生物工程下游技术

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