一、下游加工过程：通过微生物发酵过程、酶反应过程或动植物细胞大量培养获得的发酵液、反应液或培养液中分离、精制有关产品的过程称为下游加工过程(Down stream processing) 用适当的方法将含量较小的初级产物从反应液或细胞中初步提取出来，再进一步精制加工，得到合格产品的过程。
下游加工的重要性
①发酵混合物产品：如啤酒、葡萄酒、各种发酵饮料等。只需经固--液分离和无菌处理即可。成本一般为10％左右。
②小分子产品、非活性的大分子产品和细胞产品：即传统发酵工业产品，如乙醇、有机酸、氨基酸、抗生素、维生素、单细胞蛋白等。这类产品分离的投资占整个工厂投资的60％左右，生产成本占30％左右。
③生物活性物质产品：如重组DNA(基因工程)产品、精制蛋白质产品。这类产品的分离与精制相当复杂，其下游加工过程的费用可占整个生产费用的80％-90％。
二、下游加工过程的特点
①发酵液是复杂的多相系统：
含有细胞、代谢产物和残余培养基等，使得发酵液的固-液分离很困难。
②目的产物在发酵液中的含量低：传统发酵一般为1％-10％，活性物质产品则为0.01％-1％，而杂质含量很高，基因工程法生产的蛋白质，杂蛋白。
③产物收率低：由于起始浓度低，杂质多，而成品要求纯度高，因此常需好几步分离操作，其结果使产品的收率下降。
酶制剂收率一般为70％左右,精制收率不到50％；
基因工程产品，收率达30％-40％.
④产物易于失活：
遇热、极端pH、有机溶剂、某些金属离子等都会引起失活或分解，对于大分子的蛋白质产品，其活性还受剪切力的影响。
⑤发酵过程不稳定：
在发酵培养过程中，由于生物的变异性大，各批发酵液中有效物质浓度，残余培养基等杂质含量，以及杂菌感染程度等不尽相同。
⑥生物安全问题：
对于某些基因工程产品，应注意生物安全问题，即要防止菌体的扩散，特别对前几步操作，要求在密封环境下进行。
下游加工过程的一般流程
1、一般说来，下游加工过程可分为4个阶段：培养液(发酵液)的预处理和固液分离；初步纯化(提取)；高度纯化(精制)；成品加工。
第一节 发酵液预处理
微生物发酵液的特性可归纳如下：
①发酵产物浓度较低，悬浮液中大部分是水；
②悬浮物颗粒小，密度与液体相差不大；
③固体粒子可压缩性大；
④液体黏度大，大多为非牛顿型流体；
⑤产物性质不稳定，遇热、极端pH、空气氧化、微生物污染、酶分解等作用会引起分解或失活。
发酵液预处理的措施：
降低液体粘度
调整pH
凝聚与絮凝
加入反应剂
2.2 发酵液的预处理
措施：
加水稀释
但增加悬浮液的体积，加大后处理任务
加热
但必须严格控制加热温度和时间
⑴ 热稳定性
⑵ 防止细胞溶解，胞内物质外溢，增加发酵液的复杂性
酶解
2.2 发酵液的预处理
pH影响发酵液中某些物质的电离度和电荷性质，恰当pH，能促进细胞聚集，改善过滤特性。
氨基酸是两性电解质
等电点 pH>pI 碱性条件 负电荷
pH<pI 酸性条件 正电荷
等电点下，两性物质的溶解度最小
2.2 发酵液的预处理
2.2 发酵液的预处理
2.2 发酵液的预处理
2.2 发酵液的预处理
2.2 发酵液的预处理
发酵液的预处理
发酵液的过滤特性过滤
可压缩滤饼的比阻是两侧压强差的函数，通常可用下面的经验公式估算：
恒压，恒速，变压变速操作：
恒压操作：△p不变，Lc ，Rc＝rLc ，u
捕虾笼恒速操作： Lc ，Rc＝rLc ， △p
①板框压滤机
✓优点：
板框压滤机的过滤面积大；
过滤推动力(压力差)能较大幅度地进行调整，并能耐受较高的压力差；
结构简单，价格低，
动力消耗少等优点。
✓缺点
不能连续操作，设备笨重，劳动强度大，
卫生条件差，
非生产的辅助时间长，阻碍了过滤效率的提高。
②鼓式真空过滤机
✓优点
能连续操作，
能实现自动化控制
缺点受体激动剂
压差较小，主要适用于霉菌发酵液的过滤。
提高过滤性能的方法
加入助滤剂、加入填充剂、酶解
加入助滤剂
在含有大量细小胶体粒子的发酵液中加入固体助滤剂，则这些胶体粒子吸附于助滤剂微粒上，助滤剂就作为胶体粒子的载体，均匀地分布于滤饼层中，相应地改变了滤饼结构，降低了滤饼的可压缩性，也就减小了过滤阻力。
硅藻土、珍珠岩粉、活性炭、石英砂、纤维素
使用方法：一种是在过滤介质表面预涂助滤剂，另一种是直接加入发酵液中，也可以两种方法同时兼用。
胞外产物 霉菌产生糖化酶等
胞内产物 基因重组产品等
分离纯化方法：
⑴ 使用分泌性宿主，使胞内产物分泌到胞外
⑵ 细胞破碎
物理法，化学法，机械法，酶法
一、微生物细胞壁的结构及组成
细胞壁的化学组成：
微生物的类型
年龄
生长生理学
3.2 细胞壁的结构及组成
3.2 细胞壁的结构及组成
二、细胞壁的破碎
破碎方法的选择： 破碎目的
待破碎生物体的类型
破碎目的：获取产品，考虑破碎收率和能耗；
研究胞内产物在体内的功能，宜
采用软处理。
待破碎生物体的类型：不同生物体对破碎有不
同的敏感度（见表3.2）
破碎方法
1、物理破碎法：高压、高剪切力或高速振动
①高压匀浆法
采用高压匀浆器是大规模破碎细胞的常用方法，利用高压迫使细胞悬浮液通过针形阀，由于突然减压和高速冲击撞击环造成细胞破裂
图3.3 HC23-高压细胞破碎机
②挤压法：
将浓缩的菌体悬液冷却至-25～-30℃形成冰晶体，施以500MPa的高压冲击，将冷冻细胞从高压阀小孔挤出使之破碎。
图11.5 JY92-Ⅱ型超声波细胞粉碎机
原理：在搅拌桨的高速搅拌下微球高速运动，微球和微球之间以及微球和细胞之间发生冲击和研磨，使悬浮液中的细胞受到研磨剪切和撞击而破碎。产热由夹套带走。
图3.4 珠磨机简图
2、化学破碎法
利用化学试剂改变细胞壁或细胞膜的结构或完全破除细胞壁形成原生质体后，在渗透压作用下使细胞膜破裂而释放胞内物质的方法。
⑴渗透冲击法：将微生物细胞置于高渗介质(高浓度蔗糖或甘油)。平衡后，突然稀释介质或转入水相中，在渗透压的条件下使之破裂。
耐高温盘根
⑵增溶法：某些表面活性剂可以增加细胞壁或膜的通透性，从而使细胞破碎。
表面活性剂有阴、阳离子型和非离子型三种，两性分子，含有亲水基团和疏水基团，既能与水作用也能溶解细胞表面的脂类，使细胞膜通透性增加。
阴离子：SDS
阳离子：季胺盐、伯胺盐、仲胺盐
非离子型：Triton-100
化学渗透法有如下优点：
①对产物释放具有一定选择性，可使一些较小相对分子质量的溶质如多肽和小分子的酶蛋白透过，而核酸等大相对分子质量的物质仍滞留在胞内。
②细胞外形保持完整，碎片少，浆液黏度低，易于固-液分离和进一步提取。
化学渗透法的缺点有：
①通用性差，某种试剂只能作用于某些特定类型的细胞。
②时间长，效率低，一般胞内物质释放率不超过50％。
③有些化学试剂有毒性，在其后的产物提纯精制过程中需设法除去。
3.3.1 破碎率的评价
破碎率的定义：
固体氧
N0：原始细胞数
N：经t时间操作后，保存下来的细胞数
zne1
N0 和N的获取：
直接计数法（平板计数，显微镜计数）
离心制丸机
间接计数法（测破碎细胞释放出活性物质量）
电导率测定法
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