生物工业下游技术

生物工业下游技术二 第一章绪论

1、对生物工业生产过程中获得的生物原料，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，通常称为下游技术。

2、下游技术的一般工艺过程：

发酵液f预处理f细胞分离f细胞破壁（胞内产物）一碎片分离一提取一精制一

成品制作按生产过程可简单归纳为①预处理和固液分离②提取（初步分离）③ 精制（高度纯化）④成品制作

第三章发酵液的预处理

1、发酵液的过滤特性的改变：①降低液体粘度②调整PH③凝聚与絮凝④ 加入助滤剂⑤加入反应剂

2、杂蛋白的去除方法：沉淀法变性法 吸附法

3、固液分离设备

①碟片式离心机 工作原理：悬浮液由轴中心加入，其中的固体颗粒在离心力的 作用下沿最下层的通道滑移到碟片边缘处，自转鼓壁排泄口引出，清液则沿着碟 片向轴心方向移动，自环形清液口排出，从而达到固液分离的目的。

适用范围：细菌，酵母菌，放线菌等多种微生物细胞悬浮液及细胞碎片悬浮的分

离。

②管式离心机悬浮液在加压情况下由下部送入，经挡板作用分散于转鼓底部， 受到高速离心力作用而旋转向上，清液位于转鼓中央，呈螺旋形运转向上移动， 重液（或固体）靠近鼓壁，至分离盘靠近中心处为清液出口孔，靠近转鼓壁处为 重液出口处

适用范围：一般离心机难以分离而固形物含量＜1%的发酵液

③倾析式分离机工作原理：悬浮液从由料管径进料口进入高速旋转的转鼓内， 在离心力作用下，固体颗粒发生沉降分离，沉积在转鼓内壁上。堆积在转鼓内壁 上的固相靠螺旋推向转鼓的锥形部分，从排渣口排出。与固相分离后的液相，径 液相回流管从转鼓大端的溢流空溢出。

适用范围：适合于含固形物较多的悬浮液的分离，不适合于细菌，酵母菌等微小

微生物悬浮液的分离

④分离因数：离心力与重力的比值，衡量离心程度的参数

⑤根据过滤机理的不同，过滤操作可分为澄清过滤和滤饼过滤两种

澄清过滤：固体含量少于0.1g/100ml.胶粒直径在5-100 〃 m的悬浮液，过滤介质 起主要过滤作用。

滤饼过滤：固体含量＜0.1g/ml悬浮液本身形成的滤饼起着主要的过滤作用。

第四章 微生物细胞破碎

1、破碎率的测定方法：

（1）、直接测定法：利用适当的方法计数破碎前后的细胞数即可直接计算其破 碎率。

破碎前的细胞利用显微镜或电子微粒计数器直接计数，破碎后需采用染色的

方法区分破碎细胞和完整细胞。

（2）、目的产物测定法：通过测定破碎液中的目的产物的释放量来估算破碎率。 测定上清液中目的产物的含量或活性，并与100%破碎率所获得的标准数值比较。

（3）、导电率测定法：利用破碎前后导电率的变化来测定破碎程度。

导电率随破碎率的增加而呈线性增加，应预先采用其他方法制定标准曲线。 2、细胞破碎方法分类：

一、机械法：

1、珠磨法：固体剪切作用、可达到较高的破碎率，可较大规模的操作，大分子 目的产物易失活，浆液分离困难。

2、高压匀浆法：液体剪切作用、可达较高破碎率、可大规模操作，不适合丝状 菌和革兰氏阳性菌。

3、超声波朴素法：液体剪切作用、对酵母菌的作用较差，破碎过程升温剧烈， 不适合大规模操作。

4、X-Press法：固体剪切作用、破碎率高，适性保留率高，对冷冻敏感目的产物 不适应。

二、非机械法：

1、酶溶法：酶分解作用、具有高度专一性，条件温和，浆液易分离，溶酶的价 格高，通用性差。

2、化学渗透法：改变细胞膜的渗透性、具有一定的选择性，浆液易分离，但释 放率较低，通用性较差。

3、渗透压法：渗透压剧烈改变、破碎率较低，常与其他方法结合使用。

4、冻结融化法：反复冻结融化、破碎率低，不适合对冷冻敏感的目的产物。

5、干燥法：改变细胞膜渗透性、条件剧烈变化，易引起大分子物质失活。

第五章溶剂萃取和侵取

1、萃取：是利用液体或超临界流体为溶剂提取原料中目的产物的分离纯化操作。

2、“相似相溶”原理：分子结构相似、能量相似

3、分配系数K=萃取相溶度/萃余相溶度=C1/C2

5、工业萃取操作的三个步骤：混合、分离、溶剂回收

6、单级萃取 溶质在萃取相与萃余相中的数量的比值E=CsVs/CFVF=KVs/Vf=K/m

K分配系数Vf料液体积Vs萃取剂体积m浓缩比

7、多级萃取

多级错流萃取：每级均加新鲜溶剂，故溶剂消耗量大，得到的萃取液产物平均浓

度较稀，但萃取较完全。

多级逆流萃取：料液走向和萃取剂走向相反，只在最后一级中加入萃取剂，萃取

剂消耗少，萃取液产物平均浓度高。工业一般采用这个。

8、乳化：一种液体（分散相）分散在另一种不相混溶的液体（连续相）中的现 象。

破乳化的方法：过滤或离心分离法、化学法（加电解质中和离子型乳浊液的电

荷）、物理法（加热、稀释、吸附等）、顶替法、转型法。

9、浸取：用某种溶剂把有用的物质从固体原料中提取到溶液中的过程称为浸取。 浸取的一般步骤：

（1）溶剂从溶剂主体传递到固体颗粒的表面

（2）溶剂扩散渗入固体内部和内部微孔隙内

（3）溶质溶解进入溶剂

（4）通过固体微孔隙通道中的溶液扩散至固体表面并进一步进入溶剂主体

10、浸取需要考虑的哪些方面：

A相平衡B溶剂的选择，相似相溶原理

C增溶作用不溶或难溶的生物大分子物质向可溶性的分子量较小的生物物质

转变 D固体原料的预处理、粉碎、干燥

第六章超临界流体萃取

1、利用超临界流体作为萃取剂的萃取操作称为超临界流体萃取（SCF ex）超临界

流体是状态超过气液共存时的最高压力和最高温度，处于既非液体也非气体的超

临界状态下的流体。

2、超临界流体萃取的原理：溶剂流体密度的大幅度增加以至溶剂对溶质的作用 力大幅度增加，从而形成了溶解物质的能力。（变扩散性，变溶解性）在超临界 萃取后的分离操作中，可在与萃取温度相同的条件下，降低压力使溶剂的密度下 降，引起其溶解物质的能力下降，就可以方便地进行萃取无与溶剂分离。

3、实际使用SC-CO2萃取流程基本上是有萃取工段和分离工段（溶质和CO2的 分离）组合而成。

4、超临界流体中，溶质一溶质只的相互作用引起起溶解度的改变。利用此现象 可选择性地假如少量物殊物质。拖带剂能增加物质的溶解度和萃取的选择性。

第七章双水相萃取技术

1、双水相系统由两种聚合物或一种聚合物与无机盐水溶液组成，由于聚合物之 间或聚合物与盐之间的不相容性，当聚合物或无机盐浓度达到一定值时，酒会分 成不互容的两个水相。利用双水相系统萃取的技术成为双水相萃取技术。

2、典型的双水相系统：A、良种非离子型聚合物B、一种为非离子型聚合物， 一种为带电荷的聚电解质C、两种都为聚电解质D、一种为非离子型聚合物， 一种为盐类。

应用广泛的双水相体系有：聚乙二醇（PEG）/葡聚糖（DEX）体质。PEG/盐体系 （最广泛）

3、影响分配系数的因素：1表面自由能的影响2表面电荷的影响

4、影响分配平衡的主要参数有成相聚合物的分子量和浓度、体系的PH、体系中

盐的种类和浓度、体系中菌体或细胞的种类和浓度、体系温度等。

第八章反胶团萃取技术

1、反胶团是两性表面活性剂在非极性有机溶剂中亲水性基团自发地想内聚集而

成的，内含微小水滴的，空间尺度仅为纳米级的集合性胶体。

2、有三类表面活性剂，即阳离子型、阴离子型和非离子型表面活性剂。使得最

多的是阴离子型表面活性剂AOT。

3、反胶团的制备方法：1注入法2相转移法3溶解法

4、反胶团萃取原理：生理活性物质从主体水相向溶解于有机溶剂相中纳米级的， 均一且稳定的，分散的反胶团微水相中的分配萃取。

特点：萃取进入有机相的生物大分子被表面活性分子所屏蔽，从而避免了与有机

溶剂相直接接触而引起的变性失活。

5、决定分配系数K的分离场-分离物质间相互作用有：（1）静电性相互作用（2） 立体性相互作用（3）疏水性相互作用（4）特异性相互作用

第九章膜分离过程

1、膜分离是利用具有一定选择透过性的过滤介质进行物质分离纯化的过程。

2、膜分离过程的实质是物质通过膜的传递速度不同而得到分离。

根据各种物理结构和化学性质可将膜分为：对称膜、非对称膜、复合膜、荷电膜、 液膜、微孔膜、动态膜。

3、膜分离的重要过程：

（1）渗透 是一个扩散过程，在膜的两旁渗透压差的作用下溶剂产生流动。 （2）透析是利用膜两侧的浓度差从溶液中分离出小分子物质的过程。

（3）反渗透（RO）如果在渗透实验装置的膜两侧造成一个压力差，并使其大 于渗透压，就会发生溶剂倒流，使得浓度较高的溶液进一步浓缩，这一现象就叫 反渗透。膜孔径大小为0.1-1nm

⑷超滤（UF）根据高分子溶质之间或高分子与小分子溶质之间相对分子质量的 差别进行分离的方法。孔径1-50nm.

⑸微滤（MF）以多孔细小薄膜为过滤介质，使不溶物浓缩过滤的操作为微滤。

目标物质的大小范围0.1-10 〃m.

（6）电渗透 在电场中交替装配的阴离子和阳离子交换膜，在电场中形成一个个

隔室，使溶液中的离子有选择地分离或富集，这就是电渗透。

（7）气体分离利用无孔或微孔膜进行气体分离。

RO、UF、MF都以压力差为推动力。

4、制造膜的材料很多以纤维素和聚飒应用最广。

5、膜分离过程的基本传质形式a被动传递b促进传递c主动传递

根据不同的传质机理有不同的传递模型：孔模型、溶解-扩散模型、优先吸附-毛 细管流动模型。

6、膜的性能参数：

（1）孔道特征（孔径、孔径分布、空隙度）

（2）水通量（每单位时间内通过单位膜面积的水体积流量，也叫透水率）

（3）抗压能力（4）pH适用范围（5）对热和溶剂的稳定性（6）毒性

第十章液膜分离

1、液膜是由水溶液或有机溶剂构成的液体薄膜，液膜可将与之不能互溶的液体 分隔开来，使其中一侧液体中的溶质选择性地透过液膜进入另一侧，实现溶质之 间的分离。

2、液膜的分类：整体液膜支持液膜乳化液膜

3、液膜萃取操作：在液膜分离过程中，在膜的原料一侧（外相侧）界面上，欲 提取的目标物质进入膜相，而在膜的接收相一侧（内相侧）同时释放出该物质， 达到与原料中其他成分相分离的目的。因此，液膜分离法是在膜两侧同时进行萃 取和反萃取的操作。

4、乳化液膜的分离机制：无载体扩散迁移和载体促进传递机制。

5、液膜分离过程的工艺流程：乳化液制备、分离浓缩和解乳化三部分。

破乳化的方法有：高速离心法加热法相转移法电破乳法

第十一章离子交换法

1、离子交换树脂结构由三部分组成：不溶性的三维空间网状骨架、连接在骨 架上的官能团和官能团所带的相反电荷的可交换离子

2、离子交换树脂的分类：强酸性阳离子树脂、弱酸性阳离子树脂、强碱性阴 离子树脂、弱碱性阴离子树脂。按骨架结构不同可分为凝胶型和大孔型树脂。其 他类型树脂：两性离子交换树脂、选择性离子交换树脂、吸附树脂、电子交换树 脂。

第十二章色谱分类

1、色谱是根据混合物中的溶质在两相之间分配行为的差别引起的随流动相移动

速度的不同进行分离的方法。

2、色谱的分类：

按照溶质分子与固定相相互作用的机理不同，色谱可分成：