生物分离工程绪论

生物分离工程Bio-separationengineering东南大学医学院生物工程学系徐旭东[e-mail]绪论生物过程与生物加工生物分离过程的特点分离机理与分离操作生物分离技术的发展生物过程的原始定义：是关于生命现象的本质、生物稳态的形成及对波动的调节等的假说。所谓的生物稳态包括了机体细胞生理功能状态的维持、分化细胞的形成、人体内各物质处于相对恒定浓度水平等生物事件。生物过程的延伸含义：应用生物科学和工程学的原理，依靠生物催化剂(biocatalyst)的作用将物料进行加工，以提供产品或用以为社会服务的技术。第一节生物过程与生物加工的概念一、生物过程(Bioprocess)过程工程(ProcessEngineering)：是研究物质的化学、物理和生物转化过程中物质的运动、传递和反应及其相互关系的一门科学，服务于为社会发展提供物质基础的过程工业，包括能源、资源、环境、材料、制药、石油、化工、冶金等部门，并涉及生物技术、纳米技术等新兴领域。生物过程工程(BioprocessEngineering)：利用工程学原理对使用生物催化剂的过程进行设计、开发和分析。一般而言，过程工程就是化学工程，生物过程工程就是生化工程，但外延都要更广一些。化学工程研究化学相关领域“共性”的理论，具有一般普遍的适用性，偏理论，比较宏观；过程工程是研究化学相关领域“个性”的理论，具有特殊的应用性，偏应用，比较微观。Process也可以翻译成“工艺”。生物技术：用于描述生命科学与工程技术的结合与应用，是由各种具体的操作过程和实验技巧构成的。生物工程：强调工业化和产业化规模的生物技术之应用，即综合各种生物技术，完成一个具体目标。生物化学工程：将化学工程原理扩展到应用生物催化剂来进行所需要的化学转化的系统中。含反应工程和分离工程。生物过程工程：除了引用化学工程的知识，还包括机械、电子、计算机……等知识原理的运用。偏微生物。二、生物加工(Bioprocess)生物加工的外延更广，狭义的概念是指利用生物催化和转化技术进行产品加工，广义的概念延伸至生物制造。《食品与生物加工技术》ChineseJournalofBioprocessEngineeringContents:Preface.1.solid-liquidseparation.2.disintegrationmethods.3.concentrationmethods.4.purificationbychromatography.5.productformulation.6.Microbiologicalassays.7.Qualityassuranceandqualitycontrol.8.Sterilizationcontrolandsterilityassurance.9.LimulusAmebocyteLysate(LAL)11.Enzymeimmobilization.12.Cellimmobilization.13.Continuousculture/fermentation.14.Anaerobicfermentations.15.Solid-statefermentation.16.Mass-cultureequipments.17.Fermentercontainments.18.Fermentationeconomics.19.Economicevaluationoffermentationprocess.20.Intellectualpropertyandpatenting.经验上，生物过程工程偏化工，生物加工偏化工以外的领域；生物过程工程重视分离过程，生物加工有时不考虑分离过程。生物分离工程(Bioseparationtechnology)：为提取生物产品时所需的原理、方法、技术及相关硬件设备的总称，是指从发酵液、动植物细胞培养液、酶反应液和动植物组织细胞与体液等中提取、分离、富集、纯化特定的生物产品和处理副产物的过程。它是生物技术的一部分，通常称作下游工程(DownstreamProcessing)。生物分离既是科学研究的重要手段，也是生物技术成果产业化的必经环节。第二节生物分离工程在基础和应用研究中的地位生物技术树BioseparationtechnologyJoint一、生物分离是生物技术成果产业化的重要环节《基因工程》《细胞工程》《遗传育种》《生物反应工程》《酶工程》《生物分离工程》目的产物的分离纯化过程优良生物物种的选育生物反应过程优化上游技术Upstream下游技术Downstream生物技术的一般过程OptimizedgrowingDrugproducingFermentationKillthemicrobesSmashthemicrobesRemovecells/debrisConcentrateandPurifytheproductFormulateproductDownstreamProcessingMicrobesGeneticmodificationMarketNutrientsOxygen生物制药流程简图(以微生物发酵为例)分离纯化过程的费用通常占生产成本的50～70％，有的甚至高达90％。分离步骤多、耗时长，往往成为制约生产效益的瓶颈。国外上、下游技术研发投入的经费之比为3:7，而我国则为7:3，下游技术研发投入的不足，导致很多非常有希望的产品缺乏国际竞争力。例如：1992年，我们(无锡轻工学院)选育的L-Val生产菌产酸为45g/L，不逊于国外的水平，但提取得到的缬氨酸成品只能是食品级，不能达到医药级的要求。Purity:(1)Clarityandcolorofsolution:Dissolve0.5gofL-Valinein20mLofwater:thesolutionisclearandcolorless.(2)Chloride:Performthetestwith0.5gofL-Valine.Preparethecontrolsolutionwith0.30mLof0.01mol/LhydrochloricacidVS(notmorethan0.021%).(3)Sulfate:Performthetestwith0.6gofL-Valine.Preparethecontrolsolutionwith0.35mLof0.005mol/LsulfuricacidVS(notmorethan0.028%).(4)Ammonium:Performthetestwith0.25gofL-Valine.Preparethecontrolsolutionwith5.0mLofStandardAmmoniumSolution(notmorethan0.02%).(5)Heavymetals:Proceedwith1.0gofL-ValineaccordingtoMethod1,andperformthetest.Preparethecontrolsolutionwith2.0mLofStandardLeadSolution(notmorethan20ppm).(6)Arsenic:Proceedwith1.0gofL-Valine,preparethetestsolutionaccordingtoMethod2,andperformthetest(notmorethan2ppm).《日本药典》熟练掌握一项生物分离技术是创业的基础(一些国内高校产业的“起家产品”)南京大学尿激酶(1988)北京大学α-1b干扰素(1992)上海医科大学t-PA、链激酶(1999)南京工业大学L-苹果酸中国药科大学L-苯丙氨酸；L-天冬氨酸华中农业大学伴孢晶体Bt山东医科大学肝素、小分子肝素海普瑞：分离技术创造的股市神话深圳市海普瑞药业股份有限公司成立于1998年，目前拥有员工近500人，主要生产和出口高品质的肝素系列产品。经过多年努力，海普瑞已成为全球生产规模最大、装备最先进的高纯精品肝素系列产品供应商。2007年公司净利润为6816万元，2008年净利润增至1.6亿元，而到了2009年，公司净利润暴增至8亿元，两年间净利润暴增11倍。2010年5月6日于深交所上市，证券代码为“002399”，创下A股市场历史上的首发最高价(148元)。科技功臣迟斌元与珠海生化制药厂1992年3月，珠海召开科技进步奖励大会，迟斌元作为第一批受奖励的科技人员名扬全国，他得到价值29万元的奥迪汽车、三房两厅套房和26万元奖金(总价值相当于当时中国城镇职工年平均收入的400倍)。迟斌元的成就在于探索出在室温条件下简便高效提取凝血酶的工艺流程，开创了我国第一个按国际先进标准生产生化药物制剂并且进入国际市场的成功范例。迟斌元毕业于南京大学生物系，从兰州医学院南下珠海，联合中山怡华和珠海兴业两个公司，用5个月的时间建立了珠海生化制药厂。1990年8月，生化制药厂的凝血酶投放市场，第一年的纯利就达600万元，第二年8000万元，产值1亿元。珠海科技奖励是新中国科学发展和改革开放的重大事件Bottleneck二、生物分离也是科学研究的前提和基础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、产物的不溶与聚合已成为结构基因组计划发展的制约因素。日前，清华大学施一公团队与国外学者合作，构建了分辨率高达3.4埃的人体γ-分泌酶的电镜结构，并且基于结构分析了γ-分泌酶致病突变体的功能，为理解γ-分泌酶的工作机制以及阿尔茨海默氏症的发病机理提供了重要基础。相关成果8月18日在《nature》发表。从近期国内生命科学届的重大突破看生物分离技术的作用新闻背景Lu,P.etal.Three-dimensionalstructureofhumanγ-secretase.Nature512,166–170(2014).Purificationoftheγ-secretasecomplex.Transfectedcellswerecentrifugedat800gandresuspendedinalysisbuffercontaining25mMHEPES,pH7.4,150mMNaClandproteaseinhibitorcocktails(Amresco).Aftersonicationonice,thesuspensionwascentrifugedat150,000gfor1htopelletthecellmembrane.Cellmembranewasresuspendedbythesamelysisbuffermentionedaboveandsupplementedwith1%CHAPSO.Afterincubationfor2hat4℃,thesuspensionwascentrifugedat150,000gfor30minandthesupernatantwasincubatedwithanti-FlagM2affinitygelfor30minat4℃.Theresinwaswashedthreetimes,eachwith10mlbuffercontaining25mMHEPES,pH7.4,150mMNaCland0.1%digitonin.Theγ-secretasecomplexwaselutedwithabuffercontaining25mMHEPES,pH7.4,150mMNaCl,0.1%digitoninand200mg/mlFlagpeptide.Proteinsolutionwasconcentratedwitha10-kDacut-offCentricon(离心超滤)andfurtherpurifiedbySuperose-6column.Thepeakfractionswereconcentratedto1.5mg/ml,andsupplementedwithamphipolA8-35toafinalconcentrationof4.