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生化分离工程:它是描述回收生物产品分离过程原理和方法的一个术语，指从发酵液或酶反应液或动植物细胞培养液中分离、纯化生物产品的过程。常称它为生物技术下游加工过程(DownstreamProcessing)。

1 生物技术下游加工过程的特点及其重要性

生物产品是指应用生化反应制得的产品。它包括传统的(常规的)生物技术产品(如用发酵生产的有机溶剂、氨基酸、有机酸、抗生素)和现代生物技术产品(如用重组DNA技术生产的医疗性多肽和蛋白质)。它们的生产不同于一般的化学品生产，而是有其自身的特点。

(1)发酵液或培养液是产物浓度很低的水溶液 (2)培养液是多组分的混合物 (3)生化产物的稳定性差

(4)对最终产品的质量要求很高

总之，生物技术产品的特点给下游加工过程提出了特殊的要求；生物技术产业没有下游加工过程的配套就不可能有工业化的结果，没有下游加工过程的进步就不可能有工业化的经济效益。

2 生物技术下游加工过程的一般步骤和单元操作

生物技术下游加工过程或生物分离工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、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、用途和质量(纯度)要求有关。所以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步骤

(1)发酵液的预处理与固液分离(或称不溶物的去除) 由于技术和经济原因，在这一步骤中能选用的单元操作相当有限，过滤和离心是基本的单元操作。为了加速固—液两相的分离，可同时采用凝聚和絮凝技术；为了减少过滤介质的阻力，可采用错流膜过滤技术，但这一步对产物浓缩和产物质量的改善作用不大。一般希望以低投资和低成本来换取高的回收率及去杂率，但是这些要求往往是相互矛盾的。

如果产物在细胞内，没有分泌到体外，如β半乳糖苷酶以及由重组大肠杆菌产生的重组蛋白质等产品，通过分离收集细胞后，还需进行细胞碎片的分离。

(2)初步纯化(或称产物的提取) 如果产物在滤液中，若要求通过这一步骤能除去与目标产物性质有很大差异的杂质，使产物浓度和质量都有显著提高。这常须经过一个复杂的多级加工程序，单靠一个单元操作是不可能完成的。这步可选的单元操作范围较广，如吸附、萃取和沉淀。

(3)高度纯化(或称产物的精制) 该步骤与步骤(1)类似，仅有限的几类单元操作可选用，但这些技术对产物有高度的选择性，用于除去有类似化学功能和物理性质的杂质，典型的单元操作有层析、电泳和沉淀等。

(4)成品加工 产物的最终用途和要求，决定了最终的加工方法，浓缩和结晶常常是操作的关键，大多数产品还必须经过干燥处理。从上可知，各步骤都有若干单元操作可以选用，其中包括许多常用的化工单元操作和若干因生物过程需要而发展起来的单元操作，应根据具体情况进行设计。为便于技术选择，现将各种主要单元操作的原理和特点列于表2中。

表2 生物技术产品分离纯化常用单元操作 单元操作 分离类型 选择性 低 中等 低-中 中-高 低 低 低 中-高 中 中—高 中—高 低-中 低-中 低-中 中-高 中-高 中-高 中-高 中 中—高 高 高 中—高 高 高 高 中—高 高 高 低 低-中 低 低 低 低 生产能力 高 中 高 低 中 中 中 高 高 高 中 高 高 高 高 高 高 高 高 中-高 低-中 低-中 低-中 低 低 低-中 低—中 低 低 高 中 中 低 高 中 应 用 真苗 细苗、细胞碎片 真菌 病毒和细胞 胞内产品 酶 实验的 乙醇和溶媒回收 抗生素 酶 精制油 酶 酶 抗生素 脱盐和除热原 蛋白质溶液脱盐 干扰素 胰岛素 血制品 蛋白质和多肽 抗生素和多肽 实验的 实验的 蛋白质和多肽 抗生素 抗生素 咖啡和果汁 多数药品 α-淀粉酶和单细胞蛋白 液固分离 过滤 常 规 固-液 微 滤 固-液 离心 常 规 固-液 超离心 分离 细胞破壁 机械法 释放 酶 法 释放 化学法 释放 产品分离纯化 蒸 馏 纯化 萃取 液 体 分离 两水相 分离及纯化 超临界 分离 沉淀 盐 析 分离 溶 媒 分离 金属络合物 分离 结 晶 析出 吸附 非活性基 分离 特殊活性基 纯化 混合活性基 分离 膜技术 超滤(透析过滤) 分离和浓缩 电渗析 分离和浓缩 液相层析 低压 亲 和 纯化 凝 胶 纯化 离于交换 纯化 层 析 纯化 高效 正 相 纯化 逆 相 纯化 其他 超临界萃取 分离 逆流分离 纯化 电泳和等电聚纯化 焦 水和溶媒的除去 浓缩 蒸 发 浓缩 反渗透/超滤 浓缩 冷冻浓缩 浓缩 干燥 冷冻干燥 干燥 喷雾干燥 干燥 滚筒干燥 干燥

生物技术下游加工过程的阶段和各阶段的单元操作见表3。

表3 生物技术下游加工过程的阶段和各阶段的单元操作

胞外产物 发酵液 预处理 加 热 调pH值 絮 凝

细胞分离 沉 降 离心分离 过 滤 错流萃取

细胞破碎 匀 化 研 磨 溶 胞

细胞碎片分离 离心分离 萃 取 过 滤 错流萃取

初步纯化 沉 淀 吸 附 萃 取 超 滤

高度纯化 层 析 离子交换 亲 和 憎 水 吸 附 电 泳

成品加工 无菌过滤 超 滤 冷冻干燥 喷雾干燥 结 晶

3 生物技术产品及下游加工过程的发展

3.1 生物技术产品的类型

下游加工过程的生化产品可分为两个主要方面：一是含有产品的混合物直接由发酵产生；

二是发酵得到细胞或酶后，再将其用于产物的转化、修饰后间接获得所需产品。生物产品可用不同的方法分类。

(1)按相对分子质量大小分类

A．小相对分子质量：<1000，如抗生素、有机酸、氨基酸等。 B．大相对分子质量：~1000，包括酶、抗体多肽、重组蛋白等。

大分子量产品如蛋白质、酶、多糖、核酸，所需分离过程不同于化学工业中的传统单元操作；

小分子量产品包括类脂、氨基酸和次级代谢产物，如抗生素，所需分离过程在许多地方可以借鉴传统单元操作进行设计或根据分子本身和所处系统的特殊需要对现有工艺进行适当变动。

(2)按产品所处位置分类

A．细胞内：不被细胞分泌到体外的产品，如胰岛素、干扰素、重组蛋白质产品。

B．细胞外：在胞内产生，然后又分泌到胞外的产品，有抗生素(如红霉素)、胞外酶(如萨淀粉酶)等。

不能用简单的判断说明哪一种情况有利于分离过程，如果产品分泌到培养基中，可通过不溶性的细胞或培养基的去除加速纯化步骤，但是其他蛋白质的释放和细胞自溶，会使纯化变得难以进行；如果产品在细胞内，可通过收集细胞，大大提高浓缩倍数，但接下来的细胞破碎过程又会将细胞残片和其他可溶物释放到培养基中，给后续的纯化带来困难。

3.2 下游加工过程的历史

如果将生物技术定义为“直接或间接地利用生物体的机能来生产人所需要物质的技术”，则可将生物技术产业的历史追溯到古代的酿造产业。古老的生物技术包括酿酒，制造酱油，醋、酸奶、干酪等等。当时还谈不上下游加工过程，仅是乡间农舍和家庭厨房的制作方法，如从乳清中过滤出凝胶——乳酪，用日照来干燥制盐、制酱等。虽然税收和运输驱动了酒浓缩工艺的出现，但大多数产物基本上不经后处理而直接使用。后来出现了三代生物技术产品并伴随着相应分离纯化过程的研究和开发：

①传统(第一代)生物技术产品的出现要从19世纪60年代算起，由于清楚了微生物是引起发酵的原因，而且发现了微生物的有关功能，开发了纯种培养技术，从而使生物技术产业的发展进入了近代酿造产业的阶段。到20世纪上半叶时，除了原有酿造业产品的生产技术有了不少改进外，还逐步开发了用发酵法生产酒精、丙酮、丁醇等产品的技术。上述产品的特点是大多数属于嫌气发酵过程的产物，产物的化学结构比原料更简单，主要采用压滤、蒸馏或精馏等设备，生产以经验为依据，可称为手工业式的，属原始分离纯化时期。

②第二代生物技术产品出现于20世纪40年代，第二次世界大战以后，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。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造的产品投入了工业生产。这一时期的特点是产品类型多，不但有初级代谢产物，也出现了次级代谢产物，如抗生素、多糖等，还有生物转化(甾体化合物等)、酶反应(6—APA等)产品等。

产品的多样性提出了分离、纯化方法多样性的要求。与此同时一个有利的因素也产生了，化学工程工作者加入了生物反应过程的开发行列，一门反映生物与化工相交叉的学科——生化工程也随之在40年代诞生，并获得迅速发展。这个时期之初，英国的G.E戴维斯和美国的A.D利特尔等人提出了单元操作的概念；推动了生产技术的发展，并被引人生物技术产品下游加工过程中，推动了生物产品的生产。

③现代生物技术产品即第三代 20世纪70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程的迅速发展，特别是在DNA重组技术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生物技术产品的研究和开发。使胰岛素、生长激素、α-干扰素、乙肝疫苗、组织纤维蛋白溶酶原激活剂(TPA)、促红细胞生长素(EPO)等一批基因工程和细胞工程产品陆续进入工业化生产阶段，使一些传统发酵产品的生产经济效益提高。国外已商品化生产和正在放大的现代生物技术产品见表3。

虽然目前产品还不多，但潜力巨大。预计在2l世纪初，一个门类齐全、品种众多、技术先进、应用广泛的现代生物技术产业将会脱颖而出。

20世纪80年代以来下游加工过程已达到工业应用水平的技术主要有以下几种。

①回收技术。包括絮凝、离心、过滤、微过滤。发酵液是非牛顿型液体，所以在一般情况下用普通的离心和过滤技术进行固液分离的效率很低。70年代以来把在化工、选矿和水处理上广泛使用的絮凝技术引到发酵物料的处理上，大大改善了发酵物料的离心或过滤性能，提高了固液分离效率。

而传统的离心和过滤技术，多年来在设备上有了很大改进，如采用倾析式离心机(De—canterCentrifuge)和预铺助滤剂层或带状真空过滤机等。还有一种新的过滤方法是利用微滤膜进行错流过滤，它具有能耗低、效率高的优点，特别适用于动植物细胞的收集。

②细胞破碎技术。包括珠磨破碎、压力释放破碎(也称高压匀浆，homogenization)、冷冻加压释放破碎、化学破碎等，细胞破碎技术的成熟使得大规模生产胞内产物成为可能。

③初步纯化技术。开发了针对酶和蛋白质的各种沉淀法，如盐析法、有机溶剂沉淀、各种化学沉淀法，大网格树脂吸附法，膜分离法，特别是超滤技术的出现，解决了对热、pH值、金属离子、有机溶剂敏感的大分子物质的分离、浓缩和脱盐等难题，提供了一种有效的加工技术。它的工业应用，使酶制剂工业生产有了突破性进展。

④高度纯化技术。开发了各类层析技术，如亲和层析、疏水层析、聚焦层析等，而用于工业化生产的主要是离子交换层析和凝胶层析。前一种技术是60年代以后逐渐发展成为工业技术的，真正用于生物大分子的分离是70年代以后各种类型的弱酸、弱碱型离子交换树脂，如DEAE—葡聚糖、DEAE—纤维素，、CM—纤维素等材料商品化才有了迅速的发展。凝胶层析技术的工业应用是80年代才实现的。

⑤成品加工。主要是干燥与结晶技术。对于生物活性物质，可根据其热稳定性的不同分别采用喷雾干燥、气流干燥、沸腾床干燥、冷冻干燥等技术。其中冷冻干燥技术在蛋白质产品的干燥上广为应用，但其能耗高、设备复杂、操作时间长，而且只能分别操作，因此有待完善和改进；结晶技术主要是解决了放大问题，实现了工业化生产。

4 生物技术下游加工过程的选择准则

当设计一个生化产品下游加工过程时，不仅要在高产率、低成本等总体目标上有所要求，还应做到以下几点。