生物工程下游技术-绪论
生物工程下游技术思考题答案
⽣物⼯程下游技术思考题答案⼀．绪论1、从某⼀动物培养的细胞中分离某⼀抗体(⼀蛋⽩的代表）的⼀般⼯艺过程。
答：⽣物⼯程下游技术的⼀般⼯艺过程（p12）2、分离纯化某⼀酶制剂的主要步骤和结果如下表：（（2）亲和层析的原理是什么？3、产品的分离提取⼯艺应考虑那些因素？答：⽣物分离过纯化过程的选择准则（P16）①步聚少，成本低②次序合理③产品规格（注射，⾮注射）④⽣产规模⑤物料组成⑥产品形式固体：适当结晶，液体：适当浓缩⑦产品稳定性⑧物性溶解度，分⼦电荷，分⼦⼤⼩，功能团，稳定性，挥发性⑨危害性⑩废⽔处理第⼆章发酵液预处理1．沉降速度离⼼的原理。
（p15）答：沉降速度法：主要⽤于分离沉降系数不同的物质。
2．沉降平衡离⼼的原理。
（p15）答：沉降平衡法：⽤于分离密度不同的物质。
如梯度密度离⼼。
3．差速离⼼的概念。
（p15）答：采⽤不同的转速将沉降系数不同的物质分开的⽅法。
4． rpm与RCF的换算关系。
5.已知某⼀离⼼机的转⼦半径为25cm，转速为1200r/min，计算相对离⼼⼒为多⼤？第三章细胞破碎1除去发酵液杂蛋⽩质的常⽤⽅法有那些？答：杂蛋⽩质的除去（p6）(1) 沉淀法：蛋⽩质是两性物质，在酸性溶液中，能与⼀些阴离⼦（三氯⼄酸盐、⽔扬酸盐）形成沉淀；在碱性溶液中，能与⼀些阳离⼦（Ag+、Cu2+、Zn2+、Fe3+等）形成沉淀。
(2) 变性法：使蛋⽩质变性的⽅法很多，如：加热，调节pH，有机溶剂，表⾯活性剂等。
其中最常⽤的是加热法。
(3) 吸附法：加⼊某些吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋⽩质⽽除去。
2产品的分离提取⼯艺应考虑那些因素？答：(1) 是胞内产物还是胞外产物；(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) 废液的处理⽅法等。
3发酵液过滤与分离的困难的原因及解决⽅法。
答：第⼀节发酵液过滤特性的改变微⽣物发酵液的特性可归纳为： (P3)①发酵产物浓度较低，⼤多为1％⼀10％，悬浮液中⼤部分是⽔；②悬浮物颗粒⼩，相对密度与液相相差不⼤；③固体粒⼦可压缩性⼤；④液相粘度⼤，⼤多为⾮⽜顿型流体；⑤性质不稳定，随时间变化，如易受空⽓氧化、微⽣物污染、蛋⽩酶⽔解等作⽤的影响。
生物工程下游技术
d. 对于含有半胱氨酸的蛋白，在增溶时应 加入还原剂（如DTT、GSH、β-ME）打开蛋 白质中所有二硫键，对于没有二硫键的目 标蛋白有时也应使用还原剂，因为含二硫 键的杂蛋白会影响包涵体的溶解。 e. 同时还应加入金属螯合剂，如EDTA或 EGTA，用来螯合Cu2+、Fe3+等金属离子以 防止其与还原状态的巯基发生氧化反应。
优点： ① 一定的选择性； ② 细胞外形完整，核酸释放少，有利于进一 步分离过程 缺点：（只能用于实验室） ① 产物抑制造成效率低下； ② 溶酶价格高； ③ 通用性差， 不易确定最佳条件；
6、微波加热法
• 机理：微波加热导致细胞内极
性物质，尤其是水分子吸收微波 能，产生大量热量，使胞内温度 迅速上升，液态水汽化产生的压 力将细胞膜和细胞壁冲裂，形成 微小孔洞，进一步加热可导致细 胞内部和细胞壁水分减少，细胞 收缩，表面出现裂纹。
缺点：复性活性回收率低，而且难与杂蛋白分
离。稀释法大大增加溶液体积，不利于后续的
分离纯化，且处理量太大，不利于工业放大 ；
透析法耗时长，易形成无活性蛋白质聚集体； 超滤法在膜上聚集变性，易造成膜污染。
2、高蛋白浓度下的复性方法：
（一个成功的复性过程在于能够在高蛋白浓度下仍
能得到较高的复性率。）
①缓慢地连续或不连续地将变性蛋白加入到 复性缓冲液中,使得蛋白质在加入过程中或 加入阶段之间有足够的时间进行折叠复性。 因为完全折叠的蛋白通常不会与正在折叠 的蛋白一起聚集。
团状、丝状真菌、 几乎所有的微生物 较小革兰阳性菌不 细胞，包括含有包 宜，包含体不宜 含体的基因工程菌 的破壁
X-Press挤压机，把浓缩的细胞悬液冷却 至-25～-30℃，形成冰晶，用500MPa以上
11级生物工业下游技术复习题
11级生物工业下游技术复习第一章绪论一、生物分离技术的基本路线？二、主要生物分离技术的分离原理？三、生物分离技术的特点？四、生产中怎样选取生物分离技术手段？第二章下游技术的基础理论1．对生物产品进行分离的理论依据有那三个方面？2．化学性分子识别和生物学的特异性相互作用的相似和区别？第三章发酵液预处理一、名词解释1．凝聚： 2．絮凝： 3．过滤： 4．离心沉降： 5．离心过滤： 6．助滤剂： 7．沉降：二、单项选择1．真空转鼓过滤机工作一个循环经过（）。
A、过滤区、缓冲区、再生区、卸渣区B、缓冲区、过滤区、再生区、卸渣区C、过滤区、缓冲区、卸渣区、再生区D、过滤区、再生区、缓冲区、卸渣区2．以下哪项不是在重力场中，颗粒在静止的流体中降落时受到的力（）A.重力B. 压力C.浮力D. 阻力3．以下哪项不是颗粒在离心力场中受到的力（）A.离心力B. 向心力C.重力D. 阻力4．颗粒与流体的密度差越小，颗粒的沉降速度（）A.越小B.越大C.不变D.无法确定5．工业上常用的过滤介质不包括（）A.织物介质B.堆积介质C.多孔固体介质D.真空介质6．下列物质属于絮凝剂的有（）。
A、明矾B、石灰C、聚丙烯类D、硫酸亚铁三、判断对错1．助滤剂是一种可压缩的多孔微粒。
（）2．通过加入某些反应剂是发酵液进行预处理的方法之一。
（）3．在生物制剂制备中，常用的缓冲系统有磷酸盐缓冲液；碳酸盐缓冲液；盐酸盐缓冲液；醋酸盐缓冲液等。
（）四、填空1．发酵液常用的固液分离方法有（）和（）等。
2．为使过滤进行的顺利通常要加入（）。
3．工业离心设备从形式上可分为（），（），（），等型式。
4.典型的工业过滤设备有（）和（）。
5．常用离心设备可分为（）和（）两大类；五、简答1．改变发酵液过滤特性的主要方法有哪些？其简要机理如何？2．除去发酵液中杂蛋白的常用方法有哪些？3．试述生物工业中常用固液分离设备的原理、特点及适用范围？第四章细胞破碎一、名词解释1.超声波破碎法2.酶解法二、单项选择1．适合小量细胞破碎的方法是（）A.高压匀浆法B.超声破碎法C.高速珠磨法D.高压挤压法2．丝状（团状）真菌适合采用（）破碎。
生物工程下游技术
⽣物⼯程下游技术⽣物⼯程下游技术⽣物⼯程下游技术的定义指从动植物与微⽣物的有机体或器官、⽣物⼯程产物（发酵液、培养液）及其⽣物化学产品中提取、分离、纯化有⽤物质的技术过程。
实质：是研究如何从混合物中把⼀种或⼏种物质分离出来的科学技术。
1.⽣化⼯程分离技术预处理结晶⼲燥离⼼法：离⼼过滤、离⼼沉降、超离⼼萃取法：有机溶剂、双⽔相、液膜、反胶团、超临界层析法：凝胶过滤层析、反相层析、亲和、疏⽔相互作⽤、聚焦、离⼦交换膜分离：微滤、超滤、反渗透、透析、电渗透2.⽣物物质常⽤的分离技术氨基酸：结晶和离⼦交换法蛋⽩质和多肽：离⼦交换层析、电泳糖类：吸附层析脂质：有机溶剂萃取、超临界流体萃取和层析抗⽣素：有机溶剂萃取、离⼦交换、结晶和吸附层析3. ⽣物分离⽅法的选择与评价原则：步聚少，次序合理，产品规格（注射，⾮注射），⽣产规模，物料组成，产品形式，产品稳定性，危害性，物性：溶解度、电荷、分⼦⼤⼩、功能团、稳定性、挥发性，废⽔处理4.浓缩率：浓缩程度⼀般⽤浓缩率(concentration factor)表达，是⼀个以浓缩为⽬的的分离过程的最重要指标。
浓缩率为m，mt=mx则⽬标产物未得到任何程度的分离纯化。
5.分离因⼦：分离因⼦⼜称分离系数。
产品中⽬标产物浓度越⾼，杂质浓度越低，则分离因⼦越⼤，分离效率越⾼。
6. 回收率：⽆论是以浓缩还是以分离为⽬的操作过程，⽬标产物均应以较⼤的⽐例回收, 回收率R：⽣物分离操作多为间歇过程（分批操作），若原料液和产品溶液的体积分别为VC和VP。
1 ⽣物产品与普通化⼯产品分离过程有何不同？2 设计⽣物产品的分离⼯艺应考虑哪些因素？3 分离纯化的回收率与浓缩率如何计算？4 现代⽣物分离⼯程研究⽅向有哪些特点？5 分离纯化指标有哪些?简述pH对发酵液过滤特性的影响，并举例说明。
答：（1） pH直接影响发酵液中某些物质的电离程度和电荷性质，因此适当调节pH值可以改善发酵液的过滤特性。
生物工程下游技术 PPT课件
/science/journal/1369703X
• Separation and Purification Technology
/science/journal/13835866
• Journal of Membrane Science
/science/journal/03767388
References-SCI journals
• Enzyme and Microbial Technology
/science/journal/01410229
• Journal of Chemical Technology and Biotechnology
/jpages/0268-2575
References-SCI journals
• Separation and Purification Reviews
• P. A. Belter, E. L. Cussler, W. Hu. Bioseparations: Downstream Processing for Biotechnology. New York: John Wiley & Sons, 1988
• D. Forciniti. Industrial Bioseparations: Principles and Practice. Iowa: WileyBlackwell, 2008
考核方式
• 根据课程基本要求，结合平时成绩、课程论文及 笔试（期末考试）三方面进行综合评定。
• 平时成绩20％ • 课程论文20％ • 期末考试60％
主要内容
1. 绪论 2. 下游技术理论基础 3. 发酵液预处理与细胞破碎 4. 沉淀 5. 萃取分离 6. 膜分离 7. 吸附与离子交换 8. 色谱分离 9. 亲和色谱
生物工程下游技术-绪论
功能团，稳定性，挥发性） ⑨ 危害性 ⑩ 废水处理
生物技术下游加工过程的发展动向
① 基础理论研究 • A 选择性分离剂 • B 数学模型 ② 应用研究 • A 新老技术的深化研究与融合 • B 下游技术与上游技术相结合(藕合分离） • C 强化化学作用对分离能力的影响 • D 改进上游因素（改进菌种，培养基与发酵条件） ③ 工程问题研究 ④ 改善环境相容性
下游加工过程的沿革
传统产业（第一代）19世纪60年代-20世纪50年代 酒精，丙酮，丁醇 第二代生物技术产品 20世纪40年代 • 抗生素，有机酸，核酸，酶制剂，单细胞蛋白 第三代 20世纪70年代中期 • 动物细胞培养 • 植物细胞培养 • 基因工程发酵产品
生物下游加工过程的选择准则
① 步聚少 ② 次序合理 ③ 产品规格 （注射，非注射） ④ 生产规模 ⑤ 物料组成 ⑥ 产品形式 （固体-适当结晶， 液体-适当
• 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 the 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.
生物工程下游技术
生物工程下游技术第五章1、目标产物分离基本的两个阶段：产物的初级分离和产物的纯化精制阶段。
（1）初级分离：位于生物反应之后，其任务是分离细胞和培养液，破碎细胞释放产物，溶解包涵体，复原蛋白质，浓缩产物和去除大部分杂物等。
（2）纯化精制：在初级分离的基础上，用各种高选择手段（主要是各种色谱层析）将目标产物和干扰杂物尽可能的分离开，达到产物的高纯度，最后储藏运输和使用产品。
（1）机械破碎（高压匀浆、高速研磨）—离心法提取包含体—加变性剂溶解—除变性剂复性特点：利用了包含体与细胞碎片的密度差，离心法可获得干净的包含体，再对其复性。
这样首先摆脱了大量的杂质，使后面的分离纯化简单了，缺点是需要经过几次离心，加工时间较长（2）机械破碎—膜分离除可溶性蛋白—变性剂溶解包含体—除变性剂复性特点：应用了膜分离技术，用微孔膜除去可溶性蛋白质，但细胞碎片与包含体一起被膜挡住，难以分开，其次膜的堵塞和浓差极化常常导致可溶性蛋白的滞留，优点是封闭式操作，不污染环境也不受污染，能量也消耗少（3）化学破碎（加变性剂）—离心除细胞碎片—除变性剂复性特点：化学法破菌，试剂既可以破菌又可以溶解包含体，这样节约了时间和设备，缺点是所有的可溶性杂质都没有被除去，混杂在产物中间，给后面的分离带来困难。
第六章1、膜分离技术：是用半透膜作为选择障碍层，允许某些组分透过而保留混合物中其他组分从而达到分离目的技术。
优点：1）处理效率高，设备易于放大2)可在室温或低温下操作，适宜于热敏感物质分离浓缩3）化学与机械强度小，减少失活4）无相转变，省能5）有相当好选择性，可在分离、浓缩的同时达到部分纯化目的6）选择合适膜与操作参数，可得到较高回收率7）系统封闭循环，防止外来污染8）不外加化学物，减少了成本，也减少了对环境的污染2、膜的清洗：物理方法和化学方法。
物理方法一般是指用高速水冲洗，海绵球机械擦洗和反洗等，他们的特点是简单易行。
化学清洗通常是用化学清洗剂，如碱、酸、酶表面活性剂、络合剂和氧化剂等。
生物工艺下游技术1绪论PPT幻灯片
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，由于蛋白质都由氨基酸所构成， 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。
的是酶及蛋白质（的4）盐高析度法分；离有纯机化溶技剂术沉淀法；双水相萃取技
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6)生物活性物质的稳定性低。易变质、易失 活、易变性，对温度、pH值、重金属离子、 有机溶剂、剪切力、表面张力等非常敏感。
7)产品的质量要求高，尤其是药品等。成品 青霉素对其强致敏原 --- 青霉噻唑蛋白必须 控制RIA值（放射免疫测定）小于100 （1.5*10-6），蛋白类药物（杂质 < 2%）、重组胰岛素中杂蛋白小于0.01%。
（1）固液分离技术
（2）细胞破碎技术
已开发出球磨破碎、压力释放破碎、冷冻加压释放破碎和化学
破碎等技术。该（技3）术初的步成分熟离使纯得化胞技内术生物物质的大规模工业化
生产成为可能。
（4）高度分离纯化技术
（5）其他新型分离技术
（1）固液分离技术
（2）细胞破碎技术
（3）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。较早出现
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
❖门美讨1国论、U下下n游it游加ed工加E过n工g程in过的ee国程ri际n的g会F重议o。u要nd性at。ion（从组19成81、年开费始用连和续召关开注了程生物度）
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• 1924年，Svedberg发明超高速离心机，并首次从 血液中分离出血红蛋白（Hb）。
• 1926年，Svedberg获得诺贝尔奖。
瑞典Uppsala大学
电泳（electrophoresis）
电泳：带电颗粒在电场作用下，向着与其电性相反 的电极移动。
➢ 此时开始引入过滤、蒸馏、精馏等近代分离技术。
生物工程下游技术的发展历程
第二代：20世纪40年代
➢ 以青霉素产品为代表； ➢ 无菌空气制备技术、大型好氧发酵装置开发； ➢ 一大批通风发酵技术产品相继投入了工业生产，如抗生素
（链霉素）、氨基酸（谷氨酸）、有机酸（核酸、柠檬 酸）、酶制剂（淀粉酶）、微生物多糖和单细胞蛋白等。 ➢ 产品多样性决定了分离方法的多样性。借鉴和引进吸收了 大量的近代化学工业的分离技术，如沉淀、离子交换、萃 取、结晶等。
生物分离技术-发展历程
现世界范围内生化分离的色谱介质及电泳装置技术大多来自Sweden, Uppsala（乌普萨拉）大学
20世纪20年代初：超高速离心技术 1930年：采用移动界面电泳分离血清蛋白与三种球蛋白（α、β、γ）
20世纪40年代末：色谱分离技术 1959年：凝胶过滤层析技术(gel filtration chromatography) 1960年：等电聚焦凝胶电泳
张艺谋《红高粱》
酿泉为酒，泉香而酒洌。
—（宋）欧阳修《醉翁亭记》
生物工程下游技术的发展历程
第一代：19世纪60年代---20世纪40年代
➢ 发现了发酵的本质是微生物的作用，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。
➢ 到20世纪上半叶，逐渐开发形成了发酵法生产酒精、丙酮、 丁醇等微生物发酵工业（厌氧发酵），其产品相对简单，基 本上是无活性的小分子。
定向地改造生物或其功能，创造出具有新物种，再通过合 适的生物反应器对这类“工程菌”或“工程细胞株”进行 大规模的培养。
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）
虽比聚丙烯酰胺凝胶低，但它制备容 易，分离范围广，因此在核酸分离中 得到广泛应用
➢ 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）
2000年广东省科技进步二等奖(2000-J-2-R02-X058)： 《重组蛋白质表达 、复性、纯化新工艺及人G-CSF新药研制》（王小宁，方向东，宁云山， 马骊，张亚莉，贺海平，林来兴妹，黄树其，胡志明，陈泽洪）
转让：江苏吴中实业股份有限公司（1200万） 商品名—洁欣
生物工程下游技术的定义和阶段
生物工程的上中下游技术
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
基因重组蛋白 从实验室研究到中试生产
重组人粒细胞集落刺激因子（granulocyte-
colony-stimulating factor, G-CSF ）
1998年 国家Ⅱ类新药证书((98)卫药证字S-09)
下游加工过程应遵循的原则
时间短； 温度低； pH适中（选择在生物物质的温度范围内）； 严格清洗消毒（包括厂房、设备及管路，注意死角）; 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。
生物工程下游技术特点
依赖重要的独立技术体系： 生物技术产业化进程的移动速度不同而 达到分离的技术。
常见：区带电泳、移动界面电泳、等电聚焦电泳、 等速电泳。
琼脂糖(agarose)凝胶电泳(核酸电泳)
凝胶的孔径较大，可用于生物大分子 （核酸）的分离，现分离核酸手段主 要为琼脂糖电泳。
电泳的驱动力靠DNA骨架本身负电荷。 现常用1%的琼脂糖。 可区分相差100bp的DNA片段，分辨率
生物工程下游技术
(Downstream Processing of Bioengineering)
liyan_nys@
生物工程技术
20世纪70年代初开始兴起的一门新兴的综合性应用学科； 以生物学（分子生物学、微生物学、遗传学、生物化学和
细胞学）的理论和技术为基础； 结合化工、机械、电子计算机等现代工程技术； 充分运用分子生物学的最新成就，自觉地操纵遗传物质，
❖定义：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、加工并精制目的 成分，最终使其成为产品的技术,又称为生物分离工程。 ❖ 通常分为四个阶段：
➢ 培养液的预处理与固液分离 ➢ 初步纯化（提纯） ➢ 高度纯化（精制） ➢ 成品加工
术是“下游技术”，对生物工程工业制品的质量 和产量产生直接影响。 占成本费用的大部分：
最重要的问题是减少损耗成本，目前可占总 成本的50％以上，因此愈来愈受到人们的关注。
生物工程下游技术的发展历程
古代酿造业
包括酿酒、制酱（油）、醋、酸奶和干酪等。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。
生物工程下游技术的发展历程
第三代：20世纪70年代末
➢ 以崛起的DNA重组技术及细胞融合技术为代表。 ➢ 在主要领域：基因工程、酶工程、细胞工程和微生物发酵
工程取得了长足进步，一批高附加值的产品开始面世，如 乙肝疫苗、干扰素等。 ➢ 80年代，发现了一大批生理功能性物质，如活性糖质、活 性肽、高度不饱和脂肪酸等，在深度和广度上都取得了很 大的进展。 ➢ 新技术有超临界CO2萃取技术、膜过滤、渗透蒸发技术、 各种色谱（层析）技术等。