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1、生物技术的目标就是指利用培养微生物、动物细胞、植物细胞来生产对人有用的产品。 按上述定义，早在公元前4228年就有了应用生物技术酿酒、制奶酪等的记载。 狭义生物技术的产物仅为化学产品，约有100年的历史。,第一章 绪论 第一节 生物工业下游技术在生物技术中所占位置,生物界自然产生 微生物菌体发酵 动植物细胞组织培养 生物原料 酶反应 其它生物工业生产 生物原料 预处理 生物反应 产物,生物分离,生物工业下游技术,获得产品的有效途径,生物工业下游技术的发展历程,1、古代酿造业 酿酒、制酱（油）、醋、酸奶、干酪等，直接使用。 2、第一代生物技术（19世纪60年代至20世纪40年代） 使用纯种培养技
2、术，厌氧发酵。引入近代化工分离技术，如过滤、蒸馏、精馏等。产品有酒精、丙酮等。 3、第二代生物技术（20世纪40年代始） 大规模通风好氧培养技术产生，产品品种和类型迅速增加，借鉴和引进大量的化工分离技术，兼顾生物活性特点的生物工业分离技术系统初步形成。 4、第三代生物技术（20世纪70年代始） 各种新型的生物技术相继问世，各种具有生物活性的产品急剧增加，相应适合的可工业化生物分离技术缺乏。生物工业分离技术的研究全面展开。,物质分离 产品再加工,分离提取适合纯度的所需目的物 相对最低的成本 消灭或减少对环境损害,技术范畴,生物工业下游技术,生物工业下游技术的目标：,Table1 types of
3、 molecules manufactured by fermentation,二、生物分离的特点,1 生物制品多种多样,产品的多样性导致分离方法的多样性,生物分离与一般化学分离方法的比较,2 绝大多数生物分离方法来源于化学品的分离方法,大约80%的化工分离方法可应用于生物分离技术中,3 生物分离一般比化工分离难度大 1 成分复杂 固体成分包括完整有机体、培养基及底物中的不溶物 液体成分包括底物可溶物、代谢中产物及目标产物,get highly purified dry products （获得高纯度的干燥产品） several steps （需要几步） separations are ela
4、borate and expensive （分离过程精细，成本高）,2. 悬液中的目标产物浓度低,Table 3 typical products from fermentation,原料中产品浓度越低，下游技术的成本越高。,下游技术的步骤越多，提取收得率也越低 例如：整个下游过程包括6步操作，每步操作的分步收率为90， 则总收率仅为（0.9）610053.l， 即使各步操作都相当完善，分步收率均达到95，经6步操作后， 总收率也只有（0.95）6 X 10073.5。,因此，尽量减少分离提取的操作步骤，减小损失，对于提高总收率是很重要的。,例如：谷氨酸一步等电点结晶提取收率为75，结晶母液如
5、再经过一次离子交换提取，二次重复提取收率为65，则总收率为: 75十(1-75)6591.25,在条件允许的情况下， 重复提取是提高总收率的一个有效方法。,4 生物产品要求高质量： *purity（纯度） *sanitation（卫生） *biological activity（生物活性） 分离过程的成本占产品总投资的大部分 因此，必须仔细考虑和设计产品的回收和纯化过程,1. What is the value of the product? （产品价值） 2. What is an acceptable product quality? (产品质量） 3. Where is the prod
6、uct in each process stream? （产物在生产过程中出现的位置）,设计中应考虑下列问题,4. Where are the impurities in each process stream?（杂质在生产过程中出现的位置） 5. What are the unusual physicochemical properties of the product and the principal impurities? （主要杂质独特的物化性质是什么？） 6. What are the economics of various alternative separations? （不
7、同分离方法的技术经济比较） 上述问题的考虑将有助于优质、高效产物分离过程的优化,影响下游技术工艺选择的因素：,1、目的物是胞内物质还是胞外物质 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差异 4、产品的用途和质量标准 5、产品的市场价格 6、废物的处理方法 在一般情况下，目的物的收率与目的物在原料中的浓度成正比，与操作步骤数成反比，与产品的纯度的要求成反比,四个阶段： 预处理、提取（初步分离）、精制（高度纯化）、成品制作 下游技术优劣的主要判断标准：产品收率和质量,三、下游技术的一般工艺过程,生物分离具有许多相似的单元操作 1 预处理 不溶物的去除 *filtration（
8、过滤） *centrifugation（离心） *cell disruption （细胞破碎） 目的：提高产物浓度和质量,2.初步分离(产物分离) *adsorption - ion-exchang（离子交换吸附） * extraction（萃取） a. solvent extraction（溶剂萃取） b. reversed micelle extraction（反微团萃取） c. supercritical fluid extraction（超临界流体萃取） d. two-aqueous phase extraction（双水相萃取） 以上分离过程不具备特异性，只是进行初分，可提高产物浓度
9、和质量。,3. 高度纯化(产品精制) *chromatography（色谱） *electrophoresis（电泳） *precipitation （沉淀） 以上技术具有产物的高选择性和杂质的去除性,4.成品制作 结晶(Crystallization) 干燥(Drying) 浓缩(Concentration) 无菌过滤(Filtration) 成型(Polishing),产品的收得率和质量控制应是贯穿下游技术工艺过程的主线。,Beer Well,Stillage,Fermenter,Beer Still,Screens,Rotary Dryer,Spray Dryer,Dried Grain
10、s,Dried Solubles,Neutral Spirits,Condenser,Rectifying Column,Purifying Column,Condenser,Heads,Water,Whiskey,* Ethanol from fermentation.,* Citric acid manufacture,* Penicillin production.,Production of bakers yeast,Production of monosodium glutamate,Recovery of an extracellular enzyme,Recovery of in
11、tracellular enzymes,Recovery of single-cell protein on a methanol basis,Recovery of toxoid vaccines,Recovery of whole-cell vaccines,中药动态水提取生产线流程图,目前，生物工业下游技术主要的研究方向： 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 分离技术研究的目标： 分离灵敏度高、收率高、生物活性损失低、浓缩倍数高、成本低、污染小、易建立大规模工业化生产装置。,四、发展方向,生物工业下游技术的发展动态,传统分离技术的提高和完善 高效、低能耗、大型化、自动化、清洁化 新技术的研究和开发 、 新型分离介质的研究和开发 目前主要的新型分离介质为膜、树脂和凝胶 、子代分离技术 各种分离技术相互结合、交叉、渗透，形成子代分离技术。 膜萃取、膜蒸馏和离交色谱等等。 、其它新兴分离技术 双水相萃取、超临界萃取、反胶团萃取等等。,思考题： 1.生物分离工程的特点是什么？ 2.生物分离工程可分为几大部分，分别包括哪些单元操作？ 3. 在设计下游分离过程前，必须考虑哪些问题方能确保我们所设计的工艺过程最为经济、可靠？,
