生物工业下游技术介绍

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

• 不同分离原理的组合可派生新型高效的分 离方法。
多级分离与方法组合
• 大多数分离物系中溶质间性质差别较小， 即分离因子较小，单级分离效率很低，故 一般需要采用多级分离操作以提高效率。
• 对于特定的目标产物，要根据起自身性质 及其与共存杂质的特性，选择合适的分离 方法和不同分离方法的组合，以获得最佳 分离效果，
•
多孔质固体：d = 2~10
（2）表面扩散
• 细孔内物质运动的第二种形式是细孔内壁 表面物理吸附的分子在保持被吸附状态下 进行的运动，称为表面扩散。
四、生物分离及其效率
• 生物分离的目标是实现生物产品的高效率 分离纯化。
• 分离效率可从不同的角度来评价，一是分 离方法和设备，二是分离过程和产品。
=(cTP/cTW)/(cXP/cXW)
（2.3）
此处定义的在单级平衡蒸馏中相当于相对挥发 度；在萃取分离中又称萃取选择性 （selectivity），是目标产物和杂质在两相间分 配系数的比值。
• 式(2.1)和式(2.2)或式(2.3)也适用于间歇过 程浓缩率和分离因子的计算。
• 另外，对于具有生物活性的生物产品（酶、 蛋白质药物、抗体等），可用分离前后目 标产物的比活（specific activity）A之比 表示目标产物的分离纯化程度
差速分离过程
• 传统的过滤、重力沉降和离心沉降等非均 相物系的机械分离方法根据溶质大小、形 状和密度差进行分离，也属差速分离的范 畴。
• 其他典型的差速分离法还包括超滤、反渗 透、电渗析、电泳和磁泳等。其结果是： 欲分离物在分离场的端面上浓缩或在分离 场内形成一个稳定的浓度分布。
差速分离操作
物性 对象 外加势能 分离场
(2.5)
• 生物分离操作多为间歇过程（分批操作），

生物工程下游技术
胞外产物 胞内产物 发酵液 预处理 加热 细胞分离 过滤 细胞破壁 匀浆法 碎片分离 离心 提取 沉淀 精制 重结晶 成品 制作 浓缩
调pH
絮凝
离心
膜分离
研磨法
酶解法
双水相
膜分离
吸附
萃取 超滤
离子交 换色谱
膜分离
干燥
无菌过滤 成型
结晶
注：产品的收率和质量控制是贯穿下游技术过程的主线
第一代生物技术 无活性的小分子如：酒精、丙酮、丁醇等。 19世纪60年代-20世纪40年代。 发现发酵的本质是微生物的作用，掌握了纯 种培养技术，生物技术进入近代酿造业。 开始引入化学工程中近代分离技术，例如： 蒸馏、过滤、精馏等。
第二代生物技术 抗生素如：青霉素、链霉素等;谷氨酸等氨基酸; 核酸;柠檬酸等有机酸;淀粉酶等酶制剂;多糖和 单细胞蛋白。 无菌空气制备技术和大型好氧发酵装臵的开发。 产品的多样性决定了分离方法的多样性。 借鉴和引进吸收了大量的80%近代化学工业的分 离技术。
100
500 —
3
10 15
第三代生物技术 DNA重组技术及细胞融合技术产生的乙肝疫 苗和干扰素等。 20世纪70年代末发展的。 发现大批生理功能性物质，如活性糖质、活 性肽、高度不饱和脂肪酸等。 加强下游技术领域的研究：活性糖类、活性 蛋白、活性脂类和特殊的复合物质。
20世纪80年代——新技术
各种生化分离方法设计工艺路线。
本 课 程 主 要 内 容
本课程主要介绍生物技术产品的
分离纯化的原理、方法、过程理论及
其应用。主要内容包括：理论基础、
发酵液预处理、细胞破碎法、萃取分
离法、双水相萃取、反胶团萃取、膜

细胞的破碎方法包括机械破碎、化学破碎、超声波破碎等，选择合适的破碎方法需 要考虑目标产物的性质和纯度要求。
目标产物的提取和纯化
1
提取和纯化是在细胞破碎后进行的步骤，其目的 是将目标产物从细胞碎片和其他杂质中分离出来 。
2
根据目标产物的性质，可以选择不同的提取和纯 化方法，如沉淀法、萃取法、吸附法、色谱法等 。
在生物下游技术中，吸附技术主要用于蛋白质、酶等生物活性 物质的分离和纯化。常用的吸附剂有硅胶、活性炭、树脂等。
色谱分离技术
色谱分离技术
利用不同物质在固定相和流动相之间的吸附、分配、离子 交换等作用力不同，实现物质分离的一种技术。
色谱柱
是实现色谱分离技术的核心部件，根据分离要求选择合适 的色谱柱填料和粒径。
在食品行业的应用
食品加工
利用生物下游技术提取和纯化食 品中的营养成分，如蛋白质、脂 肪和糖类等，用于生产食品添加
剂、营养补充剂等。
食品安全检测
利用生物下游技术检测食品中的有 害物质、微生物和农药残留等，保 障食品安全。
食品品质改良
利用生物下游技术对食品进行改性 ，提高食品的口感、色泽和保质期 等。
利用生物下游技术对植物 进行基因编辑和改良，培 育抗逆性强、产量高、品 质优良的农作物品种。
植物病虫害防治
利用生物下游技术生产具 有抗病虫害功能的转基因 植物，提高植物的抗病性 和抗虫性。
动物养殖
利用生物下游技术提取和 纯化动物生长所需的营养 成分，提高动物生长速度 和养殖效益。
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智能化和自动化技术
智能化和自动化技术将应用于生物下游技术中，实现生产过程的自 动化控制和智能化管理，提高生产效率和降低成本。