生物工程下游技术
生物工程下游技术思考题答案
⽣物⼯程下游技术思考题答案⼀．绪论1、从某⼀动物培养的细胞中分离某⼀抗体(⼀蛋⽩的代表）的⼀般⼯艺过程。
答：⽣物⼯程下游技术的⼀般⼯艺过程（p12）2、分离纯化某⼀酶制剂的主要步骤和结果如下表：（（2）亲和层析的原理是什么？3、产品的分离提取⼯艺应考虑那些因素？答：⽣物分离过纯化过程的选择准则（P16）①步聚少，成本低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：适当浓缩⑦产品稳定性⑧物性溶解度，分⼦电荷，分⼦⼤⼩，功能团，稳定性，挥发性⑨危害性⑩废⽔处理第⼆章发酵液预处理1．沉降速度离⼼的原理。
（p15）答：沉降速度法：主要⽤于分离沉降系数不同的物质。
2．沉降平衡离⼼的原理。
（p15）答：沉降平衡法：⽤于分离密度不同的物质。
如梯度密度离⼼。
3．差速离⼼的概念。
（p15）答：采⽤不同的转速将沉降系数不同的物质分开的⽅法。
4． rpm与RCF的换算关系。
5.已知某⼀离⼼机的转⼦半径为25cm，转速为1200r/min，计算相对离⼼⼒为多⼤？第三章细胞破碎1除去发酵液杂蛋⽩质的常⽤⽅法有那些？答：杂蛋⽩质的除去（p6）(1) 沉淀法：蛋⽩质是两性物质，在酸性溶液中，能与⼀些阴离⼦（三氯⼄酸盐、⽔扬酸盐）形成沉淀；在碱性溶液中，能与⼀些阳离⼦（Ag+、Cu2+、Zn2+、Fe3+等）形成沉淀。
(2) 变性法：使蛋⽩质变性的⽅法很多，如：加热，调节pH，有机溶剂，表⾯活性剂等。
其中最常⽤的是加热法。
(3) 吸附法：加⼊某些吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋⽩质⽽除去。
2产品的分离提取⼯艺应考虑那些因素？答：(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) 产物和主要杂质的物理化学特性及差异；(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。
3发酵液过滤与分离的困难的原因及解决⽅法。
答：第⼀节发酵液过滤特性的改变微⽣物发酵液的特性可归纳为： (P3)①发酵产物浓度较低，⼤多为1％⼀10％，悬浮液中⼤部分是⽔；②悬浮物颗粒⼩，相对密度与液相相差不⼤；③固体粒⼦可压缩性⼤；④液相粘度⼤，⼤多为⾮⽜顿型流体；⑤性质不稳定，随时间变化，如易受空⽓氧化、微⽣物污染、蛋⽩酶⽔解等作⽤的影响。
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 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。
生物工程下游技术作业及答案[终稿]
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生物工程下游技术作业及答案第三章1 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。
2 絮凝：是指在某些高分子絮凝剂存在下，基于桥架作用，使胶粒形成絮凝团的过程。
3 为有利于发酵液过滤可采用哪些方法来改变发酵液过滤特性？其简要机理如何？答：可通过以下几个方式：（1）降低液体粘度(加水稀释法和加热法)；（2）调节pH；（3）凝聚与絮凝；（4）加入助滤剂；（5）加入反应剂。
4 杂蛋白是发酵液中主要杂质，常用的除去方法有哪些？答：沉淀法；变性法；吸附法。
第四章1 细胞破碎：是指选用物理、化学、酶或机械的方法来破坏细胞壁或细胞膜。
2 细胞破碎有哪些方法？简述他们的基本原理。
答：固体剪切法；液体剪切法；超声波法；其他方法。
3 高压匀浆法与球磨法比较？答：1、高压匀浆法操作参数少，易于确定，适于大规模操作，而球磨法操作参数多，一般凭经验估计，在大规模操作中，夹套冷却控温难度较大。
2、球磨机连续操作时兼具破碎和冷却双重功能，减少了产物失活的可能性，而高压匀浆机需配备换热器进行级间冷却。
3、球磨法破碎在适当条件下一次操作即可达到较高的破损率，而高压匀浆法往往需循环2-4次才行。
4、球磨机适合于各种微生物细胞的破碎，而高压匀浆机不适合丝状真菌及含有包含体的基因工程菌。
第六章1浓差极化：是指当溶剂透过膜，而溶质留在膜上，因而使膜面浓度增大，并高于主体中浓度的现象。
2 膜的污染：随着操作时间的增加，膜透过流速的迅速下降，溶质的截留率也明显下降，这一现象被称为膜的污染。
3 简要说明各种膜（超滤膜、微孔过滤膜和纳米过滤膜）的特点及用途？答：超滤膜：能截留相对分子质量500以上的高分子的膜，应用于大分子产品，主要是酶及蛋白类产品。
微孔过滤膜：主要用于分离流体中尺寸为0.1-10µm的微生物和微粒子，以达到净化、分离和浓缩的目的。
主要用于无菌液体的生产，反渗透及超过滤的前处理。
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
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。
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。
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。
食品生物工程下游技术ppt课件
• 用有机溶剂萃取水相中的目标组分时， 应调节水相中的pH值、温度、盐浓度 等，以提高萃取效果。
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4.1.2 超临界CO2流体萃取
超临界萃取的技术原理：
• 利用超临界流体的溶解能力与其密度的关系，即 利用压力和温度对超临界流体溶解能力的影响而 进行的。在超临界状态下，将超临界流体与待分 离的物质接触，使其有选择性地把极性大小、沸 点高低和分子量大小的成分依次萃取出来。
• 所用的中性盐为硫酸铵、硫酸钠、硫酸镁、 氯化钠、磷酸二氢钠等，以硫酸铵最常用。
• 盐析得到的沉淀可采用过滤法或离心法与 盐溶液分离。
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4.3.3 有机溶剂沉淀法
• 生物大分子溶液中加入一定量的亲水性有 机溶剂，使溶质的溶解度降低而沉淀析出， 即有机溶剂沉淀法。
• 常用的有机溶剂为乙醇、丙酮、甲醇、异 丙醇等。乙醇最常用。
• 压力过滤 • 真空过滤 • 错流过滤
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3.2 细胞破碎
3.2.1常用细胞破碎方法（机械和非机械） • 珠磨法。珠磨机中细胞悬浮液与直径小1mm
的玻璃珠、石英砂等快速研磨，使细胞破碎， 使细胞内含物释放出来。 • 高压匀浆法。高压匀浆机由高压泵和匀浆阀 组成，细胞悬浮液通过针形孔，在高压驱动 使下高速运动并发生剧烈冲击，使细胞破裂。
• 预处理：加热、调整pH、絮凝 • 固液分离：珠磨、匀浆、酶溶、离心 • 初步纯化：萃取、吸附、沉淀、离心 • 精细纯化：层析、电泳、分子蒸馏 • 成品加工：结晶、浓缩、干燥
9
1.5 下游工程的质量控制
• 首先确定下游工程的工艺路线和参数，在 生产过程中严格执行工艺流程和参数，以 保证生产高质量的产品。
19
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.
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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。
36
The crystals above are of lysozyme, a protein located in the tear ducts of humans and in eggs of other animals.
37
13.4.6 成品加工
根据产品应用时的要求，一般经提取和精制后，最后还 需要一些加工步骤。例如浓缩、无菌过滤和去热原、干燥、 加入稳定剂等。如果最后要求的是结晶性产品，则浓缩、 无菌过滤和去热原等步骤系放在结晶之前，但干燥常常是 最后一道工序。 A 浓缩：升膜或降膜式的薄膜蒸发 B 无菌过滤和去热原：热原是脂多糖类物质，从细菌的细 胞壁产生，注入体内会使体温升高。 C 干燥：真空干燥、红外线干燥、沸腾干燥、气流干燥、 喷雾干燥和冷冻干燥等。
23
E 两水相萃取法
两水相萃取法仪适用于蛋白质的提取，双水相对蛋白质和 酶等生物大分子具有保护作用，小分子物质不适应。 由于聚合物分子的不相容性，两种聚合物的水溶液(含盐或 不含盐)可以分成两相。
聚乙二醇PEG与葡聚糖(Dex—tran)的水溶液。 聚合物如PEG和一种盐如磷酸盐。
蛋白质分子可在两相间进行分配。
在发酵过程中，把产物除去，以避免反馈抑制，如利用半透膜的发 酵罐，在发酵罐中加入吸附树脂等 39
结晶可以认为是沉淀的一种特殊情况，结晶的先 决条件是溶液达到过饱和。
达到过饱和方法
加入某些物质，使溶解平衡发生改变，例如调pH；
将溶液冷却或将溶剂蒸发。 正确控制温度、溶剂的加入量和加料速度可以控制晶 体的生长，以有利于结晶的选择性和利用离心机或过 滤器时有利于分离。
应用
低分子量物质的纯化，例如抗生素、柠檬酸。
加入有机溶剂
有机溶剂使溶液的介电常数降低，使水分子的溶解能力降低，在蛋 白质分子周围，不易形成水化层。有机溶剂常引起蛋白质失活。
沉淀能力不强，常同时加入有机溶剂。
调pH至等电点
加入非离子型聚合物：如PEG。 加入聚电解质
如聚丙烯酸，其机理和盐析作用相似。
21
沉淀法也用于小分子物质的提取中。
38
13· 5 生物技术下游加工过程的发展趋向
膜技术的推广使用
节能、高效
亲和技术的推广使用
分离的选择性大大提高
实验装置球磨机
优质层析介质的研究
色层分离中主要困难之一是层析介质的机械强度差
上游技术对下游过程的影响
生物工程作为一个整体，上、中、下游要互相配合
发酵与提取相结合
细胞碎片的分离
通常用离心分离的方法，但非常困难。
利用两水相萃取法，选择适当的条件，使细胞碎片集中分配在下相。
14
超声波细胞破碎仪
15
实验装置球磨机
16
13.4.4 初步纯化(提取)
经固液分离或细胞破碎及碎片分离后，活性物质存在于滤 液中，滤液体积很大，浓度很低，下游加工过程就是浓缩 和纯化的过程，常需好几步操作。
件，使一些蛋白质溶于逆胶束中，而其他蛋白质
则不能。因此和通常的溶剂萃取法相似，可以达
到分离的目的。
27
图13-6 蛋白质溶解在逆胶束中的示意图
28
H 超滤法/ultrafilter
超滤法是利用一定截断分子量的超滤膜进行溶质的分离或 浓缩。小于截断值的分子能通过膜，而大于截断值的分子 不能通过膜，因而达到分离。
11
13.4.2 发酵液的预处理和固液分离
发酵液预处理的目的在于改变发酵液的性质，以利
于固液分离。
如在活性物质稳定性的范围内，通过酸化、加热、以降低
发酵液的粘度。
加入絮凝剂，使细胞或溶解的大分子聚结成较大的颗粒。
固液分离方法
传统的板框压滤机和鼓式真空过滤机 离心分离，适用于含固量较多的发酵液。 微滤膜或超滤膜进行错流过滤，液固分离不完全。
适用于超滤的物质，分子量在500—1000000之间，或分子
大小近似地在(1—10nm)之间。
提取小分子，超滤主要用于去除大分子杂质。 提取大分子，超滤主要用于脱盐、浓缩。
超滤的主要缺点是浓差极化和膜的污染，膜的寿命较短，
通量低，难用于处理量大的工业中。
29
30
中空纤维式超滤膜管
31
13.4.5 高度纯化
ห้องสมุดไป่ตู้
影响分配系数的因素很多，如聚合物的种类和浓度、聚合物的分子 量，离子的种类，离子强度，pH和温度等，而且这些因素相互有 影响。
对这种复杂系统，尚无理论分析，最适的条件，常需由实验决定。
24
已成功地应用在30种酶的提取中。
F 超临界流体萃取/Supercritical Fluid Extraction，SFE
碱性-用酸性离子交换树脂去提取； 酸性-用碱性离子交换树脂提取。例如链霉素是强碱性物质，可用 弱酸性树脂来提取。
选择性吸附、选择洗脱。
19
沸石
20
C 沉淀法/precipitation
用于蛋白质的提取。主要起浓缩作用，纯化效果较差。 盐析
高浓度的盐类使蛋白质分子的水化层被除去，而相互吸引。
D 溶剂萃取法/solvent extraction
由于蛋白质遇有机溶剂会引起变性，故溶剂萃取法一般仅 用于抗生素等小分子生物物质的提取。 溶剂萃取法的原理： 抗生素以不同化学状态(游离状态； 成盐状态)存在，在水及与水不互溶的溶剂中溶解度不同。
例如青霉素
在酸性下成游离酸状态，在醋酸丁脂中溶解度较大，因而能从 水转移到醋酸丁酯中； 而在中性下，成盐状，在水中溶解度较大，因而能从醋酸丁酯 转移到水中。
分辨力的精制方法，如色层分离。
5
13· 3 生物技术下游加工过程的特点
1.
培养液(或发酵液)是复杂的多相系统：
含有细胞、代谢产物和未用完的培养基。分散在其中 的固体和胶状物质，具可压缩性，其密度又和液体相 近，加上粘度很大，属非牛顿性液体，使从培养液中 分离固体很困难。
2.
培养液中产物浓度很低，杂质含量却很高，特别
经初步纯化后，体积已大大缩小，但纯度提高不多，需要 进一步进行精制。
如沉淀、超滤等也可应用于精制中。 大分子(蛋白斥)和小分子物质的精制方法有类似之处，大 分子物质的精制依赖于色层分离，而小分子物质的精制常 常利用结晶操作。
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A 色层分离
色层分离是一种高效的分离技术。
操作是在柱中进行，包含两个相—固定相和移动
超临界流体：在某一温度与压力时，物质气液两相差别消 失，合并成一相，这时称为临界点，其温度和压力分别称 为临界温度和临界压力。当温度和压力略超过或靠近临界 点时，其性质介于液体和气体之间，称为超临界流体。例 如二氧化碳的临界温度为31.1℃，临界压力为7.3MPa。 超临界流体的密度和液体相近，粘度和气体相近，溶质在 其中的扩散速度可为液体的100倍 变化温度和压力可改变萃取能力，使对某物质具有选择性。 常用二氧化碳作萃取剂，临界压力较低，操作安全，无毒
第一步操作最为重要，称为初步纯化或提取，主要目的在 于浓缩，也有一些纯化作用
后几步操作所处理的体积小，合称为高度纯化或精制。
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A 吸附法/adsorption
主要用于抗生素等小分子物质的提取。 吸附剂有活性炭、白土、氧化铝、各种离子交换树脂等 缺点
吸附性能不稳定 选择性不高，即有些杂质被一起吸附，然后又一起洗下来； 可逆性差，即常常洗不下来； 不能连续操作，劳动强度较大