生物工艺工程概述

生物过程工程是一个利用多种工程学科从生物体中生产特定产品的领域。通常，这些生物体是经过基因改造的细胞，被设计用于生产特定的目标蛋白或化学物质。随后，这些细胞被大规模培养以生产目标产物，再通过层析等下游工艺进行纯化。本视频将介绍一个生物过程的实例，回顾该领域中的主要方法，以及该技术面临的一些关键挑战和应用。

让我们来看一个利用细胞生产目标蛋白的生物工艺实例。首先，根据其生产目标产物的能力，选择合适的生物体，可以是细菌、真菌或哺乳动物细胞。对细胞进行基因改造，以最大化其产物生成能力，并尽量减少不必要的副反应过程。经过改造的细胞在大规模条件下进行培养，这一阶段称为上游工艺。常见的上游技术是悬浮培养，使用反应器容器来培养细胞。通过逐步扩大培养体积，细胞培养物得以扩增，细胞密度也随之提高。当培养物达到所需体积后，从细胞中收获目标蛋白，收获方式可以是分泌法（细胞将蛋白分泌到培养基中），也可以是裂解法（破坏细胞以释放蛋白）。随后，在下游工艺中对产物进行纯化，以去除细胞碎片和其他杂质蛋白。典型的下游工艺会串联使用多种技术，对产物进行纯化和浓缩。通常首先采用过滤法去除细胞碎片和较大的颗粒物。色谱技术则是用于分离和浓缩目标蛋白的另一种重要方法。最终纯化的产品随后经过冻干（即冷冻干燥）处理，以稳定蛋白，便于储存。典型的生物工艺通常先在实验室规模进行设计，然后放大至中试规模，再进一步放大用于工业化生产。在介绍了基本的生物工艺流程之后，接下来让我们了解该领域中一些重要的具体方法。

哺乳动物细胞培养最常用于重组蛋白治疗药物的工业化生产。中国仓鼠卵巢细胞（CHO细胞）是其中最常用的细胞类型之一。与细菌细胞不同，哺乳动物细胞能够对蛋白质进行复杂的翻译后修饰。这些修饰是在核糖体完成蛋白质翻译后，对其结构或化学性质所进行的改变。这对于形成治疗性蛋白质所必需的复杂结构至关重要。哺乳动物细胞培养在生长过程中需要格外注意，因为这类细胞比细菌细胞更为敏感。必须提供有效的通气，但同时需尽量减少剪切力造成的损伤。还需要一个良好控制的均一环境，严格调控pH值和温度，并快速清除有毒代谢产物。工业生产过程需要放大以实现高产量。放大并非简单地按比例增加体积以及相应设备的尺寸。通常采用一个放大因子，即大规模装置与中试装置的质量流量之比。放大因子用于确定几何相似的反应罐尺寸。例如，当体积按放大因子S变化时，反应罐直径按S的1/3次方比例变化。这是由于在较大体积的反应罐中存在传质和传热的限制。

生物制品的生产利用活体生物体，而这些生物体容易受到污染。污染物可能为细菌、真菌或病毒，其来源包括生产过程中涉及的人员、材料或设备。微生物污染会导致产品性质的变异，并可能引起产品蛋白的降解。许多生物工艺被用于生产药品，这些药品受到政府机构的严格监管，以确保其安全性和有效性。药物本身首先需经过严格的实验室测试和临床试验。一旦药物获得批准，其生产工艺也必须经过审查和核准。尽管监管对于确保最终产品的安全性至关重要，但它也给工程过程带来了额外的限制。对某些参数施加了严格限制，例如允许使用的试剂、污染物种类及其浓度。

现在您已经了解了生物加工中一些常见的技术与挑战，接下来让我们看看一些实际应用。与阿司匹林和对乙酰氨基酚等小分子药物不同，许多复杂的药物属于重组蛋白，需通过生物加工来制备。在过去25年中，重组蛋白治疗药物迅速增加，已有数十种靶向治疗药物问世。艾滋病、癌症、传染病、伤口愈合、营养障碍、中风和败血性休克，仅仅是蛋白治疗药物已提供治疗方案的部分领域。生物加工还被用于生产生物燃料，例如乙醇。乙醇由纤维素类原料（如甘蔗或玉米）制得。该过程首先从原料中分离纤维素，随后通过酶解和酵母发酵完成转化。这一生物工艺在工业制造规模上进行，以大量生产乙醇作为替代能源。

您刚刚观看了 JoVE 关于生物加工的简介。您现在应该了解了基本的生物工艺流程、一些常用的方法和挑战，以及该技术的应用。感谢您的观看。