上传绪论

(1)采用步骤数最少

不仅生物过程，对于所有的分离纯化流程，都是多步骤组合完成的，但应尽可能采用最少步骤。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小与操作成本。假设每一步骤的回收率为95％(η=0.95)，则n个步骤的总回收率的期望值为ηn=0.95n，如果现用10个步骤进行分离纯化，那么总回收率是0.9510≈0.60，即为60％被回收。因此，为了改善总回收率，可以从两个方面进行，提高各个步骤的回收率或减少回收流程所需的步骤。若有某种特殊产品，原来的纯化路线为吸附加上三步结晶和重结晶，现在改用高压液相色谱(HPLC)和结晶来替代，假定两条路线的各步回收率都为0.9，则总回收率就能提高ηn-3/ηn=0.9-3=1.37或37％。

虽然，高压液相色谱(HPLC)比它所替代的单元操作步骤的成本要高，但由于其提高了产品的回收率而得到的效益，将大大抵消并超过其增加的成本。所以对于一个下游加工过程，不应将每一步骤割裂开来考虑，而应从步骤数变化后带来的影响进行综合考虑。

(2)采用步骤的次序要相对合理

在生物技术下游加工过程的四大步骤中，固液分离、高度纯化和成品加工选用技术的范围窄，所以次序不是问题，而在初步纯化时，对于不同特性的产品，具有不同的纯化步骤，表面上看没有明显的单元操作次序，实际上却还是存在一些确定的次序被生产和科研上广泛采用。

初步纯化一般顺序如下：

匀质化(或细胞破裂)、沉淀、离子交换、亲和吸附、凝胶过滤。

关于这个顺序(匀质化后)的说明为：沉淀能处理大量的物质，并且它受干扰物质影响的程度比吸附或色层分离小；离子交换用来除去对后续分离产生影响的化合物；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和系统性能降低；凝胶过滤用于蛋白质聚集体的分离和脱盐，由于凝胶过滤介质的容量比较小，故过程的处理量小，一般常在纯化过程的最后一道处理中被使用。

除上述几点外，生物技术下游加工过程的选择还应考虑以下因素。

(1)产品的规格 产品的规格(或称技术规范)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。如果只要求对产物低度纯化，即杂质的含量较高，则一个简单的分离流程就足以达到纯化的目的，但是对于注射类药物，产品的纯度要求很高，而在原料液中杂质的量及类型却很多。

(2)生产规模 物料的生产规模在某种程度上决定着被采用的过程。

在下游加工过程的第一步骤中，使用的离心、过滤等方法，能够适应很宽的规模范围，因此在该步骤中，技术方法的选择依据是独立的，与规模无关。但是在后续步骤中，技术方法的选择与生产规模有关，例如，珠磨机或匀浆器、层析、冷冻干燥等。

(3)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。产物的定位(胞内或胞外)以及在进料中存在的产品是可溶性物质还是不溶性物质都是影响工艺条件的重要因素。在进料流中，一个高浓度的目标产物，意味着分离过程可能很简单，在进料中，若存在某些化合物与目标产物非常类似，则表明需要一个非常专一性的分离过程，才能制得符合规格的产品。进料流中可能含有的某些组分必须在分离过程的早期就全部除去或者在最终产品中小于它的最低允许限度。

微生物或细胞必须进行处理，防止它们被释放到环境中，或者采取一些特殊的措施，防止气溶胶的形成。了解被处理物料的形态学或流变学特性，有助于分离过程的优选，如果生物反应器的流出液是含丝状微生物的悬浮液，则过滤是合适单元操作，但对于某种类型的膜过滤系统，如中空纤维型，由于其通道狭窄而不适宜含丝状微生物悬浮液的过滤。同样，含有较高浓度干物质的发酵液或高黏度的培养液，因为粒子的沉降性能差，所以很难用离心法处理。

(4)产品的形式

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相一致。对于固体产品，为了能有足够的保存期，需要达到一定的湿度范围；为了避免装卸困难或者在最后使用时，容易重新分散，需要达到一定的粒子大小分布。如果生产的是结晶产品(很可能是小分子；大分子例如蛋白质是很难结晶

的)，那么必须具备特有的晶体形态和特定的晶体大小。对于下游加工过程自身，晶体形态是重要的，因为某种晶体形态比其他形态易于过滤和洗涤，例如针状晶体过滤和洗涤都很困难。在产品大量生产时，结晶产品的容积密度很重要，容积密度低意味着体积大，这将对贮藏和运输产生影响。

如果所需的是液体产品，则必须在下游加工过程的最后一步进行浓缩，还可能需要过滤操作。 (5)产品的稳定性

通常用调节操作条件的办法，使由于热、pH值或氧化所造成的产品降解减少到最低程度。为了得到一个适宜的分离工艺，可以在短期内采用激烈的条件。以青霉素生产为例，其中通过溶剂萃取，使其进入酮溶剂中，提出青霉素(一种弱酸)可萃取的水相溶液，pH值应下调至pK值以下，在如此低的pH值下，由于化学结构的不稳定性，青霉素的半衰期缩短，由于这个原因，即使在萃取器中接触时间很短，青霉素快速进入有机相，它的收率损失也有5％～10％，但这个总流程比其他可选用的流程更为经济，所以这样的收率损失还是可以接受的。

由于在蛋白质活性点或其他活性基团旁边，存在巯基，故蛋白质易被氧化，因此必须排除空气并使用抗氧化剂(硫醇保护剂)，以便使氧化作用减小到最低程度。必须仔细地设计以减少空气进入系统使氧化的可能性减少。

当蛋白酶存在的时候，在纯化的早期阶段，就必须冷却，降低它们的反应速率和减小产品的损坏。必须使存在的重金属浓度降低到不破坏酶的活性为止。加热过程，如于燥，若不谨慎控制，也会导致酶失活。

(6)物性 表征产物的物理性质，对分离过程的设计是必需的。主要物理性质包括以下几点。

①溶解度。溶解度如何受pH值、盐等影响，将指示沉淀过程或吸附过程怎样进行控制才最好。

②分子电荷。分子电荷随pH值而变化，可以指示如何有效地进行离子交换和选择用阳离子交换树脂还是阴离子交换树脂，同样可以指示离子对萃取的可能性。

⑧分子大小。对于蛋白质，分子大小可以指示凝胶过滤操作与膜过滤操作哪种可行。 ④功能团。功能团为稳定条件、提取剂及亲和吸附剂的选择提供依据。

⑤稳定性。适宜的pH值范围、温度范围、半衰期(在保证目标产物稳定性的条件下，可用来降解或沉淀杂质)。

⑥挥发性。仅是小分子物质选择分离过程的重要依据。 (7)危害性

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。由于在生物系统中，大量地使用含水液流所以导致的危害较轻，但是，对于在萃取、沉淀和结晶中使用的溶剂，必须引起注意。产品本身可能发生的危害必须加以控制，例如，类固醇抗生素，治疗药品可能需要封闭式操作；如果使用离心操作，则有可能产生气溶胶；如果使用重组DNA工程菌生产系统，则必须控制发酵产生的生物体的排放，发酵产生的气体必须过滤并用专门操作小心处理，直到生物体不能成活为止，即后期进行细胞破碎或专门的细胞致死操作。干燥过程的防护和粉尘及粒子排放的控制是必要的。对于固定化过程，可能会用剧毒的化学品，例如CNBr。

总体来说，在常温和常压条件下，出现在生物物质加工过程中的危害是较低的。 (8)废水

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。柠檬酸在传统上是用沉淀法从发酵液中精制得来的，这样，生产每吨柠檬酸，会产生几吨硫酸钙，替代的方法，例如溶剂萃取法是可行的，可用来克服这种废水的产生。生物量是BOD(生物需氧量)的主要来源，它将通过对废水处理成本的大小来影响过程的经济性。固体可以在处理之前，从含水液流中分离出去，溶剂需要从含水液流中回收，盐浓度应设法限制，可将溶液稀释或在加工过程前预先处理。

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一个因素，其重要性在不断增加。

(9)分批或连续过程

发酵或生物反应过程可以用分批或连续的方式操作。由于要与这个条件相适应，所以下游加工过程的选择受到它们的限制。某些单元操作，例如色层分离操作，在分批操作上是可行的，若想与连续发酵过程相适应，则必须进行改进。

有些单元操作被认为是连续的，例如连续超滤，但是为了膜的清洗，必须做好过程循环的准备，需要置备缓冲容器或者加倍处理能力，以便于进行清洗。

5 生物技术下游加工过程的发展动向

(1)基础理论研究

①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。

②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，从而指导改善具体单元操作及过程速度，如改善萃取或膜分离操作和结晶速度等。作为生化分离工程设计基础的热力学和动力学等基础理论几乎还是空白，常常依靠中试加以解决，所以必须加大力度展开这方面的研究。

③下游加工过程数学模型的建立。在化学工业中，数学模拟技术的使用已有多年的历史，但是在生化分离工程上，还刚刚开始，需要发展和完善，获得合适的过程模拟软件，以对下游加工过程进行分析、设计和技术经济评估等。

(2)完善、研究、开发新型和经济高效的下游加工技术

①正确对待“新”、“老”分离技术，努力推进多种分离、纯化技术的结合。生物技术产品的下游加工过程，既包括了历时已100多年的若干传统的化工单元操作，如精馏、干燥、吸收等，也包括了诸如膜分离、亲和反应等新的单元操作，其中已得到工业应，用的单元操作，大体上可用图2来说明。

图2 分离技术发展现状示意图

极限 1 3 4 工业化应用程度 6 7 1 8 13 初用 12 15 发明 技术成熟程度 14 极限

11 9 10 5 2 1精馏 2吸收 3结晶 4溶剂萃取 5萃取(共沸)精馏. 6离子交换 7吸附(气固) 8膜(液相进料) 9吸附(液固) 10膜(气相进料；

11色谱分离法 12超临界萃取 13液膜； 14场致分离 15亲和分离

除了正确对待新、老技术外，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，也包括新、老技术的相互交叉、渗透与融合，形成所谓融合技术或称子代技术，如图3中的萃取与离子交换相结合，形成了溶剂浸渍树脂和萃淋树脂分离技术；

步骤简化、能耗低、加工过程水平高等优点，是今后的主要发展方向，近年来研究较多、

并且有较大实用价值的过程。

②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的研究是当今生物化学工程领域里的研究热点之一。

这一技术思路，早在20世纪70年代，就开始用于厌氧发酵——乙醇的发酵过程中，取得了令人满意的效果，近年来逐步发展到用于好氧发酵过程中来。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。

③强化化学作用对下游加工过程的影响。

提高分离过程的选择性和设备效率最有效的一种方法，其中重点研究的内容有以下两大类:

A.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，从而提高对某一组分的选择性；二是向分离体系投入附加组分，改变原来体系的化学位，从而增大分离因子，如在乙醇水溶液浓缩制备无水乙醇时，用加入盐溶液的办法，使醇对水的相对挥发度大大提高，甚至使恒沸点消失，可以在较小的回流比下进行乙醇的分离，从而节约能源。

B．强化化学作用对相界面传质速率的影响。利用一些相转移促进剂来增大相间的传质速率，如在渗透蒸发分离乙醇时，若选用含有一COOH基的膜就更有利于分离去水，这是因为一COOH基能与水生成氢键，从而提高了分离的选择性和传质速率。将相转移促进剂结合在固相界面上的分离过程，即各类“亲和”分离过程，如亲和层析、亲和吸附、亲和过滤、亲和膜分离等是强化分离过程的一个前沿研究方向。

④改进上游因素，简化下游加工过程。

A．生物催化剂。菌种选育和工程菌构建是上游工程的主要工作之一，一般以开发新物种和提高目的产物量为目标。现在应该转变观念，从整体出发，除了达到上述目标外，还应设法赋予生物催化剂增加产物的胞外分泌量，减少非目的产物的分泌(如色素、毒素、降解酶及其他干扰性杂质等)以及赋予菌种或产物某种有益的性质以改善产物的分离特性，从而简化下游加工过程。

B．培养基和发酵条件。它们直接决定着输送给下游的发酵液质量，如采用液体培养基，不用酵母膏、玉米浆等有色物质和杂蛋白为原料，控制比生长速率、消沫剂用量、放罐时间等发酵条件，使下游加工过程更为方便、经济，从而提高总的回收率。

(3)工程问题的研究。

(4)生物技术下游加工过程必须向减少对环境污染的清洁生产工艺转变

综上所述，生化分离工程是生物技术产业化的必要手段和环节，不管它的难度有多大，都要保证产品质量、省资节能、增加效益、提高收率、减少对环境的污染，努力把这个领域里得工作做好，为人类作出更大得贡献。