一、下游加工过程在发酵产品生产中的地位
从微生物发酵液中分离、精制发酵产品的过程称为下游加工过程（down stream process）。微生物发酵产品的分离与精制始于发酵制酒精和有机酸的分离提取，其加工过程中包括一些化学工程的单元操作。但由于生物物质的特性（如生物活性、热敏性等），有其特殊的要求，因而大多数单元操作的设备与化工单元操作有所不同，其中某些单元操作在一般化学工业中应用较少。
在微生物发酵产品的生产中，分离精制是最终获得商业产品的重要环节，其所需投资和生产成本在发酵工厂中占很大比例。按下游加工过程的难易程度，微生物发酵产品可分为如下三大类：
①发酵混合物产品：如啤酒、葡萄酒、各种发酵饮料等。这些产品的下游加工过程非常简单，一般只需经固-液分离和无菌处理即可，其下游加工过程所占成本一般为10%左右，这类发酵产品是最容易投入生产的。
②小分子产品、非活性的大分子产品和细胞产品：也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。这类产品分离和精制部分的投资占整个工厂投资的60%左右，生产成本占30%左右，而能源消耗占60%以上。
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，有特殊的要求，传统发酵工业中的单元操作往往不能采用，其下游加工过程的费用可占整个生产费用的80%～90%，而且这种偏向还有继续加剧的趋势。
长期以来，生物技术的最新进展大多集中在基因工程方面，在生物反应器和发酵技术方面也有不少进展，而对下游加工过程则没有给予应有的重视。从1982年第一个基因工程药物――人胰岛素投产后，人们逐渐意识到下游加工过程的落后阻碍了生物技术的发展。一方面，许多基因工程的新成果，由于没有合适的分离与精制方法而不能转化为生产力；另一方面，如果分离与精制方法落后，收率太低，成本太高，其生物产品的竞争力就不强，特别是当有其他生产方法（如化学合成法、从天然动、植物细胞中提取法等）与其相竞争时。为此，英国政府工业部于1983年发起生物分离计划（BIOSEP），专门研究下游加工过程；美国United Engineering Foundation（前Engineering Foundation）从1981年开始连续九次召开生物产品回收的会议；我国也从1989年开始召开有关生物产品分离的专门会议。近20年来，发酵产品的下游加工技术得到了较快的发展，出现了许多新的分离过程和技术，有些已经在工业上得到广泛应用，有些则尚在研究中，但已经显示出良好的应用前景。
二、下游加工过程的特点
微生物发酵产品的品种很多，其下游加工过程的一般特点如下：
①成分复杂：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。分散在其中的固相和胶体物质具可压缩性，颗粒小，密度与液相接近，加上黏度大，属非牛顿流体，使得发酵液的固-液分离很困难。
②产品浓度低：发酵液中所要提取的有用物质浓度很低，传统发酵一般为1%～10%，活性物质产品则为0.01%～1%，而杂质含量却很高，特别是利用基因工程方法生产的蛋白质，常常伴有大量性质相近的杂蛋白。从低浓度的混合物中分离纯组分，需要较多的能量。在恒温、恒压下，将理想溶液分离为纯物质的最小能量为：
所需能量与浓度的负对数成正比。发酵产物的浓度越低，分离所需的能耗就越大，生产的成本就越高。
③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。例如，假设每步操作的收率为90%，若包含三步操作，则总收率为72.9%；若包含六步操作，则总收率为53.1%。对于生物活性物质产品，由于分离与精制过程伴有活性的损失，其收率进一步下降。例如，酶制剂的提取与粗加工，收率一般为70%左右，若加上精制，则收率不到50%；而对于基因工程产品，收率达30%～40%就认为是相当不错的了。
④失活问题：生物活性物质通常很不稳定。在提取和精制过程中，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，正是由于这些原因使某些传统的提取与精制方法不能采用。
⑤不稳定性：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，这就要求下游加工过程具有一定的弹性。因而，回收过程的连续化与自动控制变得更加困难。此外，发酵液放罐后，由于条件改变，微生物会继续按另外的途径进行生物反应，使产物浓度下降或部分失活，特别是杂菌的感染，会引起产品的破坏。故发酵液不宜存放过久，应尽快进行提取与分离。因此，对于初级提取和分离设备，往往不能按一天的生产能力来设计计算，而是按每批放罐发酵液的体积来设计。
⑥生物安全（biosafety）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。
发酵产品下游加工过程设计应遵循的基本原则如下：
①时间短，这就要求设备的生产能力大，传递过程（传热、传质）快；
②温度低，特别是某些活性物质产品，常需在制冷条件下进行；
③pH适中，选择在生物物质稳定的范围内；
④清洁卫生，所选设备及管路设计应便于清洗与消毒。
三、下游加工过程的一般操作流程
发酵产品下游加工过程由各种化工单元操作组成。由于发酵产品品种多，性质各异，故用到的单元操作很多，而其中有些新近发展起来的单元操作，如细胞破碎、膜分离、色层分离等还缺乏完整的理论。按生产过程的顺序，发酵产品下游加工过程的一般操作流程可分为四部分，即发酵液的预处理与固-液分离、初步纯化（提取）、高度纯化（精制）和成品加工。
发酵液的预处理与固-液分离部分，对于不同的产品，其差异较大。有些产品可直接进行固-液分离或提取；对于黏度较大的发酵液，常采用凝聚和絮凝等技术来改善发酵液的过滤特性；对于固相颗粒很小和胶体物质含量较多的场合，常采用错流膜过滤技术；对于胞内产物，则需先进行细胞破碎，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有很大差异的杂质，这一步可以使产物浓缩，并明显提高产品的纯度。常用的分离方法有沉淀、吸附、萃取、超滤等。
高度纯化即精制，常采用对目标产物有高度选择性的分离技术，以除去与产物物理化学性质相近的杂质。典型的分离方法有色层分离、离子交换、电泳等。对于某些粗制产品，如工业用酶制剂等则没有高度纯化步骤。
成品加工是为了最终获得质量合格的产品，常用的方法有浓缩、结晶、干燥、包装等。有关发酵产品下游加工过程的内容很多，本书仅介绍典型单元操作的基本原理与方法，详细内容请读者参阅有关生物工业下游技术的书籍。
