生物工業(yè)下游加工技術(shù)“意志、工作、成功，是人生的三大要素。意志將為你打開(kāi)事業(yè)的大門；工作是入室的路徑；這條路徑的盡頭，有個(gè)成功來(lái)慶賀你努力的結(jié)果——巴斯德（微生物工程學(xué)之父）個(gè)人關(guān)于本科教學(xué)的看法心有多大，舞臺(tái)就有多大！沒(méi)有最好，只有更好！每年對(duì)教學(xué)課件都要進(jìn)行更新，以反映生物工業(yè)下游技術(shù)的最新進(jìn)展！對(duì)同學(xué)們的幾點(diǎn)要求1、希望同學(xué)們多提好的建議；2、勤學(xué)好問(wèn)；3、不要缺席，營(yíng)造一種良好的課堂氣氛。4、我不會(huì)每次課都點(diǎn)名，但可能會(huì)隨機(jī)點(diǎn)名。如果累積點(diǎn)名不到3次，平時(shí)成績(jī)會(huì)受到很大影響；5、NoPains,NoGains!你怎么對(duì)待本門課程的，考試成績(jī)就會(huì)怎么對(duì)待你！一位往屆同學(xué)的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)她成功的一個(gè)重要經(jīng)驗(yàn)就是：每次課后都把老師講過(guò)的內(nèi)容總結(jié)到一張紙上，融會(huì)貫通。其實(shí)她的成功經(jīng)驗(yàn)是很簡(jiǎn)單的，但又是很難復(fù)制的，因?yàn)檎嬲幸懔Φ耐瑢W(xué)太少了！主要參考書（1）生物工業(yè)下游技術(shù)，毛忠貴主編，中國(guó)輕工業(yè)出版社。（2）生物工程下游技術(shù)實(shí)驗(yàn)手冊(cè)，柯德森主編，科學(xué)出版社。單擊此處添加頁(yè)面的標(biāo)題考試形式閉卷考試。平時(shí)成績(jī)占20％，考試成績(jī)占80％。平時(shí)成績(jī)：取決于點(diǎn)名情況、課堂表現(xiàn)和課后作業(yè)。第一章緒論生物工業(yè)：也稱生物煉制和生物制造，以生物活體作為反應(yīng)器進(jìn)行物質(zhì)和能源等生產(chǎn)，也可擴(kuò)展到工業(yè)化的生物設(shè)計(jì)與繁殖等。生物工程：一般認(rèn)為是以生物學(xué)(特別是其中的微生物學(xué)、遺傳學(xué)、生物化學(xué)和細(xì)胞學(xué))的理論和技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合化工、機(jī)械、電子計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代工程技術(shù)，充分運(yùn)用分子生物學(xué)的最新成就，自覺(jué)地操縱遺傳物質(zhì)，定向地改造生物或其功能，短期內(nèi)創(chuàng)造出具有超遠(yuǎn)緣性狀的新物種，再通過(guò)合適的生物反應(yīng)器對(duì)這類“工程菌”或“工程細(xì)胞株”進(jìn)行大規(guī)模的培養(yǎng)，以生產(chǎn)大量有用代謝產(chǎn)物或發(fā)揮它們獨(dú)特生理功能一門新興技術(shù)。生物工程研究?jī)?nèi)容生物工程包括五大工程，即遺傳工程(基因工程）、細(xì)胞工程、微生物工程(發(fā)酵工程)、酶工程(生化工程)和生物反應(yīng)器工程。在這五大領(lǐng)域中，前兩者作用是將常規(guī)菌(或動(dòng)植物細(xì)胞株)作為特定遺傳物質(zhì)受體，使它們獲得外來(lái)基因，成為能表達(dá)超遠(yuǎn)緣性狀的新物種——“工程菌”或“工程細(xì)胞株”。后三者的作用則是這一有巨大潛在價(jià)值的新物種創(chuàng)造良好的生長(zhǎng)與繁殖條件，進(jìn)行大規(guī)模的培養(yǎng)，以充分發(fā)揮其內(nèi)在潛力，為人們提供巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。生物工程分為上游技術(shù)和下游技術(shù)兩部分。生物工程中的上下游技術(shù)上游技術(shù)（UpstreamProcessing）：指的是目的基因獲得、載體建立、連接、轉(zhuǎn)入合適的宿主細(xì)胞、篩選、克隆表達(dá)和優(yōu)良生物物種的選育、基因工程、細(xì)胞工程、生物反應(yīng)過(guò)程（酶反應(yīng)、微生物發(fā)酵、動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)）等。簡(jiǎn)而言之，上游技術(shù)就是創(chuàng)造工程菌并且大規(guī)模繁殖工程菌。生物工程中的上下游技術(shù)下游技術(shù)（DownstreamProcessing）：對(duì)于由生物界自然產(chǎn)生的或由微生物菌體發(fā)酵的、動(dòng)植物細(xì)胞組織培養(yǎng)的、酶反應(yīng)等各種生物工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程獲得的生物原料，經(jīng)提取分離、加工并精制目的成分，最終使其成為產(chǎn)品的技術(shù)，通常稱為下游技術(shù)，也稱下游工程或下游加工過(guò)程。簡(jiǎn)單說(shuō)，下游技術(shù)就是目標(biāo)產(chǎn)物的分離純化過(guò)程。

生物工程下游技術(shù)的操作對(duì)象操作對(duì)象一般指包含目標(biāo)產(chǎn)物的人工培養(yǎng)的動(dòng)植物細(xì)胞或菌體，也包括天然的動(dòng)植物及微生物材料。目標(biāo)產(chǎn)物是指具有一定功能的生物分子，主要是蛋白質(zhì)、氨基酸、多肽、糖類及其衍生物、脂類及其衍生物等。目標(biāo)產(chǎn)物的存在形式可為菌體、胞內(nèi)產(chǎn)物和胞外產(chǎn)物三種形式。常見(jiàn)的生物工程目標(biāo)產(chǎn)物（1）氨基酸及其衍生物，如谷氨酸、賴氨酸、精氨酸等。（2）活性多肽類，如谷胱甘肽、催產(chǎn)素、促腎上腺皮質(zhì)激素、腦肽、抗菌肽等?？咕模嚎咕脑咐ハx(chóng)體內(nèi)經(jīng)誘導(dǎo)而產(chǎn)生的一類分子量在4KD左右，具有抗菌活性的堿性多肽物質(zhì)。后來(lái)，從其他昆蟲(chóng)以及兩棲類動(dòng)物、哺乳動(dòng)物中，也分離到結(jié)構(gòu)相似的抗菌多肽?？咕牡母拍畹玫搅藰O大的擴(kuò)展?？咕牡墓πШ涂咕鷻C(jī)制抗菌肽具有廣譜抗菌活性，對(duì)細(xì)菌有很強(qiáng)的殺傷作用，尤其是其對(duì)某些耐藥性病原菌的殺滅作用更引起了人們的重視。除此之外，人們還發(fā)現(xiàn)，某些抗菌肽對(duì)部分病毒、真菌、原蟲(chóng)和癌細(xì)胞等有殺滅作用，甚至能提高免疫力、加速傷口愈合過(guò)程。作用機(jī)制：目前一般認(rèn)為,Cecropin類抗菌肽作用于細(xì)胞膜，在膜上形成跨膜的離子通道，破壞了膜的完整性，造成細(xì)胞內(nèi)容物泄漏，從而殺死細(xì)胞。常見(jiàn)的生物工程目標(biāo)產(chǎn)物（3）蛋白質(zhì)類，是最重要的生物工程產(chǎn)品，也是下游技術(shù)最主要的分離對(duì)象。如生長(zhǎng)素、胰島素、干擾素等。（4）酶類：酶是具有催化功能的蛋白質(zhì)或核酸類生物，在醫(yī)療、環(huán)保、能源、食品和飼料等領(lǐng)域具有重要的作業(yè)，是生物工程的主要研究對(duì)象和主要應(yīng)用產(chǎn)品。2008年世界酶制劑的銷售額已經(jīng)達(dá)到30億美元。世界上最大的8

家酶制劑生產(chǎn)廠商

全世界各種酶制劑的銷售比例不同工業(yè)用酶的銷售情況中國(guó)各類酶制劑的產(chǎn)量和銷售情況常見(jiàn)的生物工程目標(biāo)產(chǎn)物（5）核酸及其降解物質(zhì)，主要包括堿基、核苷酸及其衍生物等。（6）糖類。主要包括常規(guī)的單糖、寡糖（低聚寡糖）、多糖及其衍生物等。

（7）脂質(zhì)類。主要包括磷脂類、多價(jià)不飽和脂肪酸、固醇、卟啉以及膽酸類等。（8）小動(dòng)物制劑，包括蜂王漿、蜂膠、水蛭素等。（9）微生物制劑，包括活菌體、滅活菌體及其提取物制成的藥物，如微生物肥料制劑、畜牧業(yè)飼料、污水處理用微生物制劑等。生物工程之父——巴斯德路易·巴斯德（LouisPasteur，1822.12.27-1895.9.25)，法國(guó)微生物學(xué)家、化學(xué)家，近代微生物學(xué)的奠基人。巴斯德把微生物發(fā)酵原理廣泛應(yīng)用于指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)，開(kāi)創(chuàng)了“微生物工程”，被人們尊稱為“微生物工程學(xué)之父”。主要貢獻(xiàn)：（1）每一種發(fā)酵作用都是由于一種微菌的發(fā)展，“巴氏殺菌法”已成功應(yīng)用在各種食物和飲料上。（2）每一種傳染病都是一種微菌在生物體內(nèi)的發(fā)展，由于發(fā)現(xiàn)并根除了一種侵害蠶卵的細(xì)菌，巴斯德拯救了法國(guó)的絲綢工業(yè)。（3）傳染病的微菌，在特殊的培養(yǎng)之下可以減輕毒力，使他們從病菌變成防病的疫苗。生物工程之父——巴斯德科學(xué)雖然沒(méi)有國(guó)界，科學(xué)家卻有自己的祖國(guó)?！退沟缕辗☉?zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)后，巴斯德把自己從德國(guó)伯恩大學(xué)獲得的名譽(yù)證書退還給伯恩大學(xué)。巴斯德與巴氏滅菌法巴氏滅菌法(pasteurize）又稱低溫滅菌法，先將要求滅菌的物質(zhì)加熱到65℃30分鐘或72℃15分鐘，隨后迅速冷卻到10℃以下。這樣既不破壞營(yíng)養(yǎng)成分，又能殺死細(xì)菌的營(yíng)養(yǎng)體。巴氏滅菌法的產(chǎn)生來(lái)源于巴斯德解決啤酒變酸問(wèn)題的努力。當(dāng)時(shí)，法國(guó)釀酒業(yè)面臨著一個(gè)令人頭疼的問(wèn)題，那就是啤酒在釀出后會(huì)變酸，根本無(wú)法飲用。巴斯德發(fā)現(xiàn)啤酒變酸的罪魁禍?zhǔn)资侨樗釛U菌。以50~60攝氏度的溫度加熱啤酒半小時(shí)，就可以殺死啤酒里的乳酸桿菌和芽孢，而不必煮沸。這一方法挽救了法國(guó)的釀酒業(yè)。巴氏滅菌法的原理巴氏殺菌法將原料加熱至60～70℃，并保持此溫度30min，以后急速冷卻到4-5℃。因?yàn)橐话慵?xì)菌的致死點(diǎn)均為溫度68℃與時(shí)間30min以下，所以將混合原料經(jīng)此法處理后，可殺滅其中的致病性細(xì)菌和絕大多數(shù)非致病性細(xì)菌；原料加熱后突然冷卻，急劇的熱與冷變化也可以促使細(xì)菌的死亡。巴氏滅菌法在牛奶中的應(yīng)用巴氏滅菌法是一種濕熱滅菌法。通常有兩種做法，一是在61.7℃~62.8℃下加熱30分鐘（低溫長(zhǎng)時(shí)間處理），二是在71.6℃或更高溫度下加熱15分鐘（高溫短時(shí)間處理）。如果加壓，一般效果會(huì)更好。通常，我們喝的袋裝牛奶(燕塘牛奶)就是采用巴氏滅菌法生產(chǎn)的。工廠采來(lái)鮮牛奶，先進(jìn)行低溫處理，然后用巴氏消毒法進(jìn)行滅菌。用這種方法生產(chǎn)的袋裝牛奶通常可以保存3~10天，最多16天。因?yàn)榻?jīng)巴氏消毒后，仍保留了小部分無(wú)害或有益、較耐熱的細(xì)菌或細(xì)菌芽孢，因此巴氏消毒牛奶要在4℃左右的溫度下保存。需要指出的是，喝新鮮牛奶（指剛剛擠出的牛奶）反而是不安全的，因?yàn)樗赡馨瑢?duì)人身體有害的細(xì)菌。另一點(diǎn)是，巴氏消毒法也不是萬(wàn)能的，經(jīng)過(guò)巴氏消毒法處理的牛奶仍然要儲(chǔ)存在較低的溫度下（一般<4℃），否則還是有變質(zhì)的可能性。UHT牛奶滅菌法另一種常見(jiàn)的牛奶滅菌法是超高溫滅菌方法（UHT），這種方法滅菌的牛奶叫做常溫奶（伊利和蒙牛），采用利樂(lè)磚包裝后，可與外界的空氣完全隔離，使得牛奶不再受到細(xì)菌污染，還可避免受陽(yáng)光和氧氣作用導(dǎo)致?tīng)I(yíng)養(yǎng)素的進(jìn)一步破壞。這種牛奶仔常溫下的保存期長(zhǎng)達(dá)數(shù)個(gè)月。

UHT（英文全稱：UltraHighTemperaturetreated）：是一種通過(guò)在極短時(shí)間內(nèi)加溫為食物滅菌的方法（用135~150°C加熱2~3秒）。這個(gè)溫度才能夠殺死殘留在牛奶中的孢子。最常用這種方式來(lái)消毒的有牛奶，不過(guò)這種過(guò)程同樣運(yùn)用于果汁、奶油、豆?jié){、酸奶、葡萄酒、湯、蜂蜜以及濃湯。這種消毒法在1960年代被發(fā)明，并于1970年代逐漸可行起來(lái)。此外，還有第三種牛奶滅菌方式：膜過(guò)濾，例如意大利進(jìn)口的培蘭牛奶。巴斯德與狂犬病疫苗巴斯德并不知道狂犬病是一種病毒病，但從科學(xué)實(shí)踐中他知道有侵染性的物質(zhì)經(jīng)過(guò)反復(fù)傳代和干燥，會(huì)減少其毒性。他將含有病原的狂犬病的延髓提取液多次注射兔子后，再將這些減毒的液體注射狗，以后狗就能抵抗正常強(qiáng)度的狂犬病毒的侵染。1885年人們把一個(gè)被瘋狗咬得很厲害的9歲男孩送到巴斯德那里請(qǐng)求搶救，巴斯德猶豫了一會(huì)后，就給這個(gè)孩子注射了毒性減到很低的上述提取液，然后再逐漸用毒性較強(qiáng)的提取液注射。巴斯德的想法是希望在狂犬病的潛伏期過(guò)去之前，使他產(chǎn)生抵抗力。結(jié)果巴斯德成功了，孩子得救了。在1886年還救活了另一位在搶救被瘋狗襲擊的同伴時(shí)被嚴(yán)重咬傷的15歲牧童朱皮葉。巴斯德在1889年發(fā)明了狂犬病疫苗，他還指出這種病原物是某種可以通過(guò)細(xì)菌濾器的“過(guò)濾性的超微生物”。著名的巴斯德研究所巴斯德研究院屬私人基金會(huì)性質(zhì)，于1888年11月14日，經(jīng)由國(guó)際募款正式成立。其目的在于幫助路易斯·巴斯德（LouisPasteur）進(jìn)行擴(kuò)大防狂犬疫苗的接種、傳染病的研究與相關(guān)知識(shí)的宣導(dǎo)。該院主要工作為傳染病防治的研究教學(xué)以及公共衛(wèi)生服務(wù)，尤其關(guān)注狂犬病、鼠疫、白喉、破傷風(fēng)、斑疹傷寒、黃熱病、結(jié)核病、脊髓灰質(zhì)炎、B型肝炎及艾滋病的研究。研究院在類毒素、BCG、磺胺、抗組胺上的發(fā)現(xiàn)享有盛譽(yù)，研究范圍觸及分子生物學(xué)與遺傳工程生物學(xué)的領(lǐng)域。

從1900年起，研究所共出過(guò)10位諾貝爾獎(jiǎng)得主。生物工業(yè)下游技術(shù)的發(fā)展歷程1、古代釀造業(yè)：釀酒、釀制醬油和醋，酸奶和干酪等。下游加工技術(shù)非常簡(jiǎn)單和粗糙。生物工業(yè)下游技術(shù)的發(fā)展歷程2、第一代生物技術(shù)：19世紀(jì)60年代到20世紀(jì)40年代青霉素等抗生素出現(xiàn)之前的生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)。發(fā)酵法生產(chǎn)酒精、丙酮、丁醇等，產(chǎn)品相對(duì)簡(jiǎn)單，下游加工技術(shù)主要是過(guò)濾、蒸餾和精餾等。以青霉素的生產(chǎn)工藝為例：青霉素G生產(chǎn)可分為菌種發(fā)酵和提取精制兩個(gè)步驟。①菌種發(fā)酵：將產(chǎn)黃青霉菌接種到固體培養(yǎng)基上，在25℃下培養(yǎng)7～10天，即可得青霉菌孢子培養(yǎng)物。用無(wú)菌水將孢子制成懸浮液接種到種子罐內(nèi)已滅菌的培養(yǎng)基中，通入無(wú)菌空；氣、攪拌，在27℃下培養(yǎng)24～28h，然后將種子培養(yǎng)液接種到發(fā)酵罐已滅菌的含有苯乙酸前體的培養(yǎng)基中，通入無(wú)菌空氣，攪拌，在27℃下培養(yǎng)7天。在發(fā)酵過(guò)程中需補(bǔ)入苯乙酸前體及適量的培養(yǎng)基。②提取精制：將青霉素發(fā)酵液冷卻，過(guò)濾。濾液在pH2～2.5的條件下，于萃取機(jī)內(nèi)用醋酸丁酯進(jìn)行多級(jí)逆流萃取，得到丁酯萃取液，轉(zhuǎn)入pH7.0～7.2的緩沖液中，然后再轉(zhuǎn)入丁酯中，將此丁酯萃取液經(jīng)活性炭脫色，加入成鹽劑，經(jīng)共沸蒸餾即可得青霉素G鉀鹽。青霉素G鈉鹽是將青霉素G鉀鹽通過(guò)離子交換樹(shù)脂（鈉型）而制得。生物工業(yè)下游技術(shù)的發(fā)展歷程3、第二代生物技術(shù)：20世紀(jì)40年代到70年代。第二代生物技術(shù)以20世紀(jì)40年代出現(xiàn)的青霉素產(chǎn)品為代表。其他產(chǎn)品還有鏈霉素、谷氨酸、核苷酸、檸檬酸、淀粉酶、微生物多糖和單細(xì)胞蛋白等。下游加工技術(shù)比較完善了，有80%的化工單元操作技術(shù)被引入生物工業(yè)。生物工業(yè)下游技術(shù)的發(fā)展歷程4、第三代生物技術(shù)：20世紀(jì)70年代末到現(xiàn)在。以DNA重組技術(shù)及細(xì)胞融合技術(shù)為代表。產(chǎn)品主要有：乙肝疫苗、干擾素、活性肽、不飽和脂肪酸等。生物工業(yè)下游技術(shù)進(jìn)步很快，出現(xiàn)了很多新概念、新技術(shù)和新裝備?，F(xiàn)在的生物工業(yè)下游技術(shù)分類（1）固液分離技術(shù)：過(guò)濾機(jī)、板框壓濾機(jī)、沉降式離心機(jī)、超濾法、懸液分離器。絮凝劑、助濾劑、微濾膜。（2）細(xì)胞破碎技術(shù)：生產(chǎn)胞內(nèi)物質(zhì)的技術(shù)，包括球磨破碎、壓力釋放破碎、冷凍加壓釋放破碎和化學(xué)破碎。（3）初步分離純化技術(shù)：沉淀、離子交換、萃取、超濾等技術(shù)?，F(xiàn)在的生物工業(yè)下游技術(shù)分類（4）高度分離純化技術(shù)：色譜（層析）技術(shù)，如親和色譜、疏水色譜、聚焦色譜，離子交換色譜和凝膠色譜等。（5）其他新型分離技術(shù)：超臨界二氧化碳萃取技術(shù)、納米過(guò)濾技術(shù)、滲透蒸發(fā)技術(shù)、液膜技術(shù)、反膠團(tuán)技術(shù)。生物工業(yè)下游技術(shù)的一般工藝過(guò)程發(fā)酵液→預(yù)處理→細(xì)胞分離→細(xì)胞破壁→碎片分離→提取→精制→成品制作預(yù)處理：加熱、調(diào)pH、絮凝細(xì)胞分離：過(guò)濾、離心、膜分離細(xì)胞破壁：勻漿法、研磨法、酶解法碎片分離：離心、雙水相、膜分離提取：沉淀、吸附、萃取、超濾、結(jié)晶。精制（重）結(jié)晶、離子交換、色譜分離、膜分離成品制作：濃縮、干燥、無(wú)菌過(guò)濾、成型下游技術(shù)各過(guò)程的目的（1）預(yù)處理和固液分離：主要目的是除去發(fā)酵液中的培養(yǎng)基成分和不溶性固形雜質(zhì)，得到菌體細(xì)胞。如果產(chǎn)物在胞內(nèi)，收集細(xì)胞后還要進(jìn)行細(xì)胞的破碎和細(xì)胞碎片的分離。（2）提?。ǔ醪椒蛛x）：目的是除去與產(chǎn)物性質(zhì)差異較大的雜質(zhì)，為后續(xù)精制工序創(chuàng)造有利條件。（3）精制（高度純化）：目的是除去與產(chǎn)物的物理化學(xué)性質(zhì)比較接近的雜質(zhì)。（4）成品制作：目的是根據(jù)最終用途將產(chǎn)物加工成所需的、固體或液體的、美觀的產(chǎn)品形態(tài)。生物工業(yè)下游技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)一、傳統(tǒng)分離技術(shù)的提高和完善：傳統(tǒng)的蒸餾、蒸發(fā)、過(guò)濾、離心、結(jié)晶和離子交換等技術(shù)得到了不斷的提高和完善。如結(jié)合蒸汽噴射熱泵的四效甚至七效蒸發(fā)技術(shù)大幅度節(jié)能，各種新型高效的過(guò)濾機(jī)械和離心機(jī)械的問(wèn)世，結(jié)晶理論和離子交換技術(shù)的新發(fā)展等。生物工業(yè)下游技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)二、新技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)：1、新型