发酵工程(李艳)第三篇 发酵工程产物的提取-第一次课.pdfVIP

第三篇发酵工程产物的提取

第十一章发酵工程下游技术发展及发酵液的预处理

第一节：发酵工程下游技术发展

一、下游技术领域及发酵产物分类(5-8min)

1.引入概念

在前11周，我们学习了菌种选育、种子培养、发酵过程控制等内容，以上为发酵的上游部分，

区分上游和下游的关键是判断“发酵结束”，标准为产品质量和经济效益。

2.定义：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。（重点）

3.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：菌体、酶、代谢产物。

发酵液中的杂质：菌体、蛋白、有机酸

4.举例：酶的分离纯化；葡萄酒的纯化

二、下游加工过程在生物技术中的地位（3min）

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１９

８９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。

三、下游加工技术的特点（3min）

1.目的产物在初始原料中的含量较低;

2.含目的产物的初始物料组成复杂,除了目的产物外，还有大量的细胞、代谢、残留培养基、

无机等，特别是产物类似物对目的产物的分离纯化影响很大；

3.目的产物的稳定性差，具有生物活性的物质对pH、温度、金属离子、有机溶剂、剪切力、

表面张力等十分敏感，容易是其失活、变性；

4.种类繁多，包括大、中、小分子、结构简单或复杂的有机化合物，以及结构复杂又性质各异

的生物活性物质；

5.应用面广，对其质量、纯度要求高，甚至要求无菌、无热源。

四、生物工业下游技术的发展历程（3min）

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.第一代生物技术

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。

3.第二代生物技术

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。

4.近期的生物技术

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

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。

（2）细胞破碎技术

已开发出珠磨破碎、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。

（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