13下游加工过程概论 生物工程系 吴蕾
13下游加工过程概论 生物工程系 吴蕾
本课程主要内容 ◼ 13 生物下游加工过程概论 ◼ 14 发酵液的预处理和固液分离方法 ◼ 15 细胞破碎 ◼ 16 沉淀法 ◼ 17 膜分离技术 ◼ 18 溶剂萃取法 ◼ 19 双水相萃取 ◼ 20 吸附法 ◼ 21离子交换法 ◼ 22 液相色谱法 ◼ 23 亲和分离技术 ◼ 24 结晶法 ◼ 25 基因工程药物生产实例
本课程主要内容 ◼ 13 生物下游加工过程概论 ◼ 14 发酵液的预处理和固液分离方法 ◼ 15 细胞破碎 ◼ 16 沉淀法 ◼ 17 膜分离技术 ◼ 18 溶剂萃取法 ◼ 19 双水相萃取 ◼ 20 吸附法 ◼ 21离子交换法 ◼ 22 液相色谱法 ◼ 23 亲和分离技术 ◼ 24 结晶法 ◼ 25 基因工程药物生产实例
13.1 下游加工过程在生物技术中的 地位 ◼ 下游加工过程是生物工程的一个重要组成部分. ◼ 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、分离纯化、 富集生物产品的过程称为下游加工过程 (downstream processing) ◼ 它由一些化学工程的单元操作组成,但由于生物物 质的特性，有其特殊要求，而且其中某些单元操 作在一般化学工业中应用较少
13.1 下游加工过程在生物技术中的 地位 ◼ 下游加工过程是生物工程的一个重要组成部分. ◼ 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、分离纯化、 富集生物产品的过程称为下游加工过程 (downstream processing) ◼ 它由一些化学工程的单元操作组成,但由于生物物 质的特性，有其特殊要求，而且其中某些单元操 作在一般化学工业中应用较少
在发酵产品的生产中，分离和精制过程所需 的费用占成本的很大部分。 ◼ 对传统发酵工业(如抗生素、乙醇、柠檬酸)， 分离和精制部分占整个工厂投资费用的60 ％， ◼ 对重组DNA生产蛋白质、精制的费用可占 整个生产费用的80％一90％
在发酵产品的生产中，分离和精制过程所需 的费用占成本的很大部分。 ◼ 对传统发酵工业(如抗生素、乙醇、柠檬酸)， 分离和精制部分占整个工厂投资费用的60 ％， ◼ 对重组DNA生产蛋白质、精制的费用可占 整个生产费用的80％一90％
◼ 从第一个基因工程药物，人胰岛素在1982年投产 后，人们逐渐认识到下游加工过程的落后有可能 会阻碍生物技术的发展，特别是当有其他生产方 法与其相竞争时。 ◼ 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，有7个国家、 50家公司参加。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。 ◼ 美国United Engineering Foundation 从1981 年开始连续召开了生物产品回收的会议。 ◼ 我国也于1989年在济南召开了一次专门会议。人 们逐渐取得了共识；现代生物技术的发展是和下 游技术的进步紧密相关的
◼ 从第一个基因工程药物，人胰岛素在1982年投产 后，人们逐渐认识到下游加工过程的落后有可能 会阻碍生物技术的发展，特别是当有其他生产方 法与其相竞争时。 ◼ 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，有7个国家、 50家公司参加。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。 ◼ 美国United Engineering Foundation 从1981 年开始连续召开了生物产品回收的会议。 ◼ 我国也于1989年在济南召开了一次专门会议。人 们逐渐取得了共识；现代生物技术的发展是和下 游技术的进步紧密相关的
13.2 传统生化产品和基因工程产品回收方法的比较 1.生化产品的类型 ◼ 按用途分类 食品类。 保健品类。 医用类产品（1998年，719种）。抗生素112种 农业用产品（1998年，36种）。 生物试剂类（1998年，975种）。 ◼ 按分子量大小分类 Mass 1000D：酶、抗原、抗体、多肽、蛋白质类 ◼ 按发酵时目的产物所在的位置分类 cell内：胰岛素、白细胞介素、干扰素、重组蛋白质 cell外：抗生素（青霉素、红霉素）、胞外酶（α-淀粉酶）等
13.2 传统生化产品和基因工程产品回收方法的比较 1.生化产品的类型 ◼ 按用途分类 食品类。 保健品类。 医用类产品（1998年，719种）。抗生素112种 农业用产品（1998年，36种）。 生物试剂类（1998年，975种）。 ◼ 按分子量大小分类 Mass 1000D：酶、抗原、抗体、多肽、蛋白质类 ◼ 按发酵时目的产物所在的位置分类 cell内：胰岛素、白细胞介素、干扰素、重组蛋白质 cell外：抗生素（青霉素、红霉素）、胞外酶（α-淀粉酶）等
◼ 2.传统生化产品和基因工程产品在提取和 精制上的差异 传统生化产品都为小分子(工业用酶除外， 但它们对纯度要求不高、提取方法较简 单)．其理化性能(如平衡关系等)数据都为 已知，因此放大比较有根据；基因工程产 品大多为大分子，必要数据缺乏，放大多 凭经验
◼ 2.传统生化产品和基因工程产品在提取和 精制上的差异 传统生化产品都为小分子(工业用酶除外， 但它们对纯度要求不高、提取方法较简 单)．其理化性能(如平衡关系等)数据都为 已知，因此放大比较有根据；基因工程产 品大多为大分子，必要数据缺乏，放大多 凭经验
由于第一代基因工程产品都以E.coli作为宿主，表 达产品处于胞内，提取前需将细胞破碎，细胞内 物质释放出来，给提取增加了很多困难；而发酵 液中的产物，浓度较低，杂质又多，且一般大分 子较小分子不稳定(易失活，如对剪切力)，故提 取较困难。 大分子(蛋白质)的分离主要困难在于杂蛋白的分 离，由于蛋白质都内氨基酸所构成，所以性质相 似，分离主要依靠高分辨力的精制方法，如色谱 分离等
由于第一代基因工程产品都以E.coli作为宿主，表 达产品处于胞内，提取前需将细胞破碎，细胞内 物质释放出来，给提取增加了很多困难；而发酵 液中的产物，浓度较低，杂质又多，且一般大分 子较小分子不稳定(易失活，如对剪切力)，故提 取较困难。 大分子(蛋白质)的分离主要困难在于杂蛋白的分 离，由于蛋白质都内氨基酸所构成，所以性质相 似，分离主要依靠高分辨力的精制方法，如色谱 分离等
3. 分离效率的评价 浓缩率（富积率，concentration factor） 原料(Raw material) 分离器 产品(Product) FW, VW, cT,W, cX,W 废液(Waste fluid) 意义：1）如mT >1，则目标产物得到富积；2）如mT = mX，则目 标产物未得到分离纯化
3. 分离效率的评价 浓缩率（富积率，concentration factor） 原料(Raw material) 分离器 产品(Product) FW, VW, cT,W, cX,W 废液(Waste fluid) 意义：1）如mT >1，则目标产物得到富积；2）如mT = mX，则目 标产物未得到分离纯化
分离因子(separative factor)，或分离系数 (separative coefficient) 意义：A、目标产物浓度，杂质浓度，则分离因 子大，分离效率； B、 = 1时，则未分离。故在分离为主要 目的时,
分离因子(separative factor)，或分离系数 (separative coefficient) 意义：A、目标产物浓度，杂质浓度，则分离因 子大，分离效率； B、 = 1时，则未分离。故在分离为主要 目的时,