1、生物工業(yè)下游技術 主講 張志宏,第一章 緒論,一、下游加工過程在生物技術中的地位,下游技術（工程） （downstream processing）：對于由生物界自然產生的或由微生物菌體發(fā)酵的、動植物細胞組織培養(yǎng)的、酶反應等各種生物工業(yè)生產過程獲得的生物原料，經提取分離、加工并精制目的成分，最終使其成為產品的技術。 下游加工過程的重要性。（組成、費用和關注程度） 工作領域 分離和純化,二、生物技術下游加工過程的特點,含水多，產物含量低； 含菌體蛋白； 溶有原來培養(yǎng)基成分； 相當多的副產物和色素； 易被雜菌污染或使產物進一步分解； 易起泡，粘性物質多。,時間短； 溫度低； pH適中（選擇在生物物質

2、的溫度范圍內）； 嚴格清洗消毒（包括廠房、設備及管路，注意死角），這和傳統(tǒng)產品抗生素的生產是一致的。,對基因工程產品還應注意生物安全（biosafety）問題，要防止菌體擴散，一般要求在密封的環(huán)境下操作。,2. 整個下游加工過程應遵循下列四個原則,三、生物工業(yè)下游技術的發(fā)展歷程,古代釀造業(yè) 2. 第一代生物技術,古代釀造業(yè)包括釀酒、制醬（油）、醋、酸奶和干酪等。技術原始、家庭式作坊、產物基本不經過后處理而直接使用，無下游技術。,主要指19世紀60年代-20世紀40年代青霉素等抗生素出現(xiàn)之前的生物技術產業(yè)。發(fā)現(xiàn)了發(fā)酵的本質是微生物的作用，掌握了純種培養(yǎng)技術，生物技術進入近代釀造產業(yè)的發(fā)展階段。到

3、20世紀上半葉，逐漸開發(fā)形成了發(fā)酵法生產酒精、丙酮、丁醇等微生物發(fā)酵工業(yè)（厭氧發(fā)酵），其產品相對簡單，基本上是無活性的小分子。此時開始引入過濾、蒸餾、精餾等近代分離技術。,以20世紀40年代出現(xiàn)的青霉素產品為代表。 無菌空氣制備技術、大型好氧發(fā)酵裝置開發(fā)，一大批通風發(fā)酵技術產品相繼投入了工業(yè)生產，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工業(yè)的分離技術，如沉淀、離子交換、萃取、結晶等。,3. 第二代生物技術,以20世紀70年代末崛起的DNA重組技術及細胞融合技術為代表

4、。 生物技術在其主要領域：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質，如活性糖質、活性肽、高度不飽和脂肪酸等，生物技術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)下游技術領域的研究開發(fā)力量，不斷推出新技術、新產品、新裝備，以搶占更多的市場。新技術有超臨界CO2萃取技術、膜過濾、滲透蒸發(fā)技術、各種色譜（層析）技術等。,4. 第三代生物技術,20世紀80年代以

5、來，生物工業(yè)下游技術進步很快，出現(xiàn)了很多新概念、新技術、新產品和新裝備。大致可分為以下幾大類：,（1）固液分離技術 （2）細胞破碎技術 （3）初步分離純化技術 （4）高度分離純化技術 （5）其他新型分離技術,近20年來，將在污水處理、化學工程和選礦工程上廣泛使用的絮凝技術引入到發(fā)酵液的預處理上，研究開發(fā)了菌體及懸浮物絮凝技術，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。,（1）固液分離技術 （2）細胞破碎技術 （3）初步

6、分離純化技術 （4）高度分離純化技術 （5）其他新型分離技術,（1）固液分離技術 （2）細胞破碎技術 （3）初步分離純化技術 （4）高度分離純化技術 （5）其他新型分離技術,（1）固液分離技術 （2）細胞破碎技術 （3）初步分離純化技術 （4）高度分離純化技術 （5）其他新型分離技術,（5）其他新型分離技術,四、生物技術下游加工過程的一般流程和單元操作,培養(yǎng)液（發(fā)酵液）的預處理和固液分離； 初步純化（提?。?高度純化（精制）； 成品加工。,1. 一般下游加工過程可分為4個階段,2. 下游加工過程的一般流程,產品的收得率和質量控制。,下游工藝過程決定于產品的性質和要求達到的純度 如產品為菌體本

7、身，則工藝比較簡單，只需經過濾、得到菌體，再經干燥就可，如單細胞蛋白的生產。 如可以從發(fā)酵液直接提取，則可省去固液分離步驟。 如為胞外產物則可省去細胞破碎步驟。,3. 單元操作,過濾、離心固液分離； 蒸發(fā)、蒸餾、結晶進一步純化； 萃取濃縮或提取液相中的成分； 離子交換、層析、膜技術、超濾； 干燥,適合于大規(guī)模工業(yè)化生產的傳統(tǒng)技術經過改造提高后，適應面更寬，效率會更高，仍然顯示出強勁的生命力。 各種新型高效的過濾機械和離心機械的問世，結晶理論和離子交換技術的新進展，提高了產品的收率、質量和生產效率。,五、生物工業(yè)下游技術的發(fā)展動態(tài),成本、質量、環(huán)保將是該技術發(fā)展方向和動力,1. 傳統(tǒng)分離技術的提高和完善,1）新型分離介質的研究開發(fā) 2）子代分離技術 3）其他新興下游技術,2. 新技術的研究開發(fā),膜（膜材料和膜制造工藝）、樹脂（離子交換樹脂和大網格樹脂）和凝膠（瓊脂糖凝膠為基質，與各種配基結合后制成各種色譜分離介質）是目前主要的新型分離介質。,各種分離純化技術相互結合、交叉、滲透，形成子代分離技術。如膜技術和萃取、蒸餾、蒸發(fā)技術相結合形成了膜萃取技術、膜蒸餾及滲透蒸發(fā)技術；色譜技術與離子交換技術等結合形成了離子交換色譜、等電聚焦色譜等。,由溶劑萃取技術衍生出一大批生物工業(yè)分離技術，如雙水相萃取、超臨界CO2萃取、反膠團萃?。毎槠コ?、細胞胞內物質、