生物工程下游技术
生物工程下游技术
d. 对于含有半胱氨酸的蛋白，在增溶时应 加入还原剂（如DTT、GSH、β-ME）打开蛋 白质中所有二硫键，对于没有二硫键的目 标蛋白有时也应使用还原剂，因为含二硫 键的杂蛋白会影响包涵体的溶解。 e. 同时还应加入金属螯合剂，如EDTA或 EGTA，用来螯合Cu2+、Fe3+等金属离子以 防止其与还原状态的巯基发生氧化反应。
优点： ① 一定的选择性； ② 细胞外形完整，核酸释放少，有利于进一 步分离过程 缺点：（只能用于实验室） ① 产物抑制造成效率低下； ② 溶酶价格高； ③ 通用性差， 不易确定最佳条件；
6、微波加热法
• 机理：微波加热导致细胞内极
性物质，尤其是水分子吸收微波 能，产生大量热量，使胞内温度 迅速上升，液态水汽化产生的压 力将细胞膜和细胞壁冲裂，形成 微小孔洞，进一步加热可导致细 胞内部和细胞壁水分减少，细胞 收缩，表面出现裂纹。
缺点：复性活性回收率低，而且难与杂蛋白分
离。稀释法大大增加溶液体积，不利于后续的
分离纯化，且处理量太大，不利于工业放大 ；
透析法耗时长，易形成无活性蛋白质聚集体； 超滤法在膜上聚集变性，易造成膜污染。
2、高蛋白浓度下的复性方法：
（一个成功的复性过程在于能够在高蛋白浓度下仍
能得到较高的复性率。）
①缓慢地连续或不连续地将变性蛋白加入到 复性缓冲液中,使得蛋白质在加入过程中或 加入阶段之间有足够的时间进行折叠复性。 因为完全折叠的蛋白通常不会与正在折叠 的蛋白一起聚集。
团状、丝状真菌、 几乎所有的微生物 较小革兰阳性菌不 细胞，包括含有包 宜，包含体不宜 含体的基因工程菌 的破壁
X-Press挤压机，把浓缩的细胞悬液冷却 至-25～-30℃，形成冰晶，用500MPa以上
生物工程下游技术
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。
生物工程下游技术1-15章复习
第一章绪论下游技术:对于由生物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源料，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，通常称为下游技术，也称为下游工程或下游加工过程。
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。
它包括三方面内容，即清洁生产工艺(技术)、清洁产品、清洁能源。
清洁生产工艺是生产全过程控制工艺，包括节约原材料和能源，淘汰有毒害的原材料，并在全部排放物和废物离开生产过程以前，尽最大可能减少它们的排放量和毒性，对必须排放的污染物实行综合利用，使废物资源化。
第二章下游技术的理论基础利用物质性质上的差异，可以区分不同的物质，并可对包含多种成分的混合物进行分离和精制。
分类：以物理学过程为基础的分离操作，大致可分为以下三类，（1）平衡分离过程（2）拟平衡(速度差)分离操作（3）非平衡分离操作流体在分离场内的传递现象可用经典流体力学中动量（通量）传递，热量（通量）传递，和质量（通量）传递规律和作用于分离场外的外加势能来描述。
下游技术中的生物学过程（一)特异性相互作用(锁钥关系）生物分离过程的作用特征是生物高分子的特异性相互作用。
生物高分子能分辨特定物质，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。
有时也被称为生物亲和力。
具有特异性相互作用的高分子主要有：酶、抗体、植物凝血素、抗生物素蛋白等结合性蛋白、肝素、明胶、核苷酸等。
（1）离子间的相互作用：氨基酸侧链的电荷引起的静电作用（2）氢键结合：配体含或原子，能和结合部位之间形成氢键（3）硫水性相互作用：配体上的非极性基团与结合部位侧面的非极性部分存在硫水性相互作用（4）对金属原子配位：结合部位的一部分和配体的一部分在同一金属上配位（5）弱共价键结合：醛基和羟基间形成半缩醛可逆性结合作用（除共价结合外）（二）亲和色谱（Affinity Chromatography）利用某些生物物质之间特异的亲和力进行选择性分离的色谱技术。
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
生物工程下游技术第五章1、目标产物分离基本的两个阶段：产物的初级分离和产物的纯化精制阶段。
（1）初级分离：位于生物反应之后，其任务是分离细胞和培养液，破碎细胞释放产物，溶解包涵体，复原蛋白质，浓缩产物和去除大部分杂物等。
（2）纯化精制：在初级分离的基础上，用各种高选择手段（主要是各种色谱层析）将目标产物和干扰杂物尽可能的分离开，达到产物的高纯度，最后储藏运输和使用产品。
（1）机械破碎（高压匀浆、高速研磨）—离心法提取包含体—加变性剂溶解—除变性剂复性特点：利用了包含体与细胞碎片的密度差，离心法可获得干净的包含体，再对其复性。
这样首先摆脱了大量的杂质，使后面的分离纯化简单了，缺点是需要经过几次离心，加工时间较长（2）机械破碎—膜分离除可溶性蛋白—变性剂溶解包含体—除变性剂复性特点：应用了膜分离技术，用微孔膜除去可溶性蛋白质，但细胞碎片与包含体一起被膜挡住，难以分开，其次膜的堵塞和浓差极化常常导致可溶性蛋白的滞留，优点是封闭式操作，不污染环境也不受污染，能量也消耗少（3）化学破碎（加变性剂）—离心除细胞碎片—除变性剂复性特点：化学法破菌，试剂既可以破菌又可以溶解包含体，这样节约了时间和设备，缺点是所有的可溶性杂质都没有被除去，混杂在产物中间，给后面的分离带来困难。
第六章1、膜分离技术：是用半透膜作为选择障碍层，允许某些组分透过而保留混合物中其他组分从而达到分离目的技术。
优点：1）处理效率高，设备易于放大2)可在室温或低温下操作，适宜于热敏感物质分离浓缩3）化学与机械强度小，减少失活4）无相转变，省能5）有相当好选择性，可在分离、浓缩的同时达到部分纯化目的6）选择合适膜与操作参数，可得到较高回收率7）系统封闭循环，防止外来污染8）不外加化学物，减少了成本，也减少了对环境的污染2、膜的清洗：物理方法和化学方法。
物理方法一般是指用高速水冲洗，海绵球机械擦洗和反洗等，他们的特点是简单易行。
化学清洗通常是用化学清洗剂，如碱、酸、酶表面活性剂、络合剂和氧化剂等。
生物工程下游技术简答题
答案仅供参考1.从生物工程概念及学科分支着手，分析生物工程下游技术的概念。
生物工程是分子遗传学、微生物学、细胞生物学、生物化学、化学工程和能源学等各学科的结合，应用于医药、食品、农林、园艺、化工、冶金、采油、发酵罐新技术和新底物的环保等方面的工程技术；生物工程下游技术就是研究，应用和设计生物产品的提取、分离、纯化、精制及加工工艺，使其变为产品的一门学科。
2.谈谈生物工程下游技术课程主要研究哪些问题？在整个生物工程技术领域的地位如何？有何作用？研究生物工程产品的提取、分离、纯化、精制加工等技术的基本原理和方法。
下游技术是生物制品产业化的必经之路和关键所在，直接影响产品的质量和成本。
作用是可以培养对生物产品的分离，纯化技术的掌控和应用能力，以及对生物物质提纯最佳方案的设计能力。
3.生物工程下游技术处理对象有哪些特点？目标物质浓度低、组分复杂、产物稳定性差、质量要求高（纯度、卫生和生物活性）4.原料中目的物的浓度与产品价格是否有关联？目的物浓度越低，产品的价格就越高5.提取步骤数及各步收率对总收率有何影响？提取步骤数越多，最终的总收率就越低6.通过查阅资料，介绍生物工程发展史。
第一阶段：古代酿造业，不存在下游技术一说，主要产品是酒、酱油、醋之类的发酵产品。
第二阶段：近代酿造业，可以进行过滤、蒸馏、精馏等简单的单元操作，主要产品是丙酮、丁醇等无活性的小分子物质。
第三阶段：可以进行目前大部分的化工单元操作，主要产品是抗生素、多糖、蛋白质等具有一定生物活性的大分子物质。
第四阶段：现代生物工业，可以进行各种新型分离技术（色谱、萃取等），主要产品是基因工程的高附加值产品。
7.介绍生物下游技术的一般流程，划分依据是什么？1.预处理（固体细胞与液体发酵液）2.提取（初步分离）3.精制（高度纯化）4.成品制作（最后加工，层析、电泳等）划分依据一般是分离产物的物相，分离物的大小，难度，方法等。
8.生物下游分离与化工分离有何区别？生物下游分离常无固定操作方法可循，生物材料组成非常复杂，分离操作步骤多，不易获得高收率，培养液（或发酵液）中所含目的物浓度很低，而杂质含量却很高，分离进程必须保护化合物的生理活性，生物活性成分离开生物体后，易变性、破坏，基因工程产品，一般要求在密封环境下操作。
生物工程下游技术
5.
基因工程产品，生物安全(biosafety)问题
即要停止菌体扩散。
10
13· 4 生物技术下游加工过程的一般 流程和单元操作
13.4.1 —般工艺流程
1. 2. 3. 4.
培养液(发酵液)预
处理和固液分离
初步纯化(提取)； 高度纯化(精制); 成品加工。 工艺过程决定于产
品的性质和要求达
到的纯度。
生物工艺学
第十三 章
生物工艺下游加工过程概论
1
主要内容
下游加工过程在生物技术中的地位
传统生化产品和基因工程产品回收方法的比较
生物技术下游加工过程的特点
生物技术下游加工过程的一般流程和单元操作 生物技术下游加工过程的发展趋向
2
13.1 下游加工过程在生物技术中的地位
下游加工过程：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、反应液或培养液中分离、精制有 关产品的过程称为下游加工过程(Down stream processing)。
化学工程的单元操作，但生物物质的特性有其特 殊要求
3
下游加工过程在生物技术中的地位
发酵生产中，分离和精制过程所需费用占成本很大部分。
杂质：当进行转移时，杂质不能或较少地随着转移，因而 能达到浓缩和提纯的目的。 二次萃取：有时一次转移并不能将杂质充分除去，例如红 霉素提炼采用二次萃取。
22
反应萃取法(Reactive extraction)
溶剂萃取法常遇到困难是分 配系数较低。
一种解决的方法是利用反应 萃取法(Reactive extraction) ， 即利用一种溶剂(通常是有机 磷化合物或脂肪胺)，能按一 定化学计量关系与生物物质 形成特异性的溶剂化键或离 子对化合物。
生物工程下游技术 重点
一、绪论1.生物下游加工过程的几个阶段：①预处理和固液分离；主要技术：过滤和离心②提取（初步分离）；目的：除去与产物性质差异较大的杂质，为后道精制工序创造有利条件；技术：盐析法、有机溶剂沉淀、化学沉淀、大孔吸附树剂、膜分离技术③精制（高度纯化）；目的：除去与产物性质差异较小的杂质；技术：色谱分离技术、结晶、重结晶④成品制作；喷雾干燥，气流干燥，沸腾干燥，冷冻干燥，结晶2.评价分离效果的重要参数浓缩率（m）；回收率；纯度二、发酵液预处理和固液分离名解：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。
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。
1.改变发酵液过滤特征的方法物理化学方法：调酸（等电点）、热处理、电解质处理、添加絮凝剂、添加表面活性物质、添加反应剂、冷冻—解冻、添加助滤剂（——降低液体粘度（加热法、加水稀释法），调整PH，凝聚与絮凝，加入助滤剂，加入反应剂）2.发酵液的相对纯化⑴高价无机离子的除去方法①Ca2+—草酸、草酸钠，形成草酸钙沉淀（回收草酸）②Mg2+—三聚磷酸钠，形成三聚磷酸钠镁可溶性络合物③Fe2+—黄血盐，普鲁士兰沉淀⑵杂蛋白的去除方法①沉淀法：酸碱调节，使蛋白质与盐或离子形成沉淀。
②变性法：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。
③吸附法：吸附剂或沉淀剂吸附除去杂蛋白—活性炭、硅胶、氧化铝3．常用固液分离的方法⑴离心：在液相非均一系统中，利用离心力达到液－液、液－固、液－液－固分离的方法，统称为离心分离。
离心机种类：碟片式离心机、管式离心机、倾析式离心机⑵过滤：根据过滤机理，过滤操作可分为澄清过滤和滤饼过滤。
过滤机种类：板框压滤机、真空转鼓过滤机、硅藻土过滤机三、细细胞破碎的主要方法和适用对象，了解基本机理。
（见P65图）细胞破碎技术是指利用外力破坏细胞膜和细胞壁，使细胞内容物包括目的产物成分释放出来的技术。
生物工程下游技术
生物工程的下游技术上游：菌种，基因工程，分子生物学，遗传学中游：微生物发酵工程，动植物细胞，海洋生物培养下游：生物分离工程生物下游加工过程是指目标产物的分离纯化过程，包括产物提取，产物浓缩，产物纯化，成品化。
生物反应器：生物反应器是利用酶或生物体（如微生物）所具有的生物功能，在体外进行生化反应的装置系统，是一种生物功能模拟机，如发酵罐、固定化酶或固定化细胞反应器等。
直接测定法细胞干重法：测量细胞浓度的最基本方法。
显微计数法：显微镜和血球计数器。
平板计数法：生理盐水稀释，记录菌斑。
浊度法：波长600-700nm范围测量。
微生物的浓度即菌体浓度的表示方法。
（g/l,kg/m3)间接测定法测定构成细胞的大分子物质来确定细胞浓度。
动物细胞形态成纤维细胞型；上皮细胞型；游走细胞型；多形性细胞型，均属于贴壁依赖型细胞，培养这类细胞时，常需贴附在支持物上生长。
但由于培养环境的变化，细胞形态常发生改变。
悬浮型细胞这类细胞常呈圆形，不贴附在支持物上，呈现悬浮状态生长。
如血液细胞，淋巴组织细胞及肿瘤细胞。
培养这类细胞也可采用微生物培养的方法进行悬浮物培养。
动物细胞培养的环境：温度、PH值、营养成分、溶氧、气体环境、渗透压以及其他因素。
固定化培养是既适用于贴壁依赖性细胞，又适用于非贴壁依赖性细胞的包埋培养方式，具有细胞生长密度高、抗剪切力和抗污染能力强等优点。
由于所培养的细胞的不同，固定化培养的方式也有不同，一般对于贴壁依赖性细胞通常采用胶原包埋，而对于非贴壁依赖性细胞则常用海藻酸钙包埋。
常用的细胞固定化的方法1、吸附：选择适当的条件，将细胞和支持物混合，细胞便贴附在支持物的表面。
2、共价贴附：细胞和支持物通过化学键结合，减少了细胞泄露。
3、离子/共价交联：如果用聚合物（聚氨等）处理细胞悬液，则会在细胞之间形成桥使之絮结。
4、包埋：此法步骤简单，条件温和，细胞和高聚物或单体混合，随着凝胶的形成，细胞嵌入到高聚物网络中。
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。
生物工程下游技术
生物工程下游技术课程名称：生物工程下游技术课程代码：6705第一部分课程性质与目标一、课程性质与特点生物工程下游技术这门课程适合于理工科专业生物工程专业进行学习。
本课程的内容更多的涉及到工业应用。
下游技术是关于由生物界自然产生的生物体或者由微生物菌体发酵的、动植物细胞组织培养的、酶反应、微生物转化等各类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，也称之下游工程或者下游加工过程，是生物技术产品产业化的必经之路。
目前所指的下游技术大多数属于“物质分离”范畴。
要紧研究的是物质分离的方法原理及有关的仪器设备。
生物工程下游技术这门课程涉及到物理，化学，生物化学，发酵工程，生物工程与设备等多门学科。
二、课程目标与基本要求通过学习生物工程下游技术这门课程应掌握下列基本知识点：1.生物工程下游技术的研究对象与进展历程2.下游技术的理论基础3.发酵液预处理，微生物细胞破碎方法与设备4.溶剂萃取与浸取，超临界流体萃取，双水相萃取，反胶团萃取，膜分离过程，液膜分离，离子交换法，色谱法等要紧分离单元操作技术及分离过程的特点，工艺设计与设备选型通过学习熟悉各类分离方法的原理，适用范围，熟悉常用分离设备的操作，在实际应用中能够选择合适的分离方法对仪器进行操作达到分离的目的。
通过学习，具备对生物产品的分离、纯化技术的应用能力，及对生物物质提纯最佳方案的设计能力。
三、与本专业其他课程的关系本课程的内容更多的涉及到工业应用。
下游技术对各类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。
在生物工程专业课程的学习中，是一门将生物工程上游技术应用到实际生产中所需要借助的手段。
《物理学》，《无机化学》，《有机化学》，《物理化学》等基础课是这门课程的基础，《微生物学》，《生物化学》，《酶工程》，《发酵工程》，《生物工程与设备》等专业课的知识也会运用到这门课程中，其后继课程有《发酵工厂设计》等。
生物工程下游技术
优点:(1)对产物释放具有一定选择性.(2)细胞外形保持完整,碎片少,浆液粘度低,易于固液分离和进一步提取.
优点:操作参数少,适合于大规模操作,
缺点:不适合于丝状真菌及含有包涵体的基因工程菌.破碎率较低,往往需循环2-4次才能达到较高的破碎率,容易引起产物的失活的可能性,需配备换热器进行级间冷却.
3）超声破碎法:通常采用的超声破碎机在15—25kHz的频率下操作.
优点:操作简便,液量损失少,适合实验室规模.
缺点:易引起温度的剧烈上升,在大规模操作中,声能传递和散热困难,产生的化学自由基团能使某些敏感性活性物质失活.
4)酶溶法:利用酶反应,分解破坏细胞壁上的特殊键,从而达到破壁的目的.
优点:选择性释放产物,条件温和,核酸泄漏量少,细胞外形完整.
不足:价格高,限制了大规模应用,通用性差,不同菌种需选择不同的酶,不易确定最佳的溶解条件;产物抑制的存在.
倾析式离心机靠离心力和螺旋的推进作用自动连续排渣,所以也称为螺旋卸料沉降离心机.特别适用于含固形物较多的悬浮液的分离.优点:操作连续;适应性强;应用范围广;结构紧凑和维修方便缺点:分离有数较小,不适用于细菌;酵母等微生物悬浮液的分离,液相澄清度也较差.
过滤:使悬浮液通过过滤介质,让液体通过,而把固体颗粒截留,从而达到固液分离的目的.
管式离心机:分离效率很高.用于液液分离和固液分离.当用于液液分离时为连续操作,而用于固液分离时则为间歇操作.适于微生物细胞;细胞碎片;细胞器;病毒;蛋白质;核酸等生物大分子的分离.优点:设备简单,操作稳定,分离效率高.在生物工业中,特别适合于一般离心机难以分离而固形物含量＜1％的发酵液的分离.缺点:生产能力较小,转速相对较低的管式离心机最大处理量也就是10m3/h,且不适用于固形物含量较高的发酵液.
生物工程下游技术复习
第三章 细胞破碎、蛋白质复性及固液分离
*包含体? 主要由蛋白质构成，其中大部分是基因表达产物,产 物的一级结构是正确的，但立体结构是错误的，故 无活性。通常为固体颗粒。 泡沫分离法? 是一种基于溶液中溶质（或颗粒）间表面活性的 差异进行分离的一种方法，表面活性强的物质优 先吸附于分散相（气相）与连续相（液相）的界
面处，被气泡带出连续相而达到分离。
稀释复性? 将溶液稀释，导致变性剂的浓度降低，蛋白 质开始复性。 透析复性? 将溶液对水或缓冲液透析，变性剂透过膜被 除去，里面的蛋白开始复性。时间较长，易 形成蛋白质沉淀。 临界胶团浓度? 表面活性剂在水溶液中形成胶团的最低浓度。
包含体的成分及形成的原因?
• 包含体（inclusion body）：重组蛋白质的高效表达 常常导致其在胞内发生错误折叠和聚集，形成包含 体。 • 包含体主要由蛋白质构成，其中大部分是基因表达 产物；产物的一级结构是正确的，但立体结构是错 误的，故无活性。 • 一般认为包含体的形成主要原因是蛋白质本身具有 易于聚集沉淀的性质，或表达产物周围的物理环境 （如温度、离子组成）不适或缺少某些折叠辅助因 子（如分子伴侣）的作用。 • 在大多数情况下，包含体的形成是蛋白质过量表达 的结果，而与蛋白质的种类和表达系统无关。
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。
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。
向的一面受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。
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动物生物反应器专业：生物技术班级：093姓名：贺霞霞一、概述1、生物反应器：生物反应器是利用生物体所具有的生物功能，在体外或体内通过生化反应或生物自身的代谢获得目标产物的装置系统、细胞、组织器官等等。
2、内容：生物反应器听起来有些陌生，基本原理却相当简单。
胃就是人体内部加工食物的一个复杂生物反应器。
食物在胃里经过各种酶的消化，变成我们能吸收的营养成分。
生物工程上的生物反应器是在体外模拟生物体的功能，设计出来用于生产或检测各种化学品的反应装置。
或者说，生物反应器是利用酶或生物体（如微生物）所具有的生物功能，在体外进行生化反应的装置系统，是一种生物功能模拟机，如发酵罐、固定化酶或固定化细胞反应器等。
生物反应器（bioreactor）经历了三个发展阶段：细菌、细胞基因工程、转基因动物生物反应器。
转基因动物生物反应器的出现之所以受到人们极大的关注，是因为它克服了前两者的缺陷，即细胞基因工程产物往往不具备生物活性，必须经过糖基化、羟基化等一系列修饰加工后才能成为有效的药物，而细胞基因工程又因为的培养条件要求相当苛刻、成本太高而限制了规模生产。
另外，转基因动物生物反应器还具有产品质量高、容易提纯的特点。
一般把目的片段在器官或组织中表达的转基因动物叫做动物生物反应器。
几乎任何有生命的器官、组织或其中一部分都可以经过人为驯化为生物反应器。
从生产的角度考虑，生物反应器选择的组织或器官要方便产物的获得，例如乳腺、膀胱、血液等，由此发展了动物乳腺生物反应器、动物血液生物反应器和动物膀胱生物反应器等。
其中，转基因动物乳腺生物反应器的研究最为引人注目。
二、动物生物反应器的介绍1、转基因动物与生物反应器转基因动物是指经人的有意干涉,通过实验手段,将外源基因导入动物细胞中,稳定地整合到动物基因组中,并能遗传给子代的动物。
Palmiter等(1982)将含有小鼠金属巯蛋白基因启动子的DNA片断与大鼠生长激素基因融合,用微注射的方法导入小鼠受精卵,移植给受体,产下了21只仔鼠,6只比同窝仔鼠生长快,10时体重比同窝正常鼠大1倍,成功地获得了超级小鼠。
这一结果引起世界轰动,转基因动物的内在潜力由此而得以证实。
转基因动物的主要技术步骤:⑴目的基因的分离与克隆；⑵表达载体的构建；⑶受体细胞的获得；⑷基因导入；⑸受体动物的选择及转基因胚胎的移植；⑹转基因整合表达的检测；⑺转基因动物的性能观测及转基因表达产物的分离与纯化；⑻转基因动物的遗传性能研究以及性能选育；⑼组建转基因动物新类群。
利用基因工程培育新型微生物转基因动物最为诱人的前景是利用它生产人类所需要的生物活性产品或药物。
目前世界上有很多公司正在致力于这方面的研究。
而转基因家畜研究最为活跃的领域就是利用它们生产新的动物产品。
通常把目的基因在或乳腺中表达的转基因动物称为动物生物反应器，把家畜作为一种生物反映器，生产人类所需的药用蛋白，包括治疗用药物、激素和抗体等。
2、动物生物反应器的类型动物乳腺生物反应器原理：将所需目的基因构建入载体，加上适当的调控序列，转入动物胚胎细胞，使转基因动物分泌的乳汁中含有所需要药用蛋白。
从融合基因转入胚胎细胞到收集蛋白质有一个过程，包括胚胎植入、分娩和转基因动物的生长。
目前，已克隆并用作构建载体的乳蛋白基因主要有-乳球蛋白（BLG）基因、s1-酪蛋白基因、-酪蛋白基因、乳清酸蛋白（WAP）以及乳清蛋白基因。
应用抗凝血酶Ⅲ：第一个进入临床试验的转基因蛋白产物。
将半乳糖β-酪蛋白的启动子和含抗凝血酶Ⅲ基因序列相连，转入绵羊胚胎细胞，在转基因绵羊的乳液中得到有生物活性的蛋白产量可达7g/L。
目前该蛋白正用于冠状动脉旁路手术患者的二期临床验证。
β-乳球蛋白：在实验过程中人们发现牛的（BLG）基因非常稳定，并能在乳腺中特异性表达。
Hyttinen等将含有5′端和3′端的牛BLG构建成载体，转入小鼠胚胎细胞，可在转基因小鼠的乳腺中特异表达高水平的BLG，此外，还发现CpG位点的甲基化程度与BLG的表达量有关，甲基化少的转基因小鼠乳液中BLG分泌量较大，可达1～2mg/ml，而其他转基因小鼠分泌量小于ml。
红细胞生成素(EPO):将EPODNA分别以HindⅢ和BamHI酶切，1%回收的Hi nⅢ/BamHI片段，插入pGEM-7zf(+)载体，再将867bp的BLG启动子插入EPO 基因之前EcoR、ClaI位点，构建表达载体pGEM-3zf(+)β-LG-EPO。
通过显微注射方法得到转基因小鼠乳汗中的EPO含量可达μg/ml。
α1-抗：这也是一个利用BLG基因构建的重组蛋白。
将BLG5'末端序列与人的α1-抗胰蛋白酶（α1AT）基因的片段（去掉第一个内含子）融合，再连接羊的BLG启动子，以pPOLYⅢ-Ⅰ为载体，转入羊的胚胎细胞，可在转基因羊分泌的乳液中得到含量高达ml的重组蛋白α1AT。
转基因在两年前进入了临床验证。
因子Ⅸ:Schnieke等将羊的BLG基因5'末端和人的ⅨcDNA与含有BLG复制单元和3'末端的片段融合，将构建的杂合基因转入羊的胚胎细胞，从分泌的乳汁中得到125μg/ml的重组蛋白。
因子Ⅷ:人FⅧcDNA长约，是目前为止表达的最长cDNA。
将它插入小鼠的乳清酸性蛋白（WAP）基因中启动子（）的下游，使之在乳腺中靶向分泌FⅧ重组蛋白。
在WAP/FⅧcDNA构建的转基因小鼠中rFⅧ表达最低，而在转基因猪中可达～μg/ml。
单克降抗体:Castilla等将编码了重组单克降抗体（rMab）的cDNA插入小鼠WAPDNA的第一个外显子，使的表达可以由WAP基因调控序列来控制，将构建的杂合基因注入小鼠胚胎细胞原核，使小鼠乳腺分泌有活性的单克降抗体，这种转基因表达产物将广泛应用于预防新生儿肠道感染。
C蛋白:同样在WAP基因的第一个外显子位点，Drews等将人C蛋白cDNA 插入，转入小鼠胚胎细胞，可得到产量达ml的重组蛋白。
而将上述杂合基因转入猪的胚胎细胞，可使猪分泌出380μg/mlμg/ml·hr的外源蛋白，活性与人血浆中C蛋白的活性相同。
生长激素：乳腺生物反应器能表达hGH。
用同源重组方法将hGH210kb的人α-乳球蛋白位置依赖性YAC载体，将重组的YACDNA显微注入大鼠胚胎，转基因大鼠的乳汁中含有高水平的hGH，含量可达～ml。
优点：⑴产品质量稳定；⑵产品成本低；⑶研制开发周期短；⑷无污染；⑸经济效益显着。
应用：⑴改良乳汁品质；⑵生产药用蛋白。
动物血液生物反应器血液生物反应器比较适合生产人血红蛋白．．．．．．．．．和生产非生物学活性状．．．．．、抗体态的融合蛋白．．．．．．,而有活性的蛋白或多肽(如激素、细胞分裂素、组织血溶酶因子等)由于进入了动物血液循环系统而影响动物的健康。
到目前为止,已有多种通过转基因动物生产的具有生物学功能的人血红蛋白问世。
膀胱生物反应器膀胱反应器有着和乳腺反应器一样的优点：收集产物蛋白比较容易，不必对动物造成伤害。
此外，该系统可从动物一出生就收集产物，不论动物的性别和是否正处于生殖期。
膀胱生物反应器最显着的优势在于从尿中提取蛋白质比在乳汁中提取简便、高效。
生长激素:膀胱生物反应器多用Uroplakin启动子启动人（hGH）的表达，产生hGH特异性的高丰度RNA，这些RNA与蛋白分泌量高度相关。
Uroplakin基因在多种哺乳动物体内有很高的保守性，如鼠、兔、牛、羊和人等。
Kerr等将pUPII-LacI用的Kpni进行消化，用T4DNA多聚酶切去3'端，然后用BamHI消化，分离出的5'端小鼠UPII．．．．基因片段，此片段含有膀胱反应器特异性表达所需的大部分序列。
将此片段与位于无启动子的pOGH质粒纯化SaI和BamHI位点间的hGH．．．的5'．．端．连接，得到pUPII-hGH质粒，能表达该质粒的组织分布有限。
将得到的pUPII-hGH质粒用HindIII和EcoRI消化，得出一段的UPII-hGH融合基因可用于显微注射，在膀胱上皮细胞中合成hGH，收集转基因动物尿液，从中提取重组蛋白。
缺点：转基因动物会因hGH的作用逐渐肥胖，并导致雌性动物不育症。
3、动物生物反应器的优越性转基因动物的问世,为利用基因工程手段获得低成本、高活性和高表达的产物开辟了一条重要途径。
作为生物反应器的转基因动物,主要是利用其乳腺组织和血液组织进行定位表达,特别是用乳腺组织生产具有生物活性的多肽药物和具有特殊营养意义的蛋白质,已成为一个新兴的转基因制药业。
优越性有以下几点：表达产物能充分修饰且具有稳定的生物活性。
利用的微生物来生产的药用蛋白,由于细菌等微生物不能进行后的加工,因而生物活性低,并且具有免疫原性,而利用转基因动物生产药用蛋白却免除这些问题。
产品成本低,可以大规模生产。
作为生物反应器的转基因动物可无限扩繁,且饲养成本低,可进行大规模的药物生产。
而动物细胞生物反应器,虽然能生产具有完全生物活性的产品,但以商业生产为目的的大规模的,成本会极高且培养条件要求苛刻。
产品质量高,易提纯。
由动物生物反应器生产的药品为纯的生物制品,避免了化学试剂及生物毒素的污染。
目前,某些药用蛋白生产已达每千克乳汁含几十克,生物活性与天然蛋白几乎完全一样,极易提纯。
总之,动物生物反应器弥补了其它各类基因表达系统的缺陷。
4、存在的问题与发展前景转基因动物与生物反应器是20世纪生命科学发展的一个里程碑,但现在仍然存在着许多急需解决的问题。
由于转基因动物的研究在理论和技术上尚有不完善之处,使得转入的外源基因在动物基因组中随机整合．．．．．．、遗传．．．．、调节失控不稳定．．．．．。
．．．、表达率不高要提高转基因的效率,保证外源基因的有效表达,关键是基因构建的定点．．整合．．。
转基因动物生物反应器的问题。
这包括转基因动物的产物的分离和提纯,表达产物的结构和生物活性与人体蛋白的相似性的问题。
只有从表达产物除去能引起人类变态反应的非人类蛋白,并且产品与人体蛋白有足够的相似性,才能应用于人类的健康事业。
转基因动物的成活率低．．．．。
．．．．和免疫缺陷．．．．,出生后的部分个体表现出各种生理如为提高生产性能而制备的转基因猪出现了雌性不育、胃溃疡和关节炎等病症;而克隆牛已经先后死去;转基因后获得的目的性状,通过有性繁殖后,遗传性状出现分离,如英国的一只高产1-AT羊奶的转基因绵羊,其子代羊奶中的含仅为其母亲的1/10。
尽管转基因动物生物反应器的研究仍面临着许多需要解决的问题,但它潜．在．的社会价值．．．．的。
在未来几年内，将有多种动物乳腺生物反映器重．．．．是无可估量组蛋白上市，从而形成市场前景广阔和利润巨大的新生物制药行业。