生物工程下游技術(shù)第一章的緒論知識

1、生物工業(yè)下游技術(shù)1第一章緒論2本章要求熟悉下游加工過程的重要性和特點了解下游加工技術(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3一、下游加工過程在生物技術(shù)中的地位下游技術(shù)（工程） （downstream processing）：對于由生物界自然產(chǎn)生的或由微生物菌體發(fā)酵的、動植物細胞組織培養(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；費用：傳統(tǒng)發(fā)酵工業(yè)中下游部分的費用占整個工廠投資費用的，而對

2、重組生產(chǎn)蛋白質(zhì)等基因工程產(chǎn)品，下游加工的費用可占整個生產(chǎn)費用的；關(guān)注程度：英國政府工業(yè)部于年發(fā)起生物分離計劃（），專門研究下游加工過程；年英國化學(xué)工業(yè)會召開了專門討論下游加工過程的國際會議；我國也于年在濟南召開了一次專門會議；近十年來國內(nèi)外有關(guān)生物分離或蛋白質(zhì)純化的專著陸續(xù)出版。4二、生物技術(shù)下游加工過程的特點含水多，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)物進一步分解；易起泡，粘性物質(zhì)多。1. 發(fā)酵液的特點52. 整個下游加工過程應(yīng)遵循下列四個原則時間短；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）

3、，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，要防止菌體擴散，一般要求在密封的環(huán)境下操作。6三、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

4、性的小分子。此時開始引入過濾、蒸餾、精餾等近代分離技術(shù)。7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）、有機酸（核酸、檸檬酸）、酶制劑（淀粉酶）、微生物多糖和單細胞蛋白等。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)8以20世紀(jì)70年代末崛起的DNA重組技術(shù)及細胞融合技術(shù)為代表。生物技術(shù)在其主要領(lǐng)域：基因工程、酶工程、細胞工程和微生物發(fā)酵工程取得了長足進步，一批高附加值的產(chǎn)品開始面世，如乙肝疫

5、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)920世紀(jì)80年代以來，生物工業(yè)下游技術(shù)進步很快，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

6、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。在固液分離機械方面，也出現(xiàn)了一些性能優(yōu)良的新型機械，如帶式過濾機、連續(xù)半連續(xù)板框過濾機、螺旋沉降式離心機等。微濾膜可高效分離細微的懸浮粒子。10（1）固液分離技術(shù) （2）細胞破碎技術(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

7、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。11（1）固液分離技術(shù) （2）細胞破碎技術(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)和細胞碎片的分離，為進一步純化精制創(chuàng)造了前提；超濾技術(shù)解決了生物大分子對pH、熱、有機溶劑、金屬離子敏感等難題，在生物大分子的分級、濃縮、脫鹽等操作中得到了廣泛的使用。12（1）固液分離技術(shù) （2）細胞破碎技術(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

8、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)。13（1）固液分離技術(shù) （2）細胞破碎技術(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)方面有著獨特的優(yōu)勢。20世紀(jì)80年代以來，已經(jīng)在許多領(lǐng)域中迅速實現(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鹽通過而截留分子量300-1

9、000u的小分子有機物，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)及反膠團技術(shù)的研究和應(yīng)用開發(fā)等也相繼取得了很大的進展。14四、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?。桓叨燃兓ň疲?；成品加工。1. 一般下游加工過程可分為4個階段152. 下游加工過程的一般流程（沉淀、吸附、萃取、超濾、結(jié)晶）發(fā)酵液初步純化細胞碎片分離細胞破碎細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

10、、無菌過濾、干燥、成型）胞外產(chǎn)物提取精制產(chǎn)品的收得率和質(zhì)量控制。16下游工藝過程決定于產(chǎn)品的性質(zhì)和要求達到的純度如產(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)物則可省去細胞破碎步驟。173. 單元操作過濾、離心固液分離；蒸發(fā)、蒸餾、結(jié)晶進一步純化；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18過程名稱原理原料分離劑產(chǎn)物實例傳質(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

11、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19過程名稱原理原料分離劑產(chǎn)物實例機械分離：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