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1、Downstream Processing of Bioengineering 生物工程下游技术生物工程下游技术杨志红691612Section OnePrefaceConsiderable effort and time is allocated to introducing cell culture and fermentation technology to undergraduate students in academia,generally through a range of courses in industrial biotechnology and related disc
2、iplines.Similarly,a large number of textbooks are available to describe the applications of these technologies in industry.However,there has been a general lack of appreciation of the significant developments in downstream processing and isolation technology,the need for which is largely driven by t
3、he stringent regulatory requirements for purity and quality of injectable biopharmaceuticals.This is particularly reflected by the general absence of coverage of this subject in many biotechnology and related courses in educational institutions.For a considerable while I have felt that there is incr
4、easing need for an introductory text to various aspects of downstream processing,particularly with respect to the needs of the biopharmaceutical and biotechnology industry.Although there are numerous texts that cover various aspects of protein purification techniques in isolation,there is a need for
5、 a work that covers the broad range of isolation technology in an industrial setting.It is anticipated that Downstream Processing of Proteins:Methods and Protocols will play a small part in filling this gap and thus prove a useful contribution to the field.It is also designed to encourage educationa
6、l strategists to broaden the coverage of these topics in industrial biotechnology courses by including accounts of this important and rapidly developing element of the industrial process.The hope is that this will result in graduates having a reasonable understanding of downstream processing princip
7、les and techniques,and thus be better prepared to fulfill the ever-increasing demand for competent isolation scientists in industries.This is,of course,achieved with the help of the dedicated contributing authors of Downstream Processing of Proteins:Methods and Protocols,without whose willingness to
8、 contribute and patience it would not have been possible.I would also like to thank the Humana Press and Prof.John Walker(the series editor)for their encouragement and prompt feedback.My thanks are also due to the Medeva Pharma Development management for providing me with the time and opportunity to
9、 fulfill this task,and without whose support it would have been impossible.Finally,I wish to thank my wife,children,and family members for allowing me to persevere with my editing activities in perhaps what should have been their time.Section Two菌种筛选菌种筛选摇瓶实验摇瓶实验发酵罐实验发酵罐实验Industrial Scale upTo transf
10、er the pilot scale results into a commercially feasible production setting.Fermentor sizes range from 100 L to 500,000 L,depending on products.在疾病治疗方面的应用在疾病治疗方面的应用生物制药抗生素基因治疗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
11、）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，人造骨，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上游：菌种，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，海洋生物培养下游：生物分离工程 生物产品特点生物产品特点 产物浓度低的水溶液 原因：a.氧传递限制；b.细胞量;c.产物抑制 组分复杂a.大分子;b.小分子;c.可溶物;d.不可溶物;e.化学添加物 产物稳定性差a
12、.化学降解(pH,温度);b.微生物降解（酶作用，染菌）质量要求高（药品或食品）生物分离工艺要求(1)高纯度(2)大规模(3)经济性(4)生物相容性生物过程开发目标生物过程开发目标(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）质量控制意义质量控制意义(1)来自管理机构的压力(2)公众的觉醒(3)市场扩张与竞争(4)安全(5)提高专一性作用，减少负作用非蛋白类杂质的去除非蛋白类杂质的去除（1）DNA A.阴离子交换（pH 4.0)B.亲和层析（不被吸附）C.疏水层析（2）热原（蛋白质溶液中的去热原）A.生产过程无菌 B.所有层析
13、介质无菌 C.所用溶液无菌 D.亲和层析（多粘菌素）（3）去病毒 A.加热（60)B.过滤 C.灭活剂目标蛋白的表征和分析方法目标蛋白的表征和分析方法（1）HPLC（2）SDS-PAGE（3）氨基酸顺序分析（4）氨基酸，肽图，免疫化学（5）与标准品对照分析 工业应用的生物分离技术工业应用的生物分离技术 回收技术回收技术:絮凝，离心，过滤，微过滤。絮凝，离心，过滤，微过滤。细胞破碎技术细胞破碎技术:球磨，高压匀浆，化学破碎技术。球磨，高压匀浆，化学破碎技术。初初步步纯纯化化技技术术:盐盐析析法法，有有机机溶溶剂剂沉沉淀淀，化化学学沉沉淀淀，大孔吸附树剂，膜分离技术。大孔吸附树剂，膜分离技术。高高
14、度度纯纯化化技技术术:各各类类层层析析，亲亲和和，疏疏水水，聚聚焦焦，离离子交换。子交换。成成品品加加工工-喷喷雾雾干干燥燥:气气流流干干燥燥，沸沸腾腾干干燥燥，冷冷冻冻干干燥，结晶。燥，结晶。生物技术产品的类型生物技术产品的类型按分子量大小按分子量大小小分子产品小分子产品：（小于：（小于10001000）抗生素，有机酸，氨基酸）抗生素，有机酸，氨基酸大分子产品大分子产品：（大于：（大于10001000）酶）酶,抗体，多肽，蛋白质抗体，多肽，蛋白质按产品所处的位置按产品所处的位置细胞内细胞内:胰岛素，干扰素，重组蛋白质胰岛素，干扰素，重组蛋白质细胞外细胞外：抗生素，胞外酶：抗生素，胞外酶下游加
15、工过程的沿革下游加工过程的沿革传统产业（第一代）传统产业（第一代）1919世纪世纪6060年代年代-20-20世纪世纪5050年代年代 l 酒精，丙酮，丁醇酒精，丙酮，丁醇第二代生物技术产品第二代生物技术产品 2020世纪世纪4040年代年代 抗生素，有机酸，核酸，酶制剂，单细胞蛋白抗生素，有机酸，核酸，酶制剂，单细胞蛋白第三代第三代 2020世纪世纪7070年代中期年代中期动物细胞培养动物细胞培养植物细胞培养植物细胞培养基因工程发酵产品基因工程发酵产品 生物下游加工过程的选择准则生物下游加工过程的选择准则 步聚少步聚少 次序合理次序合理 产品规格产品规格 （注射，非注射）（注射，非注射）生产
16、规模生产规模 物料组成物料组成 产产品品形形式式 （固固体体-适适当当结结晶晶，液液体体-适适当当浓缩）浓缩）产品稳定性产品稳定性 物物性性 （溶溶解解度度，分分子子电电荷荷，分分子子大大小小，功能团，稳定性，挥发性）功能团，稳定性，挥发性）危害性危害性 废水处理废水处理 生物技术下游加工过程的发展动向生物技术下游加工过程的发展动向 基础理论研究基础理论研究A A 选择性分离剂选择性分离剂B B 数学模型数学模型 应用研究应用研究A A 新老技术的深化研究与融合新老技术的深化研究与融合B B 下游技术与上游技术相结合下游技术与上游技术相结合(藕合分离）藕合分离）C C 强化化学作用对分离能力的
17、影响强化化学作用对分离能力的影响D D 改进上游因素（改进菌种，培养基与发酵条件）改进上游因素（改进菌种，培养基与发酵条件）工程问题研究工程问题研究 改善环境相容性改善环境相容性现代生物分离过程的研究方向与特点现代生物分离过程的研究方向与特点（1）大规模，高选择性（液膜萃取，两水相萃取，反渗透，纳米过滤，渗透蒸发，亲和膜过滤，亲和错流过滤，亲和沉淀，分子筛，分子蒸馏）（2）集成化（扩张床，两水相，液膜分离）（3）快速分离（色谱）（4）极端条件下分离（超临界，超声波，超重力）（5）在位分离（边发酵边分离）（6）环境相容（超临界）（7）可再生循环（亲和沉淀，可再生两水相）Separation Pr
18、ocesses:Extractors溶质在二个互不相容的溶剂的分配溶质在二个互不相容的溶剂的分配系数不同，所造成的溶质的转移。系数不同，所造成的溶质的转移。混合器和澄清器混合器和澄清器 膜技术微滤微滤超滤超滤纳滤纳滤反渗透反渗透悬浮粒子悬浮粒子大分子大分子糖，二价盐糖，二价盐游离酸游离酸单价盐单价盐不游离酸不游离酸水水膜的分类与特征膜的分类与特征分子印迹分离超临界流体分离Phase separationPhase separationTop phaseTop phaseBottom phaseBottom phaseRecycleLight Light Recycling Polymers F
19、orming Aqueous Two-phase Systems 亲亲和和沉沉淀淀lower critical solution temperature,LCST 生物分离技术与化工分离技术的区别生物分离技术与化工分离技术的区别 化工分离技术：化工分离技术：获得纯的化学物质。获得纯的化学物质。生物分离技术：生物分离技术：在得到纯的生物物质同时，还必在得到纯的生物物质同时，还必须关注特定杂质的去除。须关注特定杂质的去除。与与传传统统的的化化学学试试剂剂的的纯纯度度概概念念不不同同，生生物物产产物物对对有有害害物物质质有有严严格格的的控控制制，生生产产过过程程也也要要求求有有严严格格的的管管理理，
20、在在最最终终产产品品中中往往往往不不允允许许有有极极微微量量的的有有害害杂杂质存在。质存在。生物分离技术的重要性生物分离技术的重要性 生物产物的特殊性；生物产物的特殊性；生物产物所处环境的复杂性；生物产物所处环境的复杂性；对生物产品要求的严格性；对生物产品要求的严格性；最终结果：最终结果：导致下游加工过程中成本往往导致下游加工过程中成本往往占整个生物加工过程生产成本的大部分。占整个生物加工过程生产成本的大部分。下游加工技术的一般流程下游加工技术的一般流程 生物下游加工过程是指生物下游加工过程是指目标产物的分离纯化过目标产物的分离纯化过程，包括程，包括产物提取(isolation)产物浓缩(co
21、ncentration)产物纯化(purification)成品化(polishing)注意：多步分离导致收率降低；多步分离导致收率降低；分离技术的选择依据分离技术的选择依据产物所处的位置；产物所处的位置；产物性质（分子大小、产物性质（分子大小、疏水性、电荷形式和疏水性、电荷形式和溶解度等）；溶解度等）；生物加工过程自身的生物加工过程自身的规模和产品的商业价规模和产品的商业价值；一种目标产物的值；一种目标产物的分离手段往往不止一分离手段往往不止一种，根据生产的规模种，根据生产的规模和价值，选择合适的和价值，选择合适的分离技术分离技术 生物下游加工过程的特点生物下游加工过程的特点 满足满足维持维
22、持生物物质生物物质活性活性的要求的要求满足满足快速分离快速分离的要求的要求满足纯度和满足纯度和杂质去除杂质去除的要求的要求满足满足高效分离高效分离的要求的要求满足满足成本优化成本优化的要求的要求 生物分离本质生物分离本质 有效地识别混合物中不同溶质间有效地识别混合物中不同溶质间物理、物理、化学和生物学性质化学和生物学性质的差别，利用能够识别的差别，利用能够识别这些差别的分离介质和（或）扩大这些差这些差别的分离介质和（或）扩大这些差别的分离设备实现溶质间的分离或目标组别的分离设备实现溶质间的分离或目标组分的纯化。分的纯化。常用的分离技术及其机理常用的分离技术及其机理物理性质物理性质力学性质力学性
23、质重力、离心力、筛分重力、离心力、筛分热力学性质热力学性质状态变化、相平衡状态变化、相平衡传质性质传质性质粘度、扩散、热扩散粘度、扩散、热扩散电磁性质电磁性质电泳、电渗、磁化电泳、电渗、磁化化学性质化学性质化学热力学化学热力学化学平衡化学平衡反应动力学反应动力学反应速率反应速率光化学性质光化学性质激光激发、离子化激光激发、离子化生物学性质生物学性质分子识别分子识别生物亲和作用、生物学识别生物亲和作用、生物学识别输送性质输送性质生物膜输送生物膜输送反应、响应、控制反应、响应、控制免疫系统免疫系统Question1、please introduce the downstream processing of biotechnology in your words(at least 150 words in english).