第七章生物工程下游技术新

生物工程下游技术第一章（绪论）本章要求•熟悉下游加工过程的重要性和特点•了解下游加工技术的发展过程•掌握下游加工过程的主要步骤和主要单元操作一、下游加工过程在生物技术中的地位v下游技术（工程）（downstreamprocessing）：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原料，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。v下游加工过程的重要性。（组成、费用和关注程度）①组成：下游加工过程是生物技术的重要组成部分，发酵液或反应液需要经过下游加工过程才能成为成品；②费用：传统发酵工业中下游部分的费用占整个工厂投资费用的６０％，而对重组ＤＮＡ生产蛋白质等基因工程产品，下游加工的费用可占整个生产费用的８０％－９０％；③关注程度：英国政府工业部于１９８３年发起生物分离计划（ＢＩＯＳＥＰ），专门研究下游加工过程；１９８７年英国化学工业会召开了专门讨论下游加工过程的国际会议；我国也于１９８９年在济南召开了一次专门会议；近十年来国内外有关生物分离或蛋白质纯化的专著陆续出版。二、生物技术下游加工过程的特点•含水多，产物含量低；•含菌体蛋白；•溶有原来培养基成分；•相当多的副产物和色素；•易被杂菌污染或使产物进一步分解；•易起泡，粘性物质多。1.发酵液的特点2.整个下游加工过程应遵循下列四个原则1)时间短；2)温度低；3)pH适中（选择在生物物质的温度范围内）；4)严格清洗消毒（包括厂房、设备及管路，注意死角），这和传统产品抗生素的生产是一致的。对基因工程产品还应注意生物安全（biosafety）问题，要防止菌体扩散，一般要求在密封的环境下操作。三、生物工业下游技术的发展历程1.古代酿造业2.第一代生物技术古代酿造业包括酿酒、制酱（油）、醋、酸奶和干酪等。技术原始、家庭式作坊、产物基本不经过后处理而直接使用，无下游技术。主要指19世纪60年代---20世纪40年代青霉素等抗生素出现之前的生物技术产业。发现了发酵的本质是微生物的作用，掌握了纯种培养技术，生物技术进入近代酿造产业的发展阶段。到20世纪上半叶，逐渐开发形成了发酵法生产酒精、丙酮、丁醇等微生物发酵工业（厌氧发酵），其产品相对简单，基本上是无活性的小分子。此时开始引入过滤、蒸馏、精馏等近代分离技术。以20世纪40年代出现的青霉素产品为代表。无菌空气制备技术、大型好氧发酵装置开发，一大批通风发酵技术产品相继投入了工业生产，如抗生素（链霉素）、氨基酸（谷氨酸）、有机酸（核酸、柠檬酸）、酶制剂（淀粉酶）、微生物多糖和单细胞蛋白等。产品多样性决定了分离方法的多样性。借鉴和引进吸收了大量的近代化学工业的分离技术，如沉淀、离子交换、萃取、结晶等。3.第二代生物技术以20世纪70年代末崛起的DNA重组技术及细胞融合技术为代表。生物技术在其主要领域：基因工程、酶工程、细胞工程和微生物发酵工程取得了长足进步，一批高附加值的产品开始面世，如乙肝疫苗、干扰素等。80年代，发现了一大批生理功能性物质，如活性糖质、活性肽、高度不饱和脂肪酸等，生物技术在深度和广度上都取得了很大的进展。1988年，日本由40多家公司组建高度分离系统技术研究联合体，瑞典的Pharmacia，Alfa-Laval等组建了Biolink公司，加强在生物工业下游技术领域的研究开发力量，不断推出新技术、新产品、新装备，以抢占更多的市场。新技术有超临界CO2萃取技术、膜过滤、渗透蒸发技术、各种色谱（层析）技术等。4.第三代生物技术20世纪80年代以来，生物工业下游技术进步很快，出现了很多新概念、新技术、新产品和新装备。大致可分为以下几大类：（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）其他新型分离技术近20年来，将在污水处理、化学工程和选矿工程上广泛使用的絮凝技术引入到发酵液的预处理上，研究开发了菌体及悬浮物絮凝技术，改善了发酵液的分离性能，加之纤维素助滤剂的开发，大大提高了发酵液的固液分离效率。在固液分离机械方面，也出现了一些性能优良的新型机械，如带式过滤机、连续半连续板框过滤机、螺旋沉降式离心机等。微滤膜可高效分离细微的悬浮粒子。（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）其他新型分离技术已开发出球磨破碎、压力释放破碎、冷冻加压释放破碎和化学破碎等技术。该技术的成熟使得胞内生物物质的大规模工业化生产成为可能。（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）其他新型分离技术主要开发了沉淀、离子交换、萃取、超滤等技术。较早出现的是酶及蛋白质的盐析法；有机溶剂沉淀法；双水相萃取技术比较适合于胞内活性物质和细胞碎片的分离，为进一步纯化精制创造了前提；超滤技术解决了生物大分子对pH、热、有机溶剂、金属离子敏感等难题，在生物大分子的分级、浓缩、脱盐等操作中得到了广泛的使用。（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）其他新型分离技术小分子物质一般可通过离子交换、脱色和结晶、重结晶等方法获得纯度很高的产品。生物大分子的纯化一直是个难题。20世纪70年代以来，逐渐开发出各种色谱（层析）技术，如亲和色谱、疏水色谱、离子交换色谱和凝胶色谱等，后两种技术已开始用于批量生产。（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）其他新型分离技术超临界CO2萃取技术在获得天然生物物质方面有着独特的优势。20世纪80年代以来，已经在许多领域中迅速实现了工业化。如啤酒花中有效成分和咖啡豆中咖啡因的萃取分离。介于反渗透和超滤之间的纳米滤（Nanofiltration）技术，由于其能使水和大部分无机盐通过而截留分子量300-1000u的小分子有机物，且操作压力低，在生物工业和水处理中具有广阔的应用前景。渗透蒸发技术、液膜技术及反胶团技术的研究和应用开发等也相继取得了很大的进展。四、生物技术下游加工过程的一般流程和单元操作1)培养液（发酵液）的预处理和固液分离；2)初步纯化（提取）；3)高度纯化（精制）；4)成品加工。1.一般下游加工过程可分为4个阶段2.下游加工过程的一般流程（沉淀、吸附、萃取、超滤、结晶）发酵液初步纯化细胞碎片分离细胞破碎细胞分离高度纯化成品加工预处理胞外产物（加热、调pH、絮凝）（过滤、离心分离、膜分离)（匀浆、研磨、酶解）（离心分离、双水相萃取、膜分离）（重结晶、离子交换、色谱分离、膜分离）（浓缩、无菌过滤、干燥、成型）胞外产物提取精制——产品的收得率和质量控制。下游工艺过程决定于产品的性质和要求达到的纯度n如产品为菌体本身，则工艺比较简单，只需经过滤、得到菌体，再经干燥就可，如单细胞蛋白的生产。n如可以从发酵液直接提取，则可省去固液分离步骤。n如为胞外产物则可省去细胞破碎步骤。3.单元操作①过滤、离心——固液分离；②蒸发、蒸馏、结晶——进一步纯化；③萃取——浓缩或提取液相中的成分；④离子交换、层析、膜技术、超滤；⑤干燥过程名称原理原料分离剂产物实例传质分离：（1）平衡分离过程蒸发浓缩饱和蒸汽压差液体热液体+蒸汽酶液、糖液、果汁浓缩蒸馏饱和蒸汽压差液体热液体+蒸汽酒精蒸馏萃取两相中溶解度差液体不互溶液体两种液体抗生素抽提结晶过饱和度差异液体冷、热或pH液体+固体氨基酸结晶吸附吸附能力差异气体、液体固体吸附剂固体+气体或液体活性炭脱色离子交换质量作用定律液体固体树脂液体+固体树脂氨基酸分离干燥水分蒸发含湿固体热固体+水蒸汽酶制剂干燥浸取（抽提）溶解度差异固体、液体液体（水）液体+固体麦芽汁制造凝胶过滤分子大小不同液体凝胶液体+固体凝胶蛋白质分离（2）速度差分离电泳电场中迁移度差液体电场液体蛋白质分离渗透蒸发膜中渗透速度差液体膜液体+蒸汽乙醇分离超滤膜中透过速度差液体膜两种液体酶蛋白分离反渗透渗透压液体膜两种液体海水淡化过程名称原理原料分离剂产物实例机械分离：过滤过滤介质孔道小含固液体过滤介质液体+固体麦芽汁过滤沉降密度差含固液体重力固体+液体污泥沉降，酵母沉降离心密度差含固液体离心力液体+固体晶体等分离旋风分离密度差气体+固体或液体惯性力气体+固体或液体淀粉粉尘回收静电除尘荷电颗粒气体+微细颗粒电场气体+固体含尘废气净化适合于大规模工业化生产的传统技术经过改造提高后，适应面更宽，效率会更高，仍然显示出强劲的生命力。各种新型高效的过滤机械和离心机械的问世，结晶理论和离子交换技术的新进展，提高了产品的收率、质量和生产效率。五、生物工业下游技术的发展动态——成本、质量、环保将是该技术发展方向和动力1.传统分离技术的提高和完善1）新型分离介质的研究开发2）子代分离技术3）其他新兴下游技术2.新技术的研究开发膜（膜材料和膜制造工艺）、树脂（离子交换树脂和大网格树脂）和凝胶（琼脂糖凝胶为基质，与各种配基结合后制成各种色谱分离介质）是目前主要的新型分离介质。各种分离纯化技术相互结合、交叉、渗透，形成子代分离技术。如膜技术和萃取、蒸馏、蒸发技术相结合形成了膜萃取技术、膜蒸馏及渗透蒸发技术；色谱技术与离子交换技术等结合形成了离子交换色谱、等电聚焦色谱等。由溶剂萃取技术衍生出一大批生物工业分离技术，如双水相萃取、超临界CO2萃取、反胶团萃取（细胞碎片去除、细胞胞内物质、酶及蛋白质、天然生物物质的提取分离）；菌体絮凝技术和菌体细胞破碎技术的进展为工业化经济地分离菌体细胞和大规模生产胞内物质创造了技术前提。3.清洁生产清洁生产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。包括三方面内容：（1）清洁生产工艺（节约原材料和能源，淘汰有毒害的原材料，无废和少废技术）（2）清洁产品（使用中和使用后对人体和环境无害）（3）清洁能源（常规能源清洁利用、可再生能源和新能源的开发利用）作业：1.什么是生物工业下游技术？2.试述生物工业下游技术的一般工艺过程。3.什么是清洁生产？主要包括哪些内容？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。分离机理与分离操作•利用目标产物与杂质之间在物理、化学、生物学性质上的差异进行分离。•往往需利用多种分离机理，实施多步分离步骤。第一节下游技术中的物理学过程一、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。第二节下游技术中的化学过程一、化学性分子识别液液萃取：利用物质在溶剂中溶解度不同的分离。如果在萃取溶剂中加入对原料中目标物质有特异性作用的成分(萃取剂、抽提剂)，能达到高选择性。1．分子间相互作用分子间的相互作用力除了众所周知的范德华力、氢键力等，近年来备受注目的分子间作用力是疏水性相互作用力。2．分子识别酶和底物的专一性结合。钥匙和锁的关系。只有底物分子才能进入这个口袋。酶分子正是通过对底物的多点识别才显示出它高效、专一的底物识别功能。环状糊精也有一定的分子识别功能。它是由6—8个葡萄糖环状结合而成的低聚糖．筒状，内部具空洞结构。“皇冠醚”皇冠醚有多种，均为大环状化合物。中心开孔，一些金属离子和氨基酸分子等正好能进入其中。泡沸石（无机吸附剂）具有细孔结构的氧化铝、硅石类陶瓷，孔径接近分子水平时，则可用做分子筛,对气体分子选择性吸附分离。泡沸石二、下游技术中的化学反应选择性分离纯化：如柠檬酸工业中常用钙盐沉淀，以便于与发酵液中残糖及其他可溶性杂质的分离。利用草酸与Ca2+反应，生成不溶性