生物工程下游技术

1.请描述生物工程下游技术的一般工艺流程，并分析各步可采用方

法及其原理

按生产过程分，下游技术工艺过程大致可分为4个阶段，即预处理、提取（初步分离）、精制（纯化）、成品制作。

发酵液→预处理→细胞分离→细胞破壁→碎片分离→提取→精制→成品制作加热过滤匀浆法离心沉淀(重)结晶浓缩

调PH 离心研磨法双水相吸附离子交换干燥

絮凝膜分离酶解法膜分离萃取色谱分离无菌加工

超滤膜分离成型

结晶

（1）预处理和固液分离

加热法：加热可降低液体黏度，只适用于产物对热较稳定的发酵液。在适当的温度和受热时间下可使菌体或蛋白质凝聚形成较大颗粒的凝聚物，改善发酵液固液分离特性。加热是蛋白质变性凝固的有效方法。

调节PH法：PH直接影响发酵液中某些物质的电离度和电荷性质，调节PH可以改变菌体和蛋白质的带电性质，从而改变其过滤特性。蛋白质属于两性电解质，两性电解质在溶液中的PH处于等电点时分子表面净电荷为零，导致赖以稳定的双电层及水化膜的削弱或破坏，分子间引力增加溶解度最小。因此，调节溶液的PH，可使蛋白质溶解度下降而析出，这是除去蛋白质的有效方法。改变PH，还能使蛋白质变性凝固。

絮凝：在某些高分子絮凝剂的存在下。基于桥架的作用，使胶粒形成絮凝团的过程。

（2）提取（初步分离）

沉淀：在溶液中加入沉淀剂使溶质溶解度降低，生成无定形固体从溶液中析出的过程。原理：沉淀分离就是通过沉淀，在固-液分相后，除去留在液相或沉积在固相中的非必要成分。

吸附：吸附是利用吸附剂对液体或气体中某一组分具有选择性吸附的能力，使其富集在吸附剂表面的过程。吸附的原理：固体内部分子所受分子间的作用力是对称的，而固体表面分子所受力是不对称的。向内的一面受内部分子的作用力较大，而表面向外一面所受的作用力较小，因而当气体分子或溶液中溶质分子在运动过程中碰到固体表面时就会被吸引而停留在固体表面上。

萃取：利用溶质在互不相溶的两相之间分配系数的不同而使溶质得到纯化或浓缩的技术。原理：利用各物质在不同溶剂中具有不同的溶解度的原理来达到将目标产物分离纯化的目的。

超滤：超滤是利用膜的透过性能，在静压差的推动力作用下，达到分离离子、分子及其某种微粒目的的膜分离技术。原理：超滤是一种筛分过程，在一定的压力作用下，含有大小分子溶质的溶液流过超滤膜表面时，溶剂和小分子物质（如无机盐类）透过膜，作为透过液被收集起来；而大分子溶质（如有机胶体）则被膜截留而作为浓缩液被回收。

结晶：将形成晶型物质的过程称为“结晶”。原理：通过结晶溶液中的大部分杂质会留在母液中，再通过过滤、洗涤即可得到纯度高的晶体。

（3）精制（纯化）

（重）结晶：重结晶原理是利用混合物各组分在某种溶剂中溶解度不同或在同一溶剂中不同温度时的溶解度不同而使它们分离。

离子交换：离子交换技术是以圆球形树脂(离子交换树脂)过滤原水,水中的离子会与固定在树脂上的离子交换。常见的两种离子交换方法分别是硬水软化和去离子法。硬水软化主要是用在反渗透(RO)处理之前,先将水质硬度降低的一种前处理程序。软化机里面的球状树脂,以两个钠离子交换一个钙离子或镁离子的方式来软化水质。

色谱分离：色谱分离过程是被分离的样品（混合物），在两相间进行分配，其中一相固定不动的，称为固定相。另一相是流动的，称为流动相或移动相。混合物借助流动相的推动，顺流动相的流向而迁移。混合物各组分迁移的速度取决于各组分在固定相和流动相之间的分配系数（对气-液分配色谱）或吸附能（气-固吸附色谱）。分配系数大的或吸附能大的组分停留在固定相中时间长，从色谱柱中流出的时间晚。分配系数或吸附能小的组分在固定相中停留时间短，先从柱中流出。从而使混合物中各个组分得以分离。

膜分离：膜是具有选择性分离功能的材料，利用膜的选择性分离实现料液的不同组分的分离、纯化、浓缩的过程称作膜分离。它与传统过滤的不同在于，膜可以在分子范围内进行分离，并且这过程是一种物理过程，不需发生相的变化和添加助剂。

（4）成品制作

浓缩：指使溶剂蒸发而提高溶液的浓度，泛指不需要的部分减少而需要部分的相对含量增高。原理：浓缩从溶液中除去部分溶

剂(通常是水)的操作过程，也是溶质和溶剂均匀混合液的部分分离过程。通过浓缩可除去食品中大量的水分，减少质量和体积，降低食品包装、贮存和运输费用；浓缩可以提高制品浓度，增大渗透压，降低水分活度，抑制微生物生长，延长保质期；浓缩可作为干燥、结晶或完全脱水的预处理过程；通过浓缩可以降低食品脱水过程中的能耗，降低生产成本；浓缩还可以有效除去不理想的挥发性物质和不良风味，改善产品质量。

干燥：在干燥过程中，水分从物料内部移向（扩散）表面，再由表面扩散到热空气中。干燥过程得以进行的必要条件：是被干燥物料中的水分所产生的水蒸气分压大于热空气中水蒸气分压。

若二者相等，表示蒸发达到平衡，干燥停止；若热空气中水蒸气分压大，物料反而吸水。所以为了使物料干燥，必须控制热空气的相对湿度RH（饱和空气RH=100﹪，未饱和空气RH﹤100﹪，绝干空气RH=0﹪）

2.请分析表面活性物质在生物工程下游中可以有哪些应用

反胶团萃取：正向胶团(normal micelle)是表面活性剂分子在极性溶剂, 如水中形成的一种亲水基团(头)朝外,而疏水基团(尾)朝内的具有非极性内核的多分子聚集体。洗涤剂中的表面活性剂分子在水中形成的就是这种胶团, 其非极性内核可以溶解各种油污。从而达到去污的效果。与此相反, 表面活性剂在非极性溶剂如某些有机溶剂中就会形成亲水头向内和疏水尾向外的具有极性内核(polar core)的多分子聚集体(aggregates),由于其表面活性剂的排列方向与一般的正向胶团相

反, 因此, 称为反胶团, 反胶团的极性内核可以溶解某些极性物质, 而且在此基础上还可以溶解一些原来不能溶解的物质, 即所谓二次加溶原理。例如, 反胶团的极性内核在溶解了水后, 在内核形成了“水池”(water pool), 可以进一步溶解蛋白质、核酸、氨基酸等生物活性物质。由于胶团的屏蔽作用, 使这些生物物质不与有机溶剂直接接触, 而水池的微环境又保护了生物物质的活性,达到了溶解和分离生物物质的目的。这种技术既利用了溶剂萃取的优点, 又实现了生物物质的有效分离, 成为一种新型的生物分离技术。

（1）三种蛋白质的相互分离：利用反胶团的方法萃取分离蛋白质的研究中,首先采用AOT/异辛烷反胶团体系, 通过调节水相的pH 和离

子强度, 分别将α-核糖核酸酶、细胞色素C 和溶菌酶从三者的混合液中分离开来。它们的相对分子质量相近, 但等电点有一定的差别。作者利用pH 值和离子强度对反胶团萃取这三种蛋白质的影响的差别

建立了这三种蛋白质分离的流程。当pH >某个蛋白质的pI 时, 蛋白质带负电荷, 相反时蛋白质带正电荷。首先在pH =9 和较低的离子强度下, α-核糖核酸酶带负电荷不被反胶团萃取, 留在水相中, 但细胞色素C 和溶菌酶都带正电荷, 可萃入有反胶团的有机相中;第二步,利用提高离子强度,可将细胞色素C 从反胶团反萃到水相中; ;最后, 再提高pH 值和离子强度, 可将溶菌酶也反萃到水相中。这样就成功地分离了这三种蛋白质。日本学者利用此体系萃取分离了牛血清蛋白、α-胰蛋白酶和细胞色素C 。还利用此体系成功地分离了溶菌酶、胰蛋白酶和胃蛋白酶。