生物工業(yè)下游技術(shù)

生物工業(yè)下游技術(shù)

主講張志宏第一章緒論一、下游加工過程在生物技術(shù)中的地位下游技術(shù)（工程）（downstreamprocessing）：對于由生物界自然產(chǎn)生的或由微生物菌體發(fā)酵的、動(dòng)植物細(xì)胞組織培養(yǎng)的、酶反應(yīng)等各種生物工業(yè)生產(chǎn)過程獲得的生物原料，經(jīng)提取分離、加工并精制目的成分，最終使其成為產(chǎn)品的技術(shù)。下游加工過程的重要性。（組成、費(fèi)用和關(guān)注程度）工作領(lǐng)域分離和純化

二、生物技術(shù)下游加工過程的特點(diǎn)含水多，產(chǎn)物含量低；含菌體蛋白；溶有原來培養(yǎng)基成分；相當(dāng)多的副產(chǎn)物和色素；易被雜菌污染或使產(chǎn)物進(jìn)一步分解；易起泡，粘性物質(zhì)多。時(shí)間短；溫度低；pH適中（選擇在生物物質(zhì)的溫度范圍內(nèi)）；嚴(yán)格清洗消毒（包括廠房、設(shè)備及管路，注意死角），這和傳統(tǒng)產(chǎn)品抗生素的生產(chǎn)是一致的。對基因工程產(chǎn)品還應(yīng)注意生物安全（biosafety）問題，要防止菌體擴(kuò)散，一般要求在密封的環(huán)境下操作。2.整個(gè)下游加工過程應(yīng)遵循下列四個(gè)原則三、生物工業(yè)下游技術(shù)的發(fā)展歷程

古代釀造業(yè)2.第一代生物技術(shù)古代釀造業(yè)包括釀酒、制醬（油）、醋、酸奶和干酪等。技術(shù)原始、家庭式作坊、產(chǎn)物基本不經(jīng)過后處理而直接使用，無下游技術(shù)。主要指19世紀(jì)60年代---20世紀(jì)40年代青霉素等抗生素出現(xiàn)之前的生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)。發(fā)現(xiàn)了發(fā)酵的本質(zhì)是微生物的作用，掌握了純種培養(yǎng)技術(shù)，生物技術(shù)進(jìn)入近代釀造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展階段。到20世紀(jì)上半葉，逐漸開發(fā)形成了發(fā)酵法生產(chǎn)酒精、丙酮、丁醇等微生物發(fā)酵工業(yè)（厭氧發(fā)酵），其產(chǎn)品相對簡單，基本上是無活性的小分子。此時(shí)開始引入過濾、蒸餾、精餾等近代分離技術(shù)。

以20世紀(jì)40年代出現(xiàn)的青霉素產(chǎn)品為代表。

無菌空氣制備技術(shù)、大型好氧發(fā)酵裝置開發(fā)，一大批通風(fēng)發(fā)酵技術(shù)產(chǎn)品相繼投入了工業(yè)生產(chǎn)，如抗生素（鏈霉素）、氨基酸（谷氨酸）、有機(jī)酸（核酸、檸檬酸）、酶制劑（淀粉酶）、微生物多糖和單細(xì)胞蛋白等。產(chǎn)品多樣性決定了分離方法的多樣性。借鑒和引進(jìn)吸收了大量的近代化學(xué)工業(yè)的分離技術(shù)，如沉淀、離子交換、萃取、結(jié)晶等。3.第二代生物技術(shù)

以20世紀(jì)70年代末崛起的DNA重組技術(shù)及細(xì)胞融合技術(shù)為代表。

生物技術(shù)在其主要領(lǐng)域：基因工程、酶工程、細(xì)胞工程和微生物發(fā)酵工程取得了長足進(jìn)步，一批高附加值的產(chǎn)品開始面世，如乙肝疫苗、干擾素等。80年代，發(fā)現(xiàn)了一大批生理功能性物質(zhì)，如活性糖質(zhì)、活性肽、高度不飽和脂肪酸等，生物技術(shù)在深度和廣度上都取得了很大的進(jìn)展。1988年，日本由40多家公司組建高度分離系統(tǒng)技術(shù)研究聯(lián)合體，瑞典的Pharmacia，Alfa-Laval等組建了Biolink公司，加強(qiáng)在生物工業(yè)下游技術(shù)領(lǐng)域的研究開發(fā)力量，不斷推出新技術(shù)、新產(chǎn)品、新裝備，以搶占更多的市場。新技術(shù)有超臨界CO2萃取技術(shù)、膜過濾、滲透蒸發(fā)技術(shù)、各種色譜（層析）技術(shù)等。4.第三代生物技術(shù)20世紀(jì)80年代以來，生物工業(yè)下游技術(shù)進(jìn)步很快，出現(xiàn)了很多新概念、新技術(shù)、新產(chǎn)品和新裝備。大致可分為以下幾大類：（1）固液分離技術(shù)

（2）細(xì)胞破碎技術(shù)

（3）初步分離純化技術(shù)

（4）高度分離純化技術(shù)（5）其他新型分離技術(shù)近20年來，將在污水處理、化學(xué)工程和選礦工程上廣泛使用的絮凝技術(shù)引入到發(fā)酵液的預(yù)處理上，研究開發(fā)了菌體及懸浮物絮凝技術(shù)，改善了發(fā)酵液的分離性能，加之纖維素助濾劑的開發(fā)，大大提高了發(fā)酵液的固液分離效率。在固液分離機(jī)械方面，也出現(xiàn)了一些性能優(yōu)良的新型機(jī)械，如帶式過濾機(jī)、連續(xù)半連續(xù)板框過濾機(jī)、螺旋沉降式離心機(jī)等。微濾膜可高效分離細(xì)微的懸浮粒子。（1）固液分離技術(shù)

（2）細(xì)胞破碎技術(shù)

（3）初步分離純化技術(shù)

（4）高度分離純化技術(shù)（5）其他新型分離技術(shù)（1）固液分離技術(shù)

（2）細(xì)胞破碎技術(shù)

（3）初步分離純化技術(shù)

（4）高度分離純化技術(shù)（5）其他新型分離技術(shù)（1）固液分離技術(shù)

（2）細(xì)胞破碎技術(shù)

（3）初步分離純化技術(shù)

（4）高度分離純化技術(shù)（5）其他新型分離技術(shù)（5）其他新型分離技術(shù)四、生物技術(shù)下游加工過程的一般流程和單元操作培養(yǎng)液（發(fā)酵液）的預(yù)處理和固液分離；初步純化（提取）；高度純化（精制）；成品加工。1.一般下游加工過程可分為4個(gè)階段2.下游加工過程的一般流程（沉淀、吸附、萃取、超濾、結(jié)晶）發(fā)酵液初步純化細(xì)胞碎片分離細(xì)胞破碎細(xì)胞分離高度純化成品加工預(yù)處理胞外產(chǎn)物（加熱、調(diào)pH、絮凝）（過濾、離心分離、膜分離)（勻漿、研磨、酶解）（離心分離、雙水相萃取、膜分離）（重結(jié)晶、離子交換、色譜分離、膜分離）（濃縮、無菌過濾、干燥、成型）胞內(nèi)產(chǎn)物提取精制——產(chǎn)品的收得率和質(zhì)量控制。下游工藝過程決定于產(chǎn)品的性質(zhì)和要求達(dá)到的純度如產(chǎn)品為菌體本身，則工藝比較簡單，只需經(jīng)過濾、得到菌體，再經(jīng)干燥就可，如單細(xì)胞蛋白的生產(chǎn)。如可以從發(fā)酵液直接提取，則可省去固液分離步驟。如為胞外產(chǎn)物則可省去細(xì)胞破碎步驟。3.單元操作過濾、離心——固液分離；蒸發(fā)、蒸餾、結(jié)晶——進(jìn)一步純化；萃取——濃縮或提取液相中的成分；離子交換、層析、膜技術(shù)、超濾；干燥過程名稱原理原料分離劑產(chǎn)物實(shí)例傳質(zhì)分離：（1）平衡分離過程蒸發(fā)濃縮飽和蒸汽壓差液體熱液體+蒸汽酶液、糖液、果汁濃縮蒸餾飽和蒸汽壓差液體熱液體+蒸汽酒精蒸餾萃取兩相中溶解度差液體不互溶液體兩種液體抗生素抽提結(jié)晶過飽和度差異液體冷、熱或pH液體+固體氨基酸結(jié)晶吸附吸附能力差異氣體、液體固體吸附劑固體+氣體或液體活性炭脫色離子交換質(zhì)量作用定律液體固體樹脂液體+固體樹脂氨基酸分離干燥水分蒸發(fā)含濕固體熱固體+水蒸汽酶制劑干燥浸?。ǔ樘幔┤芙舛炔町惞腆w、液體液體（水）液體+固體麥芽汁制造凝膠過濾分子大小不同液體凝膠液體+固體凝膠蛋白質(zhì)分離（2）速度差分離電泳電場中遷移度差液體電場液體蛋白質(zhì)分離滲透蒸發(fā)膜中滲透速度差液體膜液體+蒸汽乙醇分離超濾膜中透過速度差液體膜兩種液體酶蛋白分離反滲透滲透壓液體膜兩種液體海水淡化過程名稱原理原料分離劑產(chǎn)物實(shí)例機(jī)械分離：過濾過濾介質(zhì)孔道小含固液體過濾介質(zhì)液體+固體麥芽汁過濾沉降密度差含固液體重力固體+液體污泥沉降，酵母沉降離心密度差含固液體離心力液體+固體晶體等分離旋風(fēng)分離密度差氣體+固體或液體慣性力氣體+固體或液體淀粉粉塵回收靜電除塵荷電顆粒氣體+微細(xì)顆粒電場氣體+固體含塵廢氣凈化適合于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的傳統(tǒng)技術(shù)經(jīng)過改造提高后，適應(yīng)面更寬，效率會(huì)更高，仍然顯示出強(qiáng)勁的生命力。各種新型高效的過濾機(jī)械和離心機(jī)械的問世，結(jié)晶理論和離子交換技術(shù)的新進(jìn)展，提高了產(chǎn)品的收率、質(zhì)量和生產(chǎn)效率。五、生物工業(yè)下游技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)——成本、質(zhì)量、環(huán)保將是該技術(shù)發(fā)展方向和動(dòng)力1.傳統(tǒng)分離技術(shù)的提高和完善1）新型分離介質(zhì)的研究開發(fā)2）子代分離技術(shù)3）其他新興下游技術(shù)2.新技術(shù)的研究開發(fā)膜（膜材料和膜制造工藝）、樹脂（離子交換樹脂和大網(wǎng)格樹脂）和凝膠（瓊脂糖凝膠為基質(zhì)，與各種配基結(jié)合后制成各種色譜分離介質(zhì)）是目前主要的新型分離介質(zhì)。各種分離純化技術(shù)相互結(jié)合、交叉、滲透，形成子代分離技術(shù)。如膜技術(shù)和萃取、蒸餾、蒸發(fā)技術(shù)相結(jié)合形成了膜萃取技術(shù)、膜蒸餾及滲透蒸發(fā)技術(shù)；色譜技術(shù)與離子交換技術(shù)等結(jié)合形成了離子交換色譜、等電聚焦色譜等。由溶劑萃取技術(shù)