生物工程下游技术（第三版）

《生物工程下游技术》初版出版于1993年，第二版出版于2002年，发行至今是国内许多院校的教材，也是相关研究单位和生产企业的参考读物，对我国生物技术产业的发展起到了引领作用。其主要原因是前两版主编刘国诠先生及其他编委均是我国生物工程下游技术各专业研究方向的领军人物，代表着当时该方向研究的最高水平。
随着时间的推移，生物工程相关的下游技术有了巨大发展，这些新的技术亟待补充到书中，而为国家生物工程下游技术作出卓越贡献的前辈编委们已经到了古稀或耄耋之年，因而在一线工作的中青年科学家责无旁贷来完成第三版的编写工作。受主编刘国诠先生、化学工业出版社和其他编委的委托，由我负责召集相关专家编撰本书的第三版。我诚惶诚恐，深感肩上担子之重。
为保证第三版的质量，我们聘请了国内多年在一线从事生物工程下游技术教学、研究及产业化的中青年科学家组成了新的编委会。为了保持与前两版的一致性，我们仍按照前两版的主要内容和顺序进行编写，分为3篇。
第1篇是生物反应器及大规模细胞培养。生物反应器及大规模细胞培养是生物工程下游技术的基础。目前，细菌及酵母菌的生物反应器已经成熟，并大规模应用于工业生产中。植物细胞的生物反应器也在逐步成熟和专业化，规模化放大的技术问题正在得到迅速解决。动物生物反应器主要包括转基因动物及各种动物细胞体外培养生物反应器两类，其中动物细胞体外培养反应器规模已达到了万升级水平，国内利用动物细胞体外培养生产疫苗和单抗药物的企业已经超过了50家，而且还有越来越多企业正在加入，转基因动物生物反应器也已成为下一步产业发展的新方向。该篇共4章，第1章介绍了细胞培养生物反应器基本种类、结构、参数控制、规模放大与缩小的原理、流体混合及物质传递过程。第2章介绍了动物细胞的大规模培养技术，详细描述了各种动物细胞培养模式及影响因素。第3章为植物细胞培养技术。第4章为微生物发酵技术。第1章和第2章由谭文松教授编写，第3章由曹晓燕教授编写，第4章4.1和4.2由郭立安教授编写，4.3由叶勤教授编写。
第2篇是目标产物的分离与纯化。目标产物的分离与纯化是生物工程下游技术的关键。基于生产工艺和人才培养需求，本篇依次介绍了细胞破碎技术、膜分离技术和各种色谱分离技术，其中色谱分离技术是下游纯化过程中的关键和重要技术，故在本篇中进行了重点及详细介绍。书中不仅介绍了无机基质、有机高分子基质和多糖基质的色谱介质，并依据色谱原理对在生物下游技术应用最为广泛的凝胶排阻、离子交换、亲和、疏水和反相色谱技术及应用也依次进行了介绍。基于大规模工业制备色谱在产业化中的重要性，书中将其单列一章。2015年以前，我国生物产业所用各种色谱介质及装备以进口为主，经过国内一批科学家的潜心探索，生物药物及疫苗用的多糖基质生物分离介质和用于小分子化合物及生物分子纯化的硅胶及聚合物色谱介质均实现了规模化生产。色谱分离装备方面与国外的差距也越来越小。特别值得一提的是我国在基因重组蛋白质的复性及蛋白质在色谱保留机理研究方面取得的成绩在国际上引起了广泛的重视。该篇共10章，第5章到第7章由白泉教授编写，第8章和第9章由江必旺教授编写，第10章到第14章由郭立安教授编写。
第3篇是目标产物分析检测及质量控制。目标产物的分析检测及质量控制是生物工程下游技术产品走向市场的保障。随着人们对产品安全性要求越来越高，现代分析和鉴定技术及设备的应用也越来越多。目前，电泳技术和质谱技术已经成为生物工程下游产品检测的常规手段，国家蛋白质工程中心的质谱设备基本实现了与国际同步。国内产业界对产品微量及痕量杂质研究工作已经开始重视，故单独成节进行介绍。该篇共分3章，第15章主要介绍了各种电泳技术，第16章重点介绍了各种生物质谱技术，第17章重点介绍了大分子生物药物的痕量检测方法及技术要求以及其它生物学检测方法。第15章、第16章及第17章前两节由张养军研究员编写，其中第17章中的17.3和17.4两节由郭立安教授编写。
近年来，国内无论在生物工程下游技术的理论研究还是产业转化方面均取得了巨大进步，书中也尽可能多地列举了国内科研工作者的文献，并将国内最新产业化成果介绍给读者，希望能够对我国生物工程下游技术工作的发展起到促进作用。
本书编写过程中，得到了化学工业出版社有限公司编辑以及周燕教授的大力支持，杨宪文、刘晓艳、郭东男、雷浩、张苗和郭娜等为本书的文字及图表整理工作付出了巨大努力，在此表示感谢。
由于本书的跨度较大，只能覆盖生物工程下游技术的主要内容，且部分内容会有深浅度不一的现象，望大家谅解。不足之处，敬请专家、同仁和读者指正。

郭立安
2020年5月

郭立安，西安交大保赛生物技术股份有限公司董事长，教授。先后承担国家“十二五”生物技术战略新兴产业专项、高技术产业化示范工程、863、科技支撑、科技攻关、自然科学基金重点以及军队和省市重大科技攻关项目等60多项，出版专著4部，发表论文40余篇，多次获得省、市、军队科技进步一二等奖。主要研究分离介质技术，成功实现了分离介质的规模化生产。

《生物工程下游技术》初版出版于1993年，第二版出版于2002年，发行至今被国内许多院校选作教材，也是相关研究单位和生产企业的技术参考读物。
随着时间的推移，生物工程相关的下游技术有了巨大发展，这些新的技术亟待补充到书中，第三版聘请了国内多年在一线从事生物工程下游技术教学、研究及产业化工作的中青年科学家编写。内容结构与前两版基本一致，分为3篇。第1篇是生物反应器及大规模细胞培养。第2篇是目标产物的分离与纯化。第3篇是目标产品分析检测及质量控制。新版尽可能多地列举了国内科研工作者的文献，并将国内最新产业化成果介绍给读者，希望能够对我国生物工程下游技术工作的发展起到促进作用。
本书可作生物工程、生物技术、发酵工程、食品工程等专业的本科和研究生教材，也可供生物工程相关领域的研究和技术人员参考。

第1篇生物反应器及大规模细胞培养001
第1章生物反应器002
1.1概述002
1.1.1生物反应器的定义002
1.1.2生物反应器的分类方法003
1.2生物反应器的类型004
1.2.1机械搅拌式生物反应器005
1.2.2固定床生物反应器008
1.2.3中空纤维生物反应器009
1.2.4气升式生物反应器009
1.2.5一次性生物反应器010
1.2.6光生物反应器011
1.3生物反应器的设计与放大012
1.3.1生物反应器的放大012
1.3.2生物反应器的规模缩小015
1.4生物反应器内流体混合与物质传递017
1.4.1生物反应器内的流体剪切力及流体混合017
1.4.2生物反应器内的气液传质018
参考文献023

第2章动物细胞大规模培养技术025
2.1动物细胞培养概述025
2.1.1发展历程025
2.1.2工业化应用026
2.2影响动物细胞培养过程的关键因素及培养基组成030
2.2.1动物细胞培养基成分及作用030
2.2.2常用培养基设计033
2.2.3国内外无血清培养基的工业化情况033
2.2.4营养物质与代谢副产物间的关系034
2.2.5培养环境因素036
2.3动物细胞大规模培养常用方法038
2.4动物细胞大规模培养操作方式041
2.4.1分批培养041
2.4.2流加培养043
2.4.3半连续培养047
2.4.4连续培养048
2.4.5灌注培养048
2.4.6动物细胞大规模培养用生物反应器简介056
参考文献057

第3章植物细胞培养技术060
3.1概述060
3.1.1发展历程与应用现状060
3.1.2植物细胞培养特性061
3.1.3发展前景061
3.2植物细胞培养方法062
3.2.1植物细胞悬浮培养062
3.2.2植物细胞固定化培养067
3.3植物细胞培养生产次生代谢物069
3.3.1基本程序070
3.3.2影响次生代谢物积累的因素071
3.3.3提高次生代谢物产量的途径073
3.4植物细胞培养生产重组蛋白质076
3.4.1宿主细胞076
3.4.2基本程序078
3.4.3提升重组蛋白质产量的措施079
参考文献080

第4章微生物发酵技术082
4.1微生物发酵技术历史及应用082
4.1.1微生物发酵技术发展历史082
4.1.2微生物发酵技术的应用084
4.2微生物发酵工程085
4.2.1育种085
4.2.2菌种增殖及培养条件的选择087
4.2.3发酵方法087
4.3基因重组微生物培养技术089
4.3.1概述089
4.3.2基因工程菌的培养091
4.3.3工程菌的稳定性095
4.3.4代谢副产物096
4.3.5高密度培养097
4.3.6培养过程的模拟099
参考文献102

第2篇目标产物的分离与纯化105
第5章细胞破碎、固液分离及原核表达蛋白质的复性技术106
5.1概述106
5.2细胞破碎106
5.2.1细胞破碎方法及机理107
5.2.2细胞破碎技术109
5.3固液分离115
5.3.1离心分离116
5.3.2双水相萃取117
5.3.3泡沫分离法119
5.3.4扩张床吸附技术121
5.4变性蛋白质复性技术124
5.4.1包含体125
5.4.2蛋白质复性126
5.5蛋白质折叠液相色谱法130
5.5.1凝胶排阻色谱法131
5.5.2离子交换色谱法133
5.5.3亲和色谱法133
5.5.4疏水相互作用色谱134
5.5.5各种色谱复性方法比较136
参考文献137

第6章膜分离技术及在生物工程中的应用140
6.1概述140
6.1.1膜分离原理140
6.1.2膜分离技术特点140
6.1.3膜的种类141
6.2膜分离技术类型与膜材料143
6.2.1膜分离技术类型143
6.2.2膜组件145
6.3浓差极化与膜污染及清洗方法146
6.3.1膜污染与浓差极化146
6.3.2影响膜污染的因素148
6.3.3膜污染控制149
6.3.4清洗方法151
6.4膜分离技术在生物工程中的应用153
参考文献157

第7章生物大分子色谱分离与纯化159
7.1基本理论159
7.1.1计量置换理论160
7.1.2短柱理论162
7.2装置和操作技术167
7.3色谱条件及色谱纯化工艺最优化168
7.4色谱饼170
参考文献173

第8章无机基质高效色谱填料175
8.1概述175
8.2无机基质色谱填料176
8.2.1常见无机基质176
8.2.2无机基质的填料结构178
8.2.3硅胶表面修饰和功能化179
8.3无机基质正相色谱填料182
8.3.1正相色谱填料种类与性质182
8.3.2常见正相色谱填料183
8.3.3正相硅胶应用案例184
8.4无机基质反相色谱填料184
8.4.1反相色谱填料种类与性质184
8.4.2常见反相色谱填料185
8.4.3反相硅胶应用案例186
8.5无机基质亲水作用色谱填料187
8.5.1亲水作用色谱填料的种类与性质188
8.5.2常见的亲水作用色谱填料188
8.6无机基质离子交换色谱填料189
8.6.1离子交换色谱填料的种类与性质189
8.6.2以硅胶为基质的离子交换色谱填料的制备190
8.7无机基质手性色谱填料190
8.7.1手性色谱填料种类与性能191
8.7.2常见以硅胶为基质的手性色谱填料192
8.7.3硅胶基质手性色谱填料应用案例193
8.8无机基质体积排阻色谱填料193
8.8.1体积排阻色谱填料种类与性能194
8.8.2常见以硅胶为基质的体积排阻色谱填料195
8.9无机基质色谱填料研发新进展195
参考文献197

第9章有机聚合物基质色谱填料199
9.1概述199
9.2聚合物基质反相色谱填料200
9.2.1聚合物反相色谱常用基质201
9.2.2聚合物反相色谱填料与硅胶反相色谱填料的互补性203
9.3聚合物基质离子交换色谱填料205
9.3.1聚合物离子交换色谱常用基质206
9.3.2聚合物离子交换色谱介质应用209
9.4聚合物基质疏水相互作用色谱填料209
9.4.1常用聚合物疏水作用色谱填料介绍209
9.4.2疏水色谱技术的应用211
9.5聚合物基质亲和色谱填料211
9.5.1常见聚合物基质亲和色谱填料212
9.5.2聚合物基质亲和色谱填料与传统糖类基质亲和色谱填料对比214
9.6聚合物基质色谱填料性能评价216
9.6.1填料理化性质的表征216
9.6.2色谱填料性能的表征216
参考文献217

第10章排阻色谱219
10.1概述219
10.1.1排阻色谱发展历史219
10.1.2排阻色谱分离原理219
10.2多糖基质排阻色谱介质及使用方法222
10.2.1排阻色谱介质223
10.2.2排阻色谱介质选择依据229
10.3排阻色谱在生物工程产品纯化中应用230
10.3.1生物大分子的分离纯化230
10.3.2蛋白质分子量测定234
10.3.3蛋白质复性235
10.3.4浓缩蛋白质溶液236
10.3.5测定蛋白质构象转化点236
参考文献238

第11章离子交换色谱240
11.1概述240
11.2蛋白质样品的离子交换作用241
11.2.1溶液中蛋白质带电状况241
11.2.2离子交换过程243
11.2.3离子交换色谱的蛋白质保留机理246
11.3离子交换色谱介质结构及种类247
11.3.1离子交换色谱介质结构247
11.3.2离子交换色谱介质分类248
11.3.3常见离子交换介质产品249
11.4离子交换色谱使用条件选择250
11.4.1离子交换介质种类选择250
11.4.2柱子选择252
11.4.3流动相选择253
11.4.4洗脱模式257
11.4.5流速、检测波长及操作温度选择258
11.4.6流动相样品处理和上样量258
11.4.7使用步骤258
11.5离子交换色谱在生物工程纯化中的应用261
11.5.1单克隆抗体纯化261
11.5.2去除内毒素261
11.5.3血管抑素3A工程蛋白柱复性与纯化262
11.5.4蔗糖酶不同离子交换介质纯化263
11.5.5兽用疫苗纯化264
11.5.6基因重组人血红蛋白纯化266
11.5.7基因重组人血清白蛋白纯化266
参考文献268

第12章亲和色谱269
12.1概述269
12.1.1亲和色谱发展历程269
12.1.2亲和色谱特点270
12.2亲和色谱分离原理及操作270
12.2.1分离原理270
12.2.2基本操作步骤271
12.3亲和色谱介质组成、分类及影响分离因素273
12.3.1亲和色谱介质组成273
12.3.2亲和色谱分类276
12.3.3影响亲和色谱分离的因素278
12.4亲和色谱在生物大分子纯化中的应用279
12.4.1蛋白质A/G为亲和配体的抗体纯化279
12.4.2单克隆抗体作为亲和配体纯化蛋白质282
12.4.3金属螯合亲和色谱纯化重组蛋白质282
12.4.4染料亲和色谱纯化蛋白质284
12.4.5其它新型亲和色谱纯化技术284
12.4.6亲和色谱应用中的问题及解决策略286
参考文献287

第13章疏水作用色谱和反相色谱289
13.1疏水色谱概述289
13.1.1基本原理289
13.1.2作用机理291
13.2疏水色谱介质组成及分离条件选择292
13.2.1介质基本组成292
13.2.2常用介质292
13.2.3分离蛋白质时的条件选择293
13.2.4操作过程297
13.3反相色谱概述299
13.3.1蛋白质在反相色谱中的作用机理299
13.3.2反相色谱分离条件选择300
13.4疏水色谱与反相色谱的异同303
13.4.1疏水色谱与反相色谱分离机理相同303
13.4.2疏水色谱与反相色谱介质配体303
13.4.3疏水色谱与反相色谱流动相组成与洗脱能力比较303
13.4.4温度影响303
13.4.5疏水色谱与反相色谱的应用304
13.5疏水色谱及反相色谱在蛋白质纯化中的应用305
13.5.1疏水色谱在蛋白质纯化中的应用305
13.5.2反相色谱在蛋白质纯化中的应用309
参考文献311

第14章制备色谱及工艺优化313
14.1概论313
14.1.1制备色谱的定义313
14.1.2蛋白质制备色谱纯化工艺现状313
14.1.3制备色谱与传统分析色谱异同314
14.2制备色谱评估参数315
14.2.1负载量315
14.2.2评估参数316
14.3制备色谱最佳纯化条件建立316
14.3.1色谱技术之间相容性选择原则317
14.3.2最佳纯化条件建立319
14.4蛋白质色谱纯化的工艺优化324
14.4.1色谱纯化工艺建立前应遵循的基本原则324
14.4.2蛋白质纯化基本工艺流程325
14.5制备色谱在蛋白质纯化方面的应用327
14.5.1血液制品纯化327
14.5.2基因重组人血清白蛋白纯化329
14.5.3胰岛素纯化330
14.5.4疫苗纯化331
14.5.5单克隆抗体药物纯化332
参考文献332

第3篇目标产物分析检测及质量控制334
第15章电泳技术335
15.1薄层电泳335
15.1.1薄层电泳原理335
15.1.2薄层电泳应用335
15.2凝胶电泳336
15.2.1凝胶电泳原理336
15.2.2凝胶电泳应用337
15.2.3二维凝胶电泳341
15.3毛细管电泳344
15.3.1毛细管电泳原理345
15.3.2毛细管电泳分类345
15.3.3毛细管电泳应用346
15.4自由流电泳347
15.4.1载体自由流电泳347
15.4.2无载体自由流电泳348
15.4.3自由流电泳应用349
参考文献350

第16章生物质谱技术351
16.1生物质谱原理351
16.2生物质谱技术应用351
16.2.1蛋白质定性分析351
16.2.2蛋白质鉴定方法353
16.2.3蛋白质磷酸化分析方法360
16.2.4蛋白质糖基化分析方法361
16.2.5蛋白质定量分析364
参考文献368

第17章蛋白质产品分析技术370
17.1蛋白质含量测定370
17.1.1紫外吸收法370
17.1.2考马斯亮蓝法371
17.1.3双缩脲法371
17.1.4福林酚试剂法372
17.1.5二辛可宁酸法373
17.2蛋白质氨基酸序列、肽谱、二硫键及纯度分析374
17.2.1蛋白质氨基酸序列分析374
17.2.2蛋白质肽谱分析375
17.2.3蛋白质二硫键分析376
17.2.4蛋白质纯度分析377
17.3生物药品中的痕量杂质检测技术377
17.3.1生物药品中杂质的来源及分类377
17.3.2生物技术产品中痕量无机杂质分析检测技术379
17.3.3生物技术产品中痕量有机杂质分析检测技术381
17.4生物技术产品中大分子杂质检测技术384
17.4.1痕量DNA残留检测技术384
17.4.2生物药物中蛋白质类杂质检测方法及质量控制386
17.4.3生物制品生物安全性检查389
参考文献389