第一章 绪论 第二章 下游技术理论基础

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。
(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
中膜材料的选择，有时也受到限制。
二、下游技术的一船工艺过程
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
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包括：
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
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。萃取及色谱的分离介质甚至于膜分离技术
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。
一、基础物性 “分离”可利用各种物质固有性质的差异。物性差异越
大，利用价值越大。 二、分类
以物理学过程为基础的分离操作，大致可分为以下三类： 1．平衡分离过程
建立在相平衡关系上的。利用相的组成差别进行混合物 体系的分离。表2—1为平衡分离的代表性单元操作。 2．拟平衡(速度差)分离操作
在混合物体系本身所占有的空间之外加一个能引起物质 分离的势能场，在它的作用下，形成分离场。如表2—2所示。 3 ．非平衡分离操作
第二章 下游技术的理论基础
❖ 生物工业下游技术：尚无一个严格意义上的定义， 本课程中所涉及的内容有许多在本质上属于物质分 离的范畴。因此，本章及后续内容将会经常使用 “分离”一词。
第一节 下游技术中的物理学过程 第二节 下游技术中的化学过程 第三节 下游技术中的生物学过程
第一节 下游技术中的物理学过程
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
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ＣＯ２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
生物工业下游技术
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。
1、2以外均划归其中，利用物质移动速度差和广义的、 基于“屏蔽效应”的分离操作。如表2—3所示。
源自文库 三、平衡论
1．相平衡基础 多组分混合物体系达到气液、液液、固液、气
固二相平衡的条件是各相温度、压力相等，各相中 各成分的逸度相等。
第二节 生物工业下游技术 的一般工艺过程
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。