-DNA products Monoclonal antibodies Nucleic acid based products Plasma proteins
生物工程下游技术 (生物分离工程)
目的与要求
了解生物工程下游技术的基础理论及工艺过程。 掌握细胞破碎、萃取分离、膜分离、色谱分离、
亲和分离等的基本原理及其特点及应用范围。
能在实际工作中掌握几种分离技术的工艺过程及 熟悉相关设备。
能根据目的产物的特性，在生物产品产业化研究 及工艺设计中合理应用相应分离技术。
• 生物活性物质的稳定性差
如原料液中常存在降解目标产物的蛋白酶、菌体也可能 自溶、容易被杂菌污染：发酵液放罐后，应及时快速操 作，要求采用快速的分离纯化方法除去影响目标产物稳 定性的杂质。
• 原料液中常存在与目标分子结构极其相似的分子 如同系物及异构体。
1.3 生物技术下游加工过程的特点
原料的特点
• M. R. Ladisch (Purdue Univ). Bioseparations Engineering: Principles, Practice and Economics. New York: John Wiley and Sons, 2001
• Raja Ghosh. Principles of Bioseparations Engineering. New York: World Scientific, 2006
/journals/titles/15422119.asp
• Separation Science and Technology
/journals/titles/01496395.asp
1绪 论
1.1 生物工程下游技术的研究对象 1.2 生物工程下游技术的重要性 1.3 生物工程下游技术的特点 1.4 生物工程下游技术的发展历程 1.5 生物工程下游技术的一般工艺过程 1.6 生物工程下游技术的发展动态
高度分离纯化技术 • 小分子物质一般可通过离子交换、脱色和结晶、
重结晶等方法获得纯度很高的产品。 • 生物大分子的纯化一直是个难题。20世纪70年代
References-books
• 田瑞华．生物分离工程．北京：科学出版社，2008
• 曹学君．现代生物分离工程．上海：华东理工大学出版社，2007 • 毛忠贵．生物工业下游技术．北京：中国轻工业出版社，1999 • 严希康．生化分离工程．北京：化学工业出版社，2001 • 孙彦．生物分离工程．北京：化学工业出版社，2005
• Journal of Chromatography A
/science/journal/00219673
• Journal of Supercritical Fluids
/science/journal/08968446
/science/journal/1369703X
• Separation and Purification Technology
/science/journal/13835866
• Journal of Membrane Science
/science/journal/03767388
References-SCI journals
• Enzyme and Microbial Technology
/science/journal/01410229
• Journal of Chemical Technology and Biotechnology
/jpages/0268-2575
References-SCI journals
• Separation and Purification Reviews
• P. A. Belter, E. L. Cussler, W. Hu. Bioseparations: Downstream Processing for Biotechnology. New York: John Wiley & Sons, 1988
• D. Forciniti. Industrial Bioseparations: Principles and Practice. Iowa: WileyBlackwell, 2008
考核方式
• 根据课程基本要求，结合平时成绩、课程论文及 笔试（期末考试）三方面进行综合评定。
• 平时成绩20％ • 课程论文20％ • 期末考试60％
主要内容
1. 绪论 2. 下游技术理论基础 3. 发酵液预处理与细胞破碎 4. 沉淀 5. 萃取分离 6. 膜分离 7. 吸附与离子交换 8. 色谱分离 9. 亲和色谱
• 原料中目标 产物的浓度 低
1.3 生物技术下游加工过程的特点
对产物的要求 • 保持生物产物的活性 • 纯度要求高
当生物技术产品是食品或药物时，要求 无污染物 无对映体
反应停(thalidomide,酞胺哌啶酮)于1956 年上市, 作为镇静药被广泛应用。 1961 年发现(S)-(-)异构体该药具有致畸胎的不良反应。
1.4 生物工程下游技术的发展
初步分离纯化技术 • 主要开发了沉淀、离子交换、萃取、超滤等技术。 • 双水相萃取技术比较适合于胞内活性物质和细胞
脆片的分离； • 超滤技术解决了生物大分子对pH、热、有机溶剂、
金属离子敏感等难题，在生物大分子的分级、浓 缩、脱盐等操作中得到了广泛的使用。
1.4 生物工程下游技术的发展
• 用超滤法从发酵液中分离细菌的报道，但因技术 和经济上的原因大规模应用尚不多见。
1.4 生物工程下游技术的发展
细胞破碎技术 • 细胞破碎是生产胞内物质所必需的技术 • 已经开发出球磨破碎、压力释放破碎、冷冻加压
释放破碎和化学破碎等技术。 • 细胞破碎技术的逐渐成熟，使得胞内生物物质的
大规模工业化生产成为可能。
References-SCI journals
• Biotechnology and Bioengineering
/jpages/0006-3592
• Journal of Separation Science
/jpages/1615-9306
1.1 生物工程下游技术的研究对象
生物工程下游技术（Downstream Processing for Biotechnology ）：
• 由生物界自然产生的、 • 由微生物菌体发酵的、 • 动植物细胞培养的、 • 酶反应产生的、 • 微生物转化的 各种生物工业生产过程获得的生物原料，经提取
• 在实际的工业生产中，目的产物往往与大量杂质 混合在一起，分离的任务，就是从这些混合物中 用最低的投入（物力、财力和人力），获得最高 的产出（如产物的高得率、高纯度）。
1.2 生物工程下游技术的重要性
• 分离纯化是生物技术产 业的瓶颈。
• 下游加工过程的费用占 全部产品研发费用的50 ％以上；
• 在的成本构成中，分离 与纯化部分占产品成本 的比例很高。
• A. A. Garcia, M. R. Bonen, J. Ramirez-Vick, M. Sadaka and A. Vuppu. Bioseparation Process Science. Massachusetts: Blackwell Science, Inc., 1999
References-books
References-books
• 刘国诠．生物工程下游技术（第 二版）．北京：化学工业出版社， 2003
• A. A. Garcia, M. R. Bonen, J. Ramirez-Vick, M. Sadaka and A. Vuppu. 生物分离过程科学．北京： 清华大学出版社，2002
• R. G. Harrison, P. Todd, S. R. Rudge, D. P. Petrides. Bioseparations Science and Engineering. New York: Oxford University Press, 2003
References-journals
• 色谱 • 膜科学与技术 • 离子交换与吸附 • 生物工程学报 • 高校化学工程学报 • 现代化工 • 化工进展 • 化工学报 • 化学工程 • 化学工业与工程 • China Journal of Chemical Engineering
References-SCI journals
1.3 生物技术下游加工过程的特点
原料的特点 • 复杂的多相体系，非牛顿流体，成分复杂
如发酵产品：粗原料产物、微生物代谢产物 （metabolome）、各种添加剂，混合物产物数以万计。
Metabolic network
1.3 生物技术下游加工过程的特点
原料的特点
• 发酵或培养大多是分批操作，各批产物浓度和其 他物性会出现差异，也会出现异常
分离、获得纯产品的技术，属于“物质分离”范 畴—生物分离工程（Bioseparation Engineering)。
1.1 生物工程下游技术的研究对象
• 分离技术在人类生产和生活中具有重要作用。将 地球上的各种各样混合物进行分离和提纯是提高 生产力和改善生活水平的一种重要途径。
• 分离是混合的逆过程，不能自发进行，需要作功 才能实现。而且需要有专门的工艺和设备。
Cost (%) 15-20 20-25 20-25 30-40 30-40 40-50 20-60 40-65 50-70
60-80 50-70 60-80 70-80
R. Ghosh. Principles of Bioseparations Engineering. New York: World Scientific, 2006
References-webs
• 华东理工大学
/courses/swflgc/
• 福州大学
/eduonline/shflgc/index.htm
• 南京工业大学
/06jpkc/njgydx/index.asp
天冬酰胺((S)- 味甜, (R)- 味苦) 昆虫信息素Olea敏原
青霉素抗原决定簇 β-内酰胺环
1.3 生物技术下游加工过程的特点
对生产工艺的要求 • 生物相容性 • 高纯度 • 大规模 • 经济性 • 清洁性
1.4 生物工程下游技术的发展
• 古代酿造业 不经过后处理
• 第一代生物技术 过滤、蒸馏、精馏等
• 第二代生物技术 80％传统+现代
• 第三代生物技术 20世纪80年代以来，出现了很多新概念、新技术、 和新设备
1.4 生物工程下游技术的发展
固液分离技术
• 发酵液菌体特别是细菌的分离一直是生物工业上 的难题。
• 近20年来，研究开发了菌体及悬浮物絮凝技术， 改善了发酵液的分离性能，加之纤维素助滤剂的 开发，大大提高了发酵液的固液分离效率。
• 开发新的分离和纯化工 艺是降低成本、提高经 济效益的重要途径。
Bioseparation cost
Products Solvents Cells Crude cellular extracts Organics acids Vitamins and amino acids Gums and polymers Antibiotics Industrial enzymes Non-recombinant therapeutic proteins r-DNA products Monoclonal antibodies Nucleic acid based products Plasma proteins
生物工程下游技术 (生物分离工程)
目的与要求
了解生物工程下游技术的基础理论及工艺过程。 掌握细胞破碎、萃取分离、膜分离、色谱分离、
亲和分离等的基本原理及其特点及应用范围。
能在实际工作中掌握几种分离技术的工艺过程及 熟悉相关设备。
能根据目的产物的特性，在生物产品产业化研究 及工艺设计中合理应用相应分离技术。
• 生物活性物质的稳定性差
如原料液中常存在降解目标产物的蛋白酶、菌体也可能 自溶、容易被杂菌污染：发酵液放罐后，应及时快速操 作，要求采用快速的分离纯化方法除去影响目标产物稳 定性的杂质。
• 原料液中常存在与目标分子结构极其相似的分子 如同系物及异构体。
1.3 生物技术下游加工过程的特点
原料的特点
• M. R. Ladisch (Purdue Univ). Bioseparations Engineering: Principles, Practice and Economics. New York: John Wiley and Sons, 2001
• Raja Ghosh. Principles of Bioseparations Engineering. New York: World Scientific, 2006
/journals/titles/15422119.asp
• Separation Science and Technology
/journals/titles/01496395.asp
1绪 论
1.1 生物工程下游技术的研究对象 1.2 生物工程下游技术的重要性 1.3 生物工程下游技术的特点 1.4 生物工程下游技术的发展历程 1.5 生物工程下游技术的一般工艺过程 1.6 生物工程下游技术的发展动态
高度分离纯化技术 • 小分子物质一般可通过离子交换、脱色和结晶、
重结晶等方法获得纯度很高的产品。 • 生物大分子的纯化一直是个难题。20世纪70年代
References-books
• 田瑞华．生物分离工程．北京：科学出版社，2008
• 曹学君．现代生物分离工程．上海：华东理工大学出版社，2007 • 毛忠贵．生物工业下游技术．北京：中国轻工业出版社，1999 • 严希康．生化分离工程．北京：化学工业出版社，2001 • 孙彦．生物分离工程．北京：化学工业出版社，2005
• Journal of Chromatography A
/science/journal/00219673
• Journal of Supercritical Fluids
/science/journal/08968446