生物工业下游技术第一章绪论.

生物工程下游技术谢虹主讲扬州大学生技学院本课程的目的任务基本掌握各种生化分离方法的概念、原理、操作工艺条件及应用。培养学生把前驱课程中学到的基础理论知识，全面灵活地运用在生物物质分离过程的基本原理和相关的工程问题中，并努力使学生做到理论联系实际。培养学生一定的创新能力，综合运用各种生化分离方法设计工艺路线。本课程主要内容本课程主要介绍生物技术产品的分离纯化的原理、方法、过程理论及其应用。主要内容包括：理论基础、发酵液预处理、细胞破碎法、萃取分离法、双水相萃取、反胶团萃取、膜分离方法、结晶法等等。以及介绍一些最新生化分离技术的进展。本课程总学时学分32学时、2学分哈佛图书馆自习室墙上的训言•此刻打盹，你将做梦；而此刻学习，你将圆梦。•我荒废的今日，正是昨日殒身之人祈求的明日。•觉得为时已晚的时候，恰恰是最早的时候。•勿将今日之事拖到明日。•学习时的痛苦是暂时的，未学到的痛苦是终身的。•学习这件事不是缺乏时间而是缺乏努力。•幸福或许不排名次，但成功必排名次。哈佛图书馆自习室墙上的训言•学习并不是人生的全部，但既然连人生的一部分——学习也无法征服，还能做什么呢？•请享受无法回避的痛苦。•只有比别人更早、更勤奋地努力，才能尝到成功的滋味。•谁也不能随随便便成功，它来自彻底的自我管理和毅力。•时间在流淌。•现在流的哈喇子，将成为明天的眼泪。•狗一样地学，绅士一样地玩。哈佛图书馆自习室墙上的训言•今天不走，明天要跑。•投资未来的人是忠于现实的人。•教育程度代表收入。•一天过完不会再来。•即使现在，对手也在不停地翻动书页。•没有艰辛，便无所获。大学是知识的源泉，少数人如饥似渴地畅饮，更多的人优哉游哉地品吮，绝大多数人只是漱了漱口。我的博客地址第一章绪论下游技术的工作领域一般工艺过程下游技术的发展动态微生物育种技术——上游技术发酵技术——生物反应工程发酵液的产物分离到产品的加工——下游技术下游技术由生物界自然产生的或由微生物菌体发酵的、动植物细胞组织培养、酶反应等各种生物工业生产过程获得的生物原料，经提取分离、加工精制目的成分，最终使其成为产品的技术。下游技术生物原料和制品的多样性，更多的产品具有生物物质的特征（活性和热敏性），生产工艺不能简单套用化工单元操作技术；是生物技术产品产业化的必经之路；生物技术产品质量好坏、成本高低、竞争力的大小与下游技术直接相关；某些基因工程产品，提取精制成本甚至占总成本的70%～90%；下游技术与新产品的开发以及环境保护密切相关。下游技术的任务从混合物中用最低的投入（财力、物力和人力），获得最高的目的物产出（产物的高得率、高纯度等）。第一节生物工业下游技术的工作领域一、技术范畴物质分离产品加工废物处理二、发展历程古代酿造业酿酒、制酱、醋、酸奶和干酪。技术比较原始，多为家庭作坊。产物基本不经后处理直接使用。第一代生物技术无活性的小分子如：酒精、丙酮、丁醇等。19世纪60年代-20世纪40年代。发现发酵的本质是微生物的作用，掌握了纯种培养技术，生物技术进入近代酿造业。开始引入化学工程中近代分离技术，例如：蒸馏、过滤、精馏等。第二代生物技术抗生素如：青霉素、链霉素等;谷氨酸等氨基酸;核酸;柠檬酸等有机酸;淀粉酶等酶制剂;多糖和单细胞蛋白。无菌空气制备技术和大型好氧发酵装置的开发。产品的多样性决定了分离方法的多样性。借鉴和引进吸收了大量的80%近代化学工业的分离技术。洁净室的净化度标准洁净度级别尘粒最大允许数微生物最大允许数≥0.5μm粒/升≥5μm粒/英尺3浮游菌/m3沉降菌/皿100≤3.5≤1005110000≤350≤1,0001003100000≤3,500≤100,00050010300000≤35,000≤1000,000—15第三代生物技术DNA重组技术及细胞融合技术产生的乙肝疫苗和干扰素等。20世纪70年代末发展的。发现大批生理功能性物质，如活性糖质、活性肽、高度不饱和脂肪酸等。加强下游技术领域的研究：活性糖类、活性蛋白、活性脂类和特殊的复合物质。20世纪80年代——新技术固液分离技术细胞破碎技术初步分离纯化技术高度分离纯化技术其他新型分离技术中国的啤酒啤酒生产是采用发芽的谷物作原料,经磨碎,糖化,发酵等工序制得。按现行国家产品标准规定,啤酒的定义是：“啤酒是以麦芽为主要原料,加酒花,经酵母发酵酿制而成的,含有二氧化碳气、起泡的低酒精度饮料”。在古代中国,也有类似于啤酒的酒精饮料,古人称之为醴。大约在汉代后,醴被酒曲酿造的黄酒所淘汰。清代末期开始,国外的啤酒生产技术引入我国,新中国成立后,尤其是80年代以来,啤酒工业得到了突飞猛进的发展,到现在中国已成为世界第二啤酒生产大国。酱、酱油和豆鼓酱、酱油和豆鼓等是我国人民首创的调味品。在世界酿造史上独具一格。早在周朝时期（约2900年前）它的制作就已经很发达了，后来相继传到了越南、日本和其他国家。首先将大豆或豆饼蒸熟，加面粉或炒过的小麦，使黄曲霉、米曲霉等生长繁殖制成曲。加食盐和水，经过酿造后，压榨成汁再经调制就成为酱油。人类治疗细菌性感染的第一个武器——青霉素青霉素是一种高效、低毒、临床应用广泛的重要抗生素。它的研制成功大大增强了人类抵抗细菌性感染的能力，带动了抗生素家族的诞生。２０世纪４０年代以前，人类一直未能掌握一种能高效治疗细菌性感染且副作用小的药物。当时若某人患了肺结核，那么就意味着此人不久就会离开人世。在1928年夏季的一天，英国微生物学家弗莱明发现，一个与空气意外接触过的金黄色葡萄球菌培养皿中长出了一团青绿色霉菌。在用显微镜观察这只培养皿时弗莱明发现，霉菌周围的葡萄球菌菌落已被溶解。弗莱明将其分泌的抑菌物质称为青霉素。然而遗憾的是弗莱明一直未能找到提取高纯度青霉素的方法，于是他将点青霉菌菌株一代代地培养，并于1939年将菌种提供给准备系统研究青霉素的英国病理学家弗洛里和生物化学家钱恩。通过一段时间的紧张实验，弗洛里、钱恩终于用冷冻干燥法提取了青霉素晶体。1941年开始的临床实验证实了青霉素对链球菌、白喉杆菌等多种细菌感染的疗效。美国制药企业于1942年开始对青霉素进行大批量生产。1945年，弗莱明、弗洛里和钱恩因“发现青霉素及其临床效用”而共同荣获了诺贝尔生理学或医学奖。1953年5月，中国第一批国产青霉素诞生，揭开了中国生产抗生素的历史。截至2001年年底，我国的青霉素年产量已占世界青霉素年总产量的60%，居世界首位。青霉素的出现开创了用抗生素治疗疾病的新纪元。通过数十年的完善，青霉素针剂和口服青霉素已能分别治疗肺炎、肺结核、脑膜炎、心内膜炎、白喉、炭疽等病。继青霉素之后，链霉素、氯霉素、土霉素、四环素等抗生素不断产生，增强了人类治疗传染性疾病的能力。干扰素干扰素是两位美国科学家在1957年研究病毒的干扰现象时发现的一种抗病毒的特效药。最早发现干扰素在人体内起神秘作用的是一个名叫弗腊西.戈登的普通人。干扰素是我们身体内部少数几种能抵御病毒的天然防御物质之一，是在病毒入侵细胞以后从仍然健康的细胞中自然产生的。人体内产生的干扰素数量非常小。干扰素能战胜病毒引起的感染，包括水痘、肝炎和狂大病等。干扰素虽然不能解救已被病毒侵入的细胞，但可以保护其周围的细胞。医学专家把攻克癌症的希望寄托于干扰素。美国科学家已经用干扰素冶愈过皮肤癌。干扰素对骨肉瘤、多发性骨髓瘤、黑色素瘤、乳腺癌以及某些白血病和淋巴癌也有疗效。干扰素因严重短缺而十分昂贵，1980年，美国癌症学会花费200万美元买的干扰素，仅够150个癌症病人使用。以前，芬兰国家血浆研究院的卡里.坎特尔博士发明了用病素感染从血液中提取的白细胞生产干扰素的方法。生产出来的干扰素经提纯后，即可供药用。这种方法产量低、成本高。80年代以来，人们把目光转向基因工程。1980年，由美国生物学家博耶和科恩创建的基因工程公司，通过各种不同基因组合得到几种生产干扰素的细菌。1981年，又用酵母菌生产干扰素获得成功。日本用大肠杆菌生产干扰素也取得成功。过去，用白细胞生产干扰素，每个细胞最多只能产生100-1000个干扰素分子，而用基因工程技术改造的大肠杆菌发酵生产，在1-2天内，每个菌体能产生20万个干扰素分子。现在，美国已经采用基因工程来大规模工业化生产干扰素。中国在1982年已用基因工程方法组建了生产干扰素的大肠杆菌新菌种，它产生的干扰素跟天然干扰素一样具有抗病毒活性。同年，复旦大学遗传研究所获得人干扰素基因克隆的酵母菌株。1983年建立了人甲种干扰素基因工程无性繁殖系，并用于生产。第二节生物工业下游技术的一般工艺过程一、原料及产品特征以粗原料发酵为主，如酒精等。粗原料带入大量的不参与发酵过程的可溶性杂质和不溶性悬浮物，增加下游技术成本。待处理物料中产品浓度很低。产品具有活性和热敏性。基因工程产品一般为包涵体。发酵液为分批培养，容易出现差异。胞内产物还是胞外产物原料中产物和主要杂质浓度产物和主要杂质的物理化学特性及差异产品用途和质量标准产品的市场价格废液的处理方法等设计分离工艺的思路生物工程下游技术胞外产物发酵液浓缩干燥无菌过滤成型预处理细胞分离细胞破壁碎片分离提取精制成品制作加热调pH絮凝过滤离心膜分离胞内产物匀浆法研磨法酶解法离心双水相膜分离沉淀吸附萃取超滤结晶重结晶离子交换色谱膜分离注：产品的收率和质量控制是贯穿下游技术过程的主线反应停事件“反应停”是50年代后期，由联邦德国生产的一种毒性低、副作用小、十分温和的镇静安眠药，经动物实验验证是安全无害的，对治疗妊娠早期的恶心、呕吐效果明显，一时间反应停风靡欧洲、澳大利亚、加拿大、日本等十多个国家，成了抢手的妇科良药。但不久德国首先报道，使用反应停的孕妇生下四肢短小如鳍的怪胎，形如海豹，被称为“海豹胎”。几年间仅联邦德国就有8000多例“海豹胎”出生，日本受害者也有千余例，酿成了触目惊心的药物性灾难。而拒绝进口并使用此药的美国、瑞士、前民主德国却未见到这类怪胎的出世。FDAFDA（美国食品药品管理局）隶属于美国卫生教育福利部，负责全国药品、食品、生物制品、化妆品、兽药、医疗器械以及诊断用品等的管理。FDA下设药品局、食品局、兽药局、放射卫生局、生物制品局、医疗器械及诊断用品局和国家毒理研究中心、区域工作管理机构，即6个局、一个中心和一个区域管理机构。FDA在全国有40个实验室，2100名科学家在这里工作，其中包括900名化学家和300名微生物学家。其中一些科学家负责分析样本是否含有非法物质，另一些则负责对各个公司上交的药品、食品添加剂和医药设备等的检查结果进行核实，如果属实则发给他们许可。FDA（共有职工9000人）美国全国被分为6个区，每个区负责本地的食品、药品、化妆品、器械、血库等的监督检查地区所工作站（共143个）FDA1100是调查人员，每年定期到所管辖的各个工厂检查，每年收集8万个国内和进口产品的样本，保证全面覆盖若发现食品有问题，或食用不适，消费者可以打各工作站的热线投诉经过科学家的检验，确定该产品是否存在问题第三节生物工业下游技术的发展动态蒸馏、蒸发、过滤、离心、结晶和离子交换技术。一、传统分离技术的提高和完善新型分离介质的研发：膜、树脂和凝胶子代分离技术其他新兴下游技术二、新技术的研究开发三、清洁生产清洁生产工艺（技术）清洁产品清洁能源将综合预防的环境保护策略持续应用于生产过程和产品中，以期减少对人类和环境的风险。20世纪十大污染事件一、1930比利时马斯河谷工业区。在这个狭窄的河谷里有炼油厂、金属厂、玻璃厂等许多工厂。12月1日到5日的几天里，河谷上空出现了很强的逆温层，致使13个大烟囱排出的烟尘无法扩散，大量有害气体积累在近地大气层，对人体造成严重伤害。一周内有60多人丧生，其中心脏病、肺病患者死亡率最高，许多牲畜死亡。这是本世纪最早记录的公害事件。二、1943夏季，美国西海岸