五、发酵工业下游技术的一般工艺过程
• 下游加工过程由各种化工单元操作组成。 由于生物产品品种多，性质各异，故用到 的单元操作很多，其中如蒸馏、萃取、结 晶、吸附、蒸发和干燥等属传统的单元操 作，理论比较成熟，而另一些则为新近发 展起来的单元操作，如细胞破碎、膜分离 和色层分离等，缺乏完整的理论，介于两 者之间的有离子交换过程等。
第九章 发酵工程下游技术发展及 发酵液的预处理
概述
• 下游技术（工程） ：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。
下游加工过程的重要性。（组成、 费用和关注程度）
4. 现代生物技术阶段
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、功能因子、 低聚糖、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。很多企业开 始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。
• 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。
• 2. 欲提取的产物通常浓度低且很不稳定。
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。
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。
1. 一般工艺过程
• 一般说来，下游加工过程可分为4个阶段： • （1）预处理和固液分离 ：目的是除去发酵液
第一节 发酵工程下游技术发展
一、发酵产物的分类
• 从工业发酵范畴来看，从发酵液中获得的发酵产物大致 可分为三类 ： – 1、菌体： – 2、酶： – 3、代谢产物
二、下游加工Βιβλιοθήκη 术的特点• 1.发酵液的复杂性造成分离上的困难性。 • 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
3. 液体深层发酵阶段
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。
（4）高度分离纯化技术
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、 聚焦色谱、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。
（5）其他新型分离技术
（2）细胞破碎技术
已开发出珠磨破碎、高压匀浆法、 X-press法和化 学破碎等技术。该技术的成熟使得胞内代谢产物的 大规模工业化生产成为可能。
（3）初步分离纯化技术
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；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。
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 的纳米滤技术，由于其能使水和大部分无机盐通过 而截留分子量300-1000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。
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
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、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。
• 3. 多为分批操作，各批发酵液不尽相同， 要求下游加工有一定弹性。
四、生物工业下游技术的发展历程
1.古代酿造业
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。
2. 纯培养阶段
主要指1860－1930。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。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。