生物工业下游技术教案

湖北师范学院

理论课教案

院（系、所、部）生物系教研室生物技术课程名称生物工程下游技术授课对象生物技术专业职称职务副教授

2007年1月22日

《生物工程下游技术》课程教学进度表

班级名称0403主讲教师石鹤

学生人数45辅导教师

开课学期20071开课系部生物系

系部生物系专业名称生物技术

教研室主任系主任填写日期06年9月8日

生物工业下游技术

第一章绪论

下游技术：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源料，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，通常称为下游技术，也称为下游工程或下游加工过程。

很多工业生物技术产品，包括现代发酵工业产品，其质量的优劣、成本的高低、竞争力的大小，往往与下游技术直接相关。

第一节生物工业下游技术的工作领域

一、技术范畴

从“下游技术“的含义上来说，除“物质分离”外，还涉及到“产品加工”，目前人们理解的下游技术大多数属于“物质分离”范畴。

?分离是混合的逆过程。由热力学第二定律可知，混合过程是一个墒增加的过程，它是一个自发的过程。而它的逆过程——分离过程，不能自发进行，需要作功才能实现，而且需要有专门的过程和设备。例如将酒精与水分开。

?与目的产物混合的杂质包括：

1.生物反应过程中的副产物；

2.未消耗完毕的原料；

3.生产过程中加入的化学试剂；

4.生产设备材料物质。

二、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

3．第二代生物技术

4．第三代生物技术

(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

第二节生物工业下游技术的一般工艺过程

一、原料及产品特性

1、杂质：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。

2、产品浓度很低：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。

3、易挥发和氧化：用萃取技术提取有效成分(风味物质)时，如啤酒花需要先进行粉碎，般粉碎机的

机械冲击点处温度高达300℃左右，风味物质极易挥发和氧化造成损失。

4、小分子产品：因分子结构简单，性质相对稳定，分离技术的可选范围较大。

5、大分子产品：如酶蛋白，除具有一定氨基酸排列的一级结构外，还具有一定立体构象的二、三级

结构，甚至于四级结构，才呈现出生物活性。为保持分离操作后这些生物活

性物质的功能，甚至过度增加剪切率的操作也是不适合的。

6、产物为菌体细胞时：当发酵液进入旋转构件，以及菌体泥浆排出时存在的附加剪切力也会导致菌

体死亡。

7、产品的稳定性：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。

8、产品安全性：当生物技术产品是食品或药物时，溶媒的使用受到一定的限制，应考虑它们在品质

或气味上是否污染产物。萃取及色谱的分离介质甚至于膜分离技术

中膜材料的选择，有时也受到限制。

二、下游技术的一船工艺过程

某一具体产品的分离提取工艺与下列情况有关：

(1)是胞内产物还是胞外产物；

(2)原料中产物和主要杂质浓度；

(3)产物和主要杂质的物理化学特性及差异；

(4)产品用途和质量标准；

(5)产品的市场价格；

(6)废液的处理方法等。

生物工业下游技术大致可分为4个阶段

(1)预处理和固液分离：

固液分离以除去发酵液中的不溶性固形物杂质和菌体细胞。过滤和离心相比，无论是投资费用还是运转费用，前者都要小得多，因而首选方法应是过滤。

(2)提取(初步分离)：

目的是除去与产物性质差异较大的杂质，是目的产物要求有较大浓缩比的过程。

(3)精制(高度纯化)：

目的是去除与产物的物理化学性质比较接近的杂质。通常采用色谱分离，结晶特别是重结晶。

(4)成品制作：

成品形式与产品的最终用途有关，有液态产品也有固态产品，美观的产品形态也是产品档次的一个标志。

第三节生物工业下游技术的发展动态

一、传统分离技术的提高和完善

蒸馏、蒸发、过滤、离心、结晶和离子交换等传统技术由于应用面广且相对成熟，对它们的提高和完善将会推动大范围的技术进步。

二、新技术的研究和开发

1．新型分离介质的研究开发

膜、树脂和凝胶是目前主要的新型分离介质。

2．子代分离技术

各种分离纯化技术相互结合、交叉、渗透，形成子代分离技术。膜萃取技术；膜蒸馏及渗透蒸发技术；离子交换色谱等。

3．其他新兴下游技术

双水相萃取、超临界ＣＯ２萃取、反胶团萃取。

三、清洁生产

清洁生产(Cleaner Production)：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。

?它包括三方面内容，即清洁生产工艺(技术)、清洁产品、清洁能源。

?清洁生产工艺是生产全过程控制工艺，包括节约原材料和能源，淘汰有毒害的原材料，并在全部排放物和废物离开生产过程以前，尽最大可能减少它们的排放量和毒性，对必须排放的污染物实行综合利用，使废物资源化。

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。

第一节下游技术中的物理学过程

第二节下游技术中的化学过程

第三节下游技术中的生物学过程

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(速度差)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。

三、平衡论

1．相平衡基础

多组分混合物体系达到气液、液液、固液、气固二相平衡的条件是各相温度、压力相等，各相中各成分的逸度相等。

F=C一P十2

F—自由度；C—组分数；P—相数。

2 ．气液平衡

非理想溶液：p i＝p i*a i= p i*r i x i ；

式中：p i* —纯组分i的饱和蒸气压；

a i—组分i的活度，而a i＝r i x i ；

r i—组分i的活度系数．可由有关公式求得。

当r i ＝1时，即为理想溶液，则；

p i＝p i*x i （即拉乌尔定律）

3．溶解度

(1)气体在液相中的溶解度：

p i＝y i p＝H x i

式中：p i—组分i的气相分压

p—总压

H—亨利常数

x i, ，y i —分别为组分i的液相和气相摩尔分数

(2)固体在液相中的溶解度(c i)

H T

-In(r i c i)＝—— (1 - —)

R T m

式中Tm—固体熔点，详情可参考有关专著

R —摩尔气体常数

H —固体摩尔融解热焓

4．高压气体中的溶解度

超过临界温度和临界压力的气体称为超临界气体，其特征是各种物质在超临界气体中的溶解度较大，而且在临界点附近溶解度变化很大，利用这个性质的萃取技术称为超临界萃取技术。5．液液平衡

X A r B

分配系数K=—— = ——

X B r A

X A ,X B —溶质在A、B两相的平衡浓度。

r A、r B —活度。

6．吸附平衡

物质从流体相(气、液)浓缩到固体表面从而达到分离的过程称为吸附过程。

气相：Q＝kp1/n

液相：Q＝kc1/n

Q —吸附量(mol/kg吸附剂)

k—吸附平衡常数

p—吸附质分压

c —吸附质浓度

n—大于1的常数。

7．固体吸收平衡

气体、液体成分移向固体的过程称为(固体)吸收。

P

c= — =Sp

H

C—固体中的溶质浓度

P——气相溶质分压

H——亨利常数

S——溶解度系数

C D∞Kp

全吸收量 C = C H+C D=Sp+ ————

1+Kp

C H—亨利型吸收量

C D—吸附型吸收量

C D∞—最大吸附型吸收量(事实上为一常数）

K —常数

四、传递现象

平衡(包括拟平衡)操作中，分离体系在达到平拖之前，要经历一个非平衡过程。趋向平衡态的速度取决于体系内各组分的质量传递的阻力。严格地说，达到平衡态的时间要无限长。但从工业生产角度，达到适当平衡度即可。达到这个适当平衡度的速度越快，生产效率越高。

另一方面，对于利用组分传递速度差进行分离精制的非平衡(速度差)操作，一个产生速度差的组分传递阻力差的存在是不可缺少的。只要适当的分离场的状态参数(全压、组成、温度、外部势能场等)保持不变，各组分间的物质相对传递速度差就保持不变。

因对流传递的阻力比扩散传递的阻力小得多，界面流体的境界膜厚度（膜内为扩散传递）要尽量薄。

1．传递通量

流体在分离场内的传递现象可用经典流体力学中动量(通量)传递、热量(通量)传递和质量t通量)传递规律(见表2—4)和作用于分离场的外加势能场来描述。

存在异相传递的情况下，物质在异相之间的境界膜中的扩散速度往往成为物质传递速度的限制性因素。

进一步分析可知，动量是朝着动量浓度降低的方向传递的；热(能)量是从高能量(温度)区向低能量区传递的；而组分A向浓度梯度下降的方向运动。

2．固相内的分子扩散

如浸取操作。由于固体中存在大量的水分，溶质通过这些水溶液进行的扩散符合Fick定律。

对于溶质A的扩散通量，简化后为：

dc A

N A＝-D AB——

dH

式中：D AB— A通过B的扩散系数(m2／s)，通常为常数

H—距离

C A—固体中的溶质浓度。

3．多孔体内的扩散运动

在具有连续空隙的多孔体(含粒子充填层)内，分子在这种细孔中的移动，可分为“细孔扩散”

和“表面扩散”两种机理。

(1)微孔内扩散：设多孔体内的空隙为，有效扩散系数为D e，则：

D

D e= ——

d

式中D——细孔空间的流体相中运动分子的扩散系数

d——与扩散有关的细孔曲折系数

(2)表面扩散：细孔内物质运动的第二种形式是细孔内壁表面物理吸附的分子在保持被吸附状态下

进行的运动，称为表面扩散。

吸附相＝狭义吸附相+毛细管凝结相

4．粒子充填床层中的物质扩散

实体粒子充填床层内的扩散现象与多孔体内的情况基本相同。例外的情况是，当粒子充填层中的空隙比多孔体粒子内空隙大得多时，会引起流体透过方向上的返混。返混的规模与粒径大致成一定比例。

在多孔性粒子的充填层内，粒子间的一次空隙与粒子内的二次空隙构成二元结构细孔网络。在这种场合下，质量传递阻力应分别讲行考察。

5．膜内物质的质量传递

均质膜和多孔性膜中的质量传递机理不同。

均质膜持别是均质高分子膜内的质量传递是很复杂的，物质通过膜的传递速度是用膜两端的浓度差和膜内溶解分子的扩散系数来表达的。扩散系数与穿膜物质的种类和浓度有关。

均质膜并非绝对“均质”，也会有布朗运动和反混现象。

多孔性膜基本上与多孔体内质量传递相同。

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（无机吸附剂如）

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。

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，生成不溶性钙盐可除去杂质Ca2+。ZnSO4和黄血盐用于除去杂氨基酸和杂蛋白。

产品制造：

氨基酸或短肽能络合或螯合某些金属离子生产保健产品。补充人体缺乏又不易被人体吸收的

钙、铁、锌等微量元素，山梨醇和木糖醇可以通过葡萄糖和木糖经金属镍催化加氢工艺(高压)获得。

第三节下游技术中的生物学过程

一、特异性相互作用(锁钥关系）

（一）可逆性结合作用（除共价结合外）

1．离子间的相互作用

2．氢键结合

3．硫水性相互作用

4．对金属原子配伤

5．弱共价键结合

影响蛋白质立体构象的环境因素：

(1)热：热是影响蛋白质构象的最普通的因素。

(2)温度：温度的上升，使原子、分子的热运动更活泼，离子间的相互作用、氢键、金属原子配位作

用等变弱。但疏水性的相互作用因温度上升而加强。

(3)PH ：PH对离子问的作用影响很大，pH也对蛋白质侧短上的氨基酸残基的离解度影响很大。

(4)静电性的环境变化：如在溶液中加入在水中能离解为阳离子和阴离子的强电解质(如食盐等无机

盐)。溶液离子强度增加，离子间相互作用变弱，氢铰也受到同样影响。

(5)试剂：在试剂中，尿素、盐酸肌、十二烷基磺酸钠等会对蛋白质构象造成影响。

二、亲和色谱

利用某些生物物质之间特异的亲和力进行选择性分离的色谱技术。

第三章发酵液预处理

发酵液成分：微生物菌体及残存的固体培养基外，还有未被微生物完全利用的糖类、无机盐、蛋白质，以及微生物的各种代谢产物。

目的：分离菌体和其他悬浮颗粒，除去部分可溶性杂质和改变滤液的性质，以利于提取和精制后继各工序的顺利进行。

方法选择：对于胞外产物，经预处理应尽可能使目的产物转移到掖相，然后经固液分离除去固相；

对于胞内产物，则应首先收集菌体或细胞，经细胞破碎后,目的产物进入液相，随后再将细胞碎片分离。

第一节发酵液过滤特性的改变

微生物发酵液的特性可归纳为：

①发酵产物浓度较低，大多为1％一10％，悬浮掖中大部分是水；

②悬浮物颗粒小，相对密度与液相相差不大；

③固体粒子可压缩性大；

④液相粘度大，大多为非牛顿型流体；

⑤性质不稳定，随时间变化，如易受空气氧化、微生物污染、蛋白酶水解等作用的影响。

这些特性使得发酵液的过滤与分离相当困难。

改善发酵液过滤特性的物理化学方法：

通过对发酵液进行适当的预处理，即可改善其流体性能，降低滤饼比阻，提高过滤与分离的速率。

一、降低液体粘度：加水稀释法和加热法

二、调整pH：等电点沉淀法

三、凝聚与絮凝

四、加入助滤剂：助滤剂是一种不可压缩的多孔微粒，它能使滤饼疏松，滤速增大。如：硅藻土、

纤维素、石棉粉、珍珠岩、白土、炭粒、淀粉等。

五、加入反应剂：不影响目的产物，可消除发酵液中某些杂质对过滤的影响，提高过滤速率。

凝聚与絮凝

凝聚：指在电解质作用下，由于胶粒之间双电层电排斥作用降低，电位下降，而使胶体体系不稳定的现象。

凝聚值：使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度。反离子的价数越高，该值就越小，即凝聚能力越强。

絮凝：指在某些高分子絮凝剂存在下，基于桥架作用，使胶粒形成较大絮凝团的过程。

絮凝剂：是一种能溶于水的高分子聚合物，其相对分子质量可高达数万至一千万以上，它们具有长链状结构，其链节上含有许多活性官能团，包括带电荷的阴离子或阳离子基团以及不带电荷的非离子型基团。

目前，最常用的絮凝剂是有机合成的聚丙烯酰胺。

第二节发酵液的相对纯化

发酵液中杂质很多，其中有些杂质不仅直接影响产品质量利收得率，同时对后继提取和精制有很大影响。

一、高价无机离子的除去

发酵液中主要的无机离子有：Ca2+；Mg2+；Fe2+等。

二、杂蛋白质的除去

(1) 沉淀法：蛋白质是两性物质，在酸性溶液中，能与一些阴离子（三氯乙酸盐、水扬酸盐）形成沉

淀；在碱性溶液中，能与一些阳离子（Ag+、Cu2+、Zn2+、Fe3+等）形成沉淀。

(2) 变性法：使蛋白质变性的方法很多，如：加热，调节PH，有机溶剂，表面活性剂等。其中最常

用的是加热法。

(3) 吸附法：加入某些吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋白质而除去。

第三节固液分离工程及设备

范围：培养基、发酵液、某些中间产品和半成品。其中发酵液由于种类多、粘度大和成分复杂，分离最为困难。

方法：分离筛、重力沉降、浮选分离、离心分离和过滤等，其中用于发酵液固液分离的主要是离心分离和过滤分离。

一、离心分离

二、过滤分离

一、离心分离

原理：利用转鼓高速转动所产生的离心力．来实现悬浮液、乳浊液的分离或浓缩。

优点：分离速率快、分离效率高、液相澄清度好等。

缺点：设备投资高、能耗大。此外，连续排料时，固相干度不如过滤设备。

种类：多，按其作用原理不同，可分为过滤式离心机和沉降式离心机两大类。

1．碟片式离心机

2．管式离心机

3．倾析式离心机

二、过滤

原理：悬浮液通过过滤介质时，固态颗粒与溶液分离。过滤操作可分为澄清过滤和滤饼过滤两种。澄清过滤：所用的过滤介质为硅藻土、砂、颗粒活性炭、玻璃珠、塑料颗粒等，填充于过滤器内即构成过滤层；也有用烧结陶瓷、烧结金属、粘合塑料及用金属丝绕成的管于等组成的成型颗粒滤层。

滤饼过滤：过滤介质为滤布，包括天然或合成纤维织布、金属织布，及毡、石棉扳、玻璃纤维纸、合成纤维等无纺布。滤饼过滤按推动力的不同可以分为四种，即重力过滤、加压过滤、真空过滤和离心过滤。

1．板框过滤机

2．真空转鼓过滤机

3．硅藻土过滤机

硅藻土：较纯二氧化硅矿石。化学性能稳定，具有极大的吸附和渗透能力，是良好的介质和助滤剂。

使用方法：

(1)作为深层过滤介质，以过滤含少量(＜0．1％)悬浮固形物的液体。硅藻土不规则粒子间形成许多曲

折的毛细孔道，藉筛分和吸附作用除去悬浮液中的固体粒子。

(2)在支持介质(滤布)的表面上预涂硅藻土薄层(预涂层)，以保护支持介质的毛细孔道在较长时间内不

被悬浮液中的固体粒子所堵塞，从而提高和稳定过滤速率。

(3)将适当的硅藻土分散在待过滤的悬浮液中，使形成的滤饼具有多孔隙性，降低滤饼的可压缩性，以提高过滤速率和延长过滤操作的周期。

用量：预涂，500g/m2左右，2-4mm厚；加入，0．1％左右。

三、其他固液分离方法

1．切向流过滤：又称错流过滤、交叉过滤和十字流过滤，是一种维持恒压下高速过滤的技术。其操作特点是使悬浮液在过滤介质表面作切向流动，利用流动的剪切作用将过滤介质表面的固体(滤饼)移走，过滤速率就近似恒定。

(1)用泵循环使悬浮液流经过滤介质。

(2)在过滤介质表面加以搅拌造成流动，产生切向流。

2．双水相萃取

3．吸附法：优点在于设备简单、能耗低，主要的问题是很难选择合适的吸附剂，以保证目的产物不

致于被吸附而损失。