生物工程下游技术2012

生物工程下游技术复习讲义

1 第一章 绪论

★什么是生物工程的下游技术？

生物工程的下游技术：一般泛指从工程菌或工程细胞的大规模培养一直到产品的分离纯化、质量检测所需要的一系列单元操作技术。其中，产品的分离纯化是其最重要的组成部分。

2．生物工程下游技术的发展历程？

1.古代酿造业 生物技术产业的历史可追溯到古代的酿造业，它包括酿酒、制酱（油）、醋、酸奶和干酪等。

2.第一代生物技术 主要指19世纪60年代到20世纪40年代青霉素等抗生素出现之前的生物技术产业。这一时期，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。此时开始引入化学工程中成熟的近代分离技术，如过滤、蒸馏、精馏等。

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。产品品种、类型迅速增加，不仅有初级代谢产物，也有次级代谢产物；不仅有小分子的物质，也有具生命活性的大分子物质，有些产品的分子结构相当复杂。

4.第三代生物技术 一般认为以20世纪70年代末掘起的DNA重组技术及细胞融合技术为代表。此时，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，一批对人类十分有益的高附加值的产品开始面世，如乙肝疫苗、干扰素等。

★3．细胞破碎技术？初步分离纯化技术？高度分离纯化技术？

细胞破碎是工业化生产胞内物质所必需的技术，已经开发出球磨破碎、压力释放破碎、冷冻加压释放破碎和化学破碎等技术。

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。

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。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。

★4、下游技术的一般工艺过程？

按生产过程划分，生物工程下游技术大致可分为4个阶段，即预处理、提取（初步分离）、精制（高度纯化）、成品制作。如下图所示。

发酵液 预处理 细胞分离 细胞破碎 碎片分离 提取 精制 成品制作

加热 过滤 匀浆法 离心 沉淀 （重）结晶 浓缩

调pH 离心 研磨法 双水相 吸附 离子交换 干燥

絮凝 膜分离 酶解法 膜分离 萃取 色谱分离 无菌过滤

超滤 膜分离 成型

结晶

图1-1 生物工业下游技术一般工艺过程

★5、什么是生物工程下游技术永久性的发展方向和推动力？

成本、质量、环境保护将是生物工程下游技术永久性的发展方向和推动力。

★6、清洁生产(Cleaner Production）？

清洁生产：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 发酵液预处理

★1．发酵液有什么特性？

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%~10%，悬浮液中大部分是水； 生物工程下游技术复习讲义

2 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。

★2、改变发酵液过滤特性的主要方法有哪些?其简要机理如何?

一、降低液体粘度

根据流体力学原理，滤液通过滤饼的速率与液体的粘度成反比，可见降低液体粘度可有效提高过滤速率。降低液体粘度的常用方法有加水稀释法和加热法等。

采用加水稀释法虽能降低液体粘度，但会增加悬浮液的体积，加大后继过程的处理任务。而且，单从过滤操作看，稀释后过滤速率提高的百分比必须大于加水比才能认为有效，即若加水一倍，则稀释后液体的粘度必须下降50％以上才能有效提高过滤速率。

升高温度可有效降低液体粘度，提高过滤速率，如12°Be麦芽汁40℃时粘度为1.2X10-3Pa·s，升高至75℃其粘度可下降一半，过滤速率可加倍1倍。同时，在适当温度和受热时间下可使蛋白质凝聚，形成较大颗粒的凝聚物，进一步改善了发酵液的过滤特性。如链霉素发酵液，调酸至pH 3.0后，加热至70℃，维持半小时，液相粘度下降至1/6，过滤速率可增大：10～100倍。使用加热法时必须严格控制加热温度与时间。首先，加热的温度必须控制在不影响目的产物活性变质的范围内；其次，温度过高或时间过长，会使细胞溶解，胞内物质外溢，增加发酵液的复杂性，影响其后的产物分离与纯化。

二、调整pH

pH值直接影响发酵液中某些物质的电离度和电荷性质，适当调节pH值可改善其过滤特性。此法是发酵工业中发酵液预处理较常用的方法之一。

对于蛋白质，由于羧基的电离度比氨基大，故蛋白质的酸性性质通常强于碱性，因而大多数蛋白质的等电点都在酸性范围内(pH4.0～5.5)。利用酸性来调节发酵液pH值使之达到等电点，可除去蛋白质等酸性两性物质。在膜过滤中，发酵液中的大分子物质易与膜发生吸附，通过调整pH值改变易吸附分子的电荷性质，即可减少堵塞和污染。此外，细胞、细胞碎片及某些胶体物质等在某个pH值下也可能趋于絮凝而成为较大颗粒，有利于过滤的进行。

三、凝聚与絮凝

采用凝聚和絮凝技术能有效改变细胞、细胞碎片及溶解大分子物质的分散状态，使其聚结成较大的颗粒，便于提高过滤速率。除此之外，还能有效地除去杂蛋白质和固体杂质，提高滤液质量。因此，凝聚和絮凝是目前工业上最常用的预处理方法之一。

凝聚是指在电解质作用下，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。

絮凝则是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。

1、凝聚

发酵液中的细胞、菌体或蛋白质等胶体粒子的表面，一般都带有电荷，带电的原因很多，主要是吸附溶液中的离子和自身基团的电离。在生理pH值下，发酵液中的菌体或蛋白质常常有负电荷，由于静电引力的作用，使溶液中带相反电荷的阳离子被吸附在其周围，在界面上形成双电层。这种双电层的结构使胶粒之间不易聚集而保持稳定的分散状态。双电层的电位越高，电排斥作用越强，胶体粒子的分散程度也就越大，发酵液过滤就越困难。根据Schuze-Hardy法则，反离子的价数越高，凝聚值就越小，即凝聚能力越强。阳离子对带负电荷的发酵液胶体粒子凝聚能力的次序为：Al3+>Fe3+>H+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>Li+。常用的凝聚电解质有硫酸铝Al2(SO4)3·18H20(明矾)、氯化铝AlCl3·6H20、三氯化铁FeCl3·6H20、硫酸亚铁FeSO4·7H20、石灰、ZnSO4、MgC03等。

2、絮凝

采用凝聚方法得到的凝聚体，其颗粒常常是比较细小的，有时还不能有效地进行分离。采用絮凝法则常可形成粗大的絮凝体，使发酵液较易分离。

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(如－COOH)或阳离子(如－NH2)基团以及不带电荷的非离子型基团。它们通过静电引力、范德华引力或氢键的作用，强烈地吸附在胶粒的表面。当一个高分子生物工程下游技术复习讲义

3 聚合物的许多链节分别吸附在不同的胶粒表面上，产生桥架联接时，就形成了较大的絮团，这就是絮凝作用。

对絮凝剂的化学结构一般有下列两方面的要求，一方面要求其分子必须含有相当多的活性官能团，使之能和胶粒表面相结合；另一方面要求必须具有长链的线性结构，以便同时与多个胶粒吸附形成较大的絮团，但相对分子质量不能超过一定限度，以使其具有良好的溶解性。根据其活性基团在水中解离情况的不同，絮凝剂可分为非离子型、阴离子型和阳离子型三类。根据其来源的不同，工业上使用的絮凝剂又可分为如下三类：

(1)有机高分子聚合物，如聚丙烯酰胺类衍生物、聚苯乙烯类衍生物。

(2)无机高分子聚合物，如聚合铝盐、聚合铁盐等。

(3)天然有机高分子絮凝剂，如聚糖类胶粘物、海藻酸钠、明胶、骨胶、壳多糖、脱乙酰壳多糖等。

目前最常用的絮凝剂是有机合成的聚丙烯酰胺(Polyacrylamide)类衍生物，其絮凝体粗大，分离效果好，絮凝速度快，用量少(一般以mg/L计)，适用范围广。它们的主要缺点是存在一定的毒性，特别是阳离子型聚丙烯酰胺，一般不宜用于食品及医药工业。近年来发展的聚丙烯酸类阴离子絮凝剂，无毒，可用于食品和医药工业。 絮凝效果与絮凝剂的加量、相对分子质量和类型、溶液的pH、搅拌转速和时间等因素有关。同时，在絮凝过程中，常需加入一定的助凝剂以增加絮凝效果。溶液pH值的变化常会影响离子型絮凝剂中官能团的电离度，从而影响吸附作用的强弱。

3、混凝

对于带负电荷的菌体或蛋白质来说，采用阳离子型高分子絮凝剂同时具有降低胶粒双电层电位和产生吸附桥架的双重机理，所以可以单独使用。

对于非离子型和阴离子型高分子絮凝剂，则主要通过分子间引力和氢键作用产生吸附桥架，所以它们常与无机电解质凝聚剂搭配使用。首先加入电解质，使悬浮粒子间的双电层电位降低、脱稳，凝聚成微粒，然后再加入絮凝剂絮凝成较大的颗粒。无机电解质的凝聚作用为高分子絮凝剂的架桥创造了良好的条件，从而大大提高了絮凝的效果。这种包括凝聚和絮凝机理的过程，称为混凝。

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。这是因为使用助滤剂后，悬浮液中大量的细微胶体离子被吸附到助滤剂的表面上，从而改变了滤饼结构，它的可压缩性下降了，过滤阻力降低了。常用的助滤剂有硅藻土、纤维素、石棉粉、珍珠岩、白土、炭粒、淀粉等，其中最常用的是硅藻土。

助滤剂的使用方法有两种：一种是在过滤介质表面预涂助滤剂，另一种是直接加入发酵液，也可两种方法同时兼用。对于第二种使用方法，使用时需要一个带搅拌器的混合槽，充分搅拌混合均匀，防止分层沉淀。除此之外，选择和使用助滤剂的要点如下：

(1) 根据目的产物选择助滤剂品种

(2) 根据过滤介质和过滤情况选择助滤剂品种

(3) 粒度选择

(4) 使用量的选择