生物工业下游技术生物工业下游技术第一章第一章绪论绪论n下游技术（工程）下游技术（工程）（downstreamprocessing）：n对于由生物界自然产生的或由微生物菌体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等各种生物工业生产过程获得的生物原料原料，经经提取分离、加工并精制目的成分提取分离、加工并精制目的成分，最终，最终使其成为产品的技术。使其成为产品的技术。一、一、下游加工过程在生物技术中的地位下游加工过程在生物技术中的地位组成组成：下游加工过程是生物技术的重要组成部分，发酵液或反应：下游加工过程是生物技术的重要组成部分，发酵液或反应液需要经过下游加工过程才能成为成品；产品质量的优劣成本的高液需要经过下游加工过程才能成为成品；产品质量的优劣成本的高低，竞争力的大小，与下游技术直接相关。低，竞争力的大小，与下游技术直接相关。费用费用：传统发酵工业中下游部分的费用占整个工厂投资费用的：传统发酵工业中下游部分的费用占整个工厂投资费用的，而对重组生产蛋白质等基因工程产品，下游加工的费，而对重组生产蛋白质等基因工程产品，下游加工的费用可占整个生产费用的；用可占整个生产费用的；关注程度关注程度：英国政府工业部于年发起生物分离计划（：英国政府工业部于年发起生物分离计划（），专门研究下游加工过程；年英国化学工业），专门研究下游加工过程；年英国化学工业会召开了专门讨论下游加工过程的国际会议；我国也于年会召开了专门讨论下游加工过程的国际会议；我国也于年在济南召开了一次专门会议；近十年来国内外有关生物分离或蛋白在济南召开了一次专门会议；近十年来国内外有关生物分离或蛋白质纯化的专著陆续出版。质纯化的专著陆续出版。二、生物技术下游加工过程的特点二、生物技术下游加工过程的特点n含水多，产物含量低；含水多，产物含量低；n含菌体蛋白；含菌体蛋白；n溶有原来培养基成分；溶有原来培养基成分；n相当多的副产物和色素；相当多的副产物和色素；n易被杂菌污染或使产物进一步分解；易被杂菌污染或使产物进一步分解；n易起泡，粘性物质多。易起泡，粘性物质多。1. 发酵液的点发酵液的点特特2. 整个下游加工过程应遵循下列四个原则整个下游加工过程应遵循下列四个原则1)时间短；时间短；2)温度低；温度低；3)pH适中（选择在生物物质的温度范围内）；适中（选择在生物物质的温度范围内）；4)严格清洗消毒（包括厂房、设备及管路，注意死角），严格清洗消毒（包括厂房、设备及管路，注意死角），这和传统产品抗生素的生产是一致的。这和传统产品抗生素的生产是一致的。对基因工程产品还应注意生物安全（对基因工程产品还应注意生物安全（biosafetybiosafety）问题，）问题，要防止菌体扩散，一般要求在密封的环境下操作。要防止菌体扩散，一般要求在密封的环境下操作。三、生物工业下游技术的发展历程三、生物工业下游技术的发展历程 1.古代酿造业古代酿造业2. 第一代生物技术第一代生物技术古代酿造业包括酿酒、制酱（油）、醋、酸奶和干酪等。技术原始、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。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。主要指主要指19世纪世纪60年代年代-20世纪世纪40年代青霉素等抗生素出现之前的年代青霉素等抗生素出现之前的生物技术产业生物技术产业。发现了发酵的本质是微生物的作用，掌握了纯种培养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。此时开始引入发酵），其产品相对简单，基本上是无活性的小分子。此时开始引入过滤、蒸馏、精馏过滤、蒸馏、精馏等近代分离技术。等近代分离技术。以以20世纪世纪40年代出现的青霉素产品为代表。年代出现的青霉素产品为代表。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）、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，如近代化学工业的分离技术，如沉淀、离子交换、萃取、结晶沉淀、离子交换、萃取、结晶等。等。3. 第二代生物技术第二代生物技术以以20世纪世纪70年代末崛起的年代末崛起的DNA重组技术及细胞融合技术重组技术及细胞融合技术为代表。为代表。生物技术在其主要领域：基因工程、酶工程、细胞工程生物技术在其主要领域：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。始面世，如乙肝疫苗、干扰素等。80年代，发现了一大批生年代，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，理功能性物质，如活性糖质、活性肽、高度不饱和脂肪酸等，生物技术在深度和广度上都取得了很大的进展。新技术有生物技术在深度和广度上都取得了很大的进展。新技术有超超临界临界CO2萃取技术、膜过滤、渗透蒸发技术、各种色谱（层萃取技术、膜过滤、渗透蒸发技术、各种色谱（层析）技术析）技术等。等。4. 第三代生物技术第三代生物技术20世纪世纪80年代以来，生物工业下游技术进步很快，出现年代以来，生物工业下游技术进步很快，出现了很多新概念、新技术、新产品和新装备。大致可分为了很多新概念、新技术、新产品和新装备。大致可分为以下几大类：以下几大类：（1）固液分离技术）固液分离技术 （2）细胞破碎技术）细胞破碎技术 （3）初步分离纯化技术）初步分离纯化技术 （4）高度分离纯化技术）高度分离纯化技术（5）其他新型分离技术）其他新型分离技术近近20年来，将在污水处理、化学工程和选矿工程上广泛使用年来，将在污水处理、化学工程和选矿工程上广泛使用的絮凝技术引入到发酵液的预处理上，研究开发了菌体及悬的絮凝技术引入到发酵液的预处理上，研究开发了菌体及悬浮物絮凝技术，改善了发酵液的分离性能，加之纤维素助滤浮物絮凝技术，改善了发酵液的分离性能，加之纤维素助滤剂的开发，大大提高了发酵液的固液分离效率。在固液分离剂的开发，大大提高了发酵液的固液分离效率。在固液分离机械方面，也出现了一些性能优良的新型机械，如带式过滤机械方面，也出现了一些性能优良的新型机械，如带式过滤机、连续半连续板框过滤机、螺旋沉降式离心机等。微滤膜机、连续半连续板框过滤机、螺旋沉降式离心机等。微滤膜可高效分离细微的悬浮粒子。可高效分离细微的悬浮粒子。（1）固液分离技术）固液分离技术 （2）细胞破碎技术）细胞破碎技术 （3）初步分离纯化技术）初步分离纯化技术 （4）高度分离纯化技术）高度分离纯化技术（5）其他新型分离技术）其他新型分离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。该技术的成熟使得胞内生物物质的大规模工业化破碎等技术。该技术的成熟使得胞内生物物质的大规模工业化生产成为可能。生产成为可能。（1）固液分离技术）固液分离技术 （2）细胞破碎技术）细胞破碎技术 （3）初步分离纯化技术）初步分离纯化技术 （4）高度分离纯化技术）高度分离纯化技术（5）其他新型分离技术）其他新型分离技术主要开发了沉淀、离子交换、萃取、超滤等技术。较早出现主要开发了沉淀、离子交换、萃取、超滤等技术。较早出现的是酶及蛋白质的盐析法；有机溶剂沉淀法；双水相萃取技的是酶及蛋白质的盐析法；有机溶剂沉淀法；双水相萃取技术比较适合于胞内活性物质和细胞碎片的分离，为进一步纯术比较适合于胞内活性物质和细胞碎片的分离，为进一步纯化精制创造了前提；超滤技术解决了生物大分子对化精制创造了前提；超滤技术解决了生物大分子对pH、热、热、有机溶剂、金属离子敏感等难题，在生物大分子的分级、浓有机溶剂、金属离子敏感等难题，在生物大分子的分级、浓缩、脱盐等操作中得到了广泛的使用。缩、脱盐等操作中得到了广泛的使用。（1）固液分离技术）固液分离技术 （2）细胞破碎技术）细胞破碎技术 （3）初步分离纯化技术）初步分离纯化技术 （4）高度分离纯化技术）高度分离纯化技术（5）其他新型分离技术）其他新型分离技术小分子物质一般可通过离子交换、脱色和结晶、重结晶等方小分子物质一般可通过离子交换、脱色和结晶、重结晶等方法获得纯度很高的产品。生物大分子的纯化一直是个难题。法获得纯度很高的产品。生物大分子的纯化一直是个难题。20世纪世纪70年代以来，逐渐开发出各种色谱（层析）技术，如年代以来，逐渐开发出各种色谱（层析）技术，如亲和色谱、疏水色谱、聚焦色谱、离子交换色谱和凝胶色谱亲和色谱、疏水色谱、聚焦色谱、离子交换色谱和凝胶色谱等，后两种技术已开始用于批量生产。等，后两种技术已开始用于批量生产。（1）固液分离技术）固液分离技术 （2）细胞破碎技术）细胞破碎技术 （3）初步分离纯化技术）初步分离纯化技术 （4）高度分离纯化技术）高度分离纯化技术（5）其他新型分离技术）其他新型分离技术超临界超临界CO2萃取技术在获得天然生物物质方面有着独特的萃取技术在获得天然生物物质方面有着独特的优势。优势。20世纪世纪80年代以来，已经在许多领域中迅速实现了工年代以来，已经在许多领域中迅速实现了工业化。如啤酒花中有效成分和咖啡豆中咖啡因的萃取分离。业化。如啤酒花中有效成分和咖啡豆中咖啡因的萃取分离。介于反渗透和超滤之间的纳米滤（介于反渗透和超滤之间的纳米滤（Nanofiltration）技术，）技术，由于其能使水和大部分无机盐通过而截留分子量由于其能使水和大部分无机盐通过而截留分子量300-1000u的小分子有机物，且操作压力低，在生物工业和水处理中具的小分子有机物，且操作压力低，在生物工业和水处理中具有广阔的应用前景。渗透蒸发技术、液膜技术及反胶团技术有广阔的应用前景。渗透蒸发技术、液膜技术及反胶团技术的研究和应用开发等也相继取得了很大的进展。的研究和应用开发等也相继取得了很大的进展。四、生物技术下游加工过程的四、生物技术下游加工过程的一般流程和单元操作一般流程和单元操作1)培养液（发酵液）的预处理和固液分离；培养液（发酵液）的预处理和固液分离；2)初步纯化（提取）；初步纯化（提取）；3)高度纯化（精制）；高度纯化（精制）；4)成品加工。成品加工。1. 一般下游加工过程可分为一般下游加工过程可分为4个阶段个阶段2. 下下游游加加工工过过程程的的一一般般流流程程（沉淀、吸附、萃取、超滤、结晶）（沉淀、吸附、萃取、超滤、结晶）发酵液发酵液初步纯化初步纯化细胞碎片分离细胞碎片分离细胞破碎细胞破碎细胞分离细胞分离高度纯化高度纯化成品加工成品加工预处理预处理胞胞外外产产物物（加热、调（加热、调pH、絮凝）、絮凝）（过滤、离心分离、膜分离（过滤、离心分离、膜分离)（匀浆、研磨、酶解）（匀浆、研磨、酶解）（离心分离、双水相萃取、膜分离）（离心分离、双水相萃取、膜分离）（重结晶、离子交换、色谱分离、膜分离）（重结晶、离子交换、色谱分离、膜分离）（浓缩、无菌过滤、干燥、成型）（浓缩、无菌过滤、干燥、成型）胞胞外外产产物物提取提取精制精制产产品品的的收收得得率率和和质质量量控控制制。下游工艺过程决定于产品的性质和要求达到的纯度下游工艺过程决定于产品的性质和要求达到的纯度n如产品为菌体本身，则工艺比较简单，只需经过滤、得到菌如产品为菌体本身，则工艺比较简单，只需经过滤、得到菌体，再经干燥就可，如单细胞蛋白的生产。体，再经干燥就可，如单细胞蛋白的生产。n如可以从发酵液直接提取，则可省去固液分离步骤。如可以从发酵液直接提取，则可省去固液分离步骤。n如为胞外产物则可省去细胞破碎步骤。如为胞外产物则可省去细胞破碎步骤。3. 单元操作单元操作过滤、离心过滤、离心固液分离；固液分离；蒸发、蒸馏、结晶蒸发、蒸馏、结晶进一步纯化；进一步纯化；萃取萃取浓缩或提取液相中的成分；浓缩或提取液相中的成分；离子交换、层析、膜技术、超滤；离子交换、层析、膜技术、超滤；干燥干燥过过程名称程名称原理原理原料原料分离分离剂剂产产物物实实例例传质分离：传质分离：（1）平衡）平衡分离分离过过程程蒸蒸发浓缩发浓缩饱饱和蒸汽和蒸汽压压差差液体液体热热液体液体+蒸汽蒸汽酶酶液、糖液、液、糖液、果汁果汁浓缩浓缩蒸蒸馏馏饱饱和蒸汽和蒸汽压压差差液体液体热热液体液体+蒸汽蒸汽酒精蒸酒精蒸馏馏萃取萃取两相中溶解度差两相中溶解度差液体液体不互溶液体不互溶液体两种液体两种液体抗生素抽提抗生素抽提结结晶晶过饱过饱和度差异和度差异液体液体冷、冷、热热或或pH液体液体+固体固体氨基酸氨基酸结结晶晶吸附吸附吸附能力差异吸附能力差异气体、液体气体、液体固体吸附固体吸附剂剂固体固体+气体或液体气体或液体活性炭脱色活性炭脱色离子交离子交换换质质量作用定律量作用定律液体液体固体固体树树脂脂液体液体+固体固体树树脂脂氨基酸分离氨基酸分离干燥干燥水分蒸水分蒸发发含湿固体含湿固体热热固体固体+水蒸汽水蒸汽酶酶制制剂剂干燥干燥浸取浸取（抽提）（抽提）溶解度差异溶解度差异固体、液体固体、液体液体（水）液体（水）液体液体+固体固体麦芽汁制造麦芽汁制造凝胶凝胶过滤过滤分子大小不同分子大小不同液体液体凝胶凝胶液体液体+固体凝胶固体凝胶蛋白蛋白质质分离分离（2）速度）速度差分离差分离电电泳泳电场电场中迁移度差中迁移度差液体液体电场电场液体液体蛋白蛋白质质分离分离渗透蒸渗透蒸发发膜中渗透速度差膜中渗透速度差液体液体膜膜液体液体+蒸汽蒸汽乙醇分离乙醇分离超超滤滤膜中透膜中透过过速度差速度差液体液体膜膜两种液体两种液体酶酶蛋白分离蛋白分离反渗透反渗透渗透渗透压压液体液体膜膜两种液体两种液体海水淡化海水淡化过过程名称程名称原理原理原料原料分离分离剂剂产产物物实实例例机械分离：机械分离：过滤过滤过滤过滤介介质质孔道小孔道小含固液体含固液体过滤过滤介介质质液体液体+固体固体麦芽汁麦芽汁过滤过滤沉降沉降密度差密度差含固液体含固液体重力重力固体固体+液体液体污污泥沉降，酵泥沉降，酵母沉降母沉降离心离心密度差密度差含固液体含固液体离心力离心力液体液体+固体固体晶体等分离晶体等分离旋旋风风分离分离密度差密度差气体气体+固体或液体固体或液体惯惯性力性力气体气体+固体固体或液体或液体淀粉粉淀粉粉尘尘回收回收静静电电除除尘尘荷荷电颗电颗粒粒气体气体+微微细颗细颗粒粒电场电场气体气体+固体固体含含尘废尘废气气净净化化适合于大规模工业化生产的传统技术经过改造提高后，适合于大规模工业化生产的传统技术经过改造提高后，适应面更宽，效率会更高，仍然显示出强劲的生命力。适应面更宽，效率会更高，仍然显示出强劲的生命力。各种新型高效的过滤机械和离心机械的问世，结晶理各种新型高效的过滤机械和离心机械的问世，结晶理论和离子交换技术的新进展，提高了产品的收率、质量论和离子交换技术的新进展，提高了产品的收率、质量和生产效率。和生产效率。五、生物工业下游技术的发展动态五、生物工业下游技术的发展动态成本成本、质量质量、环保环保将是该技术发展方向和动力将是该技术发展方向和动力1. 传统分离技术的提高和完善传统分离技术的提高和完善1）新型分离介质的研究开发）新型分离介质的研究开发2）子代分离技术）子代分离技术3）其他新兴下游技术）其他新兴下游技术 2. 新技术的研究开发新技术的研究开发膜（膜材料和膜制造工艺）、树脂（离子交换树脂和大网格树脂）和膜（膜材料和膜制造工艺）、树脂（离子交换树脂和大网格树脂）和凝胶（琼脂糖凝胶为基质，与各种配基结合后制成各种色谱分离介质）凝胶（琼脂糖凝胶为基质，与各种配基结合后制成各种色谱分离介质）是目前主要的新型分离介质。是目前主要的新型分离介质。各种分离纯化技术相互结合、交叉、渗透，形成子代分离技术。如膜技术和各种分离纯化技术相互结合、交叉、渗透，形成子代分离技术。如膜技术和萃取、蒸馏、蒸发技术相结合形成了膜萃取技术、膜蒸馏及渗透蒸发技术；萃取、蒸馏、蒸发技术相结合形成了膜萃取技术、膜蒸馏及渗透蒸发技术；色谱技术与离子交换技术等结合形成了离子交换色谱、等电聚焦色谱等。色谱技术与离子交换技术等结合形成了离子交换色谱、等电聚焦色谱等。由溶剂萃取技术衍生出一大批生物工业分离技术，如双水相萃取、超临界由溶剂萃取技术衍生出一大批生物工业分离技术，如双水相萃取、超临界CO2萃取、反胶团萃取（细胞碎片去除、细胞胞内物质、酶及蛋白质、天然生物萃取、反胶团萃取（细胞碎片去除、细胞胞内物质、酶及蛋白质、天然生物物质的提取分离）；菌体絮凝技术和菌体细胞破碎技术的进展为工业化经济物质的提取分离）；菌体絮凝技术和菌体细胞破碎技术的进展为工业化经济地分离菌体细胞和大规模生产胞内物质创造了技术前提。地分离菌体细胞和大规模生产胞内物质创造了技术前提。本章要求本章要求n熟悉下游加工过程的重要性和特点熟悉下游加工过程的重要性和特点n了解下游加工技术的发展过程了解下游加工技术的发展过程n掌握下游加工过程的主要步骤和主要单元掌握下游加工过程的主要步骤和主要单元操作操作