大家好生物工程下游技術謝虹主講揚州大學生技學院本課程的目的任務基本掌握各種生化分離方法的概念、原理、操作工藝條件及應用。培養學生把前驅課程中學到的基礎理論知識，全面靈活地運用在生物物質分離過程的基本原理和相關的工程問題中，并努力使學生做到理論聯系實際。培養學生一定的創新能力，綜合運用各種生化分離方法設計工藝路線。本

課

程

主

要

內

容

本課程主要介紹生物技術產品的分離純化的原理、方法、過程理論及其應用。主要內容包括：理論基礎、發酵液預處理、細胞破碎法、萃取分離法、雙水相萃取、反膠團萃取、膜分離方法、結晶法等等。以及介紹一些最新生化分離技術的進展。本課程總學時學分32學時、2學分哈佛圖書館自習室墻上的訓言此刻打盹，你將做夢；而此刻學習，你將圓夢。我荒廢的今日，正是昨日殞身之人祈求的明日。覺得為時已晚的時候，恰恰是最早的時候。勿將今日之事拖到明日。學習時的痛苦是暫時的，未學到的痛苦是終身的。學習這件事不是缺乏時間而是缺乏努力。幸福或許不排名次，但成功必排名次。哈佛圖書館自習室墻上的訓言學習并不是人生的全部，但既然連人生的一部分——學習也無法征服，還能做什么呢？請享受無法回避的痛苦。只有比別人更早、更勤奮地努力，才能嘗到成功的滋味。誰也不能隨隨便便成功，它來自徹底的自我管理和毅力。時間在流淌。現在流的哈喇子，將成為明天的眼淚。狗一樣地學，紳士一樣地玩。哈佛圖書館自習室墻上的訓言今天不走，明天要跑。投資未來的人是忠于現實的人。教育程度代表收入。一天過完不會再來。即使現在，對手也在不停地翻動書頁。沒有艱辛，便無所獲。

大學是知識的源泉，少數人如饑似渴地暢飲，更多的人優哉游哉地品吮，絕大多數人只是漱了漱口。我的博客

地址/u/1267254811第一章

緒

論下游技術的工作領域一般工藝過程下游技術的發展動態微生物育種技術——上游技術發酵技術——生物反應工程發酵液的產物分離到產品的加工——下游技術下游技術由生物界自然產生的或由微生物菌體發酵的、動植物細胞組織培養、酶反應等各種生物工業生產過程獲得的生物原料，經提取分離、加工精制目的成分，最終使其成為產品的技術。

下游技術

生物原料和制品的多樣性，更多的產品具有生物物質的特征（活性和熱敏性），生產工藝不能簡單套用化工單元操作技術；是生物技術產品產業化的必經之路；生物技術產品質量好壞、成本高低、競爭力的大小與下游技術直接相關；某些基因工程產品，提取精制成本甚至占總成本的70%～90%；下游技術與新產品的開發以及環境保護密切相關。下游技術的任務從混合物中用最低的投入（財力、物力和人力），獲得最高的目的物產出（產物的高得率、高純度等）。

第一節生物工業下游技術的工作領域一、技術范疇物質分離產品加工廢物處理二、發展歷程古代釀造業釀酒、制醬、醋、酸奶和干酪。技術比較原始，多為家庭作坊。產物基本不經后處理直接使用。第一代生物技術無活性的小分子如：酒精、丙酮、丁醇等。19世紀60年代-20世紀40年代。發現發酵的本質是微生物的作用，掌握了純種培養技術，生物技術進入近代釀造業。開始引入化學工程中近代分離技術，例如：蒸餾、過濾、精餾等。第二代生物技術抗生素如：青霉素、鏈霉素等;谷氨酸等氨基酸;核酸;檸檬酸等有機酸;淀粉酶等酶制劑;多糖和單細胞蛋白。無菌空氣制備技術和大型好氧發酵裝置的開發。產品的多樣性決定了分離方法的多樣性。借鑒和引進吸收了大量的80%近代化學工業的分離技術。潔凈室的凈化度標準潔凈度級別塵粒最大允許數微生物最大允許數

≥0.5μm粒/升≥5μm粒/英尺3浮游菌/m3沉降菌/皿100≤3.5≤1005110000≤350≤1,0001003100000≤3,500≤100,00050010300000≤35,000≤1000,000—15第三代生物技術DNA重組技術及細胞融合技術產生的乙肝疫苗和干擾素等。20世紀70年代末發展的。發現大批生理功能性物質，如活性糖質、活性肽、高度不飽和脂肪酸等。加強下游技術領域的研究：活性糖類、活性蛋白、活性脂類和特殊的復合物質。20世紀80年代——新技術固液分離技術細胞破碎技術初步分離純化技術高度分離純化技術其他新型分離技術中國的啤酒

啤酒生產是采用發芽的谷物作原料,經磨碎,糖化,發酵等工序制得。按現行國家產品標準規定,啤酒的定義是：“啤酒是以麥芽為主要原料,加酒花,經酵母發酵釀制而成的,含有二氧化碳氣、起泡的低酒精度飲料”。在古代中國,也有類似于啤酒的酒精飲料,古人稱之為醴。大約在漢代后,醴被酒曲釀造的黃酒所淘汰。清代末期開始,國外的啤酒生產技術引入我國,新中國成立后,尤其是80年代以來,啤酒工業得到了突飛猛進的發展,到現在中國已成為世界第二啤酒生產大國。

醬、醬油和豆鼓醬、醬油和豆鼓等是我國人民首創的調味品。在世界釀造史上獨具一格。早在周朝時期（約2900年前）它的制作就已經很發達了，后來相繼傳到了越南、日本和其他國家。首先將大豆或豆餅蒸熟，加面粉或炒過的小麥，使黃曲霉、米曲霉等生長繁殖制成曲。加食鹽和水，經過釀造后，壓榨成汁再經調制就成為醬油。人類治療細菌性感染的第一個武器——青霉素

青霉素是一種高效、低毒、臨床應用廣泛的重要抗生素。它的研制成功大大增強了人類抵抗細菌性感染的能力，帶動了抗生素家族的誕生。２０世紀４０年代以前，人類一直未能掌握一種能高效治療細菌性感染且副作用小的藥物。當時若某人患了肺結核，那么就意味著此人不久就會離開人世。在1928年夏季的一天，英國微生物學家弗萊明發現，一個與空氣意外接觸過的金黃色葡萄球菌培養皿中長出了一團青綠色霉菌。在用顯微鏡觀察這只培養皿時弗萊明發現，霉菌周圍的葡萄球菌菌落已被溶解。弗萊明將其分泌的抑菌物質稱為青霉素。然而遺憾的是弗萊明一直未能找到提取高純度青霉素的方法，于是他將點青霉菌菌株一代代地培養，并于1939年將菌種提供給準備系統研究青霉素的英國病理學家弗洛里和生物化學家錢恩。

通過一段時間的緊張實驗，弗洛里、錢恩終于用冷凍干燥法提取了青霉素晶體。1941年開始的臨床實驗證實了青霉素對鏈球菌、白喉桿菌等多種細菌感染的療效。美國制藥企業于1942年開始對青霉素進行大批量生產。1945年，弗萊明、弗洛里和錢恩因“發現青霉素及其臨床效用”而共同榮獲了諾貝爾生理學或醫學獎。1953年5月，中國第一批國產青霉素誕生，揭開了中國生產抗生素的歷史。截至2001年年底，我國的青霉素年產量已占世界青霉素年總產量的60%，居世界首位。

青霉素的出現開創了用抗生素治療疾病的新紀元。通過數十年的完善，青霉素針劑和口服青霉素已能分別治療肺炎、肺結核、腦膜炎、心內膜炎、白喉、炭疽等病。繼青霉素之后，鏈霉素、氯霉素、土霉素、四環素等抗生素不斷產生，增強了人類治療傳染性疾病的能力。干擾素干擾素是兩位美國科學家在1957年研究病毒的干擾現象時發現的一種抗病毒的特效藥。最早發現干擾素在人體內起神秘作用的是一個名叫弗臘西.戈登的普通人。干擾素是我們身體內部少數幾種能抵御病毒的天然防御物質之一，是在病毒入侵細胞以后從仍然健康的細胞中自然產生的。人體內產生的干擾素數量非常小。干擾素能戰勝病毒引起的感染，包括水痘、肝炎和狂大病等。干擾素雖然不能解救已被病毒侵入的細胞，但可以保護其周圍的細胞。醫學專家把攻克癌癥的希望寄托于干擾素。美國科學家已經用干擾素冶愈過皮膚癌。干擾素對骨肉瘤、多發性骨髓瘤、黑色素瘤、乳腺癌以及某些白血病和淋巴癌也有療效。干擾素因嚴重短缺而十分昂貴，1980年，美國癌癥學會花費200萬美元買的干擾素，僅夠150個癌癥病人使用。以前，芬蘭國家血漿研究院的卡里.坎特爾博士發明了用病素感染從血液中提取的白細胞生產干擾素的方法。生產出來的干擾素經提純后，即可供藥用。這種方法產量低、成本高。80年代以來，人們把目光轉向基因工程。1980年，由美國生物學家博耶和科恩創建的基因工程公司，通過各種不同基因組合得到幾種生產干擾素的細菌。1981年，又用酵母菌生產干擾素獲得成功。日本用大腸桿菌生產干擾素也取得成功。過去，用白細胞生產干擾素，每個細胞最多只能產生100-1000個干擾素分子，而用基因工程技術改造的大腸桿菌發酵生產，在1-2天內，每個菌體能產生20萬個干擾素分子。現在，美國已經采用基因工程來大規模工業化生產干擾素。中國在1982年已用基因工程方法組建了生產干擾素的大腸桿菌新菌種，它產生的干擾素跟天然干擾素一樣具有抗病毒活性。同年，復旦大學遺傳研究所獲得人干擾素基因克隆的酵母菌株。1983年建立了人甲種干擾素基因工程無性繁殖系，并用于生產。

第二節生物工業下游技術的一般工藝過程一、原料及產品特征以粗原料發酵為主，如酒精等。粗原料帶入大量的不參與發酵過程的可溶性雜質和不溶性懸浮物，增加下游技術成本。待處理物料中產品濃度很低。產品具有活性和熱敏性。基因工程產品一般為包涵體。發酵液為分批培養，容易出現差異。胞內產物還是胞外產物原料中產物和主要雜質濃度產物和主要雜質的物理化學特性及差異產品用途和質量標準產品的市場價格廢液的處理方法等設計分離工藝的思路生物工程下游技術胞外產物發酵液濃縮干燥無菌過濾成型預處理細胞分離細胞破壁碎片分離提取精制成品制作加熱調pH絮凝過濾離心膜分離胞內產物勻漿法研磨法酶解法離心雙水相膜分離沉淀吸附萃取超濾結晶重結晶離子交換色譜膜分離注：產品的收率和質量控制是貫穿下游技術過程的主線反應停事件“反應停”是50年代后期，由聯邦德國生產的一種毒性低、副作用小、十分溫和的鎮靜安眠藥，經動物實驗驗證是安全無害的，對治療妊娠早期的惡心、嘔吐效果明顯，一時間反應停風靡歐洲、澳大利亞、加拿大、日本等十多個國家，成了搶手的婦科良藥。但不久德國首先報道，使用反應停的孕婦生下四肢短小如鰭的怪胎，形如海豹，被

稱為“海豹胎”。幾年間僅聯邦德國就有8000多例“海豹胎”出生，日本受害者也有千余例，釀成了觸目驚心的藥物性災難。而拒絕進口并使用此藥的美國、瑞士、前民主德國卻未見到這類怪胎的出世。FDAFDA（美國食品藥品管理局）隸屬于美國衛生教育福利部，負責全國藥品、食品、生物制品、化妝品、獸藥、醫療器械以及診斷用品等的管理。FDA下設藥品局、食品局、獸藥局、放射衛生局、生物制品局、醫療器械及診斷用品局和國家毒理研究中心、區域工作管理機構，即6個局、一個中心和一個區域管理機構。FDA在全國有40個實驗室，2100名科學家在這里工作，其中包括900名化學家和300名微生物學家。其中一些科學家負責分析樣本是否含有非法物質，另一些則負責對各個公司上交的藥品、食品添加劑和醫藥設備等的檢查結果進行核實，如果屬實則發給他們許可。FDA（共有職工9000人）美國全國被分為6個區，每個區負責本地的食品、藥品、化妝品、器械、血庫等的監督檢查地區所工作站（共143個）FDA1100是調查人員，每年定期到所管轄的各個工廠檢查，每年收集8萬個國內和進口產品的樣本，保證全面覆蓋若發現食品有問題，或食用不適，消費者可以打各工作站的熱線投訴經過科學家的檢驗，確定該產品是否存在問題第三節生物工業下游技術的發展動態蒸餾、蒸發、過濾、離心、結晶和離子交換技術。一、傳統分離技術的提高和完善新型分離介質的研發：膜、樹脂和凝膠子代分離技術其他新興下游技術二、新技術的研究開發三、清潔生產清潔生產工藝（技術）清潔產品清潔能源

將綜合預防的環境保護策略持續應用于生產過程和產品中，以期減少對人類和環境的風險。20世紀十大污染事件

一、1930年馬斯河谷煙霧事件

比利時馬斯河谷工業區。在這個狹窄的河谷里有煉油廠、金屬廠、玻璃廠等許多工廠。12月1日到5日的幾天里，河谷上空出現了很強的逆溫層，致使13個大煙囪排出的煙塵無法擴散，大量有害氣體積累在近地大氣層，對人體造成嚴重傷害。一周內有60多人喪生，其中心臟病、肺病患者死亡率最高，許多牲畜死亡。這是本世紀最早記錄的公害事件。

二、1943年洛杉磯光化學煙霧事件

夏季，美國西海岸的洛杉磯市。該市250萬輛汽車每天燃燒掉1100噸汽油。汽油燃燒后產生的碳氫化合物等在太陽紫外光線照射下引起化學反應，形成淺藍色煙霧，使該市大多市民患了眼紅、頭疼病。后來人們稱這種污染為光化學煙霧。1955年和1970年洛杉磯又兩度發生光化學煙霧事件，前者有400多人因五官中毒、呼吸衰竭而死，后者使全市四分之三的人患病。三、1948年多諾拉煙霧事件

10月下旬，美國的賓夕法尼亞州多諾拉城有許多大型煉鐵廠、煉鋅廠和硫酸廠。1948年10月26日清晨，大霧彌漫，受反氣旋和逆溫控制，工廠排出的有害氣體擴散不出去，全城14000人中有6000人眼痛、喉嚨痛、頭痛胸悶、嘔吐、腹瀉。17人死亡。四、1952年倫敦煙霧事件

自1952年以來，倫敦發生過12次大的煙霧事件。1952年12月那一次，5天內就有4000人死亡。禍首是燃煤排放的粉塵和二氧化硫。煙霧逼迫所有飛機停飛，汽車白天開燈行駛，行人走路都困難。煙霧事件使呼吸道疾病患者猛增，5天內有4000多人死亡，兩個月內又有8000多人死去。五、1953至1956年水俁病事件

日本熊本縣水俁鎮一家氮肥公司排放的廢水中含有汞，這些廢水排入海灣后經過某些生物的轉化，形成甲基汞。這些汞在海水、底泥和魚類中富集，又經過食物鏈使人中毒。當時，最先發病的是愛吃魚的貓。中毒后的貓發瘋痙攣，紛紛跳海自殺。沒有幾年，水俁地區連貓的蹤影都不見了。1956年，出現了與貓的癥狀相似的病人。因為開始病因不清，所以用當地地名命名。1991年，日本環境廳公布的中毒病人仍有2248人，其中1004人死亡。

六、1955至1972年骨痛病事件

鎘是人體不需要的元素。日本富山縣的一些鉛鋅礦在采礦和冶煉中排放廢水，廢水在河流中積累了重金屬“鎘”。人長期飲用這樣的河水，食用澆灌含鎘河水生產的稻谷，就會得“骨痛病”。病人骨骼嚴重畸形、劇痛，身長縮短，骨脆易折。七、1968年日本米糠油事件

先是幾十萬只雞吃了有毒飼料后死亡。人們沒深究毒的來源，繼而在北九州一帶有13000多人受害。這些雞和人都是吃了含有多氯聯苯的米糠油而遭難的。病人開始眼皮發腫，手掌出汗，全身起紅疙瘩，接著肝功能下降，全身肌肉疼痛，咳嗽不止。這次事件曾使整個西日本陷入恐慌中。

八、1984年印度博帕爾事