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。

名词解释1.生物分离工程：在工业规模上，通过适当的分离纯化技术与装备并消耗一定的能量和分离介质来实现的生物物质制备的过程。

2.膜分离：利用膜的选择性，以膜两侧存在的能量差为推动力，由于溶液中各组分使其膜的迁移率不同，而实现分离的一种技术。

3.穿透曲线：吸附过程中吸附柱出口的溶质浓度变化的曲线。

4.乳化：水或有机溶剂以微小液滴形式分散于有机相或水相中的现象。

5.絮凝：使用絮凝剂将将胶体粒子胶连成网，形成10mm大小絮凝块的过程。

填空1.色谱展开技术可以分为（加试样）、（展开）和（分部收集）三个操作部分。

2.电泳按分离原理和操作的不同可分为（区带电泳）、（等电点电泳）和(等速电泳)。

3.常用的沉淀操作技术有盐析法（等电点沉淀法）和（有机溶剂沉淀法）三种方法。

4.离心机按功能和用途的不同可以分为（制备型离心机）和（分析型离心机）。

简答1.膜分离技术的优点？答：1）处理效率高，设备易于放大2）可在适湿或低温下操作3）化学强度和机械损害最小4）无相的转变，节能5）有相当好的选择性，可在分离浓缩时，可达到部分纯化的目的6）选择合适的膜与操作参数，可获得较高的回收率7）处理系统可密闭循环，防止外来污染8）不外加化学物质，从而降低成本2.膨胀床吸附介质应满足的条件？答：1）吸附剂的尺寸和密度应保持其于料液中需除去的固型颗粒间有明显的差异2）吸附剂具有良好的孔道结构，不易被料液中的大分子所污染3）吸附剂应具有活性基团，且对目标产物具有较高的吸附能量4）应具有较高的化学稳定性和良好的机械程度。

3.细胞破碎方法选择的依据？答：1）根据细胞处理量2）根据细胞壁的强度和结构3）根据目标产物对破坏方法的敏感度4）破坏程度5)目标产物的选择性释放计算三级萃取计算题利用乙酸乙酯萃取发酵液中的防线菌素D，当pH为3.5时分配系数为57，采用三级错流萃取，料液的流量H=450L/h，三级萃取剂的流量之和为39 L/h，分别计算：1）L1=L2=L3时和L1=20，L2=10,L3=9时的萃取率。

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。

1.请描述生物工程下游技术得一般工艺流程,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）预处理与固液分离加热法:加热可降低液体黏度,只适用于产物对热较稳定得发酵液。

在适当得温度与受热时间下可使菌体或蛋白质凝聚形成较大颗粒得凝聚物,改善发酵液固液分离特性。

加热就是蛋白质变性凝固得有效方法。

调节PH法:PH直接影响发酵液中某些物质得电离度与电荷性质,调节PH可以改变菌体与蛋白质得带电性质,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得PH处于等电点时分子表面净电荷为零,导致赖以稳定得双电层及水化膜得削弱或破坏,分子间引力增加溶解度最小。

因此,调节溶液得PH,可使蛋白质溶解度下降而析出,这就是除去蛋白质得有效方法。

改变PH,还能使蛋白质变性凝固。

絮凝:在某些高分子絮凝剂得存在下。

基于桥架得作用,使胶粒形成絮凝团得过程。

（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得过程。

原理:沉淀分离就就是通过沉淀,在固液分相后,除去留在液相或沉积在固相中得非必要成分。

吸附:吸附就是利用吸附剂对液体或气体中某一组分具有选择性吸附得能力,使其富集在吸附剂表面得过程。

吸附得原理:固体内部分子所受分子间得作用力就是对称得,而固体表面分子所受力就是不对称得。

向内得一面受内部分子得作用力较大,而表面向外一面所受得作用力较小,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得两相之间分配系数得不同而使溶质得到纯化或浓缩得技术。

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。

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。