1、生物工业下游技术 主讲 张志宏,第一章 绪论,一、下游加工过程在生物技术中的地位,下游技术（工程） （downstream processing）：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、酶反应等各种生物工业生产过程获得的生物原料，经提取分离、加工并精制目的成分，最终使其成为产品的技术。下游加工过程的重要性。（组成、费用和关注程度）工作领域 分离和纯化,二、生物技术下游加工过程的特点,含水多，产物含量低； 含菌体蛋白； 溶有原来培养基成分； 相当多的副产物和色素； 易被杂菌污染或使产物进一步分解； 易起泡，粘性物质多。,时间短； 温度低； pH适中（选择在生物物质的温
2、度范围内）； 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。,对基因工程产品还应注意生物安全（biosafety）问题，要防止菌体扩散，一般要求在密封的环境下操作。,2. 整个下游加工过程应遵循下列四个原则,三、生物工业下游技术的发展历程,古代酿造业2. 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、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19世纪60年代-20世纪40年代青霉素等抗生素出现之前的生物技术产业。发现了发酵的本质是微生物的作用，掌握了纯种培养技术，生物技术进入近代酿造产业的发展阶段。到20世
3、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、精馏等近代分离技术。,以20世纪40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，如沉淀、离子交换、萃取、结晶等。,3. 第二代生物技术,以20世纪70年代末崛起的DNA重组技术及细胞融合技术为代表。生物技
4、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始面世，如乙肝疫苗、干扰素等。80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，生物技术在深度和广度上都取得了很大的进展。1988年，日本由40多家公司组建高度分离系统技术研究联合体，瑞典的Pharmacia，Alfa-Laval等组建了Biolink公司，加强在生物工业下游技术领域的研究开发力量，不断推出新技术、新产品、新装备，以抢占更多的市场。新技术有超临界CO2萃取技术、膜过滤、渗透蒸发技术、各种色谱（层析）技术等。,4. 第三代生物技术,20世纪80年代以来，生物工
5、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。大致可分为以下几大类：,（1）固液分离技术 （2）细胞破碎技术 （3）初步分离纯化技术 （4）高度分离纯化技术 （5）其他新型分离技术,近20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。微滤膜可高效分离细微的悬浮粒子。,（1）固液分离技术 （2）细胞破碎技术 （3）初步分离纯化技
6、术 （4）高度分离纯化技术（5）其他新型分离技术,（1）固液分离技术 （2）细胞破碎技术 （3）初步分离纯化技术 （4）高度分离纯化技术（5）其他新型分离技术,（1）固液分离技术 （2）细胞破碎技术 （3）初步分离纯化技术 （4）高度分离纯化技术（5）其他新型分离技术,（5）其他新型分离技术,四、生物技术下游加工过程的一般流程和单元操作,培养液（发酵液）的预处理和固液分离； 初步纯化（提取）； 高度纯化（精制）； 成品加工。,1. 一般下游加工过程可分为4个阶段,2. 下游加工过程的一般流程,产品的收得率和质量控制。,下游工艺过程决定于产品的性质和要求达到的纯度如产品为菌体本身，则工艺比较简单
7、，只需经过滤、得到菌体，再经干燥就可，如单细胞蛋白的生产。 如可以从发酵液直接提取，则可省去固液分离步骤。 如为胞外产物则可省去细胞破碎步骤。,3. 单元操作,过滤、离心固液分离； 蒸发、蒸馏、结晶进一步纯化； 萃取浓缩或提取液相中的成分； 离子交换、层析、膜技术、超滤； 干燥,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。 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、质量和生产效率。,五、生物工业下游技术的发展动态,成本、质量、环保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,1）新型
8、分离介质的研究开发2）子代分离技术3）其他新兴下游技术,2. 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。,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；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。,本章要求,熟悉下游加工过程的重要性和特点 了解下游加工技术的发展过程 掌握下游加工过程的主要步骤和主要单元操作,
