新型分離技術(shù)第四章生物下游加工

1、第四章：新型萃取(cuq)技術(shù)Novel extraction techniques 共二十六頁(yè)第一(dy)部分：生物技術(shù)下游加工過(guò)程共二十六頁(yè)1. 下游(xiyu)加工過(guò)程在生物技術(shù)中的地位下游技術(shù)（工程） （Downstream processing）：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(guò)程獲得的生物原料(yunlio)，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)。共二十六頁(yè)共二十六頁(yè)組成：下游加工過(guò)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(guò)下游加工過(guò)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

2、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：各國(guó)政府(zhngf)工業(yè)部和跨國(guó)公司紛紛發(fā)起生物分離計(jì)劃，專門研究生物下游加工過(guò)程；近十年來(lái)國(guó)內(nèi)外有關(guān)生物分離的專著和研究論文大量出版。共二十六頁(yè)2. 生物技術(shù)(jsh)下游加工過(guò)程的特點(diǎn)含水多，產(chǎn)物含量低；含菌體蛋白；溶有原來(lái)培養(yǎng)基成分；相當(dāng)(xingdng)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。發(fā)酵液的特點(diǎn)共二十六頁(yè)下游(xiyu)加工過(guò)程應(yīng)遵循的原則時(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(zh y)死角），這和傳統(tǒng)產(chǎn)

3、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(wèn)題，要防止菌體擴(kuò)散，一般要求在密封的環(huán)境下操作。共二十六頁(yè)3. 生物工業(yè)下游技術(shù)(jsh)的發(fā)展歷程 古代釀造業(yè)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、產(chǎn)物基本不經(jīng)過(guò)后處理而直接使用(shyng)，無(wú)下游技術(shù)。第一代生物技術(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(kāi)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

4、無(wú)活性的小分子。此時(shí)開(kāi)始引入過(guò)濾、蒸餾、精餾等近代分離技術(shù)。共二十六頁(yè)以20世紀(jì)40年代出現(xiàn)的青霉素產(chǎn)品為代表。無(wú)菌空氣制備技術(shù)、大型(dxng)好氧發(fā)酵裝置開(kāi)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。 第二代生物(shngw)技術(shù)共二十六頁(yè)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

5、進(jìn)步，一批高附加值的產(chǎn)品開(kāi)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(ru din)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(kāi)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(guò)濾、滲透蒸發(fā)技術(shù)、各種色譜（層析）技術(shù)等。第三代生物(shngw)技術(shù)共二十六頁(yè)共二十六頁(yè)20世紀(jì)80年代以來(lái)，生物(shngw)工業(yè)下游技術(shù)進(jìn)步

6、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)(jsh) （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)共二十六頁(yè)細(xì)胞(xbo)破碎技術(shù) 已開(kāi)發(fā)出球磨破碎、壓力釋放破碎、冷凍(lngdng)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)化生產(chǎn)成為可能。共二十六頁(yè)初步(chb)分離純化技術(shù) 主要開(kāi)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)p

7、H、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(cozu)中得到了廣泛的使用。共二十六頁(yè)高度(god)分離純化技術(shù)小分子物質(zhì)一般可通過(guò)離子交換、脫色和結(jié)晶、重結(jié)晶等方法獲得純度很高的產(chǎn)品。生物大分子的純化一直是個(gè)難題(nnt)。20世紀(jì)70年代以來(lái)，逐漸開(kāi)發(fā)出各種色譜（層析）技術(shù)，如親和色譜、疏水色譜、聚焦色譜、離子交換色譜和凝膠色譜等，后兩種技術(shù)已開(kāi)始用于批量生產(chǎn)。共二十六頁(yè)其他新型(xnxng)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(lái)，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(f

8、nl)。介于反滲透和超濾之間的納濾（Nanofiltration）技術(shù)，能使水和大部分無(wú)機(jī)鹽通過(guò)而截留分子量300-1000的小分子有機(jī)物，且操作壓力低，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(kāi)發(fā)等也相繼取得了很大的進(jìn)展。共二十六頁(yè)4.生物技術(shù)(jsh)下游加工過(guò)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(fnl)；初步純化（提?。桓叨燃兓ň疲?；成品加工。4個(gè)階段共二十六頁(yè) 下游(xiyu)加工過(guò)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、

9、絮凝）（過(guò)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(wú)菌過(guò)濾、干燥、成型）胞外產(chǎn)物提取精制產(chǎn)品(chnpn)的收率和質(zhì)量控制。共二十六頁(yè)下游工藝過(guò)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(guò)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(ky)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。共二十六頁(yè)過(guò)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(guò)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

10、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(guò)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(shù)脂液體+固體樹(shù)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(guò)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(chǎng)中遷移度差液體電場(chǎng)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(guò)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共二十六頁(yè)過(guò)程名稱原理原料分離劑產(chǎn)物實(shí)例機(jī)械

11、分離：過(guò)濾過(guò)濾介質(zhì)孔道小含固液體過(guò)濾介質(zhì)液體+固體麥芽汁過(guò)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(chǎng)氣體+固體含塵廢氣凈化共二十六頁(yè)適合于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的傳統(tǒng)技術(shù)經(jīng)過(guò)改造(gizo)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(guò)濾機(jī)械和離心機(jī)械的問(wèn)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。5.生物工業(yè)下游技術(shù)(jsh)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

12、提高和完善共二十六頁(yè)新型(xnxng)分離介質(zhì)的研究開(kāi)發(fā)（2） 新技術(shù)的研究(ynji)開(kāi)發(fā)膜（膜材料和膜制造工藝）、樹(shù)脂（離子交換樹(shù)脂和大網(wǎng)格樹(shù)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)。共二十六頁(yè)子代(zdi)分離技術(shù)各種分離純化技術(shù)相互結(jié)合、交叉、滲透，形成(xngchng)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(xngchng)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(xngchng)了離子交換色譜、等電聚焦色譜等。共二十六頁(yè)新興下游(xiyu)技術(shù)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(cuq)、反膠團(tuán)萃取(cuq)、超臨界CO2萃?。?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。共二十六頁(yè)內(nèi)容摘要第四章：新型萃取(cuq)技術(shù)Novel extraction techniques。第四章：新型萃取(cuq)技術(shù)Novel extraction techniques。組成：下游加工過(guò)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