第五章 下游加工过程
（downstream processing）
第一节 概况
一、下游加工技术的重要性
1.产品分离纯化是最终获得商业产品的环节。
2.投资费用高（抗生素、乙醇、柠檬酸占60%）。
3.分离纯化技术落后会阻碍发酵工程技术的发展。
几种产品在发酵液中的浓度
产品 典型浓度（g/L）
抗生素 25
氨基酸 100
酒精 100
有机酸 100
酶 20
蛋白质 10
二、下游加工技术的特点
1. 发酵液的复杂性造成分离上的困难性。
2. 欲提取的产物通常浓度低且很不稳定。
3. 多为分批操作，各批发酵液不尽相同，
要求下游加工有一定弹性。
第二节 下游加工过程
一、一般程序
1.预处理和固液分离：加速固液相分离
2.细胞破碎，分离胞内产物
3.初步纯化（提取）：除去与产物性质差异很大的杂质
4.高度纯化（精制）：除去与产物性质相似的杂质
5.产品加工
二、过程概述
（一）预处理和固液分离
1. 预处理：
2. 目的——改变发酵液性质，有利于固液分离。
3. 酸化
4. 降低发酵液粘度
5. 加热
6.
7. 加絮凝剂 使细胞或大分子聚结成较大颗
粒
2.固液分离
主要方法是过滤和离心。
板框压滤机
过滤 加助滤剂（常用硅藻土等）
鼓式真空过滤机
离心：含固形物较多的发酵液用倾析式离心机。
倾析式离心机的结构
1 发酵液 2 固形物出口 3 送料的中空驱动轴 4 固形物
5 螺旋输送器 6 液体出口处 7 主驱动轴
（二）细胞破碎（欲提取的产物存在于细胞内）
机械法
物理法
化学法
生物法（酶解）
机械法
1）液体剪切：搅拌、匀浆。
2）固体剪切：研磨，珠磨，捣碎。
工业上大规模细胞破碎一般采用机械法
高压匀浆器（利用冷冻挤压原理制成）
球磨机
（三）提取
1.沉淀法
（1）等电点沉淀法(isoelectric precipitation)
氨基酸（两性电解质）在等电点时溶解度最低。
较少单独使用，多与其它方法联合使用（如盐析法、有
机溶剂法），因蛋白质在等电点仍有一定的溶解度。
谷氨酸分子中有两个羧基和一个碱性氨
基，溶于水后呈离子状态。
离子态 GA+ GA± GA– GA=
pH 2 >12
等电点
（2）不溶性盐沉淀法
某些代谢产物在一定pH下，能与酸、碱或金属
离子等形成不溶性盐沉淀析出，再用适当方法使复
合物溶解。
锌盐法：提取谷氨酸
钙盐法：提取柠檬酸
单 宁：提取酶
（3）有机溶剂沉淀法
试剂试剂：丙酮、乙醇、甲醇等亲水溶剂：丙酮、乙醇、甲醇等亲水溶剂
乙醇沉淀多糖：
在较高的醇浓度下，降低多糖分子与水之间的
亲和力，使多糖分子之间相互结合形成沉淀。
2.色谱分离法
色谱法也称层析法，是1903年俄国植
物学家Michael Tswett发现并命名的。将
植物色素溶液通过装有CaCO
3
吸附剂的柱
子，然后用石油醚淋洗，各种色素以不同
的速率流动后形成不同的色带而被分开。
色谱起源
色谱
组分
色素
石油醚
碳酸钙颗粒
用色彩（chroma）和图谱（graphs）组成色谱一
词（Chromatography) 。
（1）吸附层析（adsorption chromatography）
原理
利用吸附剂对组分吸附能力的差异进行分离。
通过范德华力、静电引力、疏水作用等与待分离物质
的极性官能团作用。
常用吸附剂:
活性炭、氧化铝、碳酸钙、磷酸钙（羟基磷灰
石）、硅胶等。
（2）离子交换层析（ion exchange chromatography）
原理:根据待分离物质带电性质不同的分离纯化方法。
即：离子交换树脂上可电离的离子与流动相中具有相
同电荷的溶质离子进行可逆交换。
离子交换剂：
离子交换剂由载体、电荷基团和反离子构成。
如羧甲基纤维素离子交换剂组成
纤维素—O—CH
2
—COO-—Na+
载体 电荷基团 反离子
1.平衡阶段:离子交换
剂与反离子结合。
2.吸附阶段：样品与反
离子进行交换。
3、4. 解吸附阶段：用
梯度缓冲液洗脱，先洗
下弱吸附物质，后洗下
强吸附物质。
5.再生阶段：用原始平
衡液进行充分洗涤，即
可重复使用。
1 2 3 4 5
原始缓冲溶
液的反离子
样品溶液 梯度浓度
Ion-exchange chromatography
氨基酸的分离( 阳离子交换树脂)
用pH递增的柠檬酸盐缓冲溶液洗脱侧链pKa增大的氨基酸
3.膜分离（membrane separation）
借助一定孔径的高分子薄膜，将不同大小、形
状、性质的颗粒或分子进行分离的技术。
特点：
（1）不涉及相变，对能量要求低。
（2）条件较温和，适于热敏性物质的分离。
（1） 扩散膜分离
——透析（又称渗析，Dialysis ，DS ）
溶质分子Y 从高浓度一侧通过半透膜（孔径5～10nm）
向低浓度一侧移动
透析工作图
（2）加压膜分离
根据所截留物质颗粒大小及操作压力的不同，分为：
截留颗粒直径 操作压力
微滤 ~2m <
超滤 20A ~ m ~
反渗透 <20A ~10MPa
（3）电场膜分离
电渗析（Electrodialysis，ED）
在离子交换膜的两侧分别装上正、负电极。
膜分离法 传质推动力 应用
微滤 < MPa 除菌，回收菌
超滤 ~ MPa 分离病毒及生物大分子的
回收和浓缩，除去热原
反渗透 ～10 MPa 盐、氨基酸及生物大分子
的浓缩、淡水及纯水制备
透析 浓差 脱盐，血液透析
电渗析 电位差 脱盐，海水淡化，纯水制
备，氨基酸和有机酸分离
各种膜分离法的应用范围
（三）精制
大分子（如蛋白质）的精制常依赖于层析技术。
小分子物质的精制常利用结晶技术。
1. 结晶法原理
利用只有同类分子或离子才能排列成为晶
体的性质进行物质分离。
2. 结晶的条件
过饱和（Supersaturation）溶液的形成是结晶
的原推动力和首要条件。
（1）纯度：纯度愈高愈易结晶，通常不低于50％。
（2）浓度：有合适的浓度范围，控制在饱和区以上，
过饱和区以下的介稳区内。
介稳区：
过饱和溶液，但
过量的溶质并不马上
结晶析出，溶液具有
相对稳定性。
谷氨酸浓度为4％－8％时，易得到结晶。
<%时，低温也达不到过饱和状态
含量
>8％时，易析出－谷氨酸（质轻，纯度低）
（3）pH值：pI处，缓慢加酸。
（4）温度：低温，溶解度小，有利于结晶。
（5）晶种：掌握好时机，在介稳区投晶种。
过早：溶化
过晚：刺激细小晶核形成
起晶方法：
（1）自然起晶法（不常用)
蒸发浓缩至不稳区，加稀溶液进入介稳区，形成晶体。
（2）刺激起晶法（生产粉末味精）
蒸发浓缩至介稳区，冷却进入不稳区，析出晶核。
（3）晶种起晶法（生产结晶味精）
蒸发浓缩至介稳区的较低浓度，投晶种。
（四）成品加工（polishing）
1.浓缩：
方法：离心、过滤与膜分离、沉淀及各种吸水剂。
蒸发浓缩：通过加热或减压方法使溶液中的部分溶剂
汽化蒸发，使溶液浓缩的过程。
抽真空降低蒸发温度。
2.干燥
（1）加热干燥
（2）真空干燥
（3）冷冻干燥
（4）吸附干燥
真空干燥：
边抽真空边加热，使物品在较低温度下干燥。
冷冻干燥：
冷冻后抽真空，使水分直接升华到气态。
