1、生物工业下游技术 Downstream Processing of Bio-industry,第一章 绪 论,下游技术：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源料，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，通常称为下游技术，也称为下游工程或下游加工过程。很多工业生物技术产品，包括现代发酵工业产品，其质量的优劣、成本的高低、竞争力的大小，往往与下游技术直接相关。,第一节 生物工业下游技术的工作领域,一、技术范畴从“下游技术“的含义上来说，除“物质分离”外，还涉及到“产品加工”，目前人们理解的下游技术大多数属于“物质分
2、离”范畴。分离是混合的逆过程。由热力学第二定律可知，混合过程是一个墒增加的过程，它是一个自发的过程。而它的逆过程分离过程，不能自发进行，需要作功才能实现，而且需要有专门的过程和设备。例如将酒精与水分开。,与目的产物混合的杂质,与目的产物混合的杂质包括：1.生物反应过程中的副产物；2.未消耗完毕的原料；3.生产过程中加入的化学试剂；4.生产设备材料物质。,二、生物工业下游技术的发展历程,1古代酿造业 2第一代生物技术 3第二代生物技术 4第三代生物技术(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,第二节 生物工业下游技术 的一般工艺过
3、程,一、原料及产品特性 1、杂质：粗原料中带入大量的不参与发酵过程的可溶性杂质和不溶性悬浮物，给下游过程的分离提取带来了不小的困难，增加了下游操作成本，包括发酵废液的处理成本。 2、产品浓度很低：一些新兴生物技术产品，待处理物料中产品浓度很低，往往低于杂质含量，如L异亮氨酸为2.4，青霉素为3.6，每千克产品中核黄素仅含几克、胰岛素仅含几十毫克，而且对热、PH、有些甚至对光不稳定。,一、原料及产品特性,3、易挥发和氧化：用萃取技术提取有效成分(风味物质)时，如啤酒花需要先进行粉碎，一般粉碎机的机械冲击点处温度高达300左右，风味物质极易挥发和氧化造成损失。 4、小分子产品：因分子结构简单，性质
4、相对稳定， 分离技术 的可选范围较大。 5、大分子产品：如酶蛋白，除具有一定氨基酸排列的一级结 构外，还具有一定立体构象的二、三级结构，甚至于四级结构，才呈现出生物活性。为保持分离操作后这些生物活性物质的功能，甚至过度增加剪切率的操 作也是不适合的。,6、产物为菌体细胞时：当发酵液进入旋转构件，以及菌体泥浆排出时存在的附加剪切力也会导致菌体死亡。 7、产品的稳定性：生物活性物质的活性还易受温度、pH、金属离子、无机盐浓度、有机溶媒等环境因素的影响。制约了下游技术的可选范围。 8、产品安全性：当生物技术产品是食品或药物时，溶媒的使用受到一定的限制，应考虑它们在品质或气味上是否污染产物。萃取及色谱
5、的分离介质甚至于膜分离技术中膜材料的选择，有时也受到限制。,一、原料及产品特性,二、下游技术的一般工艺过程,某一具体产品的分离提取工艺与下列情况有关：(1)是胞内产物还是胞外产物；(2)原料中产物和主要杂质浓度；(3)产物和主要杂质的物理化学特性及差异；(4)产品用途和质量标准；(5)产品的市场价格；(6)废液的处理方法等。,生物工业下游技术的一般工艺过程,生物工业下游技术大致可分为4个阶段,(1)预处理和固液分离： 固液分离以除去发酵液中的不溶性固形物杂质和菌体细胞。过滤和离心相比，无论是投资费用还是运转费用，前者都要小得多，因而首选方法应是过滤。 (2)提取(初步分离)： 目的是除去与产物
6、性质差异较大的杂质，是目的产物要求有较大浓缩比的过程。,生物工业下游技术大致可分为4个阶段,(3)精制(高度纯化)： 目的是去除与产物的物理化学性质比较接近的杂质。通常采用色谱分离，结晶特别是重结晶。 (4)成品制作： 成品形式与产品的最终用途有关，有液态产品也有固态产品，美观的产品形态也是产品档次的一个标志。,第三节 生物工业下游技术的发展动态,一、传统分离技术的提高和完善蒸馏、蒸发、过滤、离心、结晶和离子交换等传统技术由于应用面广且相对成熟，对它们的提高和完善将会推动大范围的技术进步。 二、新技术的研究和开发 1新型分离介质的研究开发膜、树脂和凝胶是目前主要的新型分离介质。 2子代分离技术各种分离纯化技术相互结合、交叉、渗透，形成子代分离技术。膜萃取技术；膜蒸馏及渗透蒸发技术；离子交换色谱等。 3其他新兴下游技术双水相萃取、超临界萃取、反胶团萃取。,三、清洁生产,清洁生产(Cleaner Production)：是指将综合预防的环境保护策略持续应用于生产过程和产品中，以期减少对人类和环境的风险。 它包括三方面内容，即清洁生产工艺(技术)、清洁产品、清洁能源。 清洁生产工艺是生产全过程控制工艺，包括节约原材料和能源，淘汰有毒害的原材料，并在全部排放物和废物离开生产过程以前，尽最大可能减少它们的排放量和毒性，对必须排放的污染物实行综合利用，使废物资源化。,
