生物工程生物技术专业英语翻译(六)讲课教案

生物工程生物技术专业英语翻译(六)第六章生物工程中的下游加工（技术）6.1前言“下游加工（技术）”对于从任何工业化生产中回收有用产品所需要的所有步骤来说是一个有用的词语。

对于生物工程特别重要，我们想要的最终形式的产物常常非常远的从最先在生物反应器中获得的状态除去。

例如，一个典型的发酵过程是一个分散的固体（细胞、也许有营养培养基的某些组分等）与稀释水溶液的混合物；所想要的产物也许作为一种非常复杂的混合物的组分存在于细胞中，或者存在于稀释的培养基溶液中，或甚至两者中都有。

任何情况下，这个产品的回收、浓缩和纯化都需要有用并有效的操作，这也受生产经济性的限制。

任何特殊的要求，如需要除去污染物或限制生产微生物（process organism）都只会增加困难。

许多实验室中的标准操作在生产中都是不实用或者不经强度等条件下才能保持。

想着这些限制（bearing in mind），如果要用到所有可用的科学方法以发挥最佳的效果就需要更多的创造性。

也明显的是，没有一种独特的、理想的、普遍适用的操作或者仅是操作顺序可以推荐；对一个特定的问题应当以最适宜的方式把单个单元操作结合起来。

6.2 粒子的分离在发酵终点，多数情况下第一步是将固体（通常是细胞，但也可以是在一个特定支持物上的细胞或者酶，不包括反应培养基固体组分）从几乎一直是水溶液的连续均匀的液体系统中分离出来。

与这个分离相关的一些细胞特性列于表 6.1；注意，细胞的比重不比fermentation broth 大很多。

细胞的大小也给细菌带来了困难，但是比较大的细胞更容易分离，有时候甚至只需要简单的定位于倾析器。

分离的容易性取决于fermentation broth的性质，它的pH、温度等等，在许多情况下，通过添加助滤剂、絮凝剂的等等进行改进（见后面）。

表 6.2给出了分离方法的大体分类。

6.2.1 过滤这个是分离filamentous fungi和fermentation broth中的filamentous bacteria（例如，链霉菌）所使用的最广泛和最典型的方法。

它也可以用于酵母絮凝物的分离。

根据机理，过滤可以采用表面过滤或者深层过滤；或者离心过滤；所有情况下的驱动力都是压力，由超压产生或者由真空产生。

过滤的速率，如在一定时间内收集的滤液的体积，是过滤面积、液体的黏度和通过过滤基质的压力降以及（deposited filter cake）沉积的滤饼的作用。

过滤基质与滤饼filter cake的抗性( resistance) 因此是关键的，决定了它的可压性（compressibility）。

对于不可压的filter cake滤饼，过滤速率与压力无关，但是多数生物材料是可压的，所以滤饼的抗性随着时间而增大而与过滤和滤饼形成过程中增大的总体抗性无关。

错流过滤实现了过滤流的巨大的改进，在错流过滤中，固体不经过过滤器而通过跨膜的湍流保持悬浮状态。

这可以通过安排悬浮物流经膜来实现或者通过在过滤器中固定移动的blades or impellor来实现。

简单的平板过滤广泛用于液体的澄清，也可以用于过滤少量的悬浮物，但是它们的载量是有限的；有时使用filer-press assemblies 尤其对于分批操作。

旋转鼓式真空过滤器大概是从fermentation broth分离微生物最为广泛使用的装置；在这些过滤器中，过滤部分是一个旋转的鼓维持在减少的内压下。

这个鼓转到液体中进行过滤，它的连续转动使滤饼层进行重要的后续操作，如图 6.1所示。

为了避免在过滤器表面形成生物体增加过滤的抗性，这种过滤器常常fitted with a knife discharge，像图中所描绘的；if a mycelium which forms a coherent carpet is being seperated, it can be lifted from the filter by strings.常预先用助滤剂覆盖（precoate）鼓，有助于防止阻塞并且保持一个恒定的压力降。

最主要的优点是以最小的升温、低的动力消耗及将过滤与洗涤和部分去水（dewatering）相结合而有效过滤；但是助滤剂被过滤掉的物质所污染是一个严重的缺点。

也可以使用在正压下操作的旋转过滤器。

而带式过滤器（belt filter）是对原理明显的改动，非常适于需要大量洗涤的易过滤的沉淀物。

带式过滤器可以与 a press结合以促进除水。

6.2.2 离心细菌往往由于太小而不能由简单的过滤基质进行分离，但通过离心进行分离也是困难的因为粒子与悬浮液之间密度的微小差异。

经常采用离心分离蛋白质沉淀也有类似的困难。

离心机的效果可以特征表达为：（方程式）在表达式中，Q=体积进料速率、d=粒子直径、Δρ=密度差、g=重力加速度、F=沉淀面积、η=黏度、R=radius、ω=角速度及n=每分钟的转速。

公式∑=FZ在比较不同的离心机的时候是有用的。

因为F随着转子旋转（axial）长度的增加而增加，而Z随着转子的直径和速度增加而增加，通过采用长转子（F）或者快的、宽转子（Z）可以改进分离效果；可获得的Z值受到结构材料的限制。

图 6.2 列出了一些转子的安排方式，不同安排方式的关键特点总结在表 6.3中。

所有的设计都有单独的缺点，添加上成本（包括维护）、动力消耗及温度升高（除过结合冷冻）这些总体缺点。

6.2.3 絮凝和浮选既然细菌的微小细胞大小使从fermentation broth中对它们进行回收变得非常困难，甚至通过离心的方法，那么可以采用絮凝实现一种改进；粒子的沉淀速率随着粒子直径的增大而增大（Stokes’s 法则）。

絮凝可以是可逆的，如果细胞表面的电荷能够被相反电荷的离子中和，也可以是不可逆的，如果带电的多聚分子在细胞之间形成桥。

因此絮凝剂就包括无机盐、矿物水胶体、有机polyelectrolytes.除了取决于絮凝剂的选择，絮凝作用还取决于这样的其他一些因素如细胞的性质（生理年龄）、离子环境、温度及表面shear stress。

如果没有形成一个足够紧密的絮凝物，那么可以采用浮选的方法，在这个过程中小的气泡吸收并进入到微生物中。

这种分离取决于气泡的大小；气体可以鼓泡产生或者（更好的）非常精致的气泡可以由溶解的气体释放过多的压力来产生或者通过电解作用。

不可溶的“收集物质”如长链脂肪酸或者胺可以促使一个稳定的肥皂泡的形成，而且收集在肥皂泡层的粒子能被除去。

在某些情况下，絮凝和浮选的联合使用非常有效地用于回收生物体。

6.3 细胞破碎6.3.1 微生物由于细胞壁的强度和高的内在渗透压，破碎微生物常常是困难的；粒子太小而不能采用简单的机械手段如碾碎而获得必要的强力。

同时，细胞破碎不能破坏所需要的细胞组分，但通常所作的要求是矛盾的。

分解微生物的方法总结于图 6.3中。

它们的作用效果通常以破碎的细胞的悬浮液中回收的细胞酶的活性水平来证实（assessed），与以破坏程度衡量破坏效率相结合。

机械方法机械方法采用的是shear（在球磨机、胶磨机中搅碎）、压力和释放压力（匀浆机）及超声波。

一种广泛使用的方法是采用高压紧接着突然的解压，是由细胞悬浮液流经fine nozzle管口的结果。

其中的一种处理方法如图6.4所示。

这里，破碎是由hydrodynamic shear 和空穴现象导致的。

超声波主要通过空穴现象而作用，但主要用于实验室，因为在大规模中，热量的除去是困难的。

也可以采用加热、化学或者酶方法来破坏细胞。

其中一种广泛使用的方法就是干燥，它引起细胞壁结构的变化而且常常可以用缓冲液或者盐溶液对细胞物质进行后续提取；一个著名的程序就是将细胞导入过量的冷丙酮中以制备“丙酮粉”。

通过化学方法可以引起细胞裂解，如盐或者表面活性剂、或者渗透压冲击、或者采用合适的裂解酶，现在可利用的裂解酶的种类非常多而且可以与所要处理的微生物的具体性质相匹配。

采用所有的方法并进行比较，细胞破碎后活性细胞酶的回收效果经酶处理和超声波处理为最好；加热或者渗透方法次之，而机械法破碎通常效果最差。

6.3.2 植物和动物细胞来自动物组织或者植物的细胞通常不稳定且更容易通过机械方法破碎。

如果物质首先经过冷冻，就可采用额外的shear方法，而合适的酶就可以帮助从动物或者植物中进行提取。

在技术上，人们非常关注通过合适的裂解酶（纤维素和半纤维素）处理来提高所有植物提取量而不是传统的提取方法。

6.4 提取方法当用于生物产品时，提取同时具有分离和浓缩的作用。

对于回收亲脂性物质尤为有用，不管这些物质最初是胞外的还是通过对细胞的合适处理而释放出来的。

含有目标物的溶液或者甚至是悬浮液与不相溶的溶剂相混合，产物在这个溶剂中是更易溶解的而且更容易进行特异回收。

物质在这两相中的分配由它的特征分配系数K控制：K=A相中物质的浓度/B相中物质的浓度然而，任何实际的提取过程的系数还取决于达平衡时两相…to的相对体积。

由简单的计算可知，当以一定体积的溶剂萃取某一物质时，如果将溶剂分成若干等分，分数次相继进行，则萃取的效率较高；而当欲差别地萃取某一种组分，而非其他组分时，则反萃取必能提高选择性。

这样，液－液萃取可以单步进行（如果分配系数是非常理想的），通过多步顺流萃取或者逆流萃取（最复杂的处理过程但是能够很好的处理混合物）。

在回收抗生素时，溶剂萃取是在除去细胞或者细胞碎片后的早期步骤。

全发酵液的萃取也可采用萃取－倾析器，萃取柱或者用到离心机的混合澄清器。

图 6.5示例了一个从发酵液中回收抗生素的全发酵液提取过程。

全发酵液回收方法明显的减少了回收步骤，这样应该会减少步步损失尽管萃取过程由于细胞的存在会被削弱impaired。

减少了产物滞留于水溶液相中的时间，在水相中产物的降解是非常快的，这也是一个优点。

从细胞或者细胞碎片中分离酶可以采用水溶液多相系统进行萃取。

细胞碎片和酶分配在水溶液的聚乙二醇－葡聚糖混合物中，其形成分离相且因此可以容易的分离开。

这个方法避免了在离心过程中出现的一些困难（小粒子尺寸dimension）而且产量高。

6.5 浓缩方法生物加工过程中形成的低浓度产物通过初始分离步骤而被浓缩，如在萃取过程（见上），但一般在经济纯化之前必须进一步浓缩。

又由于许多产物的脆弱性，对它们浓缩的方法必须非常温和。

一些适宜的方法包括：萃取（已经考虑到了）蒸发膜处理过程离子交换法吸收法6.5.1 蒸发蒸发常用于溶剂提取所得到的溶液，在这种情况下，小心的处理以回收蒸发的溶剂是必要的；因为蒸发产生高的特殊的热量，当用于水溶液制备物时，需要更为关键的处理。

全发酵液的直接蒸发常用于制备相对低级的产物，…due 通常采用某种喷雾干燥的方法。

非常普遍的是，采用短滞留时间的蒸发器以减少由于热不稳定性而引起的损失。