生物分离工程
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2020/11/26
生物分离工程
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生物分离工程
非蛋白类杂质的去除
wk.baidu.com
v （1） DNA
v
A 阴离子交换（pH 4.0)
v
B 亲和层析（不被吸附）
v
C 疏水层析
v （2）热原 （蛋白质溶液中的去热原）
v
A 生产过程无菌
v
B 所有层析介质无菌
v
C 所用溶液无菌
v
D 亲和层析（多粘菌素）
v （3）去病毒
v
A 加热 （60 C)
④ 改善环境相容性
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生物分离工程
13.9 现代生物分离程的研究方向与特点
v （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）
v （2）集成化（扩张床，两水相，液膜分离） v （3）快速分离（贯注层析） v （4）极端条件下分离（超临界，超声波，超重
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生物分离工程
13.4 生物下游加工过程的一般步聚
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生物分离工程
工业应用的生物分离技术
v ① 回收技术: 絮凝，离心，过滤，微过滤。 v ② 细胞破碎技术: 球磨，高压匀浆，化学破 v 碎技术 v ③ 初步纯化技术: 盐析法，有机溶剂沉淀， v 化学沉淀，大孔吸附树剂，膜分离技术 v ④ 高度纯化技术: 各类层析，亲和，疏水， v 聚焦，离子交换 v ⑤ 成品加工 喷雾干燥，气流干燥，沸腾干 v 燥，冷冻干燥，结晶
v
B 过滤
v
C 灭活剂
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生物分离工程
目标蛋白的表征和分析方法
v （1） HPLC v （2） SDS-PAGE v （3） 氨基酸顺序分析 v （4） 氨基酸，肽图，免疫化学 v （5） 与标准品对照分析
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生物分离工程
分离工程研发费用与成本
v 研究费用： 50%以上 v 产品成本： 40-80% v 人力物力： 70-90%
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生物分离工程
生物分离的经济性
v (1) 生物分离至少占总成本50% v (2) 仅付出5%努力 v (3) 降低废物排放（产品：废物=1:3250) v (4) 工艺改造
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生物分离工程
质量控制意义
v (1) 来自管理机构的压力 v (2) 公众的觉醒 v (3) 市场扩张与竞争 v (4) 安全 v (5) 提高专一性作用，减少负作用
力）
（5）在位分离（边发酵边分离） v （6）环境相容（超临界） v （7）可再生循环（亲和沉淀，可再生两水相）
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生物分离工程
膜技术
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生物分离工程
•分子印迹分离
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生物分离工程
•超临界流体分离
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生物分离工程
• Recycling Polymers Forming Aqueous Two-phase Systems
v 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）
v ④ 质量要求高 （药品或食品）
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生物分离工程
13.3 生物分离工艺要求
v (1) 高纯度 v (2) 大规模 v (3) 经济性 v (4) 生物相容性
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生物分离工程
治疗用途的生物药物质量要求
v (1) v (2) v (3) v (4) v (5) v (6)
效价 鉴定 毒性试验 核酸 均一 无冲突活性
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生物分离工程
生物过程开发目标
v (1) 产品在最短时间内进入市场 v (2) 符合所有安全要求 v (3) 工艺成本适当 v (4) 可靠 v (5) 安全（放大期间安全尤为重要）
13.6 下游加工过程的沿革
v 传统产业（第一代） v 19世纪60年代-20世纪50年代 酒精，丙酮，丁醇 v 第二代生物技术产品 20世纪40年代 v 抗生素，有机酸，核酸，酶制剂，单细胞蛋白 v 第三代 20世纪70年代中期 v 动物细胞培养 v 植物细胞培养 v 基因工程发酵产品
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生物分离工程
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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）
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生物分离工程
生物工程研究领域
v 微生物培养 v 动物细胞培养 v 植物细胞培养 v 天然资源 v 生化材料 v 海洋生物培养
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生物分离工程
13.8 生物技术下游加工过程的发展动向
① 基础理论研究
v A 选择性分离剂
v B 数学模型
② 应用研究
v A 新老技术的深化研究与融合
v B 下游技术与上游技术相结合(藕合分离）
v C 强化化学作用对分离能力的影响
v 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
v 生物医学 （诊断试剂，基因治疗，人及生物克隆）
v 环境生物（环境治理，水污染，土壤污染，风沙治理）
v 生物食品（醋，啤酒业，酿酒，乳制品，奶制品）
v 生物资源（动物，植物，微生物）
v 生物农业 （基因食品，基因植物）
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生物分离工程
生物工程的上中下游
上游： v
菌种，基因工程，分子生物学，遗传学
•Phase separation
•Top phase •Bottom phase
•Recycle
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•Light •p H •Light •p H
生物分离工程
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生物分离工程
13.10 分离过程评价
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生物分离工程
分离效率评价
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生物分离工程
3rew
v 中游：微生物发酵工程，动植物细胞，
v
海洋生物培养
v 下游：生物分离工程
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生物分离工程
13.2 特点与重要性
v 生物产品特点：
v 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
v ② 组分复杂(a 大分子;b 小分子;c 可溶物;d
v 不可溶物;e 化学添加物
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生物分离工程
生物工程产业领域
v 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）
v 生物化工（乳酸，柠檬酸，苹果酸，丙烯酸，甘油，异丙醇，
乙烯）
v 生物能源（甲醇，乙醇，生物柴油，生物汽油）
v 生物材料（明胶，胶原蛋白，人造皮肤，从造骨，人造脏器）
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生物分离工程
13.5 生物技术产品的类型
v 按分子量大小
v 小分子产品：（小于1000）抗生素，有机酸， 氨基酸
v 大分子产品：（大于1000）酶, 抗体，多肽， 蛋白质
v 按产品所处的位置
v 细胞内: 胰岛素，干扰素，重组蛋白质 v 细胞外：抗生素，胞外酶
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生物分离工程
生物分离工程
13.7 生物下游加工过程的选择准则
v ① 步聚少 v ② 次序合理 v ③ 产品规格 （注射，非注射） v ④ 生产规模 v ⑤ 物料组成 v ⑥ 产品形式 固体 适当结晶， 液体，适当浓缩 v ⑦ 产品稳定性 v ⑧ 物性 溶解度， 分子电荷，分子大小，功能团，稳
定性，挥发性
v ⑨ 危害性 v ⑩ 废水处理
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非蛋白类杂质的去除
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v （1） DNA
v
A 阴离子交换（pH 4.0)
v
B 亲和层析（不被吸附）
v
C 疏水层析
v （2）热原 （蛋白质溶液中的去热原）
v
A 生产过程无菌
v
B 所有层析介质无菌
v
C 所用溶液无菌
v
D 亲和层析（多粘菌素）
v （3）去病毒
v
A 加热 （60 C)
④ 改善环境相容性
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生物分离工程
13.9 现代生物分离程的研究方向与特点
v （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）
v （2）集成化（扩张床，两水相，液膜分离） v （3）快速分离（贯注层析） v （4）极端条件下分离（超临界，超声波，超重
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13.4 生物下游加工过程的一般步聚
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生物分离工程
工业应用的生物分离技术
v ① 回收技术: 絮凝，离心，过滤，微过滤。 v ② 细胞破碎技术: 球磨，高压匀浆，化学破 v 碎技术 v ③ 初步纯化技术: 盐析法，有机溶剂沉淀， v 化学沉淀，大孔吸附树剂，膜分离技术 v ④ 高度纯化技术: 各类层析，亲和，疏水， v 聚焦，离子交换 v ⑤ 成品加工 喷雾干燥，气流干燥，沸腾干 v 燥，冷冻干燥，结晶
v
B 过滤
v
C 灭活剂
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生物分离工程
目标蛋白的表征和分析方法
v （1） HPLC v （2） SDS-PAGE v （3） 氨基酸顺序分析 v （4） 氨基酸，肽图，免疫化学 v （5） 与标准品对照分析
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生物分离工程
分离工程研发费用与成本
v 研究费用： 50%以上 v 产品成本： 40-80% v 人力物力： 70-90%
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生物分离工程
生物分离的经济性
v (1) 生物分离至少占总成本50% v (2) 仅付出5%努力 v (3) 降低废物排放（产品：废物=1:3250) v (4) 工艺改造
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生物分离工程
质量控制意义
v (1) 来自管理机构的压力 v (2) 公众的觉醒 v (3) 市场扩张与竞争 v (4) 安全 v (5) 提高专一性作用，减少负作用
力）
（5）在位分离（边发酵边分离） v （6）环境相容（超临界） v （7）可再生循环（亲和沉淀，可再生两水相）
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生物分离工程
膜技术
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生物分离工程
•分子印迹分离
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生物分离工程
•超临界流体分离
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生物分离工程
• Recycling Polymers Forming Aqueous Two-phase Systems
v 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）
v ④ 质量要求高 （药品或食品）
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生物分离工程
13.3 生物分离工艺要求
v (1) 高纯度 v (2) 大规模 v (3) 经济性 v (4) 生物相容性
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生物分离工程
治疗用途的生物药物质量要求
v (1) v (2) v (3) v (4) v (5) v (6)
效价 鉴定 毒性试验 核酸 均一 无冲突活性
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生物分离工程
生物过程开发目标
v (1) 产品在最短时间内进入市场 v (2) 符合所有安全要求 v (3) 工艺成本适当 v (4) 可靠 v (5) 安全（放大期间安全尤为重要）
13.6 下游加工过程的沿革
v 传统产业（第一代） v 19世纪60年代-20世纪50年代 酒精，丙酮，丁醇 v 第二代生物技术产品 20世纪40年代 v 抗生素，有机酸，核酸，酶制剂，单细胞蛋白 v 第三代 20世纪70年代中期 v 动物细胞培养 v 植物细胞培养 v 基因工程发酵产品
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生物分离工程
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2020/11/26
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）
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生物分离工程
生物工程研究领域
v 微生物培养 v 动物细胞培养 v 植物细胞培养 v 天然资源 v 生化材料 v 海洋生物培养
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生物分离工程
13.8 生物技术下游加工过程的发展动向
① 基础理论研究
v A 选择性分离剂
v B 数学模型
② 应用研究
v A 新老技术的深化研究与融合
v B 下游技术与上游技术相结合(藕合分离）
v C 强化化学作用对分离能力的影响
v 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
v 生物医学 （诊断试剂，基因治疗，人及生物克隆）
v 环境生物（环境治理，水污染，土壤污染，风沙治理）
v 生物食品（醋，啤酒业，酿酒，乳制品，奶制品）
v 生物资源（动物，植物，微生物）
v 生物农业 （基因食品，基因植物）
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生物分离工程
生物工程的上中下游
上游： v
菌种，基因工程，分子生物学，遗传学
•Phase separation
•Top phase •Bottom phase
•Recycle
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•Light •p H •Light •p H
生物分离工程
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生物分离工程
13.10 分离过程评价
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生物分离工程
分离效率评价
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生物分离工程
3rew
v 中游：微生物发酵工程，动植物细胞，
v
海洋生物培养
v 下游：生物分离工程
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生物分离工程
13.2 特点与重要性
v 生物产品特点：
v 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
v ② 组分复杂(a 大分子;b 小分子;c 可溶物;d
v 不可溶物;e 化学添加物
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生物分离工程
生物工程产业领域
v 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）
v 生物化工（乳酸，柠檬酸，苹果酸，丙烯酸，甘油，异丙醇，
乙烯）
v 生物能源（甲醇，乙醇，生物柴油，生物汽油）
v 生物材料（明胶，胶原蛋白，人造皮肤，从造骨，人造脏器）
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生物分离工程
13.5 生物技术产品的类型
v 按分子量大小
v 小分子产品：（小于1000）抗生素，有机酸， 氨基酸
v 大分子产品：（大于1000）酶, 抗体，多肽， 蛋白质
v 按产品所处的位置
v 细胞内: 胰岛素，干扰素，重组蛋白质 v 细胞外：抗生素，胞外酶
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生物分离工程
生物分离工程
13.7 生物下游加工过程的选择准则
v ① 步聚少 v ② 次序合理 v ③ 产品规格 （注射，非注射） v ④ 生产规模 v ⑤ 物料组成 v ⑥ 产品形式 固体 适当结晶， 液体，适当浓缩 v ⑦ 产品稳定性 v ⑧ 物性 溶解度， 分子电荷，分子大小，功能团，稳
定性，挥发性
v ⑨ 危害性 v ⑩ 废水处理