在发酵工程产品的生产中，分离和纯化是最终获得商业产品的重要环节，其所需费用也占了成本的很大部分。例如，在抗生素、乙醇、柠檬酸等的生产中，分离和精制部分占企业投资费用的60％，而在基因工程菌的发酵生产中，纯化蛋白质的费用可占整个生产费用的80％～90％。并且这种偏向还有继续加剧的趋势。因此分离纯化技术的落后，会严重阻碍发酵工程技术的发展，使实验室成果无法转化成生产力。分离纯化技术的进步，对于提高发酵工程产品在国际经济市场的竞争力至关重要。为表明其在发酵工程中的地位和重要性，常相对于菌种选育和发酵生产这些上游技术，把分离纯化技术称为下游加工过程(down stream processing)。
- 发酵工程下游加工过程的特点和重要性
发酵液是复杂的多相系统。分散在其中的固体和胶状物质具有可压缩性，其密度又和液体相近，加上黏度很大，属非牛顿性液体，从如此复杂的体系中分离所需固体物质困难很大。
表12-1 几种产品在发酵液中的浓度
发酵工程产品的分离纯化不同于化学品的纯化生产，其主要特点是一般所需代谢产物在培养液中的浓度很低(表12-1)，并且稳定性低，对热、酸、碱、有机试剂、酶以及机械剪切力等均十分敏感，在不适宜的条件下很容易失活或分解。而培养液中杂质含量却很高，如含有微生物细胞碎片、代谢产物、残留的培养基和超短纤维等，特别是基因工程菌多是用于生产外源蛋白质，发酵液中常常伴有大量性质相近的杂蛋白质。在这样一个复杂的多相体系中，为了提取出高纯度的产品，可见研究先进的下游加工过程的确是发酵工程工业化的关键。
另一特点是下游加工过程的代价昂贵，其回收率往往不会很高，像抗生素在精制后一般要损失20％左右。这样，下游加工的成本就成了制约生产者提高经济效益的重要因素。下游加工过程研究的目的就是提高产品回收率，降低分离纯化成本，否则发酵工程就不可能有工业化经济效益。
下游加工技术的重要性使人们认识到，上游技术的发展应该注意到下游方面的困难，否则即使发酵液的产物浓度提高了，却仍然得不到产品。所以上游要为下游提取方便创造条件。例如，如何选育不产或少产与目标产物性质相近的杂质的菌种；将原来胞内产物变为胞外产物或可以分泌到围膜间隙；在细胞内形成包涵体，在细胞破碎后，在低离心力条件下即能沉降；利用基因工程技术给尿抑胃素接上若干个精氨酸残基，使其碱性增加，容易被阳离子交换剂吸附等。这些都是针对下游加工工艺困难，从选育菌种着手的成功例子。
- 发酵工程下游加工过程的基本原理
生物物质的分离方法与一般化学方法虽然有许多不同特点，但在原理上又有许多是相同的，这充分说明近代生物化学的发展与化学和物理学的密切关系。用于生物化学分离的制备技术大都是根据混合物中不同组分分配率的差异，将其分配于可用机械方法分离的两个或几个物相中(如溶剂提取、盐析、结晶等)，或将混合物置于某一物相中(主要是液相)，外加一定的作用力，使各组分分配于不同区域，而达到分离纯化的目的(如电泳、超离心、超滤等)。除了小分子物质如氨基酸、脂肪酸、固醇类及某些维生素外，几乎所有有机体中的大分子物质都不能融化和蒸发，只限于分配在固相和液相中。因此可以人为地创造一定的条件，让这些大分子物质在这两相中交替转移，而达到纯化的目的。
表12-2 列举了各种主要的分离纯化方法的操作原理，以方便技术的选择。
表12-2 某些单元操作原理与特点
- 发酵工程下游加工过程的一般程序
由于所需的发酵代谢产品不同，如有的需要菌体，有的需要初级代谢产物，有的需要次级代谢产物等，而且对产品的质量也有不同的要求，所以分离纯化步骤可以有各种组合。但大多数发酵产品的下游加工过程，常常按生产过程的顺序分为四个大框架步骤，即发酵液的预处理和过滤、提取、精制、成品加工(图12-1)。
图12-1 发酵工程下游加工工艺流程和技术
发酵液的预处理和过滤是采用凝聚和絮凝等技术来加速固、液两相分离，提高过滤速度。为了减少过滤介质的阻力，可以采用错流膜过滤技术。如果是胞内产物，需要首先进行细胞破碎，再分离细胞碎片。
初步纯化即提取的目的是除去与目标产物性质有很大差异的杂质，这一步可以使产物浓缩，并明显地提高产品质量。常用的分离方法有沉淀、吸附、萃取、超滤等。
高度纯化即精制常采用对产品有高度选择性的分离技术，以除去与产物化学和物理性质相近的杂质。典型的纯化方法有层析、电泳、离子交换等。
成品加工是为了最终获得质量合格的产品，浓缩、结晶和干燥是重要的技术。
总之，要最终获得发酵的代谢产物，必须有先进的下游加工技术做保障。
思考题
⒈ 简述发酵工程下游加工过程的特点。
⒉ 简述各种主要的分离纯化方法的操作原理。
⒊ 简述发酵工程下游加工过程的一般程序。
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