生物工程下游技术
生物工程下游技术 PPT课件
/science/journal/1369703X
• Separation and Purification Technology
/science/journal/13835866
• Journal of Membrane Science
/science/journal/03767388
References-SCI journals
• Enzyme and Microbial Technology
/science/journal/01410229
• Journal of Chemical Technology and Biotechnology
/jpages/0268-2575
References-SCI journals
• Separation and Purification Reviews
• P. A. Belter, E. L. Cussler, W. Hu. Bioseparations: Downstream Processing for Biotechnology. New York: John Wiley & Sons, 1988
• D. Forciniti. Industrial Bioseparations: Principles and Practice. Iowa: WileyBlackwell, 2008
考核方式
• 根据课程基本要求，结合平时成绩、课程论文及 笔试（期末考试）三方面进行综合评定。
• 平时成绩20％ • 课程论文20％ • 期末考试60％
主要内容
1. 绪论 2. 下游技术理论基础 3. 发酵液预处理与细胞破碎 4. 沉淀 5. 萃取分离 6. 膜分离 7. 吸附与离子交换 8. 色谱分离 9. 亲和色谱
生物工程下游技术-绪论
功能团，稳定性，挥发性） ⑨ 危害性 ⑩ 废水处理
生物技术下游加工过程的发展动向
① 基础理论研究 • A 选择性分离剂 • B 数学模型 ② 应用研究 • A 新老技术的深化研究与融合 • B 下游技术与上游技术相结合(藕合分离） • C 强化化学作用对分离能力的影响 • D 改进上游因素（改进菌种，培养基与发酵条件） ③ 工程问题研究 ④ 改善环境相容性
下游加工过程的沿革
传统产业（第一代）19世纪60年代-20世纪50年代 酒精，丙酮，丁醇 第二代生物技术产品 20世纪40年代 • 抗生素，有机酸，核酸，酶制剂，单细胞蛋白 第三代 20世纪70年代中期 • 动物细胞培养 • 植物细胞培养 • 基因工程发酵产品
生物下游加工过程的选择准则
① 步聚少 ② 次序合理 ③ 产品规格 （注射，非注射） ④ 生产规模 ⑤ 物料组成 ⑥ 产品形式 （固体-适当结晶， 液体-适当
• However, there has been a general lack of appreciation of the significant developments in downstream processing and isolation technology, the need for which is largely driven by the stringent regulatory requirements for purity and quality of injectable biopharmaceuticals. This is particularly reflected by the general absence of coverage of this subject in many biotechnology and related courses in educational institutions.
生物工业下游技术
膜（膜材料和膜制造工艺）、树脂（离子交换树脂和大网格树脂）和凝胶（琼脂糖凝胶为基质，与各种配基结合后制成各种色谱分离介质）是目前主要的新型分离介质。
各种分离纯化技术相互结合、交ห้องสมุดไป่ตู้、渗透，形成子代分离技术。如膜技术和萃取、蒸馏、蒸发技术相结合形成了膜萃取技术、膜蒸馏及渗透蒸发技术；色谱技术与离子交换技术等结合形成了离子交换色谱、等电聚焦色谱等。
（匀浆、研磨、酶解）
（离心分离、双水相萃取、膜分离）
（重结晶、离子交换、色谱分离、膜分离）
（浓缩、无菌过滤、干燥、成型）
胞内产物
提取
精制
——产品的收得率和质量控制。
下游工艺过程决定于产品的性质和要求达到的纯度
如产品为菌体本身，则工艺比较简单，只需经过滤、得到菌体，再经干燥就可，如单细胞蛋白的生产。 如可以从发酵液直接提取，则可省去固液分离步骤。 如为胞外产物则可省去细胞破碎步骤。
其他新型分离技术
高度分离纯化技术
初步分离纯化技术
细胞破碎技术
固液分离技术
其他新型分离技术
高度分离纯化技术
初步分离纯化技术
细胞破碎技术
固液分离技术
其他新型分离技术
高度分离纯化技术
初步分离纯化技术
细胞破碎技术
固液分离技术
其他新型分离技术
生物技术下游加工过程的一般流程和单元操作
4. 第三代生物技术
20世纪80年代以来，生物工业下游技术进步很快，出现了很多新概念、新技术、新产品和新装备。大致可分为以下几大类：
（1）固液分离技术 （2）细胞破碎技术 （3）初步分离纯化技术 （4）高度分离纯化技术 （5）其他新型分离技术
华南师范大学 生命科学学院 生物工程下游技术 往年真题试卷及答案 指导老师：廖劲松
华南师范大学生命科学学院生物工程下游技术考试：考试题型：名词解释（20分）、简答题（35分）、论述题（35分）B卷：一、名词解释（共10小题，每题2分，共20分）：1. 浸取：过程系指出溶媒进入细胞组织溶解、浸取目的产物后，变成浸取液的全部过程。
（知识要点第4页）2.超滤：从小分子溶质或溶剂中，将比较大的溶质分子筛分出来，能截流相对分子量在500以上的高分子的膜分离过程。
（知识要点192页）3.晶体的二次成核：受已存在的宏观晶体的影响而形成晶核的现象。
在二次成核中起决定作用的两种机理：液体剪应力成核和接触成核。
（知识要点352页）4.冷冻干燥：将含水物料冷冻到冰点以下，使水转变为冰，然后在较高真空下将冰转变为蒸气而除去的干燥方法。
物料可先在冷冻装置内冷冻，再进行干燥。
但也可直接在干燥室内经迅速抽成真空而冷冻。
升华生成的水蒸气借冷凝器除去。
升华过程中所需的汽化热量，一般用热辐射供给。
（知识要点生物工程设备361页）5.等电点沉淀法：是利用蛋白质在等电点时溶解度最低而各种蛋白质又具有不同等电点的特点进行分离的方法。
（百度）6.热泵蒸发：将蒸发器蒸出的二次蒸汽用压缩机压缩,提高它的压力,使它的压力,使它的饱和温度提高到溶液的沸点以上,然后送入蒸发器的加热室作为加热蒸汽,二次蒸汽压缩机称为热泵,这种方法称为热泵蒸发。
（知识要点381页）7.双水相萃取：利用组分在两个互不相溶的水相间分配的差异而达到分离的萃取技术。
（知识要点：王巧娥,傅博强,王小如著.甘草深加工技术.北京：中国轻工业出版社.2011.第52-53页.）8降膜式蒸发器：原料液由加热管的顶部经分配器导流进入加热管，沿管壁成膜状向下流。
液体的运动是靠本身的重力和二次蒸汽运动的拖带力的作用，其下降的速度比较快，因此成膜的二次蒸汽流速可以较小，对黏度高的液体也较易成膜，并被蒸发浓缩。
气液混合物由加热管底部进入分离室，经汽液分离后，二次蒸汽由分离室顶部逸出，完成液则从底部排出。
《生物工程下游技术》教学改革与实践
《生物工程下游技术》教学改革与实践摘要：通过对生物工程下游技术课程内容、教学方法、考核方式等方面的思考，探讨了如何提高教学质量、学生学习积极性、创新能力及应用能力等问题。
关键词：生物工程下游技术教学改革创新能力中图分类号：g642 文献标识码：a 文章编号：1673-9795（2012）10（a）-0080-01生物工程下游技术课程是一门多学科交叉和比较前沿的学科，含有现代生物科学和工程的技术。
近年来在国内外备受重视，发展迅速，生物工程下游技术成为生物工程中必不可少的也是极为关键的环节，[1]成为制约生物工程产品生产及可持续发展的瓶颈。
[2]为了更好地适应生物工程产业化发展需要，必须开展生物工程下游技术、原理及装备的教学工作，构建适合本校学生的《生物工程下游技术》课程体系，培养基础理论扎实、科研能力强、具有创造性思维和能力的优秀人才。
1 生物工程下游技术课程主要内容和特点生物工程下游技术课程主要包括细胞破碎、初级分离、膜分离、萃取、吸附分离技术和理论、色谱、电泳、结晶、干燥等。
它所涉及的相关课程和知识较多，如物理、化学、化工原理、微生物、数学等，[3～4]所涉及的基础理论、基本知识较多、较散，各知识点间相互独立，自成体系，内容相对比较抽象，若单纯地讲授理论知识，学生学习效果差。
我院生物工程下游技术课程是针对生物工程以及生物技术等本科专业开设的专业主干课。
该课程兼有“工程技术”与“科学”的双重特点，不仅要强调工程观点、实验技能及创新能力，更要强调理论联系实际，解决工程问题；课程内容在介绍经典生物工程下游技术单元操作的同时，还应跟踪当今生物工程领域乃至相关学科最新发展动态，在教学活动中不仅要传授知识与技能，更应“树人、育才”。
因此，在生物工程下游技术教学中不仅帮助学生完成“从理论到实际”的转变，更要激发学生学习兴趣，培养学生的综合素质与创新能力。
2 教学改革与体会2.1 理论联系实际，激发学习兴趣理论联系实际包括生活实际和专业实际。
生物工程下游知识点总结
生物工程下游知识点总结一.名词解释1.清洁生产（cleaner production）：是指将综合预防的环境保护策略持续应用于生产过程和产品中，以期减少对人类和环境的风险。
它包括三个方面的内容，即清洁生产工艺（技术）、清洁产品、清洁能源。
2.凝聚作用：向胶体悬浮液中加入某种电解质，在电解质中异电离子作用下，胶粒的双电层电位降低，使胶体体系不稳定，胶体粒子间因相互碰撞而产生凝集的现象。
3.絮凝作用：絮凝剂通过静电引力范德华力或氢键的作用，强烈地吸附在胶粒的表面。
当一个高分子聚合物的许多链节分别吸附在不同的胶粒表面上，产生桥架联接时，就形成了较大的絮团。
4.下游工程（下游技术，下游加工过程，downstream processing）:对于由自然界自然产生的或由微生物菌体发酵的、动植物细胞组织培养的、酶反应等各种生物工业生产过程获得的生物原料，经提取分离、加工并精制目的成分，最终使其成为产品的技术5.协萃:两种或两种以上的萃取剂同时萃取某一溶质或其它化合物时，萃取性能优于它们各自萃取性能之和的效应。
6.萃取因数:萃取平衡后，溶质在萃取相与萃余相中数量（质量或物质的量）的比值。
（E=DR）7.带溶剂：在纯气体溶剂中，加入被萃取物亲和力强的组分以提高其对被萃取组分的选择性和溶解度的一类物质。
8.离子交换带:溶液的组成和树脂的组成达到平衡时所对应的树脂层的高度。
9.反胶团（reversed micelles）:两性表面活性剂在非极性有机溶剂中亲水基团自发地向内聚集而成，内含微小水滴的，空间尺度仅为纳米级的集合性胶体。
10.浓差极化:当溶剂透过膜而溶质留在膜上因而使膜面浓度增大，并高于主体浓度的现象。
（指在分离过程中，料液中的溶剂在压力驱动下透过膜，溶质被截留，于是在膜表面与临近膜面区域浓度越来越高。
在浓度梯度作用下，溶质由膜面向本体溶液扩散，形成边界层，使流体阻力与局部渗透压增加，从而导致溶剂透过量下降。
生物工程下游技术第3章 发酵液的预处理和固液分离方法
等密度离心
等密度离心(isopycniccentrifugation)又叫做平 衡离心(equilibrium centrifugation)。样品被置 样品被置 于一个较陡峭的密度梯度中沉降， 于一个较陡峭的密度梯度中沉降，该梯度的最 大密度高于样品混合物的最大密度， 大密度高于样品混合物的最大密度，梯度的最 小密度低于样品混合物的最小密度， 小密度低于样品混合物的最小密度，当样品颗 粒沿梯度运动到与颗粒的浮力密度相同的密度 层时，就停止运动，这样经过一段较长时间的 离心，样品中所有不同密度的颗粒就都将在各 自的等密度区域中停止运动，从而分布在不同 的密度梯度区域，即颗粒根据各自的浮力密度 进行分级分离。由于这种离心是将样品颗粒沉 降到介质中与其浮力密度相等的密度梯度区， 故名之等密度离心或平衡离心。这种方法适用 于分离大小相近而密度不同的样品。
第2章 发酵液的预处理及固液分离 章
重点：预处理的作用及常用方法 凝聚与絮凝的原理及异同点 杂蛋白、高价无机离子的去除方法 典型固液分离设备的工作原理及特 点、影响过滤的因素
生化分离工程的工艺流程： 一.生化分离工程的工艺流程： 生化分离工程的工艺流程
二.发酵液的预处理技术： 发酵液的预处理技术：
六 高价无机离子的去除
发酵液中杂质很多，其中对提炼影响最大的是 ＋ ＋ ＋ 高价无机离子（ 高价无机离子（Ca2＋、Mg2＋、Fe2＋）等。 高价无机离子的存在，会影响树脂 影响树脂对生化 高价无机离子的存在 影响树脂 物质的交换容量 杂蛋白质的存在 交换容量。杂蛋白质的存在 交换容量 杂蛋白质的存在，不仅在采 用离子交换法和大网格树脂吸附法提炼时会降 降 低其吸附能力，而且在采用有机溶剂或两水相 低其吸附能力 两水相 萃取时，容易产生乳化 易产生乳化，使两相分离不清 两相分离不清，在 萃取 易产生乳化 两相分离不清 预处理时，应尽量除去这些物质。
生物下游技术
高价无机离子 当采用离子交换法提取产物时，影 响树脂对生化物质的交换容量 色素、毒性物质、热原质
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去 除 杂 蛋 白
降 低 发 酵 液 粘 度
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二、发酵液的预处理
采用理化方法设法增大悬浮液中固体粒子的大小、 或降低粘度，以利于过滤。
去除会影响后续提取的高价无机离子和杂蛋白质
等。
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3. 所需目的产物稳定性低
对热、酸、碱、有机试剂、酶以及机械剪切等均敏感，
易失活或分解。
4. 代价昂贵，产品回收率不高，损耗大
如：抗生素、乙醇、柠檬酸的纯化费用占整个工程费 用的60%；纯化蛋白质占总费用的80~90%
5. 生物安全问题：热原质、色素、毒性物质
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镁离子，可用三聚磷酸钠它和镁离子形成可溶性络 合物，用磷酸盐处理，也能大大降低钙离子和镁离 子的浓度。
Na5P3O10+Mg2+ =MgNa3P3O10+2Na
黄血盐与铁离子形成普鲁土盐沉淀
3K4Fe(CN)6+4Fe3+=Fe4[Fe(CN)6]3+12K+
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2 .杂蛋白质的去除方法
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2.过滤介质
使滤液通过，截留固体颗粒并支撑滤饼的材料。要 求其具有多孔性、耐腐蚀性及足够的机械强度。
无定形颗粒：无烟煤、砂、颗粒活性炭、铁矿砂等 成形颗粒：烧结金属、烧结塑料以及用合成树脂粘 结的硅砂、塑料颗粒等，做成圆筒形或板状。 非金属织补棉：化学纤维、玻璃纤维织品、长纤维 滤布、短纤维滤布。 金属织布：不锈钢丝或铁丝等的织布。 无纺品：纸、毡、石棉板、合成纤维无纺布等。
生物工程下游技术知识要点(总复习).pdf
第三章 发酵液预处理与固液分离1.加水稀释法 （稀释后要过滤速率提高的百分比要大于加水量）1.降低液体黏度2.加热法2.调整PH （如利用蛋白质的等电点）3.凝聚：在电解质作用下，由于胶粒之间双电层电排斥作用降低，电位下降，而使胶体体系不稳定的现象。
过滤特性改变 凝聚值越小，凝聚能力就越强絮凝：在有些高分子絮凝剂存在下，基于桥架作用，使胶粒形成较大絮凝团的过程。
混凝：包括上述两种方法。
4.加入助滤剂 （最常见的是硅藻土）5.加入反应剂1. Ca 2+: 加草酸钠除杂 Mg 2+ :加三聚磷酸钠 C a 2+ ：加黄血盐1.沉淀法2.杂蛋白的除去： 2.变性法 （有加热法，调PH ，加酒精，丙酮等有机溶剂或表面活性剂等。
）3.吸附法 (加入某些吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋白而除去)1.离心 公式：Q=v ω2Zg d v L S •−=μρρ18)(2固液分离手段 θπctg r r gn Z )(323132−=2.过滤 （1）板框过滤机 （适合固体含量在１％—１０％的悬浮液的分离）（２）真空转鼓过滤机 （适合固体含量大于１０％） （３）硅藻土过滤机 （适合固体含量小于０．１％）第五章细胞破壁细胞破壁１．破壁方法：（１）珠磨法原理：进入珠磨机的细胞悬浮液与极细的玻璃小珠，石英砂，氧化铝等研磨剂一起快速搅拌或研磨，研磨剂，珠子与细胞之间的互相剪切，碰撞，使细胞破碎。
（2 ）高压匀浆法原理：利用高压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使细胞破碎。
是大规模细胞破碎的常用方法。
（3）超声破碎法（适合实验室用）（4 ）酶溶法1 .外加酶法2. 自溶法（1）加热法（2）干燥法（5）化学渗透法2.破碎率的测定（1）直接测定法破碎前利用显微镜计数器直接计数破碎后用染色的方法把破碎的细胞与未受损的细胞分开。
即可直接计算破碎率。
（2）目的产物测定法通过测定破碎液中目的产物的释放量来估算破碎率。
（3）导电率测定法根据导电率随着破碎率的增加而呈线性增加第五章．溶剂萃取与浸取一、溶剂萃取过程的理论基础：——是把目标物质从第一个液相中依靠更强大的溶解力抽提到第二个液相中。
简述(或图示)生物下游加工过程的一般流程
生物技术的下游加工是指从生物来源净化和隔离所需产品所涉及的各个阶段。
这一过程对于药品、酶和其他有价值的生物产品的生产至关重要。
一个典型的下游加工工作流程涉及若干步骤，包括细胞干扰、分离和净化以及抛光，以获得最后的净化产品。
下游加工的第一步是细胞干扰，其中生物源（如细菌细胞，酵母，或植物组织）被打开释放细胞内成分。
这可以通过机械方法（如同化或声化），化学方法（使用洗涤剂或溶剂），或酶方法（使用酶来分解细胞壁）来实现。
一旦细胞被中断，下一步是将所期望的产物与其他细胞组分分开。
分离和净化涉及过滤、离心和色谱等各种技术。
滤泡常用于去除大颗粒，而离心则可以根据它们的密度分离部件。
另色谱学是一种强大的技术，可以根据其与固定相（如树脂或凝胶）和移动相（如缓冲溶液）的相互作用，分离和净化想要的产物。
不同种类的色谱，如离子交换，大小排斥，以及亲和色谱等，可以根据产品的具体特点使用。
在分离和净化步骤后，下游加工的最后一步是抛光，这涉及额外的净化，以确保产品符合规定的质量标准。
这可能包括进一步的色谱阶梯，以及超滤波，透滤等技术，以及精液化。
超滤和透析可以用来去除较小的杂质和浓缩产物，而脱脂是使产物冻干以提高其稳定性和保质期的一种方法。
下游加工的一个实例是生产用于糖尿病治疗的胰岛素。
胰岛素传统上来自动物的胰腺，但随着基因工程的进步，现在可以使用重组DNA技术生产。
重组胰岛素的下游加工涉及细胞干扰基因工程微生物，随后利用色谱学和其他技术分离和净化胰岛素。
最终产品被抛光去除任何残留的杂质，然后配制成患者使用的胰岛素注射。
下游加工是生物技术的一个关键部分，可以净化和分离生物来源的宝贵产品。
工作流程通常包括细胞干扰、分离和净化以及抛光，使用各种技术确保最终产品达到质量标准。
这一进程使重要的生物药品和其他生物产品得以生产，对保健和各种行业产生了重大影响。
生物工程下游技术-第五章_萃取技术
1896年Beijerinck观察到当把明胶与琼脂 或把明胶和可溶性淀粉的水溶液混合时， 先得到一混浊不透明的溶液，随后分成 两相，上相含有大部分明胶，下相含有 大部分琼脂(或可溶性淀粉)。
2.2％的葡聚糖水溶液与等体积的0.72％甲基 纤维素钠的水溶液相混合并静置后，可得到两 个粘稠的液层。
多级逆流萃取图
Ｌ１
Ｌ2
S
Ｌ３
混 分混 分混 分 合 离合 离合 离 器 器器 器器 器
F
第一级
第二级
R３ 第三级
青霉素的多级逆流萃
取 第一级
第二级
第三级
含青霉素乙酸戊酯
青霉素滤液
废液 乙酸戊脂
青（霉含素产发品酵青过霉在三滤素级液）逆进混流入合萃取第 萃装一取置级，中用萃然乙取后酸罐流戊，入酯从在第澄此一清与级的发从分酵第离液二器中级分分离分成青离上霉器下素来层的，萃取相
第一级的萃余液进入第二级作为料液，并加 入新鲜萃取剂进行萃取；第二级的萃余液再 作为第三级的料液，以此类推。
此法特点在于每级中都加溶剂，故溶剂消耗 量大，而得到的萃取剂平均浓度较稀，但萃 取较完全。
多级错流萃取示意
图 轻
料
相 入
液重相入Leabharlann 轻相入入口
轻相出
第一级
第二级
轻相出
第三级 萃余液出口
轻相出 重相出
图9-5 转筒式离心萃取器
5.2 双水相萃取
➢ 双水相萃取技术又称水溶液两相分配技术，是近 年来出现的引人注目的、极具前途的新型分离技 术。已被广泛的应用于生物化学、细胞生物学和 生物化工领域。
➢ 用此种方法已提取的酶已达数十种，其分离也达 到了相当的规模，如甲酸脱氢酶的分离已达到了 几十公斤的湿细胞规模，半乳糖苷酶的提取已进 行了中试规模实验，该法具有广阔的应用前景。
生物工程下游技术复习 PPT课件
*具体的产品分离提取需考虑的问题? （1）是胞内产物还是胞外产物； （2）原料中产物和主要杂质浓度； （3）产物和主要杂质的理化学特性及差异； （4）产品用途和质量标准； （5）产品的市场价格； （6）废液的处理方法等。
第二章 发酵液的预处理
1 、名词解释
*凝聚:是指在电解质作用下，由于胶粒之间双电层排斥 作用降低，电位下降，而使胶体体系不稳定的现象。
①加热。不仅使蛋白质变性，同时降低液体粘度， 提高过滤速率。 ②调PH； ③加有机溶剂如酒精、丙酮等。
（3）吸附法 加入某些吸附剂或沉淀剂吸 附杂蛋白而除去。
*发酵液预处理的目的是什么？主要有那几 种方法？ 预处理的目的： • 分离细胞、菌体和其它悬浮颗粒（细胞 碎片、核酸和蛋白质的沉淀物）， • 除去部分可溶性杂质和改变滤液的性质， 以利于后继各步操作。 调酸（等电点）、热处理、电解质处理、 添加凝聚剂、添加表面活性物质、添加 反应剂及添加助滤剂等。
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滤饼过滤： • 过滤介质为滤布，包括天然或合成纤维 织布、金属织布、石棉板、玻璃纤维纸、 合成纤维等无纺布。 • 当悬浮液通过过滤布时，固体颗粒被滤 布所阻拦而逐渐形成滤饼（或称滤渣）， 当滤饼至一定厚度时即起过滤作用。 • 悬浮液本身形成的滤饼起着主要的过滤 作用。适合于固体含量大于0.1g/100ml 的悬浮液的过滤分离。
切向流过滤的3种方式？ （1）泵循环式切向流过滤 缺点：悬浮液在流动过程中有压力损失，能量消 耗大，流路中固体积累程度不一。 （2）在膜表面加以搅拌造成流动。 缺点：实验室规模，处理的液量少。过滤面积 小，剪切力不均匀。 优点：灵活、操作方便。 （3）使膜相对于悬浮液运动。 缺点：难以放大，设备投资较大。 优点：剪切力大，单位膜面积的过滤速度很高。
下游技术
名词解释：生物工业下游技术:下游技术是生物工程的一个组成部分，生物化工产品系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，从上述发酵液、反应液或培养液中提取分离、加工并精制目的成分，最终使其成为产品的技术，称为下游技术。
特异性相互作用：主要以蛋白质为代表的生物高分子（另外含有肝素、明胶、核苷酸等）（亲和介质），能分辨特定的物质（目标物），再与其可逆性结合。
这种现象是非常排他性的、特异性的结合，故称为特异性相互作用（或生物亲和力）。
疏水性相互作用：在水性介质中，分子和分子的疏水性部分相互作用的凝聚力，即疏水性基团有尽可能避免和水接触，自身相互之间聚集起来的趋势。
这就是疏水性相互作用的本质。
盐析：在发酵液中加入中性盐能破坏蛋白质或酶的胶体性质，消除微粒上的电荷及水化层，促使蛋白质或酶沉淀。
凝聚：凝聚作用就是向发酵液胶体悬浮液中加入某种电解质，在电解质中异电离子作用下，胶粒的双电层电位降低，使胶体体系不稳定，胶体粒子间因相互碰撞而产生凝集的现象。
絮凝：当一个高分子聚合物的许多链节分别吸附在不同的胶粒表面上，产生桥架联接时．就形成了较大的聚团，这就是絮凝作用。
膜的截留率：对一定相对分子量的物质，膜能截留的程度。
截断分子量：相当于一定截留率的（90%/95%）相对分子量。
分离膜的污染：固体或溶质在膜面或膜孔内吸附、沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜通量变小与分离性能恶化的暂时性不可逆变化的现象。
分离膜的浓差极化：溶剂透过膜，而溶质留在膜上，导致膜面上溶质浓度增大，并高于主体中的浓度的现象。
结晶：利用物理的方法将溶质从溶液中以规则的形状析出的分离方法叫结晶。
沉淀：从溶液中得到无定型的溶质的分离方法叫沉淀。
清洁生产：清洁生产是指将综合预防的环境保护策略持续应用于生产过程和产品中，以减少对人类和环境的风险。
生物下游工业常用的膜分离过程：微滤，超滤，纳滤，反渗透。
生物工业常用的细胞破碎方法：改变发酵液过滤特性的方法过饱和溶液的获得方法：(1)将热饱和溶液冷却（冷却结晶）(2)将部分溶媒蒸发（恒温蒸发结晶）(3)将热饱和溶液冷却和将部分溶媒蒸发(冷却蒸发结晶)（4）加入晶种（5）加入化学反应剂超临界流体萃取中常用的萃取剂：二氧化碳盐析沉淀法所得蛋白质中的盐的去除：饱和溶液法；添加固体硫酸铵溶剂萃取操作中萃取剂需满足的条件：(1)有很大的萃取容量，即单位体积的萃取溶剂能萃取大量的产物；(2)有良好的选择牲，理想情况是只萃取产物而不萃取杂质；(3)与被萃取的液相(通常是水相)互溶度要小，且粘度低，即界面张力小或适中，这样有利于相的分散和两相分离；(4)溶剂的回收和再生容易；(5)化学稳定性好，不易分解，对设备腐蚀性小；(6)经济性好，价廉易得；(7)安全性好，闪点高，对人体无毒性或毒性低。
生物的制药工程的下游技术
一、概念1、生物制药：是指运用微生物学、生物学、医学、生物化学等的研究成果，从生物体、生物组织、细胞、体液等，利用生物技术的原理和方法制造的一类用于预防、治疗和诊断的制品。
2、基因工程：是指在体外按既定的目的和方案，将一目的基因片段，与载体结合，构成DNA重组体，随即引入受体细胞中，随细胞繁殖而扩增，同时也可进行基因表达，产生特定的基因产物或新性状的遗传物质的技术。
3、载体：是携带外源DNA片段进入宿主细胞进行扩增和表达的工具，载体本质是DNA 。
4、质粒：是染色体外能自主复制的双链闭环DNA分子。
5、沉淀：是溶液中的溶质由液相变成固相析出的过程。
6、盐析：是一种根据蛋白质在高浓度盐溶液中的溶解度低的特点来分离蛋白质的方法。
7、等电点沉淀法：是利用蛋白质在等电点时溶解度最低而各种蛋白质又具有不同等电点的特点进行分离的方法。
8、凝胶过滤层析：是以多孔性凝胶填料为固定相，按分子大小顺序分离样品中各个组分的液相色谱方法。
9、离子交换层析：带有不同电荷的物质，对层析柱中的离子交换剂亲和力不同，通达改变冲洗液的离子强度和pH值,将物质依次从层析柱中洗脱分离出来的方法。
10、亲和层析：就是根据生物大分特异性的分子识别建立的一种纯化方法11、膜分离：在压力、电场或温差作用下，某些物质可以透过膜，而另些物质则被选择性的拦截，从而使溶液中不同组分，或混和气体的不同组分被分离，这种分子级的分离称为膜分离。
12、电泳：在直流电场中，带电粒子向带符号相反的电极移动的现象称为电泳。
13、分光光度技术：利用紫外光、可见光、红外光和激光等测定物质的吸收光谱，利用此吸收光谱对物质进行定性定量分析和物质结构分析的方法二、简答题1、现代生物制药下游技术包括哪些内容1.生物反应器及大规模细胞培养2.生物细胞破碎技术3•生物分子的分离纯化技术4.生物分子含量检测技术5.生物分子鉴定技术6.生物分子活性检测技术2、基因工程基本操作过程包括目的基因的制备、基因载体的选择、DNA重组、DNA重组体的转化、重组体的筛选和鉴定、外源基因的表达3、生物化学样品制备特点⑴生物材料的组成极其复杂，常常包含有数百种乃至几千种化合物。
生物工程下游技术参考资料(生物分离工程)
《生物工程下游技术》复习资料一、名词解释1. 凝聚：指在电解质作用下，由于胶粒之间双电层电排斥作用降低，电位下降，而使胶体体系不稳定的现象。
2. 絮凝：指在某些高分子絮凝剂存在下，基于桥架作用，使胶粒形成较大絮凝团的过程。
3. 助滤剂：是一种不可压缩的多孔微粒，它能使滤饼疏松，滤速增大。
4. 浸取：也称之为浸出，用某种溶剂把有用物质从固体原料中提取到溶液中的过程。
5. 超临界流体（SF）：是指某种气体（液体）或气体（液体）混合物在操作压力和温度均高于临界点时，使其密度接近液体，而其扩散系数和黏度均接近气体，其性质介于气体和液体之间的流体。
6. 反胶团：是两性表面活性剂在非极性有机溶剂中亲水性基团自发的向内聚集而成，内含微小水滴的空间尺度仅为纳米级的集合型胶体，是一种自我组织和排列而成的，并具有热力学稳定的有序构造。
7. 浓差极化：浓差极化是指，当水透过膜并截留盐时，在膜表面会形成一个流速非常低的边界层，边界层中的盐浓度比进水本体溶液盐浓度高，这种盐浓度在膜面增加的现象叫做浓差极化。
8. 膜：即死膜，人工合成的无生命的膜，是指分隔两相界面，并以特定形式限制和传递各种化学物质。
9. 超滤：以压力差为推动力，以多孔小薄膜为过滤介质，按粒径选择分离溶液中所含的微粒和大分子的膜分离操作。
10. 软水：利用钠型阳离子交换树脂去除钙、镁离子后的水。
11. 色谱分离：色谱分离也称为色层分离或层析分离，在分析检测中则常称为色谱分析。
它是一种物理的分离方法。
利用多组分混合物中各组分物理化学性质(如吸附力、分子极性、分子形状和大小、分子亲和力、分配系数等)的差别，使各组分以不同程度分布在固定相和流动相中；当多组分混合物随流动相流动时、由于各组分物理化学性质的差别，而以不同的速率移动，使之分离。
12. 结晶：当溶质从液相中析出时，形成晶形物质的过程称为“结晶”。
13. 干燥：常指借热能使物料中水分(或溶剂)气化，并由惰性气体带走所生成的蒸气的过程。
《生物工程下游技术》课程的教学改革——教学实践与教学理论的结合
一
、
生物 工程下游技术课程的基本 内容
生 物工程 下游技术指 的是 生物工程技术具体 的工 业实现方 面的技术开发 。例如生物工程菌 的发酵技术 、 发酵菌的代谢产物 中 目标产 品 的分离提取技 术 、工艺 过程 中的质量控制技术 、质量控制 标准 的研究 和相关 的分析技术等 。生物技术 是我国着重进行 的先进技术 ， 但是 生物 技术 必须 发展 产业 化 才 能更 好 的为 人 民服 务 ，而使 生物科技发展成为产业 化的根本就是 生物工 程下游技术 ， 生物工程下游技 术保证着产 品的质量 、 成 本、 竞争 能力 ， 更影 响着生物技术 的发展 。 以， 所 生物工
学生往往靠死记硬 背来 了解其 中的理论 知识 ，这样就 会 扼杀 学生 丰富 的想 象力和 强烈 的逻辑思 维能力 ， 不 能很好的解决 问题 。如此单调的教学方式 和方法必然 会 导致 学生 在面对 实际 问题 时 出现纸上谈 兵 的后 果 。
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现代生 物技术 是 目前 全球最 先进 的技 术课 程 ， 正 在 以非 常高的速度持续发展 。作 为现代生物技术 中必
不可少 的一个 重要 份子 ，是现代生物 技术逐渐趋 于产 业化 的象征 ， 在其产品 中占有非常重要 的地位 。作为生 物技术 的一门主要课 程 、专业课 和专 业必修课 ，生物 “ 工程下游技术 ” 具有很强的理论性 和实践性 。教学理论 与教学 实践是课 程 中非常重要 的两个部分 ，教学 理论 是教学实践的基础 ，而教学实践 又是教学理论 的完善 和创新 。在此基础上 ， 本文认为一定把理论和实践相结 合， 并协 调好两者间的关系 ， 我国生物工程方 向培养 为 更多的优 秀人才 。
生物工程下游技术2
等电点沉淀法：对于氨基酸和蛋白质等两性物质，在酸性条件下带正电荷，在碱性条件下带负电荷，而在某一pH值下净电荷为零，称为等电点，此时两性物质的溶解度最小，此即为等电点沉淀法。
化学渗透破壁法：某些化学试剂，如有机溶剂、变性剂、表面活性剂、抗生素、金属螯合剂等，可以改变细胞壁或细胞膜的通透性，从而使胞内物质有选择地渗透出来。
反渗透：在只有溶剂能通过的渗透膜的两侧，形成大于渗透压的压力差，就可以使溶剂发生倒流，使溶液达到浓缩的效果，这种操作成为反渗透。
离心分离因素：将离心加速度和自由落体加速度的比值称为离心分离因素或离心力与重力比，用公式表示为：K＝Rω2/g。
高压匀浆破壁法：将细胞悬浮在适宜的匀浆液中制成匀浆，在其尚未沉降之前，很快以高压泵将其以很高的流速喷出，这种高速喷出的浆液经过碰撞被迫改变方向而流出，细胞在这一系列过程中经历了高流速下的剪切、碰撞以及由高压到常压的变化，使细胞产生较大的形变，导致细胞壁的破坏。
超临界流体：超临界流体是状态超过气液共存时的最高压力和最高温度下物质特有的点——临界点后的流体。
有机溶剂沉淀法：利用有机溶剂与蛋白质水溶液互溶，在溶解于蛋白质水溶液的同时从蛋白质分子周围的水化层中夺走水分子，降低水溶液的介电常数，破坏蛋白质分子表面的水化膜，从而导致蛋白质分子相互聚集发生沉淀作用。
膜组件：由膜、固定膜的支撑体、间隔物以及收纳这些部件的容器构成的一个单元称为膜组件或膜装置。
膜的水通量：即膜通量，指单位时间内通过单位膜面积的水体积流量。
膜的孔隙率：孔总面积在单位膜上所占面积的比例，空隙率越大强度越差，膜透量越大。
膜的孔径分布：膜的截留分子量：膜壁上微孔的形状和大小并非完全一致，常使用截留率和截留分子量两个参数共同来衡量，当90%的溶质被膜截留时，在截留曲线上所对应该类溶质的最小分子量即为该膜的截留分子量，用MMCO表示。
树脂工作交换容量：是表示单位质量或单位体积的树脂所能交换的离子（相当于一价离子）的物质的量。
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生物工程下游技术 生物工程下游技术的定义 指从动植物与微生物的有机体或器官、生物工程产物（发酵液、培养液）及其生物化学产品中提取、分离、纯化有用物质的技术过程。 实质：是研究如何从混合物中把一种或几种物质分离出来的科学技术。
1.生化工程分离技术 预处理 结晶干燥 离心法：离心过滤、离心沉降、超离心 萃取法：有机溶剂、双水相、液膜、反胶团、超临界 层析法：凝胶过滤层析、反相层析、亲和、疏水相互作用、聚焦、离子交换 膜分离：微滤、超滤、 反渗透、透析、电渗透 2.生物物质常用的分离技术 氨基酸 ：结晶和离子交换法 蛋白质和多肽 ：离子交换层析、电泳 糖类 ：吸附层析 脂质：有机溶剂萃取、超临界流体萃取和层析 抗生素 ：有机溶剂萃取、离子交换、结晶和吸附层析 3. 生物分离方法的选择与评价 原则： 步聚少，次序合理，产品规格 （注射，非注射），生产规模 ，物料组成，产品形式，产品稳定性，危害性，物性： 溶解度、电荷、分子大小、功能团、稳定性、挥发性，废水处理
4.浓缩率：浓缩程度一般用浓缩率(concentration factor)表达，是一个以浓缩为目的的分离过程的最重要指标。浓缩率为m，mt=mx则目标产物未得到任何程度的分离纯化。
5.分离因子：分离因子又称分离系数。产品中目标产物浓度越高，杂质浓度越低，则分离因子越大，分离效率越高。
6. 回收率：无论是以浓缩还是以分离为目的操作过程，目标产物均应以较大的比例回收, 回收率R：生物分离操作多为间歇过程（分批操作），若原料液和产品溶液的体积分别为VC和VP。 1 生物产品与普通化工产品分离过程有何不同？ 2 设计生物产品的分离工艺应考虑哪些因素？ 3 分离纯化的回收率与浓缩率如何计算？ 4 现代生物分离工程研究方向有哪些特点？ 5 分离纯化指标有哪些? 简述pH对发酵液过滤特性的影响，并举例说明。
答：（1） pH直接影响发酵液中某些物质的电离程度和电荷性质，因此适当调节pH值可以改善发酵液的过滤特性。（2）氨基酸和蛋白质在酸性条件下带正电，碱性条件下带负电，等电点时净电荷为零，两性物质在等电点下的溶解度最小，等电点沉淀法在生物工业分离中广泛使用。（3）如味精生产，利用等电点沉淀法提取谷氨酸，一般蛋白质也在酸性范围达到等电点；膜分离中可通过调整pH值改变易吸附分子的电荷性质，减少膜堵塞和膜污染；此外，细胞、细胞碎片及某些胶体物质等在特定pH下也可能趋于絮凝而成为较大颗粒，有利于过滤进行。
第二章 1.预处理的目的：促进从悬浮液中分离固形物的速度，提高固液分离的效率： ⑴改变发酵液的物理性质，包括增大悬浮液中固体粒子的尺寸，降低液体黏度。 ⑵相对纯化，去除发酵液中的部分杂质（高价无机离子和杂蛋白质），以利于后续各步操作。 ⑶尽可能使产物转入便于后处理的一相中（多数是液相）； 2.预处理的方法
凝聚和絮凝 加热法
调节悬浮液的pH值 杂蛋白的去处 高价无机离子的去处
助滤剂 反应剂 3凝聚与絮凝：.凝聚与絮凝处理过程就是将化学药剂预先投加到悬浮液中，改变细胞、菌体和蛋白质等胶体粒子的分散状态，破坏其稳定性，使其聚集起来,增大体积以便固液分离。 凝聚和絮凝技术常用于菌体细小而且黏度大的发酵液的预处理中。 凝聚和絮凝是两种方法，两个概念。 凝聚：指在投加的化学物质（铝、铁的盐类）作用下，胶体脱稳并使粒子相互聚集成１ mm 大小块状凝聚体的过程。 机理： 1）中和粒子表面电荷 2）消除双电层结构 3）破坏水化膜
胶体双电层结构 发酵液中菌体表面带有负电荷，由于静电引力使溶液中反离子被吸附在其周围，在界面上形成了双电层。 正离子同时受到使它们均匀分布的热运动影响，具有离开胶粒表面的趋势。两种相反作用力下，双电层分裂成两部： 1）吸附层或stern层；2）扩散层。 扩散双电层的结构模型(Gouy-Chapman-Stern model)。 两种相反作用力下，双电层分裂成两部： 1）吸附层或stern层；2）扩散层。 扩散双电层的结构模型(Gouy-Chapman-Stern model)。
絮凝：指使用絮凝剂（天然的和合成的大分子量聚电解质）将胶体粒子交联成网，形成10mm大小絮凝团的过程。其中絮凝剂主要起架桥作用。 机理：架桥作用 采用絮凝法可形成粗大的絮凝体，使发酵液较易分离。
人工合成有机高分子聚合物、天然有机高分子聚合物、无机高分子聚合物 聚丙烯酰胺类絮凝剂的优点 用量少，一般以mg/L计量； 絮凝体粗大，分离效果好； 絮凝速度快； 种类多，适用范围广。 聚丙烯酰胺类絮凝剂的缺点： 存在一定的毒性，特别是阳离子型聚丙烯酰胺，用于食品和医药工业时应谨慎。 天然有机高分子絮凝剂具有无毒，易生物降解，原料来源广等优点。 天然有机高分子改性絮凝剂根据其原料来源不同可分为淀粉类、纤维素类、植物胶类和聚多糖类。 其中淀粉改性絮凝剂的研究开发最引人注目。 微生物絮凝剂是近年来研究和开发的新型絮凝剂， 由微生物或其分泌物产生的具有絮凝细胞功能的代谢产物。 主要成分是糖蛋白、粘多糖、纤维素及核酸等高分子物质。 微生物絮凝剂和天然絮凝剂最大的优点是安全，无毒和不污染环境。
4.助滤剂：一种不可压缩的多孔微粒， 菌体可吸附于助滤剂微粒上，降低了滤饼的可压缩性，减小了过滤阻力。 常用的助滤剂是硅藻土，其次是珍珠岩粉、活性炭、石英砂、石棉粉、纤维素等。
(1)粒度 根据悬浮液中的颗粒和滤液的澄清度确定，一般颗粒较小的滤饼应采用细小的助滤剂。 (2)助滤剂的品种 根据过滤介质选择助滤剂品种。使用粗目滤网时易泄漏，可选择石棉粉、纤维素；采用细目滤布时，可使用细硅藻土； (3)用量 间歇操作时，过滤介质表面预涂助滤剂，其厚度应不小于2mm。连续过滤机中根据过滤速度确定。使用硅藻土时，通常细粒为500g/m3，中等粒度700g/m3,粗粒700-1000g/m3。
5.反应剂：加入某些不影响目标产物的反应剂，可消除发酵液中的一些杂质对过滤的影响，从而提高过滤速度。 1）反应剂与某些可溶性盐类发生反应生成不溶性沉淀,生成的沉淀能防止菌丝体粘结，使菌丝具有块状结构，又能使蛋白质凝固，过滤性能上升，沉淀本身可作为助滤剂. 如新生霉素发酵液中加入CaCl2和Na3PO4，生成Ca3(PO4)2沉淀。 2）发酵液中含有不溶性多糖物质时，用酶将其转化为单糖，以提高过滤速率。 如万古霉素用淀粉作培养基，发酵液过滤前加入%的淀粉酶，搅拌30min后，再加%硅藻土助滤剂，可提高过滤效率5倍。 6. 杂蛋白的去除方法 沉淀法
A 等电点沉淀法 （isoelectric precipitation ） 蛋白质的等电点大都在酸性范围内～，调节发酵液的pH到蛋白质的等电点是除去蛋白质的有效方法。 B. 酸碱调节，使蛋白质与离子形成沉淀 在酸性溶液中，蛋白质与一些阴离子形成沉淀，如三氯乙酸盐、水杨酸盐、苦味酸盐等； 在碱性溶液中，蛋白质与一些阳离子形成沉淀，如Ag+、Cu2+、Zn2+、Fe3+等。 变性
蛋白质从有规则的排列变成不规则结构的过程称为变性。变性蛋白质溶解度较小。 加热， 大幅度调节pH值， 加酒精、丙酮等有机溶剂或表面活性剂等。 不足之处： 加热法只适合于对热较稳定的目的产物； 极端pH值也会导致某些目的产物失活，且要消耗大量酸碱； 有机溶剂法通常只适用于所处理的液体数量较少的场合。
1.沉淀法主要包括 盐析法，有机溶剂沉淀法，等电点沉淀法，结晶法等 等。
2.按照一般的习惯，析出物为晶体时称为 结晶 ，析出物为无定形固体则称为 沉淀 。
3.影响盐析的因素有：无机盐的种类、溶质（蛋白质等）种类的影响、蛋白质浓度的影响、温度的影响、pH的影响。
吸附法 加入某些吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋白质而除去。 四环类抗生素生产中，采用黄血盐和硫酸锌的协同作用生成亚铁氰化锌钾K2Zn3[Fe(CN)5]2的胶状沉淀来吸附蛋白质，利用此法除蛋白质已取得很好的效果。 在枯草杆菌发酵液中，常加入氯化钙和磷酸氢二钠，这两者本身生成庞大的凝胶，把蛋白质、菌体及其它不溶性粒子吸附并包裹在其中而除去，从而加快了过滤速度。 1 发酵液为何需要预处理？处理方法有哪些？其简要机理如何？ 2 凝集与絮凝过程有何区别？如何将两者结合使用？ 3 除去发酵液中杂蛋白常用方法有哪些？ 4 简述胶体双电层结构及稳定性机理? 5 什么是助滤剂和反应剂？能列举1-3个应用的例子 1. 盐析法：是利用各种生物分子在浓盐溶液中溶解度的差异，通过向溶液中引入一定数量的中性盐，使目的物或杂蛋白以沉淀析出，达到纯化目的的方法。
2. Ks盐析：在一定的pH和温度下改变离子强度（盐浓度）进行盐析，称作Ks盐析法。Ks盐析法多用于提取液的前期分离工作。
3．β盐析：在一定离子强度下仅改变pH和温度进行盐析，称作β盐析法。在分离的后期阶段，为了求得较好的分辨率，或者为了达到结晶的目的，有时应用β盐析法。β盐析法由于溶质溶解度变化缓慢且变化幅度小，沉淀分辨率比KS盐析法好。
4．亲和沉淀: 利用亲和反应原理，将配基与可溶性的载体偶联后形成载体-配基复合物（亲和沉淀剂），该复合物可选择性地与蛋白质结合，在一定条件下沉淀出来。
四 问答 1.什么是盐析作用？盐析的原理是什么？ 答：盐析作用：向蛋白质溶液中逐渐加入中性盐，在高盐浓度时，蛋白质溶解度随之减小，发生了盐析作用。产生盐析作用的一个原因是由于盐离子与蛋白质表面具相反电性的离子基团结合，形成离子对，因此盐离子部分中和了蛋白质的电性，使蛋白质分子之间电排斥作用减弱而能相互靠拢，聚集起来。盐析作用的另一个原因是由于中性盐的亲水性比蛋白质大，盐离子在水中发生水化而使蛋白质脱去了水化膜，暴露出疏水区域，由于疏水区域的相互作用，使其沉淀。
2.如何选择盐析所用中性盐？ （1）盐析作用要强。一般来说多价阴离子的盐析作用强，有时多价阳离子反而使盐析作用降低。 （2）盐析用盐要有足够大的溶解度，且溶解度受温度影响应尽可能小。这样便于获得高浓度盐溶液，有利于操作，尤其是在较低温度下的操作，不致造成盐结晶析出，影响盐析效果。
（3）盐析用盐在生物学上是惰性的，不致影响蛋白质等生物分子的活性，最好不引入给分离或测定带来麻烦的杂质。
（4）来源丰富、经济。 3.有机溶剂沉淀的原理是什么？ 答：亲水性有机溶剂加入溶液后降低了介质的介电常数，使溶质分子之间的静电引力增加，聚集形成沉淀；水溶性有机溶剂本身的水合作用降低了自由水的浓度，压缩了亲水溶质分子表面原有水化层的厚度，降低了它的亲水性，导致脱水凝集。
4.有机溶剂沉淀影响沉淀效果的因素有那些？ 答： （1）有机溶剂种类及用量 （2）pH的影响