第一章生化分离工程绪论

1、生物技术下游加工生物技术下游加工过程过程(Downstream Processing)，生化分离工程源于化学工程中的分离工程，生化分离工程源于化学工程中的分离工程，但是由于生物产品的特殊性，化工单元操作远但是由于生物产品的特殊性，化工单元操作远不能满足生物技术产品分离与提纯的需要。不能满足生物技术产品分离与提纯的需要。特别是特别是20世纪世纪70年代以来，伴随着年代以来，伴随着DNA重重组、基因克隆等革命性技术的出现，生化产品组、基因克隆等革命性技术的出现，生化产品对分离技术的要求越来越高。对分离技术的要求越来越高。于是，于是，从从20世纪世纪80年代年代开始，生化分离技术开始，生化分离技术取

2、得了突飞猛进的发展，逐渐形成了自己的学取得了突飞猛进的发展，逐渐形成了自己的学科体系，并且随着各种新技术、新材料和新设科体系，并且随着各种新技术、新材料和新设备的问世而不断加以完善。备的问世而不断加以完善。 生物下游加工过程的重要性：生物下游加工过程的重要性：生物产品一般是从各种杂质的总含量远多生物产品一般是从各种杂质的总含量远多于目标产物的悬浮液中开始制备的，只有经过于目标产物的悬浮液中开始制备的，只有经过分离和纯化等下游加工过程才能制得符合使用分离和纯化等下游加工过程才能制得符合使用要求的高纯度产品，因此生化分离工程是生物要求的高纯度产品，因此生化分离工程是生物技术产品工业化中的必要手段，

3、具有不可取代技术产品工业化中的必要手段，具有不可取代的地位。的地位。从现有的资料可知，在大多数生物产品的开发从现有的资料可知，在大多数生物产品的开发研究中，下游加工过程的研究费用占全部研究费研究中，下游加工过程的研究费用占全部研究费用的用的50%以上；以上；产品的成本构成中，分离与纯化部分占总成本产品的成本构成中，分离与纯化部分占总成本的的40%80%，精细、药用产品的比例则更高；，精细、药用产品的比例则更高；生产过程中，下游加工过程的人力、物力占全生产过程中，下游加工过程的人力、物力占全部过程的部过程的70%90%。显然，开发新的生化分离过程是提高经济效益显然，开发新的生化分离过程是提高经济

4、效益或减少投资的重要途径。或减少投资的重要途径。1.1 生物技术下游加工过程的特点生物技术下游加工过程的特点 生物产品传统生物技术产品：现代生物技术产品：有机溶剂、氨基酸、有机酸、抗生素重组DNA技术生产的医疗性多肽和蛋白质1. 发酵液或培养液中目标产物浓度很低发酵液或培养液中目标产物浓度很低细胞浓度的提高受到生产条件特别是经济条细胞浓度的提高受到生产条件特别是经济条件的制约；件的制约；在发酵过程中，细胞的密度堆积范围物理上在发酵过程中，细胞的密度堆积范围物理上限是固定的；限是固定的；细胞密度受到代谢产物的抑制；细胞密度受到代谢产物的抑制；产物的浓度会因微生物细胞受其反馈抑制作产物的浓度会因微

5、生物细胞受其反馈抑制作用而变化。用而变化。 2. 培养液是多组分的混合物培养液是多组分的混合物 发酵过程中会产生一些复杂的产品混合物，发酵过程中会产生一些复杂的产品混合物，不仅包含大分子量物质，如核酸、蛋白质、多不仅包含大分子量物质，如核酸、蛋白质、多糖、类脂、磷脂和脂多糖，而且还包含了低分糖、类脂、磷脂和脂多糖，而且还包含了低分子量物质，即大量存在于代谢途径的中间产物，子量物质，即大量存在于代谢途径的中间产物，如氨基酸、有机酸和碱；该混合物不仅包括可如氨基酸、有机酸和碱；该混合物不仅包括可溶性物质，而且也包括了以胶体悬浮液和粒子溶性物质，而且也包括了以胶体悬浮液和粒子形态存在的组分，如细胞、

6、细胞碎片、培养基形态存在的组分，如细胞、细胞碎片、培养基残余组分、沉淀物等。残余组分、沉淀物等。3. 生化产物的稳定性差生化产物的稳定性差 无论是大分子量生化产物还是小分子量生无论是大分子量生化产物还是小分子量生化产物都存在着产物的稳定性问题。化产物都存在着产物的稳定性问题。 对蛋白质产品而言，微生物的降解作用、对蛋白质产品而言，微生物的降解作用、温度等因素都能使活性分子破坏成失活分子。温度等因素都能使活性分子破坏成失活分子。 另外还应防止发酵产物染菌，因为这可能另外还应防止发酵产物染菌，因为这可能产生毒素和降解酶，从而引入新的杂质或导致产生毒素和降解酶，从而引入新的杂质或导致产品的损失。产品

7、的损失。 4. 对最终产品的质量要求很高对最终产品的质量要求很高 由于许多生物产品是医药、生物试由于许多生物产品是医药、生物试剂或食品等精细产品，必须达到药典、剂或食品等精细产品，必须达到药典、试剂标准和食品规范的要求。试剂标准和食品规范的要求。 1.2 生物下游加工过程的一般生物下游加工过程的一般步骤和单元操作步骤和单元操作生物下游加工过程的设计不仅取决于产生物下游加工过程的设计不仅取决于产品所处的位置（胞内或胞外）、分子大小、品所处的位置（胞内或胞外）、分子大小、电荷、产品的溶解度、产品的价值和过程电荷、产品的溶解度、产品的价值和过程本身的规模，还与产品的类型、用途和纯本身的规模，还与产品

8、的类型、用途和纯度要求有关。度要求有关。 尽管分离和纯化步骤有不同的组合，提取尽管分离和纯化步骤有不同的组合，提取和精制的方法也可有不同的选择，但大多数和精制的方法也可有不同的选择，但大多数生物技术下游加工过程有一个基本框架，即生物技术下游加工过程有一个基本框架，即常常按生产过程的顺序分为四个阶段：常常按生产过程的顺序分为四个阶段： 1. 发酵液的预处理和固液分离发酵液的预处理和固液分离2. 初步纯化（或称产物的提取）初步纯化（或称产物的提取）3. 高度纯化（或称产物的精制）高度纯化（或称产物的精制）4. 成品加工成品加工胞外产物加 热调pH值絮 凝沉 淀离心分离过 滤错流过滤匀 化研 磨溶

9、胞离心分离萃 取过 滤错流过滤发酵液预处理细胞分离细胞破碎细胞碎片分离生物技术下游加工过程的阶段生物技术下游加工过程的阶段和各阶段的单元操作和各阶段的单元操作沉 淀吸 附萃 取超 滤层 析离子交换亲 和憎 水吸 附电 泳无菌过滤超 滤冷冻干燥喷雾干燥结 晶初步纯化高度纯化成品加工生物技术下游加工过程的阶段生物技术下游加工过程的阶段和各阶段的单元操作和各阶段的单元操作1.3 生物技术下游加工过程的沿革生物技术下游加工过程的沿革1.传统传统(第一代第一代)生物技术产品的出现始于生物技术产品的出现始于19世纪世纪60年代，即近代酿造产业阶段。年代，即近代酿造产业阶段。 该阶段产品的特点是化学结构比原

10、料更该阶段产品的特点是化学结构比原料更简单，主要采用压滤、蒸馏或精馏等设备，简单，主要采用压滤、蒸馏或精馏等设备，生产以经验为依据。生产以经验为依据。 2. 第二代生物技术产品出现于第二代生物技术产品出现于20世纪世纪40年代年代 二战以后，随着青霉素、链霉素等抗生二战以后，随着青霉素、链霉素等抗生素工业生产的扩大、大型好气发酵装置的素工业生产的扩大、大型好气发酵装置的开发和化工单元操作的引进，酿造产业逐开发和化工单元操作的引进，酿造产业逐渐扩展为发酵产业。渐扩展为发酵产业。 抗生素、氨基酸、有机酸、核酸、酶抗生素、氨基酸、有机酸、核酸、酶制剂、单细胞蛋白等一大批用发酵技术制制剂、单细胞蛋白等

11、一大批用发酵技术制造的产品投入了工业生产。造的产品投入了工业生产。 3. 20世纪世纪70年代中期以来，由于基因工程、年代中期以来，由于基因工程、酶工程、细胞工程、微生物工程及生化工酶工程、细胞工程、微生物工程及生化工程的迅速发展，特别是在程的迅速发展，特别是在DNA重组技术重组技术及细胞融合技术等方面的一系列重大突破，及细胞融合技术等方面的一系列重大突破，推动了现代生物技术产品即第三代或现代推动了现代生物技术产品即第三代或现代生物技术产品的研究和开发。生物技术产品的研究和开发。 1.4 生物技术下游加工过程的生物技术下游加工过程的选择准则选择准则1. 采用步骤数最少采用步骤数最少 对于所有的

12、分离纯化流程，都是多对于所有的分离纯化流程，都是多步骤组合完成的，但应尽可能采用最步骤组合完成的，但应尽可能采用最少步骤。少步骤。 几个步骤组合的策略，不仅影响到几个步骤组合的策略，不仅影响到产品的回收率，而且会影响到投资大产品的回收率，而且会影响到投资大小与操作成本。小与操作成本。 改善总回收率的策略改善总回收率的策略 提高各个步骤的回收率提高各个步骤的回收率 减少回收流程所需的步骤减少回收流程所需的步骤 2. 采用步骤的次序要相对合理采用步骤的次序要相对合理 对各种已发表的有关蛋白质和酶的分离纯对各种已发表的有关蛋白质和酶的分离纯化方法的分析表明，主要的纯化方法使用的频化方法的分析表明，主

13、要的纯化方法使用的频率大致为：率大致为： 离子交换离子交换 75%75% 亲和过程亲和过程 60%60% 沉淀沉淀 57%57% 凝胶过滤凝胶过滤 50% 50% 其他其他 33%33% 通 过 每 种 方通 过 每 种 方法在纯化阶段中法在纯化阶段中所起的作用来确所起的作用来确定其次序的先后，定其次序的先后，可得到如右图所可得到如右图所示的顺序。示的顺序。匀质化匀质化(或细胞破裂或细胞破裂)沉淀沉淀离子交换离子交换亲和吸附亲和吸附凝胶过滤凝胶过滤匀质化匀质化(或细胞破裂或细胞破裂)沉淀沉淀离子交换离子交换亲和吸附亲和吸附凝胶过滤凝胶过滤沉淀能处理大量的物沉淀能处理大量的物质，并且它受干扰物质

14、，并且它受干扰物质影响的程度比吸附质影响的程度比吸附或色层分离小或色层分离小离子交换用来除去离子交换用来除去对后续分离产生影对后续分离产生影响的化合物响的化合物匀质化匀质化(或细胞破裂或细胞破裂)沉淀沉淀离子交换离子交换亲和吸附亲和吸附凝胶过滤凝胶过滤亲和技术常在流程的后阶段使用，亲和技术常在流程的后阶段使用，以避免因非专一性作用而引起亲以避免因非专一性作用而引起亲和系统性能降低和系统性能降低凝胶过滤用于蛋白质聚集凝胶过滤用于蛋白质聚集体的分离和脱盐，由于凝体的分离和脱盐，由于凝胶过滤介质的容量比较小，胶过滤介质的容量比较小，故过程的处理量小，一般故过程的处理量小，一般常在纯化过程的最后一道常

15、在纯化过程的最后一道处理中被使用处理中被使用3. 其他因素其他因素(1)产品的规格产品的规格 产品的规格产品的规格(或称技术规范或称技术规范)是用成品中各类杂质的最低存在是用成品中各类杂质的最低存在量来表示的，它是确定纯化要求量来表示的，它是确定纯化要求的程度以及由此而生的下游加工的程度以及由此而生的下游加工过程方案选择的主要依据。过程方案选择的主要依据。 (2)生产规模生产规模 物料的生产规模在某种程度上决物料的生产规模在某种程度上决定着所采用的过程。定着所采用的过程。(3)进料组成进料组成 除了产品的规格以外，进料组成除了产品的规格以外，进料组成也是影响分离过程的主要原因之一。也是影响分离

16、过程的主要原因之一。(4)产品的形式产品的形式 最终产品的外形特征是一个重要最终产品的外形特征是一个重要的指标，必须与实际应用要求或规范的指标，必须与实际应用要求或规范相一致。相一致。 (5)产品的稳定性产品的稳定性 通常用调节操作条件的办法，使通常用调节操作条件的办法，使由于热、由于热、pH值或氧化所造成的产品值或氧化所造成的产品降解减少到最低程度。降解减少到最低程度。(6) 物性物性 表征产物的物理性质，对分离过表征产物的物理性质，对分离过程的设计是必需的。程的设计是必需的。 溶解度溶解度分子电荷分子电荷分子大小分子大小功能团功能团稳定性稳定性挥发性挥发性(7)危害性危害性 产品本身、工艺

17、条件、处理用化学品，产品本身、工艺条件、处理用化学品，应用的微生物细胞都存在着潜在的危害。应用的微生物细胞都存在着潜在的危害。 (8)废水废水 随着操作规模的扩大，废水处理变得随着操作规模的扩大，废水处理变得更加困难，从而需要重新评估使用的过程。更加困难，从而需要重新评估使用的过程。由于对过程的环境影响的关注日益增加，由于对过程的环境影响的关注日益增加，所以导致这方面作为下游加工过程选择的所以导致这方面作为下游加工过程选择的一个因素，其重要性在不断增加。一个因素，其重要性在不断增加。 1.5 生物技术下游加工过程生物技术下游加工过程的发展动向的发展动向1. 基础理论研究基础理论研究 研究非理想

18、溶液中溶质与添加物料之间的研究非理想溶液中溶质与添加物料之间的选择性反应机理，以及系统外各物理因子选择性反应机理，以及系统外各物理因子对选择性的影响效应，从而研制高选择性对选择性的影响效应，从而研制高选择性的分离剂，改善对溶质的选择性。的分离剂，改善对溶质的选择性。 研究界面区的结构、控制界面现象和探求研究界面区的结构、控制界面现象和探求界面现象对传质机理的影响，从而指导改界面现象对传质机理的影响，从而指导改善具体单元操作及过程速度。善具体单元操作及过程速度。 建立下游加工过程的数学模型。建立下游加工过程的数学模型。2. 完善、研究、开发新型和经济完善、研究、开发新型和经济高效的下游加工技术高

19、效的下游加工技术 正 确 对 待正 确 对 待“新新”、“老老”分离技术，努分离技术，努力推进多种分力推进多种分离、纯化技术离、纯化技术的结合。的结合。 当前生物技术下游加工过程发展的一个主当前生物技术下游加工过程发展的一个主要倾向是多种分离、纯化技术相结合，也包括要倾向是多种分离、纯化技术相结合，也包括新、老技术的相互交叉、渗透与融合。新、老技术的相互交叉、渗透与融合。膜分离技术与亲和配基相结合所形成的膜分离技术与亲和配基相结合所形成的亲亲和膜分离过程和膜分离过程，离心分离与膜分离过程相结合，离心分离与膜分离过程相结合所形成的所形成的膜离心分离过程膜离心分离过程。这类技术具有选择。这类技术具

20、有选择性好、分离效率高、下游加工过程步骤简化、性好、分离效率高、下游加工过程步骤简化、能耗低、加工过程水平高等优点，是今后的主能耗低、加工过程水平高等优点，是今后的主要发展方向。要发展方向。 生物技术下游工程与上游工程相结合。生物技术下游工程与上游工程相结合。 发酵与分离耦合过程发酵与分离耦合过程的研究是当今生物化的研究是当今生物化学工程领域里的研究热点之一。学工程领域里的研究热点之一。 发酵分离耦合过程的优点是可以解除终产发酵分离耦合过程的优点是可以解除终产物的反馈抑制效应，提高转化率，同时可简物的反馈抑制效应，提高转化率，同时可简化产物提取过程，缩短生产周期，增加产率，化产物提取过程，缩短生产周期，增加产率，收到一举数得的效果收到一举数得的效果。 强化化学作用对下游加工过程的影响，强化化学作用对下游加工过程的影响，是提高分离过程的选择性和设备效率最是提高分离过程的选择性和设备效率最有效的一种方法。有效的一种方法。 A A强化化学作用对体系分离能力的影响。强化化学作用对体系分离能力的影响。 一是选择适当的分离剂，增大分离因子，从一是选择适当的分离剂，增大分离因子，从而提高