生物分离工程期末复习

生物分离工程（BioseparationEngineering）Reference-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，2005Reference-webs华东理工大学福州大学南京工业大学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ChinaJournalofChemicalEngineeringReferences-SCIjournalsJournalofChromatographyAJournalofSupercriticalFluidsJournalofMembraneScienceEnzymeandMicrobialTechnologyBiochemicalEngineeringJournalSeparationandPurificationTechnologyBiotechnologyandBioengineeringJournalofSeparationScienceJournalofChemicalTechnologyandBiotechnologySeparationandPurificationReviewsSeparationScienceandTechnology第一章绪论生物工程（Bioengineering），即生物技术(Biotechnology)是通过对有机体的操作，利用生物有机体来生产有用物质，改善人类生活品质的技术。生物工程的主要目标是生物物质的高效生产，而分离纯化（Bioseprationandpurification）是获得生物物质的重要技术环节，因此生物分离工程（Bioseprationengineering）是生物工程的重要组成部分。第一节概述生物工程研究领域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在生物工程领域，一般将生物产品的生产称为生物加工过程（Bioprocess），分为上游、中游、下游三部分。上游：菌种选育，基因工程，分子生物学，遗传学中游：微生物发酵工程，动植物细胞工程，海洋生物培养下游：生物分离工程生物分离工程（Bioseparationengineering）：对由生物界自然产生的、由微生物菌体发酵的、动植物细胞组织培养的、酶反应等各种生物工业生产过程所获得的生物原料，经提取分离加工并精制目的成分，最终使其成为产品的技术，也可以称为下游技术，或者下游工程。广义：细胞的大规模培养、产物的分离纯化、产品的成型加工和质量监控等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。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）。在工业化生产方面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60％以上；在成本构成中，分离与纯化部分占产品成本的比例很高。开发新的分离纯化工艺是降低成本、提高经济效益的重要途径。ProductsCost(%)Solvents15-20Cells20-25Crudecellularextracts20-25Organicsacids30-40Vitaminsandaminoacids30-40Gumsandpolymers40-50Antibiotics20-60Industrialenzymes40-65Non-recombinanttherapeuticproteins50-70r-DNAproducts60-80Monoclonalantibodies50-70Nucleicacidbasedproducts60-80Plasmaproteins70-80BioseparationcostR.Ghosh.PrinciplesofBioseparationsEngineering.NewYork:WorldScientific,2006结构基因组的研究Bottleneck在基础研究方面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。01000020000300004000050000ExpressedSolublePurifiedCrystallizedCrystalStructureNMRStructureInPDB100%49%39%15%6%3%8%生物分离工程包括目标产物的提取（isolation）、浓缩(concentration)、纯化（purification）、成品化(productpolishing)等过程。由于生物产品的特殊性、复杂性和对生物产品要求的严格性，因此导致了生物分离工程的成本往往占整个生产成本的大部分。①生物分离工程是生物技术的重要组成部分，发酵液或反应液需要经过下游加工过程才能成为成品；②费用：传统发酵工业中下游部分的费用占整个工厂投资费用的６０％，而对重组蛋白质等基因工程产品，下游加工的费用可占整个生产费用的８０％－９０％；③关注程度：英国政府工业部于１９８３年发起生物分离计划（ＢＩＯＳＥＰ），专门研究下游加工过程；１９８７年英国化学工业会召开了专门讨论下游加工过程的国际会议；我国也于１９８９年在济南召开了一次专门会议；近年来国内外有关生物分离或蛋白质纯化的专著陆续出版。第二节生物分离工程的重要性和特点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，还必须关注其活性的保留和特定杂质的去除；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。与化工分离技术的区别生物物质的生物活性要求温和条件，需快速分离对纯度要求高，需除去热源物质；产物成分复杂，需合理设计过程达到高效分离；原料液中目标产物的浓度低。(青霉素含量为3.6％，庆大霉素为0.2％，胰岛素仅为0.001％)生物下游加工过程的特点最终结果：导致生物分离工程成本往往占整个生物加工过程生产成本的大部分。生物分离工程的质量往往决定了整个生物加工过程的成败。生物原料的特点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。Metabolicnetwork生物原料的特点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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。含水多，产物含量低；含菌体蛋白；溶有原来培养基成分；相当多的副产物和色素；易被杂菌污染或使产物进一步分解；易起泡，粘性物质多。发酵液的特点1)时间短；2)温度低；3)pH适中（选择在生物物质的温度范围内）；4)严格清洗消毒（包括厂房、设备及管路，注意死角），这和传统产品抗生素的生产是一致的。对基因工程产品还应注意生物安全（biosafety）问题，要防止菌体扩散，一般要求在密封的环境下操作。生物分离工程应遵循原则对产物的要求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。无病毒无热原（内毒素）无致敏原青霉素抗原决定簇、β-内酰胺环对生产工艺的要求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）某一具体产品的分离提取工艺还与下列情况有关：（1）是胞内还是胞外产物（2）原料中产物和主要杂质浓度（3）产物和主要杂质的物理化学特性及差异（4）产品用途和质量标准（5）产品的市场价格（6）不同分离方法的技术经济比较（7）废液的处理方法等酿酒、制醋是人类最早通过实践所掌握的生物技术之一。此外，还有酱油、泡菜、奶酒、干酪制作、面团发酵、粪便和秸秆的沤制等。技术原始、家庭式作坊、产物基本不经过后处理而直接使用，无下游技术。1.经验生物技术时期第三节生物分离工程的发展2.近代生物技术建立时期—第一代生物技术（19世纪50年代－20世纪40年代）◆1680年－Leenwenhoek通过显微镜观察到细菌；◆1857年－Pasteur发现了酒精发酵是由活酵母引起的，其他不同的发酵产物则由不同微生物作用而形成——发酵生物学理论◆1897年－Buchner进一步发现破碎的酵母仍能作用产生酒精，将此具有发酵能力的物质称为酶，发酵现象的真相终于开始被人们了解。这一时期掌握了纯种培养技术，生物技术进入近代酿造产业的发展阶段，发酵产物都属于微生物形成的初级代谢产物，诸如：乳酸、酒精、面包酵母、丙酮－丁醇、柠檬酸、淀粉酶、蛋白酶。产品相对简单，基本上是无活性的小分子。此时开始