第一章發(fā)酵液介紹.ppt

1、生物工業(yè)下游技術(shù)(生物分離工程）,劉紅占QQ：704274516TEL第一章緒論,本章要求,熟悉下游加工過程的重要性和特點(diǎn) 了解下游加工技術(shù)的發(fā)展過程 掌握下游加工過程的主要步驟和主要單元操作,一般認(rèn)為是以生物學(xué)的理論和技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合化工、機(jī)械、電子計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代工程技術(shù)，充分運(yùn)用分子生物學(xué)的最新成就，自覺地操縱遺傳物質(zhì)，定向地改造生物或其功能，短期內(nèi)創(chuàng)造出具有超 遠(yuǎn)緣性狀的新物種，再通過合適的生物反應(yīng)器對(duì)這類“工程菌”或“工程細(xì)胞株”進(jìn)行大規(guī)模的培養(yǎng)，以生產(chǎn)大量有用代謝產(chǎn)物或發(fā)揮它們獨(dú)特生理功能一門新興技術(shù)。,生物工程：,生物工程5大支柱：,一、下游加工過程在生物技

2、術(shù)中的地位,下游技術(shù)（工程） （downstream processing）：對(duì)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）,組成：下游加工過程是生物技術(shù)的重要組成部分，發(fā)酵液或反應(yīng)液需要經(jīng)過下游加工過程才能成為成品； 費(fèi)用：傳統(tǒng)發(fā)酵工業(yè)中下游部分的費(fèi)用占整個(gè)工廠投資費(fèi)用的，而對(duì)重組生產(chǎn)蛋白質(zhì)等基因工程產(chǎn)品，下游加工的費(fèi)用可占整個(gè)生產(chǎn)費(fèi)用的； 關(guān)注程度：英國(guó)政府工業(yè)部于年發(fā)起生物分離計(jì)劃（），專門研究下游加工過程；年英國(guó)化學(xué)工業(yè)

3、會(huì)召開了專門討論下游加工過程的國(guó)際會(huì)議；我國(guó)也于年在濟(jì)南召開了一次專門會(huì)議；近十年來國(guó)內(nèi)外有關(guān)生物分離或蛋白質(zhì)純化的專著陸續(xù)出版。,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。,1. 發(fā)酵液的特點(diǎn),2. 整個(gè)下游加工過程應(yīng)遵循下列四個(gè)原則,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(duì)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

4、環(huán)境下操作。,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)過后處理而直接食用，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(duì)簡(jiǎn)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)。,3. 第二代生物技術(shù),3. 第二代生物技術(shù),3. 第二代生物技

5、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(zhǎng)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

6、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(chǎng)。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

7、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),已開發(fā)出球磨破碎、壓力釋放破碎、冷凍加壓釋放破碎和化學(xué)破碎等技術(shù)。該技術(shù)的成熟使得胞內(nèi)生物物質(zhì)的大規(guī)模工業(yè)

8、化生產(chǎn)成為可能。,（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),主要開發(fā)了沉淀、離子交換、萃取、超濾等技術(shù)。較早出現(xiàn)的是酶及蛋白質(zhì)的鹽析法；有機(jī)溶劑沉淀法；雙水相萃取技術(shù)比較適合于胞內(nèi)活性物質(zhì)和細(xì)胞碎片的分離，為進(jìn)一步純化精制創(chuàng)造了前提；超濾技術(shù)解決了生物大分子對(duì)pH、熱、有機(jī)溶劑、金屬離子敏感等難題，在生物大分子的分級(jí)、濃縮、脫鹽等操作中得到了廣泛的使用。,（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),小分子物質(zhì)一般可通過離子交換、脫色和結(jié)晶、重結(jié)晶等方法獲得純

9、度很高的產(chǎn)品。生物大分子的純化一直是個(gè)難題。20世紀(jì)70年代以來，逐漸開發(fā)出各種色譜（層析）技術(shù)，如親和色譜、疏水色譜、離子交換色譜和凝膠色譜等，后兩種技術(shù)已開始用于批量生產(chǎn)。,（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),超臨界CO2萃取技術(shù)在獲得天然生物物質(zhì)方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。20世紀(jì)80年代以來，已經(jīng)在許多領(lǐng)域中迅速實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化。如啤酒花中有效成分和咖啡豆中咖啡因的萃取分離。介于反滲透和超濾之間的納米濾（Nanofiltration）技術(shù)，由于其能使水和大部分無機(jī)鹽通過而截留分子量300-1000u的小分子有機(jī)物，且操作壓

10、力低，在生物工業(yè)和水處理中具有廣闊的應(yīng)用前景。滲透蒸發(fā)技術(shù)、液膜技術(shù)及反膠團(tuán)技術(shù)的研究和應(yīng)用開發(fā)等也相繼取得了很大的進(jìn)展。,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,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(jiǎn)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

11、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,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。(如差壓蒸餾；多效蒸發(fā)技術(shù)） 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

12、）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)衍生出一大批生物工業(yè)分離技術(shù)，如雙水相萃取、超臨界CO2萃取、反膠團(tuán)萃取（細(xì)胞碎片去除、細(xì)胞胞內(nèi)物質(zhì)、酶及蛋白質(zhì)、天然生物物質(zhì)的提取分離）；菌體絮凝技術(shù)和菌體細(xì)胞破碎技術(shù)的進(jìn)展為工業(yè)化經(jīng)濟(jì)地分離菌體細(xì)胞和大規(guī)模生產(chǎn)胞內(nèi)物質(zhì)創(chuàng)造了技術(shù)前提。,3. 清潔生產(chǎn) 清潔生產(chǎn)是指將綜合預(yù)防的環(huán)境保護(hù)策略持續(xù)應(yīng)用于生產(chǎn)過程和產(chǎn)品中，以期減少對(duì)人類和環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。 包括三方面內(nèi)容： （1）清潔生產(chǎn)工藝（節(jié)約原材料和能源，淘汰有毒害的原材料，無廢和少?gòu)U技術(shù)） （2）清潔產(chǎn)品（使用中和使用后對(duì)人體和環(huán)境無害） （3）清潔能源（常規(guī)能源清潔利用、可再生能源和新能源的開發(fā)利用）,作業(yè)：,1.什么是生物工業(yè)下游技術(shù)？ 2.試述生物工業(yè)下游技術(shù)的一般工藝過程。