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《生物工程下游技术》突出典型案例与理论教学相结合的特色，理念创新，实用性强。《生物工程下游技术》分为上、下两篇。上篇介绍了生物产品分离纯化的单元分离过程或技术，并穿插了相关案例。下篇集中介绍小分子氨基酸、大分子酶产品、胞内产物及生物产业清洁生产技术发展和演变等案例，以帮助学生理解生物产品分离纯化的基本原理和技术、工艺演变的原因，以及分离过程的能耗和物耗、收得率和戚本等概念。通过对清洁生产的研讨，使学生在更高层面上理解生物经济和环境保护的关系。《生物工程下游技术》每章都附有应用案例、设备图或原理图，并配有本章小结、思考题及主要参考文献。

目录

前言

上篇 分离技术原理和单元分离技术

**章 绪论 3

**节 生物工程下游技术工作范畴 3

第二节 下游分离技术的一般工艺过程 6

第三节 下游分离技术的发展动态 9

本章小结 10

思考题 11

主要参考文献 11

第二章 下游技术的理论基础 12

**节 下游技术中的物理学过程 12

第二节 下游技术中的化学过程 18

第三节 下游技术中的生物学过程 20

本章小结 25

思考题 25

主要参考文献 25

第三章 发酵液的预处理 26

**节 发酵液性质及其改变 26

第二节 发酵液的相对纯化 29

第三节 固液分离工程及装备 31

第四节 发酵液预处理案例 43

本章小结 44

思考题 44

主要参考文献 44

第四章 细胞的破碎与分离 46

**节 细胞破碎 46

第二节 胞内产物的溶解和复性 57

第三节 细胞破碎、分离和胞内产物溶解复性的典型案例 65

本章小结 67

思考题 68

主要参考文献 68

第五章 沉淀分离 69

**节 概述 69

第二节 蛋白质的溶解特性 71

第三节 蛋白质胶体的稳定性 73

第四节 沉淀分离案例分析 98

本章小结 100

思考题 100

主要参考文献 101

第六章 萃取分离 102

**节 萃取分离的基本原理 102

第二节 溶剂萃取 111

第三节 固液萃取 123

第四节 双水相萃取 128

第五节 液膜分离 136

第六节 反胶团萃取分离 144

第七节 超临界萃取技术 151

本章小结 162

思考题 163

主要参考文献 163

第七章 膜分离技术 164

**节 概述 164

第二节 膜分离的理论基础 168

第三节 膜分离过程及特点 173

第四节 膜分离技术应用的典型案例 180

本章小结 183

思考题 183

主要参考文献 183

第八章 吸附与离子交换 184

**节 吸附基本原理 184

第二节 离子交换基本原理 193

第三节 应用案例 205

本章小结 208

思考题 208

主要参考文献 208

第九章 色谱分离 210

**节 概述 210

第二节 色谱法的分类及其原理 213

第三节 常用色谱及案例 216

第四节 新型实用色谱及其案例 227

本章小结 232

思考题 233

主要参考文献 233

第十章 结晶技术 234

**节 基本概念 234

第二节 结晶动力学 238

第三节 结晶操作和结晶设备 244

第四节 相关的结晶案例分析 249

本章小结 251

思考题 252

主要参考文献 252

第十一章 酒精差压蒸馏 253

**节 蒸馏的基本原理 253

第二节 差压蒸馏的理论依据 254

第三节 差压蒸馏的工艺特征 263

第四节 酒精差压蒸馏的案例分析 266

本章小结 270

思考题 27l

主要参考文献 271

第十二章 蒸发浓缩与干燥技术 272

**节 蒸发浓缩技术 272

第二节 干燥技术 286

第三节 蒸发浓缩与干燥技术典型案例 301

本章小结 303

思考题 304

主要参考文献 304

下篇 分离技术的工艺集成和清洁生产

第十三章 味精工业下游分离技术案倒分析 307

**节 谷氨酸分离提取的工艺技术流程 308

第二节 谷氨酸提取两种工艺的经济性和环境影响比较 312

第三节 谷氨酸提取的新技术成果简介 313

第四节 味精清洁生产技术进一步的发展方向探讨 314

本章小结 316

思考题 316

主要参考文献 316

第十四章 酶制剂工业 317

**节 酶制剂生产概述 317

第二节 酶制剂下游加工过程案例 324

第三节 酶制剂下游加工过程成本分析 328

第四节 酶制剂生产污染分析与综合利用案例 330

本章小结 332

思考题 332

主要参考文献 332

第十五章 胞内产物的分离提取 333

**节 传统中药的分离提取 333

第二节 植物活性成分的分离提取 337

第三节 植物分离提取新技术成果简介 340

本章小结 344

思考题 345

主要参考文献 345

第十六章 清洁生产导论 346

**节 概论 346

第二节 清洁生产概念 350

第三节 实现清洁生产的有效途径 351

第四节 清洁生产案例 355

第五节 发酵生态工程学探讨 36l

本章小结 364

思考题 365

主要参考文献 365

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**章 绪论

　　第二章 下游技术的理论基础

　　第三章 发酵液的预处理

　　第四章 细胞的破碎与分离

　　第五章 沉淀分离

　　第六章 萃取分离

　　第七章 膜分离技术

　　第八章 吸附与离子交换

　　第九章 色谱分离

　　第十章 结晶技术

　　第十一章 酒精差压蒸馏

　　第十二章 蒸发浓缩与干燥技术

　　**章 绪论

　　对生物物料中的目标成分进行分离提取、加工精制，*终形成某种产品的技术，通常称之为生物工程下游技术(downstream processing)，也称为下游加工工程。这些生物物料可以是微生物的发酵液，也可以是酶催化反应物，或是动植物体及其组织培养物。

　　下游技术是生物产品产业化必经的技术通道，也是生物产业投资和运行成本很高的部分。许多生物产品的成本、质量与下游技术水平直接相关，一些新产品的开发也因下游技术成本过高（有的甚至占生产总成本的70%～900/）难以发展。因而生物工程下游技术的研究开发越来越受到科技界和产业界的重视，出现许多新技术、新概念、新装备。对于某一具体产品而言，完整的下游技术生产工艺通常包括许多“单元分离技术”。单元分离固然重要，但对这些单元技术的综合集成，形成先进的整体工艺也是非常重要的，就像“珍珠”需要“串接”才能形成绚丽多姿的项链一样。

　　下游技术的根本目标是以*少的物质及能量投入获取*多、**的产品，同时要求“废物*少化”（环境友好），因为废物的产生往往与所采用的下游技术有关。本教材的上篇将重点阐释单元分离技术的基本原理、主要概念和案例应用；下篇通过典型产品的实际案例及其浦洁生产，讲解下游技术中的综合集成以及下游技术与环境保护之间的关系。

　　**节 生物工程下游技术工作范畴

　　一、技术范畴

　　通常将涉及微生物菌种改造的生物学技术称为“上游技术”，与生物反应工程学相关的技术称为“中游技术”，从生物物料中分离提取获得目标物质*终形成产品的技术统称为“下游技术”。这只是一个称谓上的简单划分，在实际的生物产品制造中它们是相互关联又相互影响的。

　　作为工科的专业教材，本课程将集中阐述生物工程学科中“物质分离”的理沦基础、技术原理及其工业应用，其基本概念和方法也适用于实验室研究。

　　分离是混合的逆过程。由热力学第二定律可知，混合过程是一个熵增加的、自发的过程。而它的逆过程——分离过程，则不能白发进行，需要做功才能实现，并且需要有专门的设备与过程。例如，将乙醇加入水中，由于氢键的作用会自发形成均匀的乙醇水溶液，而要将乙醇与水分开，那就远非如此容易和简单了：这需要通过蒸馏装备，还要供给能量（蒸汽），要将它们彻底分开，还需设法打破恒沸点才能办到。实际的工业生产中，目标产物往往与大量杂质混合在一起。这些杂质包括未消耗完毕的培养基成分、生物反应的副产物、微生物细胞、消泡剂等。下游技术的工作和研究对象，就是采取何种技术手段，用**的成本生物工程下游技术（物力、财力和人力）从这些混合物中获得**价值的产品（提取得率、合适的纯度或质量等）。

　　“少量产品大量废水”是液态深层发酵的技术结构型缺陷，废水污染而导致水资源浪费已成为工业生物产业可持续健康发展的共性难题。“清洁生产”是联合国倡导的“可持续发展战略”的重要组成部分，在工业生物产业中它与下游分离技术相关度**，因此下游技术仅仅关注“分离”还不够，需要与环境技术领域交叉结合，用更加宽阔的视野审视分离技术的优劣。因而本教材专门安排了“清洁生产”内容，并通过近年来的研究案例加以分析和讲解，明确经济与环境二者和谐发展的趋势。

　　二、生物工程下游技术的发展历程

　　1．古代酿造业

　　生物产业的历史可追溯到古代的酿造业，包括酿酒、制酱（油）、醋、酸奶和干酪等。技术原始，工场是家庭作坊式的，产物基本不经过后处理而直接食用，当然也就没有上游下游技术之说了。

　　2．**代生物技术

　　**代（传统）生物技术主要是指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产业。这一时期，人类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。到20世纪上半叶，近代酿造业有了很大的发展，逐渐开发形成了以发酵法生产乙醇、丙酮、丁醇等的微生物发酵工业（厌氧发酵），其产物相对简单，基本。卜是无活性的小分子产品。此时开始引入了化学工程中成熟的近代分离技术，如过滤、蒸馏等。

　　3．第二代生物技术

　　第二代生物技术是以20世纪40年代出现的青霉素为代表，人类的健康需求促使抗生素产业迅速扩大。特别是无菌空气制备技术的开发成功，促进了大型好氧发酵装置的工业化，微生物发酵产业迅速壮大。一大批液态深层通风发酵产品，如链霉素等抗生素、谷氨酸（味精）等氨基酸、I+G等核苷酸、柠檬酸等有机酸、淀粉酶等酶制剂、维生素C等维生素、黄原胶等微生物多糖、酵母等相继投入工业生产。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；不仅有小分子物质，也有具生物活性的大分子产物，一些产品的分子结构已相当复杂。产品的多样性决定了分离方法的多样性。这期间借鉴和引进吸收了大量近代化学工业的分离技术，据报道有80%的化工单元分离操作技术引入了生物技术产业。

　　4．第三代生物技术

　　第三代生物技术一般认为以20世纪70年代末期崛起的DNA重组技术及细胞融合技术为代表。此时生物技术在基因工程、酶工程、细胞工程和发酵工程等领域取得长足进步，一批对人类十分有益的高附加值的产品，如乙型肝炎疫苗、干扰素等医用高科技产品开始问世。20世纪80年代后国际上还兴起对健康有益的“功能因子”的研究，推出一批功能性低聚糖、活性肽、高不饱和脂肪酸(DHA等)新型产品。同时分子生物学技术应用于微生物育种领域，也使得现有大宗产品的发酵水平大幅度提高。

　　与此同时，下游的产物分离技术研究也十分活跃，出现了许多新概念、新方法、新技术和新装备，大致可分为以下几大类。

　　1)固液分离技术 发酵液菌体特别是细菌的分离一直是生物产业的难题，原因是细菌细胞为高度分散的柔性体，大小为1μm左右，密度与水相差无几。在实验室中可用高速离心机分离，但在工业规模上，特别是对规模大、附加值低的产品而言，高速离心法的投资和运行成本太高，很少采用。20世纪90年代以来，借鉴环境工程、化学工程中广泛使用的菌体絮凝技术，在发酵液预处理阶段，研究开发菌体细胞絮凝技术，改善发酵液的分离特性，加之纤维素助滤剂等的开发，大大提高了发酵液的固液分离效率，甚至用经典的板框过滤也能实现很好的菌体分离。高效的膜分离技术开始应用于工业规模的固液分离，特别在化工分离方法难以奏效的场合（参见第七章“膜分离”的相关内容）。

　　在固液分离机械方面，出现了一些性能优良的新型机械，如带式过滤机、连续半连续的板框过滤机、螺旋沉降式离心机(dccantcr ccntrifugcr)、锥篮一活塞离心机等。小型(φ25～75mm)和超小型旋液分离器(φ≤15mm)的研究应用有了较大进展，如51mm的小型旋流器在供料压强0.5～0.7MPa时，分离因子可达5000g。用多个小型旋流器组成旋流器组，具有造价低廉、节能和维修方便、噪声小等优点，在一些场合下可望取代离心机。小型旋液分离器已用于淀粉洗涤与二氧化钛的分级中，工业上已出现由上千个单体组成的高效旋液分离器组。

　　2)细胞破碎技术 如果产物存在于细胞胞内，则细胞破碎是产物提取所必需的技术。已经开发的细胞破碎技术有球磨破碎、压力释放破碎、冷冻加压破碎和化学破碎等技术（参见第四章“微生物细胞破碎”）。细胞破碎技术的逐渐成熟，使得胞内生物物质的规模化生产成为可能。

　　3)初级分离纯化技术 初级分离纯化技术主要有沉淀、离子交换、两相萃取、膜分离等。较早出现的是酶和蛋白质的盐析沉淀法、有机溶剂沉淀法等。双水相萃取技术比较适合于胞内大分子物质和细胞碎片的分离，为胞内物质进一步分离纯化创造了前提。膜分离技术解决了活性生物大分子对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应用。

　　4)高度分离纯化技术 小分子物质一般可通过离子交换、脱色、结晶及重结晶等方法获得高纯度的优质产品。但生物大分子的纯化一直是个难题，色谱（层析）分离技术是大分子产物纯化常用技术，如亲和色谱、疏水色谱、聚焦色谱、离子交换色诺和凝胶色谱等，这些技术不仅在实验室广泛应用，有一些已逐渐应用于工业规模。

　　5)其他新型分离技术 超临界CO2萃取技术在提取分离高附加值的生物物质方面发挥了很大的作用。首先是在啤酒花精油有效成分分离和咖啡豆中咖啡因分离中得到工业应用，进而在医药、保健和化妆品等产业领域取得长足进展。纳滤(nanofiltration)膜分离技术是介于超滤膜和反渗透膜之间的物质分离技术，由于它能使水和大部分无机盐通过而截留分子质量为300～1000Da的小分子有机物，在生物产业和水处理方面有广阔的应用前景。渗透蒸发技术、液膜分离技术、反胶团萃取分离技术在生物产业的研究和应用方面也取得了较大进展。

　　众多的下游分离技术的出现和产业应用，使得生物产业向新的高度和广度发展，既推动了新产业的不断出现，也促进了原有大宗发酵产业的技术进步，即提高了质量又降低了成本。生物工程上游、中游、下游技术的结合，共同推动生物产业的发展，在健康、食品、环境、能源、材料和资源等经济领域发挥出越来越大的作用。

　　第二节 下游分离技术的一般工艺过程

　　一、生物物料及产品特性

　　需要对下游技术所针对的生物物料（如发酵液）的物性进行透彻了解。粗料发酵与精料发酵的发酵液物性存在很大不同，对下游分离所采用的工艺技术及装备材料有较大影响。许多大宗发酵产业为了降低制造成本常常是粗料发酵。例如，燃料乙醇我国常用全粉碎木薯发酵，美国用全粉碎玉米发酵；在氨基酸发酵上，我国通常用玉米淀粉双酶法转化的葡萄糖作为原料，属于精料发酵，而日本、韩国多用甘蔗制糖后的废糖蜜作为原料，其中离子和色素类物质多且杂，属于粗料发酵。虽是同一产品，因原料不同不仅演变出不同的发酵菌种和工艺，在下游分离技术上也会有很大的差异，因为发酵液杂质不同，发酵液物性有较大差异，对*终产品的质量、收得率以及废物的处理方法会有较大影响。

　　对于一些附加值高、规模小且产物发酵浓度不高的产品，考虑到下游提取分离技术的成本，通常采用“精料发酵”，如某些小品种氨基酸、维生素、小肽类的生物防腐剂、发酵类药物或中间体等。

　　对于直接从动、植物组织中提取分离的产品，原料预处理方法也需足够重视，如超临界CO2技术提取植物原料的风味或药用成分，植物原料通常要事先粉碎，一般粉碎机的机械运动冲击点处温度高达300℃，可能造成有效成分的挥发或氧化变质而遭受较大损失，因而要有降温措施。

　　除原料特性外，*终的产物特性也要给予足够关注。当产物是晶体时，因其密度大于液体，在地心重力场的作用下晶体始终有下沉趋势，激烈的搅拌又会将晶体打碎从而影响产品质量和收得率，因而结晶器结构设计优化时需要考虑增加“轴向流”比例，降低“径向流”和“环向流”比例，计算流体力学( computational fluid dynamics，CFD)是一个很好的设计优化模拟方法。

　　晶体与母液分离方法的不同以及晶体夹带母液的多少也会影响产品的收得率和质量，因为大量杂质集中在母液中（参见第十章“工业结晶”的相关内容）。

　　对于像酶制品那样有活性的生物大分子产品，提取过程则要尽量避免高温等导致失活的操作，现多采用常温操作的膜分离技术，多数以高酶活的液态产品为*终产品形态，既避免了高温干燥脱水过程引起的酶失活，也没有干燥尾气的环境污染问题。

　　二、下游技术的一般工艺过程

　　由于生物产品类型众多、原料广泛、性质多样、用途各异，因而分离、提取、精制的方法技术、工艺路线及相关裴备也是多种多样的。根据不同的对象，可采用行之有效的化工单元操作技术，也可采用生物产业中特有的下游分离新技术。对某一具体产品而言，其分离提取工艺路线的形成和变化还与下列情况有关。

　　(1)是胞内产物还是胞外产物；

　　(2)生

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前言

序言

书籍介绍

《生物工程下游技术(案例版生物工程系列规划教材)》突出典型案例与理论教学相结合的特色，理念创新，实用性强。全书分为上、下两篇。上篇介绍了生物产品分离纯化的单元分离过程或技术。并穿插了相关案例。下篇集中介绍小分子氨基酸、大分子酶产品、胞内产物及生物产业清洁生产技术发展和演变等案例，以帮助学生理解生物产品分离纯化的基本原理和技术、工艺演变的原因．以及分离过程的能耗和物耗、收得率和成本等概念。通过对清洁生产的研讨，使学生在更高层面上理解生物经济和环境保护的关系。《生物工程下游技术(案例版生物工程系列规划教材)》每章都附有应用案例、设备图或原理图．并配有本章小结、思考题及主要参考文献。

本书适合生物工程专业本科学生使用，也适合相关领域的专业研究人员和企业工程技术人员参考。

本教材邀请了在下游技术领域中有实践经验和专长的学者参与编写，全书最终由江南大学毛忠贵统稿，毛忠贵、肖冬光、段传人、赵长新分工审核。