生物分離工程期末復(fù)習(xí)

生物分離工程

（BioseparationEngineering）Reference-books田瑞華．生物分離工程．北京：科學(xué)出版社，2008曹學(xué)君．現(xiàn)代生物分離工程．上海：華東理工大學(xué)出版社，2007毛忠貴．生物工業(yè)下游技術(shù)．北京：中國輕工業(yè)出版社，1999嚴(yán)?？担蛛x工程．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001孫彥．生物分離工程．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005Reference-webs華東理工大學(xué)

/courses/swflgc/福州大學(xué)

/eduonline/shflgc/index.htm南京工業(yè)大學(xué)

/06jpkc/njgydx/index.aspReference-journals色譜膜科學(xué)與技術(shù)離子交換與吸附生物工程學(xué)報(bào)高校化學(xué)工程學(xué)報(bào)現(xiàn)代化工化工進(jìn)展化工學(xué)報(bào)化學(xué)工程化學(xué)工業(yè)與工程ChinaJournalofChemicalEngineeringReferences-SCIjournalsJournalofChromatographyA

/science/journal/00219673JournalofSupercriticalFluids

/science/journal/08968446

JournalofMembraneScience

/science/journal/03767388References-SCIjournalsEnzymeandMicrobialTechnology

/science/journal/01410229

BiochemicalEngineeringJournal

/science/journal/1369703XSeparationandPurificationTechnology

/science/journal/13835866References-SCIjournalsBiotechnologyandBioengineering

/jpages/0006-3592JournalofSeparationScience

/jpages/1615-9306JournalofChemicalTechnologyandBiotechnology

/jpages/0268-2575

References-SCIjournalsSeparationandPurificationReviews

www.tandf.co.uk/journals/titles/15422119.aspSeparationScienceandTechnology

www.tandf.co.uk/journals/titles/01496395.asp第一章緒論生物工程（Bioengineering），即生物技術(shù)(Biotechnology)

是通過對有機(jī)體的操作，利用生物有機(jī)體來生產(chǎn)有用物質(zhì)，改善人類生活品質(zhì)的技術(shù)。

生物工程的主要目標(biāo)是生物物質(zhì)的高效生產(chǎn)，而分離純化（Bioseprationandpurification）是獲得生物物質(zhì)的重要技術(shù)環(huán)節(jié)，因此生物分離工程（Bioseprationengineering）是生物工程的重要組成部分。第一節(jié)概述生物工程研究領(lǐng)域微生物培養(yǎng)動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)植物細(xì)胞培養(yǎng)天然資源生化材料海洋生物培養(yǎng)生物工程產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域生物制藥（抗生素，基因重組蛋白，氨基酸，疫苗，菌苗，天然藥物，生化藥物，血液制品，抗體，多糖，多肽）生物化工（乳酸，檸檬酸，蘋果酸，丙烯酸，甘油，異丙醇，乙烯）生物能源（甲醇，乙醇，生物柴油，生物汽油）生物材料（明膠，膠原蛋白，人造皮膚，從造骨，人造臟器）生物醫(yī)學(xué)（診斷試劑，基因治療，人及生物克隆）環(huán)境生物（環(huán)境治理，水污染，土壤污染，風(fēng)沙治理）生物食品（醋，啤酒業(yè)，釀酒，乳制品，奶制品）生物資源（動(dòng)物，植物，微生物）生物農(nóng)業(yè)（基因食品，基因植物）生物工程的上中下游在生物工程領(lǐng)域，一般將生物產(chǎn)品的生產(chǎn)稱為生物加工過程（Bioprocess），分為上游、中游、下游三部分。上游：菌種選育，基因工程，分子生物學(xué)，遺傳學(xué)中游：微生物發(fā)酵工程，動(dòng)植物細(xì)胞工程，海洋生物培養(yǎng)下游：生物分離工程

生物分離工程（Bioseparationengineering）：對由生物界自然產(chǎn)生的、由微生物菌體發(fā)酵的、動(dòng)植物細(xì)胞組織培養(yǎng)的、酶反應(yīng)等各種生物工業(yè)生產(chǎn)過程所獲得的生物原料，經(jīng)提取分離加工并精制目的成分，最終使其成為產(chǎn)品的技術(shù)，也可以稱為下游技術(shù)，或者下游工程。廣義：細(xì)胞的大規(guī)模培養(yǎng)、產(chǎn)物的分離純化、產(chǎn)品的成型加工和質(zhì)量監(jiān)控等分離是混合的逆過程，不能自發(fā)進(jìn)行，需要作功才能實(shí)現(xiàn)，而且需要有專門的工藝和設(shè)備。在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中，目的產(chǎn)物往往與大量雜質(zhì)混合在一起，分離的任務(wù)，就是從這些混合物中用最低的投入（物力、財(cái)力和人力），獲得最高的產(chǎn)出（如產(chǎn)物的高得率、高純度）。在工業(yè)化生產(chǎn)方面分離純化是生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的瓶頸。下游加工過程的費(fèi)用占全部產(chǎn)品研發(fā)費(fèi)用的60％以上；在成本構(gòu)成中，分離與純化部分占產(chǎn)品成本的比例很高。開發(fā)新的分離純化工藝是降低成本、提高經(jīng)濟(jì)效益的重要途徑。ProductsCost(%)Solvents15-20Cells20-25Crudecellularextracts20-25Organicsacids30-40Vitaminsandaminoacids30-40Gumsandpolymers40-50Antibiotics20-60Industrialenzymes40-65Non-recombinanttherapeuticproteins50-70r-DNAproducts60-80Monoclonalantibodies50-70Nucleicacidbasedproducts60-80Plasmaproteins70-80BioseparationcostR.Ghosh.PrinciplesofBioseparationsEngineering.NewYork:WorldScientific,2006結(jié)構(gòu)基因組的研究Bottleneck在基礎(chǔ)研究方面結(jié)構(gòu)基因組研究的制約因素

在蛋白質(zhì)克隆和表達(dá)系統(tǒng)被不斷優(yōu)化的同時(shí)，分離純化過程、蛋白質(zhì)的錯(cuò)誤折疊及產(chǎn)物的不溶及聚合，已成為結(jié)構(gòu)基因組計(jì)劃發(fā)展的制約因素。生物分離工程包括目標(biāo)產(chǎn)物的提?。╥solation）、濃縮(concentration)、純化（purification）、成品化(productpolishing)等過程。由于生物產(chǎn)品的特殊性、復(fù)雜性和對生物產(chǎn)品要求的嚴(yán)格性，因此導(dǎo)致了生物分離工程的成本往往占整個(gè)生產(chǎn)成本的大部分。①生物分離工程是生物技術(shù)的重要組成部分，發(fā)酵液或反應(yīng)液需要經(jīng)過下游加工過程才能成為成品；②費(fèi)用：傳統(tǒng)發(fā)酵工業(yè)中下游部分的費(fèi)用占整個(gè)工廠投資費(fèi)用的６０％，而對重組蛋白質(zhì)等基因工程產(chǎn)品，下游加工的費(fèi)用可占整個(gè)生產(chǎn)費(fèi)用的８０％－９０％；③關(guān)注程度：英國政府工業(yè)部于１９８３年發(fā)起生物分離計(jì)劃（ＢＩＯＳＥＰ），專門研究下游加工過程；１９８７年英國化學(xué)工業(yè)會召開了專門討論下游加工過程的國際會議；我國也于１９８９年在濟(jì)南召開了一次專門會議；近年來國內(nèi)外有關(guān)生物分離或蛋白質(zhì)純化的專著陸續(xù)出版。第二節(jié)生物分離工程的重要性和特點(diǎn)化工分離技術(shù)：獲得純的化學(xué)物質(zhì)生物分離技術(shù)：在得到純的生物物質(zhì)同時(shí)，還必須關(guān)注其活性的保留和特定雜質(zhì)的去除；生物產(chǎn)物對有害物質(zhì)有嚴(yán)格的控制，生產(chǎn)過程也要求有嚴(yán)格的管理，在最終產(chǎn)品中往往不允許有極微量的有害雜質(zhì)存在。與化工分離技術(shù)的區(qū)別生物物質(zhì)的生物活性要求溫和條件，需快速分離

對純度要求高，需除去熱源物質(zhì)；產(chǎn)物成分復(fù)雜，需合理設(shè)計(jì)過程達(dá)到高效分離；

原料液中目標(biāo)產(chǎn)物的濃度低。(青霉素含量為3.6％，慶大霉素為0.2％，胰島素僅為0.001％)生物下游加工過程的特點(diǎn)

最終結(jié)果：導(dǎo)致生物分離工程成本往往占整個(gè)生物加工過程生產(chǎn)成本的大部分。生物分離工程的質(zhì)量往往決定了整個(gè)生物加工過程的成敗。

生物原料的特點(diǎn)復(fù)雜的多相體系，非牛頓流體，成分復(fù)雜如發(fā)酵產(chǎn)品：粗原料產(chǎn)物、微生物代謝產(chǎn)物（metabolome）、各種添加劑，混合物產(chǎn)物數(shù)以萬計(jì)。Metabolicnetwork

生物原料的特點(diǎn)發(fā)酵或培養(yǎng)大多是分批操作，各批產(chǎn)物濃度和其他物性會出現(xiàn)差異，也會出現(xiàn)異常生物活性物質(zhì)的穩(wěn)定性差如原料液中常存在降解目標(biāo)產(chǎn)物的蛋白酶、菌體也可能自溶、容易被雜菌污染：發(fā)酵液放罐后，應(yīng)及時(shí)快速操作，要求采用快速的分離純化方法除去影響目標(biāo)產(chǎn)物穩(wěn)定性的雜質(zhì)。原料液中常存在與目標(biāo)分子結(jié)構(gòu)極其相似的分子如同系物及異構(gòu)體。含水多，產(chǎn)物含量低；含菌體蛋白；溶有原來培養(yǎng)基成分；相當(dāng)多的副產(chǎn)物和色素；易被雜菌污染或使產(chǎn)物進(jìn)一步分解；易起泡，粘性物質(zhì)多。

發(fā)酵液的特點(diǎn)時(shí)間短；溫度低；pH適中（選擇在生物物質(zhì)的溫度范圍內(nèi)）；嚴(yán)格清洗消毒（包括廠房、設(shè)備及管路，注意死角），這和傳統(tǒng)產(chǎn)品抗生素的生產(chǎn)是一致的。對基因工程產(chǎn)品還應(yīng)注意生物安全（biosafety）問題，要防止菌體擴(kuò)散，一般要求在密封的環(huán)境下操作。生物分離工程應(yīng)遵循原則對產(chǎn)物的要求保持生物產(chǎn)物的活性純度要求高當(dāng)生物技術(shù)產(chǎn)品是食品或藥物時(shí)，要求無污染物、無對映體反應(yīng)停(thalidomide,酞胺哌啶酮)于1956年上市,作為鎮(zhèn)靜藥被廣泛應(yīng)用。1961年發(fā)現(xiàn)(S)-(-)異構(gòu)體該藥具有致畸胎的不良反應(yīng)。無病毒無熱原（內(nèi)毒素）無致敏原青霉素抗原決定簇、β-內(nèi)酰胺環(huán)對生產(chǎn)工藝的要求生物相容性高純度大規(guī)模經(jīng)濟(jì)性清潔性生物過程開發(fā)目標(biāo)(1)產(chǎn)品在最短時(shí)間內(nèi)進(jìn)入市場

(2)符合所有安全要求

(3)工藝成本適當(dāng)(4)可靠(5)安全（放大期間安全尤為重要）某一具體產(chǎn)品的分離提取工藝還與下列情況有關(guān)：（1）是胞內(nèi)還是胞外產(chǎn)物（2）原料中產(chǎn)物和主要雜質(zhì)濃度（3）產(chǎn)物和主要雜質(zhì)的物理化學(xué)特性及差異（4）產(chǎn)品用途和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（5）產(chǎn)品的市場價(jià)格（6）不同分離方法的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較（7）廢液的處理方法等釀酒、制醋是人類最早通過實(shí)踐所掌握的生物技術(shù)之一。此外，還有醬油、泡菜、奶酒、干酪制作、面團(tuán)發(fā)酵、糞便和秸稈的漚制等。技術(shù)原始、家庭式作坊、產(chǎn)物基本不經(jīng)過后處理而直接使用，無下游技術(shù)。經(jīng)驗(yàn)生物技術(shù)時(shí)期第三節(jié)生物分離工程的發(fā)展2.近代生物技術(shù)建立時(shí)期—第一代生物技術(shù)（19世紀(jì)50年代－20世紀(jì)40年代）◆1680年－Leenwenhoek通過顯微鏡觀察到細(xì)菌；◆1857年－Pasteur發(fā)現(xiàn)了酒精發(fā)酵是由活酵母引起的，其他不同的發(fā)酵產(chǎn)物則由不同微生物作用而形成——發(fā)酵生物學(xué)理論◆1897年－Buchner進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)破碎的酵母仍能作用產(chǎn)生酒精，將此具有發(fā)酵能力的物質(zhì)稱為酶，發(fā)酵現(xiàn)象的真相終于開始被人們了解。這一時(shí)期掌握了純種培養(yǎng)技術(shù)，生物技術(shù)進(jìn)入近代釀造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展階段，發(fā)酵產(chǎn)物都屬于微生物形成的初級代謝產(chǎn)物，諸如：乳酸、酒精、面包酵母、丙酮－丁醇、檸檬酸、淀粉酶、蛋白酶。產(chǎn)品相對簡單，基本上是無活性的小分子。此時(shí)開始引入過濾、蒸餾、精餾等近代分離技術(shù)。檸檬酸近代生物技術(shù)全盛時(shí)期—第二代生物技術(shù)（20世紀(jì)40年代－20世紀(jì)70年代末）以20世紀(jì)40年代出現(xiàn)的青霉素產(chǎn)品為代表。無菌空氣制備技術(shù)、大型好氧發(fā)酵裝置開發(fā)，一大批通風(fēng)發(fā)酵技術(shù)產(chǎn)品相繼投入了工業(yè)生產(chǎn)，如抗生素（鏈霉素）、氨基酸（谷氨酸）、有機(jī)酸（核酸、檸檬酸）、酶制劑（淀粉酶）、微生物多糖和單細(xì)胞蛋白等。產(chǎn)品多樣性決定了分離方法的多樣性。借鑒和引進(jìn)吸收了大量的近代化學(xué)工業(yè)的分離技術(shù)，如沉淀、離子交換、萃取、結(jié)晶等。AlexanderFleming（1928）美國和英國合作對青霉素進(jìn)行生產(chǎn)研究（1941年），出現(xiàn)表面培養(yǎng)：1升扁瓶或錐形瓶，內(nèi)裝200mL麥麩培養(yǎng)基───40u/ml重要生物技術(shù)產(chǎn)品投入生產(chǎn)年代（不包括現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)品）年代產(chǎn)品公元前30～20世紀(jì)面包發(fā)酵、果汁釀酒、原始啤酒、醋醬、奶酪公元前10世紀(jì)醬油公元前6世紀(jì)以霉治外創(chuàng)公元11世紀(jì)人痘接種公元12世紀(jì)酒精（從酒中蒸出）公元17世紀(jì)人工培植蘑菇公元18世紀(jì)牛痘接種1880～1920乳酸、面包酵母、乙醇、甘油、丙酮-丁醇、淀粉酶、轉(zhuǎn)化酶1920～1940檸檬酸、葡萄糖酸、蛋白酶、核黃素、山梨糖1940～1950青霉素、短桿菌肽、鏈霉素、金霉素、衣康酸、纖維素酶等1950～1960谷氨酸、土霉素、四環(huán)素、卡那霉素、葡萄糖酸、赤霉素等1960～1970葡萄糖異構(gòu)酶、頭孢霉素、萬古霉素、甾體生物轉(zhuǎn)化、黃原膠1970～1980阿霉素、右旋糖苷酶、維生素C、蘋果酸、普魯蘭多糖等1980～阿維菌素、苯丙氨酸、環(huán)氧乙烷、丙稀酰胺、聚羥基丁酸酯4.現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)品建立和發(fā)展時(shí)期

—第三代生物技術(shù)（20世紀(jì)70年代末開始）兩項(xiàng)技術(shù)：

DNA重組技術(shù)(1973年）細(xì)胞融合技術(shù)（1975年）人胰島素

生物技術(shù)在其主要領(lǐng)域：基因工程、酶工程、細(xì)胞工程和微生物發(fā)酵工程取得了長足進(jìn)步，一批高附加值的產(chǎn)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(zhì)，如活性糖質(zhì)、活性肽、高度不飽和脂肪酸等，生物技術(shù)在深度和廣度上都取得了很大的進(jìn)展。一些正在開發(fā)或已開始生產(chǎn)的DNA重組技術(shù)產(chǎn)品醫(yī)藥產(chǎn)品（包括畜用產(chǎn)品）干擾素（IFN）包括白細(xì)胞干擾素，成纖維細(xì)胞干擾素和免疫干擾素胰島素生長激素及其相關(guān)因子淋巴細(xì)胞活素血纖維蛋白溶解劑疫苗，包括腺病毒、霍亂、腦炎、乙型肝炎、流感、骨髓灰質(zhì)炎、狂犬、瘧疾等胸腺素白蛋白血因子促紅細(xì)胞生長素促血小板生長素降血鈣素絨毛促性腺激素絕經(jīng)期促性腺激素表皮生長因子Α-1胰蛋白酶抑制劑腫瘤壞死因子集落刺激因子心鈉素單克隆抗體（供診斷和治療用）DNA探針（供診斷和治療用）利用重組菌生產(chǎn)的抗生素、氨基酸、甾體激素、維生素食品及飼料添加劑氨基酸食品加工酶單細(xì)胞蛋白農(nóng)業(yè)植物品種改良（包括增加產(chǎn)量，提高蛋白質(zhì)含量，改進(jìn)抗逆性能，具有固氮能力等）生物殺蟲劑化工及能源原料用生物物質(zhì)生產(chǎn)甲烷、甲醇、乙醇、丙酮-丁醇、多元醇、有機(jī)酸等用于化學(xué)品或生物物質(zhì)（如纖維素）轉(zhuǎn)化所需要的酶用生物催化方法生產(chǎn)環(huán)氧烷烴、聚羥基丁酸酯（PHB）等用藻類生產(chǎn)碳水化合物、蛋白質(zhì)等物質(zhì)生產(chǎn)黃原膠等粘性物質(zhì)（以提高油井的采油量）環(huán)境保護(hù)高效生物降解或解毒菌種截止1988年由美國批準(zhǔn)生產(chǎn)的主要生物技術(shù)治療藥物通稱商品名生產(chǎn)公司用途1988年銷售額（105美元）人胰島素HumulinEliLilly治療糖尿病115人生長激素Protropin

HumareopeGenentechNovoEliLilly治療兒童生長發(fā)育不良150α-干擾素IntronAReferonASchering-PlougnHoffmanLaRoche治療毛細(xì)胞白血病78～80乙型肝炎疫苗Merck防治乙肝低于30組織血纖維蛋白溶酶激活劑——TPAActivaseGenentech治療心臟病突發(fā)癥170抗T-細(xì)胞單克隆抗體OrthocloneOKT-3Ortho治療腎移植抗異低于151988年，日本由40多家公司組建高度分離系統(tǒng)技術(shù)研究聯(lián)合體，瑞典的Pharmacia，Alfa-Laval等組建了Biolink公司，加強(qiáng)在生物工業(yè)下游技術(shù)領(lǐng)域的研究開發(fā)力量，不斷推出新技術(shù)、新產(chǎn)品、新裝備，以搶占更多的市場。新技術(shù)有超臨界CO2萃取技術(shù)、膜過濾、滲透蒸發(fā)技術(shù)、各種色譜（層析）技術(shù)等。20世紀(jì)80年代以來，生物工業(yè)下游技術(shù)進(jìn)步很快，出現(xiàn)了很多新概念、新技術(shù)、新產(chǎn)品和新裝備。大致可分為以下幾大類：（1）固液分離技術(shù)

（2）細(xì)胞破碎技術(shù)

（3）初步分離純化技術(shù)

（4）高度分離純化技術(shù)（5）其他新型分離技術(shù)發(fā)酵液菌體特別是細(xì)菌的分離一直是生物工業(yè)上的難題。近20年來，將在污水處理、化學(xué)工程和選礦工程上廣泛使用的絮凝技術(shù)引入到發(fā)酵液的預(yù)處理上，研究開發(fā)了菌體及懸浮物絮凝技術(shù)，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(jī)械方面，也出現(xiàn)了一些性能優(yōu)良的新型機(jī)械，如帶式過濾機(jī)、連續(xù)半連續(xù)板框過濾機(jī)、螺旋沉降式離心機(jī)等。微濾膜可高效分離細(xì)微的懸浮粒子。（1）固液分離技術(shù)

（2）細(xì)胞破碎技術(shù)

（3）初步分離純化技術(shù)

（4）高度分離純化技術(shù)（5）其他新型分離技術(shù)細(xì)胞破碎是生產(chǎn)胞內(nèi)物質(zhì)所必需的技術(shù)。已開發(fā)出球磨破碎、壓力釋放破碎、冷凍加壓釋放破碎和化學(xué)破碎等技術(shù)。該技術(shù)的成熟使得胞內(nèi)生物物質(zhì)的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)成為可能。（1）固液分離技術(shù)

（2）細(xì)胞破碎技術(shù)

（3）初步分離純化技術(shù)

（4）高度分離純化技術(shù)（5）其他新型分離技術(shù)主要開發(fā)了沉淀、離子交換、萃取、超濾等技術(shù)。較早出現(xiàn)的是酶及蛋白質(zhì)的鹽析法和有機(jī)溶劑沉淀法。雙水相萃取技術(shù)比較適合于胞內(nèi)活性物質(zhì)和細(xì)胞碎片的分離，為進(jìn)一步純化精制創(chuàng)造了前提；超濾技術(shù)解決了生物大分子對pH、熱、有機(jī)溶劑、金屬離子敏感等難題，在生物大分子的分級、濃縮、脫鹽等操作中得到了廣泛的使用。（1）固液分離技術(shù)

（2）細(xì)胞破碎技術(shù)

（3）初步分離純化技術(shù)

（4）高度分離純化技術(shù)（5）其他新型分離技術(shù)小分子物質(zhì)一般可通過離子交換、脫色和結(jié)晶、重結(jié)晶等方法獲得純度很高的產(chǎn)品。生物大分子的純化一直是個(gè)難題。20世紀(jì)70年代以來，逐漸開發(fā)出各種色譜（層析）技術(shù)，如親和色譜、疏水色譜、離子交換色譜和凝膠色譜等，后兩種技術(shù)已開始用于批量生產(chǎn)。（5）其他新型分離技術(shù)超臨界CO2萃取技術(shù)在獲得天然生物物質(zhì)方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢。20世紀(jì)80年代以來，已經(jīng)在許多領(lǐng)域中迅速實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化。如啤酒花中有效成分和咖啡豆中咖啡因的萃取分離。介于反滲透和超濾之間的納米濾（Nanofiltration）技術(shù)，由于其能使水和大部分無機(jī)鹽通過而截留分子量300-1000u的小分子有機(jī)物，且操作壓力低，在生物工業(yè)和水處理中具有廣闊的應(yīng)用前景。滲透蒸發(fā)技術(shù)、液膜技術(shù)及反膠團(tuán)技術(shù)的研究和應(yīng)用開發(fā)等也相繼取得了很大的進(jìn)展。由于生物分離的復(fù)雜性，一般采用多級分離，多種方法協(xié)同使用。第四節(jié)生物分離工程流程預(yù)處理、提取、精制、成品制作：預(yù)處理→細(xì)胞分離→細(xì)胞破壁→碎片分離→提取→精制→成品制作加熱過濾勻漿法離心沉淀(重)結(jié)晶濃縮調(diào)pH離心研磨法雙水相吸附離子交換干燥絮凝膜分離酶解法膜分離萃取色譜分離無菌過濾超濾膜分離結(jié)晶生物工程下游技術(shù)一般工藝過程

原料中產(chǎn)品濃度越低，分離純化的成本越高。分離純化的的步驟越多，總收率也越低：重復(fù)提取是提高總收率的一個(gè)有效方法：如谷氨酸一步等電點(diǎn)結(jié)晶，結(jié)晶母液如再經(jīng)過一次離子交換提取

75％＋（1－75％）×65％＝91.25％。246890%81.0%65.6%53.1%43.0%95%90.2%81.5%73.5%66.3%99%98.0%96.1%94.1%92.3%（1）原料液的預(yù)處理和固液分離主要技術(shù)：過濾和離心（2）提?。ǔ醪椒蛛x）目的：除去與產(chǎn)物性質(zhì)差異較大的雜質(zhì)，為后道精制工序創(chuàng)造有利條件。可選技術(shù)較多：鹽析法、有機(jī)溶劑沉淀、化學(xué)沉淀、大孔吸附樹脂、膜分離技術(shù)生物分離工程的4個(gè)階段及技術(shù)（3）精制（高度純化）目的：除去與產(chǎn)物性質(zhì)差異較大的雜質(zhì)通常采用對產(chǎn)物有高度選擇性的技術(shù)，如色譜分離技術(shù)、結(jié)晶、重結(jié)晶（4）成品制作

噴霧干燥，氣流干燥，沸騰干燥，冷凍干燥，結(jié)晶下游工藝過程取決于產(chǎn)品的性質(zhì)和要求達(dá)到的純度如產(chǎn)品為菌體本身，則工藝比較簡單，只需經(jīng)過濾、得到菌體，再經(jīng)干燥就可，如單細(xì)胞蛋白的生產(chǎn)。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(chǎn)物則可省去細(xì)胞破碎步驟。①步聚少：降低工序和成本②次序合理：先粗后精、先大后?、郛a(chǎn)品規(guī)格：注射，非注射④生產(chǎn)規(guī)模

⑤物料組成⑥產(chǎn)品形式：固體（適當(dāng)結(jié)晶），液體（適當(dāng)濃縮）⑦產(chǎn)品穩(wěn)定性⑧物性：溶解度，分子電荷，分子大小，功能團(tuán)，穩(wěn)定性，揮發(fā)性⑨危害性⑩廢水處理生物下游加工過程的選擇準(zhǔn)則生物分離的本質(zhì)是識別混合物中不同溶質(zhì)間的物理、化學(xué)、生物學(xué)性質(zhì)的差異，利用能識別這些差異的分離介質(zhì)和擴(kuò)大這些差異的分離設(shè)備，來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)組分的分離和純化。第五節(jié)生物分離工程的理論基礎(chǔ)物理性質(zhì)：力學(xué)性質(zhì)（密度、尺寸、形狀）：可以進(jìn)行重力沉降、離心分離和膜分離。

熱力學(xué)性質(zhì)（溶解度、揮發(fā)度、表面活性、分配平衡行為等）：可以進(jìn)行蒸餾、蒸發(fā)、吸收、萃取、結(jié)晶、吸附、離子交換等。

傳質(zhì)性質(zhì)（粘度、分子擴(kuò)散系數(shù)、熱擴(kuò)散現(xiàn)象）：直接應(yīng)用較少。

電磁性質(zhì)（電荷特性、電荷分布、等電點(diǎn)、磁性等）：可以進(jìn)行電泳、電滲析、離子交換、磁分離等。化學(xué)性質(zhì)

化學(xué)熱力學(xué)（化學(xué)平衡）、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)（反應(yīng)速率）和光化學(xué)特性（激光激發(fā)作用）

化學(xué)吸附和化學(xué)吸收是利用化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分離的典型例子，利用激光激發(fā)的離子化作用可以進(jìn)行同位素分離。下游技術(shù)中的化學(xué)反應(yīng)選擇性分離純化：如檸檬酸工業(yè)中常用鈣鹽沉淀，以便于與發(fā)酵液中殘?zhí)羌捌渌扇苄噪s質(zhì)的分離。利用草酸與Ca2+反應(yīng)，生成不溶性鈣鹽可除去雜質(zhì)Ca2+

。產(chǎn)品制造：

氨基酸或短肽能絡(luò)合或螯合某些金屬離子生產(chǎn)保健產(chǎn)品。補(bǔ)充人體缺乏又不易被人體吸收的鈣、鐵、鋅等微量元素。山梨醇和木糖醇可以通過葡萄糖和木糖經(jīng)金屬鎳催化加氫工藝(高壓)獲得。生物學(xué)性質(zhì)

生物學(xué)性質(zhì)是生物分離所特有的。利用生物分子的分子識別作用可以進(jìn)行親和分離，親和色譜是典型代表。

親和色譜利用某些生物物質(zhì)之間特異的親和力進(jìn)行選擇性分離的色譜技術(shù)。利用酶反應(yīng)的立體選擇性，可以對手性分子進(jìn)行選擇性修飾，增大手性分子間的理化性質(zhì)差異，為通過常規(guī)方法分離手性分子創(chuàng)造條件。生物分離技術(shù)可以分為兩大類：平衡分離和差速分離平衡分離法：根據(jù)溶質(zhì)在兩相間分配平衡的差異進(jìn)行分離，又稱為擴(kuò)散分離。溶質(zhì)達(dá)到分配平衡的推動(dòng)力取決于系統(tǒng)的熱力學(xué)性質(zhì)，即溶質(zhì)偏離平衡態(tài)的濃度差（化學(xué)勢差），不需要外力。包括蒸餾、蒸發(fā)、吸收、萃取、結(jié)晶、吸附、離子交換等。差速分離法：是利用外力（壓力、重力、離心力、電場力、磁力等）驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)遷移，根據(jù)產(chǎn)生的速度差進(jìn)行分離的方法。包括超濾、反滲透、電滲析、電泳等。傳統(tǒng)的機(jī)械分離（重力沉降、過濾、離心沉降）也屬于差速分離范疇。過程名稱原理原料分離劑產(chǎn)物實(shí)例傳質(zhì)分離：（1）平衡分離過程蒸發(fā)濃縮飽和蒸汽壓差液體熱液體+蒸汽酶液、糖液、果汁濃縮蒸餾飽和蒸汽壓差液體熱液體+蒸汽酒精蒸餾萃取兩相中溶解度差液體不互溶液體兩種液體抗生素抽提結(jié)晶過飽和度差異液體冷、熱或pH液體+固體氨基酸結(jié)晶吸附吸附能力差異氣體、液體固體吸附劑固體+氣體或液體活性炭脫色離子交換質(zhì)量作用定律液體固體樹脂液體+固體樹脂氨基酸分離干燥水分蒸發(fā)含濕固體熱固體+水蒸汽酶制劑干燥浸?。ǔ樘幔┤芙舛炔町惞腆w、液體液體（水）液體+固體麥芽汁制造凝膠過濾分子大小不同液體凝膠液體+固體凝膠蛋白質(zhì)分離（2）速度差分離電泳電場中遷移度差液體電場液體蛋白質(zhì)分離滲透蒸發(fā)膜中滲透速度差液體膜液體+蒸汽乙醇分離超濾膜中透過速度差液體膜兩種液體酶蛋白分離反滲透滲透壓液體膜兩種液體海水淡化過程名稱原理原料分離劑產(chǎn)物實(shí)例機(jī)械分離：過濾過濾介質(zhì)孔道小含固液體過濾介質(zhì)液體+固體麥芽汁過濾沉降密度差含固液體重力固體+液體污泥沉降，酵母沉降離心密度差含固液體離心力液體+固體晶體等分離旋風(fēng)分離密度差氣體+固體或液體慣性力氣體+固體或液體淀粉粉塵回收靜電除塵荷電顆粒氣體+微細(xì)顆粒電場氣體+固體含塵廢氣凈化分離操作利用目標(biāo)產(chǎn)物與雜質(zhì)之間在物理、化學(xué)、生物學(xué)性質(zhì)上的差異進(jìn)行分離。往往需利用多種分離機(jī)理，實(shí)施多步分離步驟。非蛋白類雜質(zhì)的去除（1）DNAA.陰離子交換（pH4.0)B.親和層析（不被吸附）

C.疏水層析（2）熱原（蛋白質(zhì)溶液中的去熱原）

A.生產(chǎn)過程無菌

B.所有層析介質(zhì)無菌

C.所用溶液無菌

D.親和層析（多粘菌素）（3）去病毒

A.加熱（60℃)B.過濾

C.滅活劑蒸餾、蒸發(fā)、過濾、離心、結(jié)晶和離子交換等適合于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的傳統(tǒng)技術(shù)經(jīng)過改造提高后，適應(yīng)面更寬，效率會更高，仍然顯示出強(qiáng)勁的生命力。各種新型高效的過濾機(jī)械和離心機(jī)械的問世，結(jié)晶理論和離子交換技術(shù)的新進(jìn)展，提高了產(chǎn)品的收率、質(zhì)量和生產(chǎn)效率。第六節(jié)生物分離工程的發(fā)展動(dòng)態(tài)——成本、質(zhì)量、環(huán)保將是該技術(shù)發(fā)展方向和動(dòng)力一.對傳統(tǒng)分離技術(shù)進(jìn)行提高和完善二.研究開發(fā)新的技術(shù)1）新型分離介質(zhì)的研究開發(fā)2）子代分離技術(shù)3）其他新興下游技術(shù)4）下游技術(shù)與上游技術(shù)相結(jié)合膜（膜材料和膜制造工藝）、樹脂（離子交換樹脂和大網(wǎng)格樹脂）和凝膠（瓊脂糖凝膠為基質(zhì)，與各種配基結(jié)合后制成各種色譜分離介質(zhì)）是目前主要的新型分離介質(zhì)。1）新型分離介質(zhì)的研究開發(fā)2）子代分離技術(shù)3）其他新興下游技術(shù)各種分離純化技術(shù)相互結(jié)合、交叉、滲透，形成子代分離技術(shù)。如膜技術(shù)和萃取、蒸餾、蒸發(fā)技術(shù)相結(jié)合形成了膜萃取技術(shù)、膜蒸餾及滲透蒸發(fā)技術(shù)；色譜技術(shù)與離子交換技術(shù)等結(jié)合形成了離子交換色譜、等電聚焦色譜等。由溶劑萃取技術(shù)衍生出一大批生物工業(yè)分離技術(shù)，如雙水相萃取、超臨界CO2萃取、反膠團(tuán)萃?。?xì)胞碎片去除、細(xì)胞胞內(nèi)物質(zhì)、酶及蛋白質(zhì)、天然生物物質(zhì)的提取分離）；菌體絮凝技術(shù)和菌體細(xì)胞破碎技術(shù)的進(jìn)展為工業(yè)化經(jīng)濟(jì)地分離菌體細(xì)胞和大規(guī)模生產(chǎn)胞內(nèi)物質(zhì)創(chuàng)造了技術(shù)前提。1）新型分離介質(zhì)的研究開發(fā)2）子代分離技術(shù)3）其他新興下游技術(shù)新興下游技術(shù)超臨界流體萃取Supercriticalfluidextraction反膠團(tuán)萃取Revisedmicelleextraction液膜分離Liquidmembraneseparation磁性親和分離magneticaffinityseparation

聚焦色譜Chromatofocusing高速逆流色譜Highspeedcountercurrentchromatography徑向流色譜Radialflowchromatography連續(xù)環(huán)狀色譜Continuousannularchromatography擬移動(dòng)床色譜Simulatedmovingbedchromatography4.下游工程與上游工程相結(jié)合

發(fā)酵與分離耦合過程的研究這一新的技術(shù)思路在20世紀(jì)70年代首先用于厭氧發(fā)酵——乙醇發(fā)酵過程中，取得了令人滿意的效果，近年來逐步發(fā)展到用于