第一章-生物工程下游技术概论[1]1课件.ppt

1、章章 节节学学 时时第一章第一章 生物工程下游技术概述生物工程下游技术概述2 2学时学时第二章第二章 发酵液的预处理与细胞分离发酵液的预处理与细胞分离3 3学时学时第三章第三章 细胞破碎、蛋白质复性及固液分离细胞破碎、蛋白质复性及固液分离7 7学时学时第四章第四章 萃取萃取1616学时学时第五章第五章 膜分离技术在生物工程中的应用膜分离技术在生物工程中的应用4 4学时学时第六章第六章 凝胶过滤和离子交换层析介质凝胶过滤和离子交换层析介质5 5学时学时第七章第七章 其他色谱法其他色谱法4 4学时学时第八章第八章 电泳技术电泳技术5 5学时学时第九章第九章 浓缩、干燥及保存浓缩、干燥及保存4 4学

2、时学时第十章第十章 目标产品的蛋白质分析检测及质量控制目标产品的蛋白质分析检测及质量控制4 4学时学时生物工程下游技术生物工程下游技术（downstream processing）概述）概述生物工程下游技术概述生物工程下游技术概述生物工程下游技术概述生物工程下游技术概述 生物工程下游技术概述生物工程下游技术概述 生物工程下游技术概述生物工程下游技术概述生物工程下游技术概述生物工程下游技术概述生物工程下游技术概述生物工程下游技术概述生物工程下游技术概述生物工程下游技术概述生物工程下游技术概述生物工程下游技术概述生物工程下游技术概述生物工程下游技术概述生物工程下游技术概述生物工程下游技术概述生物工

3、程下游技术概述生物工程下游技术概述下游技术是生物产品产业化的必经之路下游技术是生物产品产业化的必经之路 如基因重组技术生产的生物产品胰岛素等大都在宿主细胞内，我如基因重组技术生产的生物产品胰岛素等大都在宿主细胞内，我们必须分离纯化才能应用。们必须分离纯化才能应用。下游技术是产品竞争力的关键技术下游技术是产品竞争力的关键技术 如中药是生物界自然产生的生物原料，我国是发源地，独具优势，如中药是生物界自然产生的生物原料，我国是发源地，独具优势，但在国际中药市场上贸易额仅占但在国际中药市场上贸易额仅占3%。下游技术与许多新产品的开发密切相关。下游技术与许多新产品的开发密切相关。中国林蛙的林蛙油应用价值

4、很高，若开发成产品，就离不开下游中国林蛙的林蛙油应用价值很高，若开发成产品，就离不开下游技术；技术；下游技术与环境保护密切相关。下游技术与环境保护密切相关。在一些产物的提取中会用到化在一些产物的提取中会用到化学试剂，如氯仿有毒，磷酸缓冲液会造成水体富营养化。学试剂，如氯仿有毒，磷酸缓冲液会造成水体富营养化。生物工程下游技术概述生物工程下游技术概述下游技术下游技术(Downstream Processing)：也称也称为下游工程或下游加工过程，是对于由生物界为下游工程或下游加工过程，是对于由生物界自然产生的或由微生物菌体发酵的、动植物细自然产生的或由微生物菌体发酵的、动植物细胞组织培养的、酶反应

5、等各种生物工业生产过胞组织培养的、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、加工并精制程获得的生物原料、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。目的成分，最终使其成为产品的技术。生物工程下游技术概述生物工程下游技术概述1 、广义的下游技术、广义的下游技术（1）物质分离）物质分离（2）产品加工（成品制备，结构衍生）产品加工（成品制备，结构衍生） 某些生化物质接上某种基团后生成其他用途的衍某些生化物质接上某种基团后生成其他用途的衍生物；例如喜树碱是我国特有的植物喜树的根皮果生物；例如喜树碱是我国特有的植物喜树的根皮果实中提取的，抗癌药、干扰实中提取的，抗癌药、干扰DN

6、A合成。结构衍生的合成。结构衍生的羟基喜树碱毒性小。羟基喜树碱毒性小。 生物工程下游技术概述生物工程下游技术概述2 、狭义的下游技术：物质分离、狭义的下游技术：物质分离 （1）非自发过程，需要能量）非自发过程，需要能量（2）专有设备）专有设备 （3）清洁生产）清洁生产 如：酒精加入水中（自发混合）；需分离，要经过蒸馏，且如：酒精加入水中（自发混合）；需分离，要经过蒸馏，且需打破恒沸点才能将其彻底分开。需打破恒沸点才能将其彻底分开。3、下游技术的任务、下游技术的任务 生物工程下游技术概述生物工程下游技术概述1、古代酿造业、古代酿造业 包括酿酒、制酱（油）、醋、酸奶和干酪等。包括酿酒、制酱（油）、

7、醋、酸奶和干酪等。（技术原始、家庭作坊式、产物不经后处理直接使用，无上下（技术原始、家庭作坊式、产物不经后处理直接使用，无上下游技术之分。）游技术之分。）2、第一代生物技术（、第一代生物技术（19世纪世纪60年代年代20世纪世纪40年代青霉素等抗生素出现之前）年代青霉素等抗生素出现之前） 发现发酵的本质是微生物的作用，掌握纯种培养技术。发现发酵的本质是微生物的作用，掌握纯种培养技术。20世纪上半叶逐渐形成了发酵法生产酒精、丙酮、丁醇等微生物世纪上半叶逐渐形成了发酵法生产酒精、丙酮、丁醇等微生物发酵产业。但产品简单，基本上是无活性的小分子。发酵产业。但产品简单，基本上是无活性的小分子。 引入成熟

8、的近代分离技术，如过滤、蒸馏、精馏等。引入成熟的近代分离技术，如过滤、蒸馏、精馏等。生物工程下游技术概述生物工程下游技术概述3、第二代生物技术（以、第二代生物技术（以20世纪世纪40年代出现的年代出现的青霉素产品为代表）青霉素产品为代表） 无菌空气制备技术、大型好氧发酵装置开无菌空气制备技术、大型好氧发酵装置开发成功。产品品种、类型迅速增加，不仅有初发成功。产品品种、类型迅速增加，不仅有初级代谢产物，也有次级代谢产物；不仅有小分级代谢产物，也有次级代谢产物；不仅有小分子，也有具生命活性的大分子，有的产品分子子，也有具生命活性的大分子，有的产品分子结构相当复杂。（抗生素、氨基酸、核酸、柠结构相当

9、复杂。（抗生素、氨基酸、核酸、柠檬酸、淀粉酶等）檬酸、淀粉酶等）生物工程下游技术概述生物工程下游技术概述4、第三代生物技术（以、第三代生物技术（以20世纪世纪70年代末掘起的年代末掘起的DNA重组技术及细胞融合技术为代表。）重组技术及细胞融合技术为代表。） 高附加值的产品出现，如乙肝疫苗、干扰素和其高附加值的产品出现，如乙肝疫苗、干扰素和其它生理功能性物质。它生理功能性物质。生理功能性物质生理功能性物质: 如属低聚糖类的活性糖质、活性肽、如属低聚糖类的活性糖质、活性肽、高度不饱和脂肪酸等。高度不饱和脂肪酸等。 同时，人们认识到下游技术的落后会阻碍生物技同时，人们认识到下游技术的落后会阻碍生物技

10、术的发展，许多发达国家开始加强研究力量，增设术的发展，许多发达国家开始加强研究力量，增设研究机构。如日本，研究机构。如日本，1988年，组建了高度分离系统年，组建了高度分离系统技术联合体。技术联合体。生物工程下游技术概述生物工程下游技术概述 80年代以来，出现一系列新概念、新技术、年代以来，出现一系列新概念、新技术、新产品和新装备。新产品和新装备。（1）固液分离技术）固液分离技术最初发酵液菌体特别是细菌的分离是生物工业最初发酵液菌体特别是细菌的分离是生物工业上的难题上的难题。 细菌细胞是高度分散的柔性体，大小仅细菌细胞是高度分散的柔性体，大小仅1um左左右，密度又与水相相差无几。而高速离心分离

11、投右，密度又与水相相差无几。而高速离心分离投资巨大，且运行成本高，很少采用。资巨大，且运行成本高，很少采用。生物工程下游技术概述生物工程下游技术概述 絮凝技术絮凝技术（广泛应用于污水处理、化学工程）引（广泛应用于污水处理、化学工程）引入到发酵液的预处理上，开发了菌体及悬浮物絮凝技入到发酵液的预处理上，开发了菌体及悬浮物絮凝技术，加之纤维素助滤剂的开发，改善了发酵液的分离术，加之纤维素助滤剂的开发，改善了发酵液的分离性能，大提高发酵液的固液分离效率。性能，大提高发酵液的固液分离效率。 分离机械方面：分离机械方面：出现性能优良的固液分离机械，出现性能优良的固液分离机械，如带式过滤机、连续半连续板框

12、过滤机、螺旋沉淀式如带式过滤机、连续半连续板框过滤机、螺旋沉淀式离心机等；微滤膜。离心机等；微滤膜。（2）细胞破碎技术）细胞破碎技术 开发出球磨破碎、压力释放破碎、冷冻加压释放开发出球磨破碎、压力释放破碎、冷冻加压释放破碎和化学破碎技术等。破碎和化学破碎技术等。生物工程下游技术概述生物工程下游技术概述（3）初步分离纯化技术）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。主要开发了沉淀、离子交换、萃取、超滤等技术。酶及蛋白的盐析，有机溶剂沉淀法。酶及蛋白的盐析，有机溶剂沉淀法。双水相萃取技术：比较适合于胞内活性物质和细胞双水相萃取技术：比较适合于胞内活性物质和细胞碎片的分离。碎片的

13、分离。超滤技术：应用于生物大分子的分级、浓缩、脱盐超滤技术：应用于生物大分子的分级、浓缩、脱盐等。解决了生物大分子对等。解决了生物大分子对pH、热、有机溶剂、金属、热、有机溶剂、金属离子敏感等问题。离子敏感等问题。生物工程下游技术概述生物工程下游技术概述（4）高度分离纯化技术）高度分离纯化技术小小分子物质：分子物质：通过离子交换、脱色和结晶、重结晶等方法获得通过离子交换、脱色和结晶、重结晶等方法获得纯度很高的产品。纯度很高的产品。生物大分子的纯化：生物大分子的纯化：色谱（层析）技术色谱（层析）技术(如亲和色谱、疏水色谱、离子交换色谱和凝胶色谱等。如亲和色谱、疏水色谱、离子交换色谱和凝胶色谱等。

14、)（5）新型分离技术）新型分离技术超临界超临界CO2萃取技术在获取天然生物物质方面有很大优势。如萃取技术在获取天然生物物质方面有很大优势。如啤酒花中有效成分和咖啡豆中咖啡因的萃取分离。啤酒花中有效成分和咖啡豆中咖啡因的萃取分离。介于反渗透和超滤之间的纳米过滤（介于反渗透和超滤之间的纳米过滤（nanofiltration）技术（能使水和大部）技术（能使水和大部分无机盐通过而截留分子量分无机盐通过而截留分子量300-1000u的小分子，且操作压力低。）。的小分子，且操作压力低。）。生物工程下游技术概述生物工程下游技术概述 生物原料种类繁多，生物原料种类繁多，包括小分子化合物、生物大分子、包括小分子

15、化合物、生物大分子、超大分子、细胞和具有复杂结构与构成成分的生物体组超大分子、细胞和具有复杂结构与构成成分的生物体组织。来源包括自然界存在的各种生物资源。织。来源包括自然界存在的各种生物资源。常见的生物制品常见的生物制品有抗生素、有机酸、氨基酸、多肽、蛋有抗生素、有机酸、氨基酸、多肽、蛋白质（包括酶、抗体）、核苷酸、核酸、病毒、糖类、白质（包括酶、抗体）、核苷酸、核酸、病毒、糖类、脂类、生物碱、糖苷等。脂类、生物碱、糖苷等。现代生物技术产品的主体是蛋白质药物，现代生物技术产品的主体是蛋白质药物，包括细胞因子包括细胞因子（如干扰素、生长因子、红细胞生成素）、激素（如胰（如干扰素、生长因子、红细胞

16、生成素）、激素（如胰岛素、生长激素）、抗体药物（单克隆抗体、抗体片段、岛素、生长激素）、抗体药物（单克隆抗体、抗体片段、基因工程抗体）、酶类药物、溶血栓药物等。基因工程抗体）、酶类药物、溶血栓药物等。生物工程下游技术概述生物工程下游技术概述原料特性：原料特性：( (原料选择（粗、精）和原料预处理原料选择（粗、精）和原料预处理) )u粗料杂质多粗料杂质多粗料发酵（酒精、柠檬酸、酶制剂等工业）粗料发酵（酒精、柠檬酸、酶制剂等工业）粗料中带入大粗料中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量的不参与发酵过程的可溶性杂质和不溶性悬浮物成本成本（下游技术）上升（下游技术）上升分离提取困难、（环

17、保）发酵废液处理分离提取困难、（环保）发酵废液处理成本高。成本高。u清料（清液）发酵是发展方向。清料（清液）发酵是发展方向。生物工程下游技术概述生物工程下游技术概述u有些产品，在待处理物料中产品浓度很低，比杂质含量有些产品，在待处理物料中产品浓度很低，比杂质含量还低，如青霉素还低，如青霉素3.6%，每千克产品中核黄素仅含几克，每千克产品中核黄素仅含几克，胰岛素仅含几十毫克。胰岛素仅含几十毫克。u产品稳定性制约下游技术的可选范围。产品稳定性制约下游技术的可选范围。 如酶蛋白，具有一定的一级结构；二级结构、甚至于四级结构，如酶蛋白，具有一定的一级结构；二级结构、甚至于四级结构，才呈现活性。温度、才

18、呈现活性。温度、PH、金属离子、无机盐浓度，有机溶媒以及、金属离子、无机盐浓度，有机溶媒以及操作过程的剪切率大小等对其活性均有影响。操作过程的剪切率大小等对其活性均有影响。有的产品对热、有的产品对热、pH、光等到不稳定。如用超临界、光等到不稳定。如用超临界CO2萃取技术从啤酒萃取技术从啤酒花中提取有效成分时，在粉碎啤酒花时，温度可达花中提取有效成分时，在粉碎啤酒花时，温度可达300，风味物质，风味物质极易挥发和氧化。极易挥发和氧化。生物工程下游技术概述生物工程下游技术概述产品特性：产品特性：u小分子产品因分子结构简单，性质相对稳定，小分子产品因分子结构简单，性质相对稳定，分离技术可选范围较大。

19、分离技术可选范围较大。u产品性质限制下游技术的可选范围。如当生产品性质限制下游技术的可选范围。如当生物技术产品是食品或药物时，从安全性考虑，物技术产品是食品或药物时，从安全性考虑，溶媒的使用受到一定限制，如苯、或氯仿对人溶媒的使用受到一定限制，如苯、或氯仿对人都是有害的。是否污染，分离介质、膜材料等都是有害的。是否污染，分离介质、膜材料等方面都有一些限制。方面都有一些限制。生物工程下游技术概述生物工程下游技术概述 产品特性：产品特性：u 产品共存物的影响。产品共存物的影响。如发酵液放罐后，残留底如发酵液放罐后，残留底物和产物共存，大量活细胞新陈代谢的生命活动还物和产物共存，大量活细胞新陈代谢的

20、生命活动还在进行，有可能会沿着另一条代谢途径进行发酵，在进行，有可能会沿着另一条代谢途径进行发酵，也有可能引起产物的破坏和降解，导致发酵液的变也有可能引起产物的破坏和降解，导致发酵液的变质，给下游操作带来不必要的困难。要求：及时快质，给下游操作带来不必要的困难。要求：及时快速操作。速操作。生物工程下游技术概述生物工程下游技术概述生物分离的原料主要来源于生物反应过程。生物分离的原料主要来源于生物反应过程。生物反应的产物一般是由细胞、游离的细胞外代谢产物、生物反应的产物一般是由细胞、游离的细胞外代谢产物、细胞内代谢产物、残存底物及惰性组分组成的混合液。细胞内代谢产物、残存底物及惰性组分组成的混合液

21、。具体的产品分离提取需考虑：具体的产品分离提取需考虑：（1）是胞内产物还是胞外产物；）是胞内产物还是胞外产物；（2）原料中产物和主要杂质浓度；）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；）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；）产品用途和质量标准；（5）产品的市场价格；（）产品的市场价格；（6）废液的处理方法等。）废液的处理方法等。生物工程下游技术概述生物工程下游技术概述工艺过程可大致分为工艺过程可大致分为4个阶段个阶段:（1）产物的预处理和固液分离）产物的预处理和固液分离过滤过滤成本低（设备、耗能）成本低（设备、耗能）离心离心离心机规格、种类

22、也很多离心机规格、种类也很多加热、调加热、调PH、絮凝，有利于过滤、絮凝，有利于过滤（2）提取（初步分离）提取（初步分离）目的是除去与产物性质差异较大的杂质，得到目标产目的是除去与产物性质差异较大的杂质，得到目标产物含量较高（浓缩比较大的）提取物的过程。沉淀、物含量较高（浓缩比较大的）提取物的过程。沉淀、吸附、萃取、超滤、结晶吸附、萃取、超滤、结晶生物工程下游技术概述生物工程下游技术概述（3）精制（高度纯化）精制（高度纯化）目的是去除与产物的物理化学性质比较接近的杂目的是去除与产物的物理化学性质比较接近的杂质。通常采用对产物有高度选择性的技术，如色质。通常采用对产物有高度选择性的技术，如色谱分

23、离技术、离子交换、膜分离、结晶、重结晶谱分离技术、离子交换、膜分离、结晶、重结晶（4）成品制作）成品制作浓缩、干燥、无菌过滤、成型，成品形式与产品浓缩、干燥、无菌过滤、成型，成品形式与产品的最终用途有关。的最终用途有关。生物工程下游技术概述生物工程下游技术概述生物工程下游技术概述生物工程下游技术概述 下游技术发展的要求：成本低、质量较下游技术发展的要求：成本低、质量较高、环保三个突出特点。高、环保三个突出特点。 一、传统分离技术的提高和完善一、传统分离技术的提高和完善 二、新技术的研究和开发二、新技术的研究和开发 三、清洁生产三、清洁生产生物工程下游技术概述生物工程下游技术概述一、传统分离技术

24、的提高和完善一、传统分离技术的提高和完善蒸馏蒸馏如酒精差压（多效）蒸馏技术如酒精差压（多效）蒸馏技术 (酒质、能耗酒质、能耗)蒸发蒸发结合蒸汽喷射热泵的多效蒸发技术结合蒸汽喷射热泵的多效蒸发技术过滤、离心过滤、离心新型高效过滤机械和离心机械新型高效过滤机械和离心机械结晶结晶结晶理论指导下提高产收率、质量结晶理论指导下提高产收率、质量离子交换技术离子交换技术新的发展技术新的发展技术生物工程下游技术概述生物工程下游技术概述二、新技术的研究和开发二、新技术的研究和开发1、新型分离介质的研究开发、新型分离介质的研究开发膜膜关键是膜材料和膜制造工艺关键是膜材料和膜制造工艺树脂树脂新型的离子交换树脂和大孔

25、吸附树脂新型的离子交换树脂和大孔吸附树脂凝胶凝胶以琼脂糖凝胶为基质，与各种配基结合后制成以琼脂糖凝胶为基质，与各种配基结合后制成各种色谱分离介质。各种色谱分离介质。生物工程下游技术概述生物工程下游技术概述二、新技术的研究和开发二、新技术的研究和开发2、子代分离技术、子代分离技术（各种技术相互结合、交叉、渗透产生的）（各种技术相互结合、交叉、渗透产生的）膜萃取技术膜萃取技术膜技膜技+萃取萃取膜蒸馏膜蒸馏膜技术膜技术+蒸馏蒸馏离子交换色谱离子交换色谱离子交换技术离子交换技术+色谱技术色谱技术3、其它新兴下游技术、其它新兴下游技术如双水相萃取、超临界如双水相萃取、超临界CO2萃取、反胶团萃取。萃取、

26、反胶团萃取。菌体絮凝技术和菌体细胞破碎技术。菌体絮凝技术和菌体细胞破碎技术。生物工程下游技术概述生物工程下游技术概述三、清洁生产三、清洁生产(cleaner production) 是指将综合预防的环境保护策略持续应用于生产过程是指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。和产品中，以期减少对人类和环境的风险。 生物工业的产品大多数是通过液态发酵获得的。酒生物工业的产品大多数是通过液态发酵获得的。酒精、谷氨酸和柠檬酸的发酵液浓度较高，也只有精、谷氨酸和柠檬酸的发酵液浓度较高，也只有10%左左右，其他一般只有右，其他一般只有2%-5%，有的甚至不到，有的甚至

27、不到1%。因而，。因而，生物工业单位产品排放的废液量很大。生物工业单位产品排放的废液量很大。生物工程下游技术概述生物工程下游技术概述三、清洁生产三、清洁生产(cleaner production)三方面：三方面：清洁生产工艺（技术）；清洁生产工艺（技术）；（节约原材料和能源，淘汰有毒害的原材料，并在（节约原材料和能源，淘汰有毒害的原材料，并在全部排放物和废物离开生产过程以前，尽量大可能全部排放物和废物离开生产过程以前，尽量大可能减少它们的排放量和毒性，对必须排放的污染物实减少它们的排放量和毒性，对必须排放的污染物实行综合利用，使废物资源化。）行综合利用，使废物资源化。）清洁产品清洁产品清洁能源

28、清洁能源1、下游技术的生物原料可以是_。 A、生物界自然产生的 B、酶反应获得的 C、动植物细胞组织培养的 D、微生物菌体发酵的 ABCD 什么是生物工程下游技术什么是生物工程下游技术? 也称为下游工程或下游加工过程，也称为下游工程或下游加工过程，是对于由生物界自然产生的或由微是对于由生物界自然产生的或由微生物菌体发酵的、动植物细胞组织生物菌体发酵的、动植物细胞组织培养的、酶反应等培养的、酶反应等各种生物工业生各种生物工业生产过程获得的生物原料、经提取分产过程获得的生物原料、经提取分离、加工并精制目的成分，最终使离、加工并精制目的成分，最终使其成为产品的技术。其成为产品的技术。具体的产品分离提取需考虑的问题具体的产品分离提取需考虑的问题?（1）是胞内产物还是胞外产物；）是胞内产物还是胞外产物；（2）原料中产物和主要杂质浓度；）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）产物和主要杂质的物理化学特性及差异；性及差异；（4）产品用途和质量标准；）产品用途和质量标准；（5）产品的市场价格；）产品的市场价格；（6）废液的处理方法等。）废液的处理方法等。