工业生物技术(下游):收获与纯化 科学出版社 下载 pdf 百度网盘 epub 免费 2025 电子书 mobi 在线

生物制药是一种知识密集、技术含量高的新兴产业，经过近几十年的发展，已经成为许多国家国民经济的重要内容。目前，我国已基因工程药物为核心的技术的发展已经颇具规模，国家和地方政府在不断加大对生物制药产业的扶持力度，为生物制药产业提供了良好的机遇。生物制药产业前景广阔。本书的出版将结束生物制药行业无系统性、全面性、指导性强的专业丛书的历史。本书知识面广，涉及到上游和下游工业生物技术的各个环节；涉及物理数学基础学科、药学、微生物、生物化学、化工等多个专业。通过对本书的研读，可大大提高生物制药行业人员的技术水平。

目 录

部分 介 绍

介 绍 3

章 生物工艺设计，计算机辅助 5

1.1 引言 5

1.2 使用计算机辅助的益处 6

1.3 市售工具 7

1.4 单克隆抗体例子 7

1.5 多产品车间设计和运行 17

1.6 摘要和结论 19

第二部分 细胞的下游回收和蛋白质捕获

第2章 细胞分离，离心 23

2.1 引言 23

2.2 离心分离 23

2.3 离心机的类型 23

2.4 流体与粒子动力学 28

2.5 离心分离机的理论尺寸 30

2.6 离心机类型和尺寸选择 31

2.7 一些应用描述 34

2.8 安装和运转 36

2.9 离心与微滤相比 37

第3章 细胞破碎，微观机械特性 40

3.1 引言 40

3.2 微生物：组成与形态 40

3.3 微生物的微观力学性能 41

3.4 细胞破碎 44

3.5 不同细胞破碎设备的比较 49

3.6 微观机械学结果与细胞破碎结果的相关性 49

第4章 细胞分离，酵母絮凝作用 52

4.1 引言 52

4.2 微生物聚集和絮凝：范围和定义 52

4.3 酵母絮凝的遗传学 53

4.4 酵母絮凝的分子机制 53

4.5 诱导型和组成型絮凝菌株的对比 55

4.6 影响酵母絮凝的环境因素 56

4.7 酵母絮凝和生物技术过程 57

4.8 总结 61

第5章 细胞壁破碎和裂解 65

5.1 引言 65

5.2 细胞壁 65

5.3 破碎率的判定 66

5.4 细胞壁破碎方法 67

5.5 细胞破碎对下游操作中的效果 71

5.6 通过蛋白质捕获中裂解的集成来进行过程强化 72

第6章 膨胀床色谱法，生物质沉积的表面能量学 75

6.1 引言 75

6.2 EBA技术上的挑战 76

6.3 在EBA过程中生物质沉积的表面热力学 78

6.4 表面能量学与蛋白质吸附 81

6.5 总结 81

第7章 助滤剂 85

7.1 引言 85

7.2 工艺简述 85

7.3 动态过滤过程中的多孔介质 86

7.4 硅藻土过滤的基本原理 86

7.5 级别的选择与优化 88

7.6 级别选择的系统性方法开发方案 89

7.7 总结 90

第8章 蛋白质吸附，扩张床 91

8.1 引言 91

8.2 理论 92

8.3 工作原理 93

8.4 设备 95

8.5 应用 97

第三部分 下游净化工艺开发

第9章 生物制药中纯化过程按比例缩小模型的建立 101

9.1 引言 101

9.2 总体考虑 101

9.3 离心分离 101

9.4 均一化作用 103

9.5 重折叠 103

9.6 沉淀 104

9.7 色谱法 105

9.8 微滤和超滤/渗滤 106

9.9 通过色谱法和过滤进行病毒清除 108

9.10 病毒灭活 109

9.11 膜吸附器 110

9.12 总结 110

0章 模拟移动床的吸附作用 114

10.1 引言 114

10.2 层析分离的原理 116

10.3 操作条件的设计 119

10.4 应用 124

10.5 SMB技术的改进 130

10.6 结束语 132

1章 蛋白质在合成材料上的吸附 136

11.1 交界面 136

11.2 交界面处的蛋白质 136

2章 蛋白质纯化的亲和融合 145

12.1 引言 145

12.2 蛋白质快速捕获系统 146

12.3 表达蛋白的稳定化 147

12.4 生产蛋白质的检测 148

12.5 亲和标签的去除 148

12.6 作为抗原使用的融合蛋白 149

12.7 疫苗研究的免疫原亚基 149

12.8 总结 150

3章 生物分离，磁珠吸附 152

13.1 引言 152

13.2 精选的规模化的合成过程 157

13.3 磁性吸附剂用于实验室分离 159

13.4 磁性分离技术 162

13.5 总结 164

4章 生物工艺开发中的高通量技术 167

14.1 引言 167

14.2 应用于上游细胞培养工艺开发的高通量技术 168

14.3 高通量技术在下游纯化工艺开发中的应用 172

14.4 高通量形式需要的分析检测 180

14.5 高通量技术试验设计 181

14.6 结论 192

5章 大规模蛋白纯化与自切割融合标签 195

15.1 引言 195

15.2 传统亲和标签技术 195

15.3 蛋白质自切割 196

15.4 传统的自切割标签 197

15.5 自切割融合标签 198

15.6 自切割融合标签的技术优势、经济性和前景 202

6章 脂多糖，脂多糖去除，去除热源法 205

16.1 引言 205

16.2 内毒素：化学与物理性质 205

16.3 内毒素作用机制 206

16.4 内毒素去除技术的应用 206

16.5 生物技术制造工艺中的内毒素去除 208

7章 生物技术中的多孔介质 210

17.1 引言 210

17.2 一般定义 210

17.3 多孔介质的特征 211

17.4 多孔系统的传递现象 213

17.5 生物过程中的多孔介质 214

17.6 结论 218

8章 蛋白质聚集与沉淀，检测与控制 222

18.1 引言 222

18.2 联合方法模拟聚集和沉淀，并确定复合物的结构 222

18.3 测量溶解度和蛋白质联系的光谱法 222

18.4 理解蛋白质-溶剂相互作用蛋白质稳定性的实际意义 229

18.5 确定一个蛋白质的表面电荷和疏水性 230

18.6 用不同的基团盐溶和沉淀经验模型 230

18.7 测定助溶剂对蛋白质折叠影响的模型 231

18.8 计算机设计更多的可溶性蛋白 234

18.9 自动同源建模 235

18.10 利用CLUSTAL、MASIA、NOAH、DIAMOD和FANTOM程序进行自校正距离几何模型的制作，设计蛋白质的三维模型 235

18.11 结论 237

第四部分 下游回收与蛋白质纯化装置设计

9章 在下游工艺中的清洁和消毒 247

19.1 引言 247

19.2 为下游生物工艺设计有效清洁方案 247

19.3 层析介质 249

19.4 交叉流过滤 252

19.5 设备 255

19.6 消毒与灭菌 256

19.7 清洁验证 257

19.8 结论 257

第20章 原位清洁 258

20.1 引言 258

20.2 CIP系统的要求 258

20.3 CIP程序概述 258

20.4 CIP用化学物质 259

20.5 CIP设计和构造 260

20.6 CIP系统结构 262

20.7 自动化 263

20.8 验证与确认 263

第21章 大规模层析柱，流量分配建模 265

21.1 引言 265

21.2 放大层析的挑战 266

21.3 管壁效应分析 267

21.4 柱床压缩和流量间耦合的建模 268

21.5 硬件设计对大规模层析柱液流的影响 271

21.6 洗脱液流动与HETP分析建模 273

21.7 总结 278

第22章 泵，工业化 281

22.1 引言 281

22.2 理论 281

22.3 离心泵 284

22.4 容积泵 285

22.5 驱动器 287

22.6 生物加工过程用泵的特殊考虑 288

22.7 故障排除 289

第五部分 下游的现行药品生产质量管理规范操作

第23章 血浆蛋白的亲和层析 295

23.1 引言 295

23.2 亲和纯化中的配基和介质 295

23.3 亲和层析在血浆蛋白制品中的应用 296

23.4 亲和层析提取蛋白质的质量控制 301

23.5 结论 302

第24章 抗体纯化、单克隆抗体和多克隆抗体 305

24.1 引言 305

24.2 下游过程方法 305

24.3 亲和层析 305

24.4 离子交换层析 306

24.5 疏水相互作用层析（HIC） 307

24.6 羟基磷灰石层析 308

24.7 复合模式层析 308

24.8 免疫球蛋白M（IgM）纯化 309

24.9 平台技术 309

24.10 结论 310

第25章 病毒颗粒的层析纯化 312

25.1 引言 312

25.2 层析分离方法 312

25.3 吸附层析法 314

25.4 离子交换层析 316

25.5 疏水相互作用层析 318

25.6 多模式方法 318

25.7 其他多模式方法 319

25.8 生物特异性亲和层析 319

25.9 流程开发 320

25.10 样品的界定 320

25.11 样品制备 320

25.12 初始筛选 321

25.13 生物特异性亲和 323

25.14 初步结果的解释 323

25.15 结束语 325

25.16 推荐读物 326

第26章 疏水相互作用层析 329

26.1 引言 329

26.2 疏水作用 329

26.3 疏水相互作用层析 330

26.4 介质分类和层析结果模型 332

26.5 层析条件 333

26.6 再生和原位清洁 333

26.7 优化过程 334

26.8 应用 336

第27章 层析法，径向流技术 338

27.1 引言 338

27.2 径向流层析柱构型 339

27.3 RFC层析柱的装填程序 340

27.4 RFC柱的压差 340

27.5 径向流柱与轴向流柱的对比 341

27.6 RFC柱的利与弊 342

27.7 应用实例 342

27.8 径向流层析的数学模型 344

27.9 RFC柱的放大 346

27.10 结束语 347

第28章 生物材料的干燥 349

28.1 引言 349

28.2 生物制品的干燥 349

28.3 干燥对生物技术产品质量的影响 350

28.4 干燥的基本原理 351

28.5 普通使用的干燥机 351

28.6 一些新兴干燥技术 354

28.7 结束语 360

第29章 冷冻干燥与制药 364

29.1 引言 364

29.2 药品冷冻干燥 364

29.3 冷冻干燥过程中的挑战和新进展 371

第30章 冷冻，生物制药 378

30.1 引言 378

30.2 溶液的冷冻 378

30.3 解冻 385

30.4 冻融放大 386

30.5 结论 388

第31章 膜色谱 390

31.1 引言

M.C.弗利金杰（Michael C．Flickinger），金叶生物制造培训和教育中心（BTEC）学术项目副主任，北卡罗来纳州立大学罗利分校化学和生物分子工程学教授。

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    部分 介 绍

    介 绍

    下游制造过程在减少工艺体积的同时，提高产品的浓度和纯度。因此，“减少工艺体积而不损失产品”对于提高产品纯度的同时消除产品污染来说至关重要。不同产品（多肽、蛋白质、激素、低分子量代谢中间体、复合抗原等）都易于降解，这表明需要采用各种不同的方法从上游过程得到的含有杂质、污染物的产物中分离纯化目标产品。很好下游产品回收率是以适当的生物学活性和纯度回收产品的比例。纯度高但是没有活性的产品是污染物，降低了整体工艺回收率，并可能对临床安全性和有效性产生极大的影响。这就是为什么下游工艺设计对整体生物制造成本影响很大的原因。

    随着产品纯度的增加，更多的产品会由于与设备表面的非特异性吸附、与膜或色谱介质结合，或者发生沉淀等原因失活，从而降低产品的回收率。由于这些潜在损失的存在，每一个额外的分离步骤都会降低产品回收率。因此，下游分离科学家和工程师都致力于寻求减少或组合各操作单元，很大限度减少工艺步骤，从而使特定浓度、纯度下很大化达到产品回收率。

    《工业生物技术——下游》第二部分包括用于细胞分离、细胞破碎（用于细胞内表达）、过滤助滤和用于快速蛋白质捕获时减小初始体积的吸附剂的初始步骤的详细方案描述。这些步骤很大程度上受上游工艺设计的影响，例如，产物体积、浓度和培养基及宿主细胞相关的污染物等均极大程度上影响下游产物回收和纯化的每个后续步骤。特别是细胞分离和细胞破碎的方法对那些需要在随后的分离步骤中从很终产品中去除（或很小化）的污染物（例如核酸、宿主细胞蛋白、细胞膜碎片或引起发热反应的脂多糖等）具有显著影响。

    虽然每一个上游工艺决策均会影响下游产品的回收和纯化，但是并非所有污染物都是来自于上游操作。在某些情况下，下游操作也可能会产生污染物。例如下游操作引入的生物负荷或微生物污染（来自于环境、水、操作者）、来自于直接接触产品的材料的污染（可萃取、可溶出的污染物）等。

    第三部分中描述的是下游步骤通过吸附剂表面积、选择性、结合容量和在每个后续步骤所需浓度范围之内的体积减小程度来优化，以适应整体规模、稳定性、纯度和效能标准的需求。

    因此，将生产该产品所需的上游生物系统与下游分离、浓缩、纯化等操作的工程设计与性能优化紧密结合是必不可少的。这意味着在应对不稳定的生物分子时，分离工程师、生物分离和生物分析科学家，以及具有广泛专业知识的生产操作人员需要作为一个团队进行有效的协作与交流，以设计能够从实验室规模放大到制造规模并成功转移的下游工艺。这同样意味着下游工艺科学家必须不断向上游工艺工程师和科学家提供反馈信息，以很小化上游工艺变更（细胞系变化、培养基成分变化、消泡剂的添加、工艺流程中的储存或暂停期间产品的降解情况等）对下游分离工艺的影响。因此，在设计下游工艺时，还需要查阅《工业生物技术——上游》中的相关内容。

    由于被纯化的生物分子和污染物的结构及复杂性，每一步下游工艺都需要进行工艺开发和优化（为提高纯度和总得率）。第三部分还包括比例缩小纯化操作的方法。每一个下游步骤在中试或制造规模上进行优化都是花费巨大的。这不仅是由于设备的规模不同和分离介质的昂贵，还因为进行大规模的研究需要消耗大量有价值的产品。

    下游操作需要专门的设备，用于分离蛋白质、多肽、病毒、抗原或低分子质量生物分子，同时需要将产品降解降至大力度优惠。第四和第五部分重点介绍大型设备设计和流体传输系统，并详细描述了许多类型的工业生物分离设备。来源于哺乳动物细胞系的产品方面尤其值得关注的是病毒灭活和病毒过滤的有效方法。这些方法可用模型病毒挑战进行验证。相关方法在第五部分进行了介绍。

    不仅上下游工艺需要进行设计使之符合cGMP的各项要求，并能够获得相关许可证，还需要对用于实施该工艺的设备设施进行设计，从而获得认证。《工业生物技术——下游》的第六和第七部分介绍了设备设施设计、验证、原位清洁（CIP）和在线蒸汽灭菌（SIP）等方法。作为下游工艺的设备设施设计的一项重大进展，单次使用（SU）抛弃型下游用品对该产业的影响与日俱增，相关内容在第六部分进行介绍。

    所有下游操作的总体目标不仅是大规模纯化所需产品，而且是要使其符合法规遵从性、获得认证许可。使很终制剂、灌装的产品可以为医生或患者所用。第七部分描述了过程分析技术（PAT）、生物载荷测试和质量源于设计（QbD）如何影响下游工艺设计，并对产品在USFDA和欧洲监管机构的合规性提供帮助。

    翻译：陈薇军事科学院军事医学研究院生物工程研究所

    校对：张金龙军事科学院军事医学研究院生物工程研究所

    章 生物工艺设计，计算机辅助

    1.1 引言

    生物工艺设计是生物制品上市之前要做的思维活动。考虑到对一种新产品潜在市场需求的信息，生物工艺设计努力解决如下问题：每年生产一定量的产品需要的原材料和设备有多少？需要的工艺设备和支持设备的尺寸是多大？产品能否在现有场地上生产，是否还需要新建厂房？新设备的总资金投入是多少？生产一批需要多长时间？连续批间的很小时间间隔是多久？在生产过程中需要哪些资源（如原材料、人力和设备）？哪些工艺步骤或资源有可能成为生产瓶颈？哪些工艺和设备的改变能够增加生产能力？工艺对环境的影响是什么？在多种看似合理的选择中哪种设计是很好的？

    工艺设计和工程经济评估需要具备很多不同的科学和工程学科的知识。设计和评估也在各种细节水平上实施。表1.1提供了一个设计和成本估算的一般分类，以及一个5000万美元投资项目的典型的工程成本[1]。

    量级估算一般由过去在类似工程工作过的有经验的工程师来实施。他们花费几分钟或几小时即可完成，但误差可高达50%。表1.2提供了一个很好的例子，显示了用于细胞培养设备资金投入的量级估计的典型信息，列举了过去10年中建设的各种尺寸的细胞培养设备的资金投入。很后一列显示了以“百万美元每立方米容量”表示的生产生物反应器资金投入的单位成本。数值为2.5～6.2，更近期的数值为5～6.2。因此，使用表1.2中的数据可以估算出，生产一个反应器容量为100m3的新培养设备的资金投入为5亿～6.5亿美元。

    表1.1 设计估算的类型

    运营公司雇佣的工程师通常执行2级和3级的研究。在合适的计算机的帮助下完成这些研究要花费数天或数周。研究的主要目标是评价可选方案并准确指出高投入低收益的区域。结果被用于将来研究开发的设计，以及项目预算的制定。

    表1.2 细胞培养设施的资金投入

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