生物技术下游加工过程的特点
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
生物分离工程考试范围
生物分离工程考试范围13、下游加工过程概论1.下游加工工程是生物工程的组成部分。
上述发酵液经微生物发酵过程、酶反应过程或动植物细胞大规模培养得到生化产物。
在反应溶液或培养液中分离和精制相关产品的过程称为下游加工过程。
2、传统生化产品和基因工程产品在提取和精制上的差异，主要表现在下列三方面。
①传统生化产品都为小分子，其理化性能数据都为已知，因此放大比较有依据；相反基因工程产品大多为大分子，必要数据缺乏，放大多凭经验；②由于第一代基因工程产品都以大肠杆菌作为宿主，无生物传送系统、故产品处于胞内，提取前需将细胞破碎，细胞内物质释放出来给提取增加了很多困难；而发酵液中的产物，浓度较低，杂质又多，且一般大分子较小分子不稳定，故提取较困难；③大分子（如蛋白质）的分离主要困难在于杂蛋白的分离，由于蛋白质都由氨基酸所构成，所以性质相似，分离主要依靠高分辨力的精制方法。
3.生物技术下游加工工艺特点：① 培养基中提取的生物物质浓度很低，但杂质含量很高。
需要多步净化。
② 提取的生物物质通常不稳定、预热、极端pH值，有机溶剂会导致失活或分解。
特别是，蛋白质的生物活性与某些辅因子、金属离子和分子的空间构型有关。
③ 发酵或培养是分批进行的，微生物总是有一定的变异性，因此分批发酵液是不同的，这就要求下游加工有一定的灵活性。
4.整个下游加工过程应遵循以下四个原则：①时间短；② 低温；③ 中等pH值（在生物物质的稳定范围内选择）；④ 严格清洁消毒。
5、一般说来，下游加工过程可分为4个阶段：①培养液的预处理和固液分离；②初步纯化（提取）；③高度纯化（精制）；④最后纯化。
6.初步纯化（提取）：目的是浓缩，也有一定的纯化效果。
有8种方法：①吸附法②离子交换法③沉淀法（盐析、加入有机溶剂、调ph至等电点、加入非离子型聚合物、加入聚电解质）④溶剂萃取法⑤两水相萃取法⑥超临界流体萃取⑦逆胶束萃取⑧膜过滤法7、各种层析方法对比方法凝胶色谱法、离子交换色谱法、聚焦色谱法、疏水作用色谱法、亲和色谱法、机理尺寸、形状电荷和离解度、等电点表面自由能、特殊生物力分离能力、中高、高容量、小容量、，根据目标蛋白和杂质蛋白的物理、化学和生物学特性的差异，选择和纯化方法。
生物工业下游技术
电场
含尘废气净化
五、生物工业下游技术的发展动态
——成本、质量、环保将是该技术发展方向和动力 成本、质量、
1. 传统术经过改造提高后， 适合于大规模工业化生产的传统技术经过改造提高后， 适应面更宽，效率会更高，仍然显示出强劲的生命力。 适应面更宽，效率会更高，仍然显示出强劲的生命力。 各种新型高效的过滤机械和离心机械的问世， 各种新型高效的过滤机械和离心机械的问世，结晶理 论和离子交换技术的新进展，提高了产品的收率、 论和离子交换技术的新进展，提高了产品的收率、质量 和生产效率。 和生产效率。
对基因工程产品还应注意生物安全（biosafety）问题， 对基因工程产品还应注意生物安全（biosafety）问题， 要防止菌体扩散，一般要求在密封的环境下操作。 要防止菌体扩散，一般要求在密封的环境下操作。
三、生物工业下游技术的发展历程
1. 古代酿造业
古代酿造业包括酿酒、制酱（ ）、醋 酸奶和干酪等。 古代酿造业包括酿酒、制酱（油）、醋、酸奶和干酪等。技术原 家庭式作坊、产物基本不经过后处理而直接使用，无下游技术。 始、家庭式作坊、产物基本不经过后处理而直接使用，无下游技术。
生物工业下游技术
主讲 陈世伟
第一章
绪论
一、下游加工过程在生物技术中的地位
下游技术（工程） 下游技术（工程） （downstream processing）：对于由 ） 生物界自然产生的或由微生物菌体发酵的、 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、 织培养的、酶反应等各种生物工业生产过程获得的生物原 经提取分离、加工并精制目的成分， 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。 品的技术。
2. 新技术的研究开发
第八章产物的分离和纯化
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3. 凝聚与絮凝
采用凝聚和絮凝技术能有效改变细胞、细 胞碎片及溶解大分子物质的分散状态，使其聚 结成较大的颗粒，便于提高过滤速率。除此之外， 还能有效地除去杂蛋白质和固体杂质，提高滤 液质量。因此，凝聚和絮凝是目前工业上最常用 的预处理方法之一。常用于菌体细小而且粘度 大的发酵液的预处理。
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• 工业上常用的过滤分离设备有板框压 滤机、膜过滤机和离心沉降分离机等。
• 这些过滤装置各有其优缺点，根据不 同产品的具体实际加以选择。
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6 其它方法
• 1. 高 价 无 机 离 子 的 去 除 （ Ca2+ 、 Mg2+ 、 Fe2+等）
6/4溶/202液4 称为萃取液。
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• 工业上萃取的操作包括三个步骤：
• 一是混合
• 将料液和萃取剂充分混合形成乳浊液， 让溶质自料液转入萃取剂中，此过程通常 在搅拌罐中进行，也可以在很高速度的管 道内混合。
例如：在枯草芽孢杆菌发酵液中，加入氯化
钙和磷酸氢二钠，两者生成庞大的凝胶，把蛋白 质、菌体及其他不溶性粒子吸附并包裹在其中而 除去，从而可加快过滤速率。
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③变性法
蛋白质由有规则的排列到无规则结构的变化过程成为变性。变 性的蛋白溶解性小。
使蛋白质变性的方法有：加热，大幅度调节pH，加酒精等有机 溶剂或表面活性剂等 。
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• 2)、培养液是复杂的多相分散体系：
•
是多相体系，一般情况下，分散介质是水。
分散在其中的固体和胶体物质组成复杂，不仅
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。
生物分离工程思考题
《分离》PPT思考题及部分答案分离概述1 生物产品与普通化工产品分离过程有何不同？生物下游加工过程特点：<1>：发酵液组成复杂，固液分离困难——这是生物分离过程中的薄弱环节<2>：原料中目标产物含量低，有时甚至是极微量——从酒精的1/10到抗菌素1/100，酶1/100万左右，成本高。
<3>：原料液中常伴有降解目标产物的杂质——各种蛋白酶降解基因工程蛋白产物，应快速分离。
<4>：原料液中常伴有与目标产物性质非常相近的杂质——高效纯化技术进行分离。
<5>：生物产品稳定性差 ——严格限制操作条件，保证产物活性。
<6>：分离过程常需要多步骤操作，收率低，分离成本高——提高每一步的产物收得率，尽可能减少操作步骤。
<7>：各批次反应液性质有所差异——分离技术具有一定的弹性。
2 设计生物产品的分离工艺应考虑哪些因素？(1)产品的性质（2）成本（3）工艺步骤（4）操作程序（5）生产方式（6）生产规模（7）产品稳定性（8）环保和安全3 初步纯化与高度纯化分离效果有何不同？（1）初步纯化是将目标物和与其性质有较大差异的杂质分开，使产物的浓度有较大幅度的提高，可采用沉淀、吸附、萃取、超滤等单元操作.（2）高度纯化主要是除去与目标物性质相近的杂质，是产品的精制过程，可采用层析（柱层析和薄层层析）、离子交换、亲和色谱、吸附色谱、电色谱.4 如何除去蛋白质溶液中的热原质？（1）生产过程无菌（2）所有层析介质无菌（3）所用溶液无菌（4）亲和层析（多粘菌素）5 生物分离为何主张采用集成化技术？6 纯化生物产品的得率是如何计算的？若每一步纯化产物得率为90%，共6步纯化得到符合要求产品，其总收率是多少？得率=产品中目标产物总量/原料中目标产物总量总收率=（90%）6 =53.1441%发酵液预处理1 发酵液为何需要预处理？处理方法有哪些？1、发酵产物浓度较低，大多为1%—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（细胞在很大程度上属于可压缩的粘稠物料）；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、蛋白质酶水解等作用的影响。
生物下游技术
高价无机离子 当采用离子交换法提取产物时，影 响树脂对生化物质的交换容量 色素、毒性物质、热原质
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去 除 杂 蛋 白
降 低 发 酵 液 粘 度
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二、发酵液的预处理
采用理化方法设法增大悬浮液中固体粒子的大小、 或降低粘度，以利于过滤。
去除会影响后续提取的高价无机离子和杂蛋白质
等。
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3. 所需目的产物稳定性低
对热、酸、碱、有机试剂、酶以及机械剪切等均敏感，
易失活或分解。
4. 代价昂贵，产品回收率不高，损耗大
如：抗生素、乙醇、柠檬酸的纯化费用占整个工程费 用的60%；纯化蛋白质占总费用的80~90%
5. 生物安全问题：热原质、色素、毒性物质
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镁离子，可用三聚磷酸钠它和镁离子形成可溶性络 合物，用磷酸盐处理，也能大大降低钙离子和镁离 子的浓度。
Na5P3O10+Mg2+ =MgNa3P3O10+2Na
黄血盐与铁离子形成普鲁土盐沉淀
3K4Fe(CN)6+4Fe3+=Fe4[Fe(CN)6]3+12K+
返回
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2 .杂蛋白质的去除方法
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2.过滤介质
使滤液通过，截留固体颗粒并支撑滤饼的材料。要 求其具有多孔性、耐腐蚀性及足够的机械强度。
无定形颗粒：无烟煤、砂、颗粒活性炭、铁矿砂等 成形颗粒：烧结金属、烧结塑料以及用合成树脂粘 结的硅砂、塑料颗粒等，做成圆筒形或板状。 非金属织补棉：化学纤维、玻璃纤维织品、长纤维 滤布、短纤维滤布。 金属织布：不锈钢丝或铁丝等的织布。 无纺品：纸、毡、石棉板、合成纤维无纺布等。
生化分离工程知识点总结归纳
生化分离工程知识点归纳第一章绪论1、生物物质分离工程：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生物物质（产品）制备的过程，是生物产业的一个重要组成部分。
2、生物工程下游加工过程的特点：（1）成分复杂：固体成分、液体成分（2）悬液中的目标产物浓度低（3）稳定性差：化学（温度和pH值）或微生物引起的降解（4）生物产品质量要求高：纯度、卫生、生物活性3、下游加工过程的一般流程（4个阶段）：发酵液的预处理与固液分离、初步纯化（提取）、高度纯化（精制）、成品加工。
4、某一具体产品的分离提取工艺设计中应考虑的问题：①产物本身的性质；②是胞内产物还是胞外产物；③原料中产物和主要杂质浓度；④产物和主要杂质的理化特性及差异；⑤产品用途和质量标准；⑥产品的市场价格；⑦不同分离方法的技术经济比较及废液的处理方法等。
第二章发酵液的预处理与过滤1、发酵液的预处理发酵液的预处理的方法：（1）加热：最简单、最经济的预处理方法是加热，降低料液黏度，也可以对其进行灭菌。
但加热变性的方法只适合于对热稳定性的产物。
（2）调节料液的pH值：促进全细胞聚集。
（3）凝聚和絮凝：凝聚是指通过加入简单电解质降低了胶体粒子间的排斥电位，从而使得范德华引力起主导作用，聚合成较大的胶粒，粒子的密度越大，越易分离。
常用凝聚剂多为阳离子型如明矾、三氯化铁。
絮凝是指预处理时加入絮凝剂（通常指天然或合成的生物大分子聚电解质）既能降低排斥电位，又吸附了周围的微粒，形成桥架作用，促使胶粒形成粗大，密度低的絮凝团。
这些絮凝团很容易被过滤得到。
主要絮凝剂：聚丙烯酰胺、聚苯乙烯、多聚胺衍生物。
（4）使用惰性助滤剂：硅藻土、珍珠岩。
2、真空过滤器的优点：连续自动操作,节省人力，生产能力大。
真空过滤器的缺点：附属设备多，投资费用高，推动力小适用于量大易过滤的料液。
3、压滤器的优点：过滤推动力大，过滤面积大。
压滤器的：缺点：板框压滤机劳动强度大，投资、维护费用高。
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生物技术下游加工过程的特点
生物技术下游加工是将单一生命现象转换为有效分子目标，以满足科技革新以
及业界发展的需要。
此过程依赖于生物技术范式、工艺流程和现代生物检测技术。
通过下游加工，利用多种酶、活性蛋白以及挑选性化合物，将生物学功能分子转变为有效的、立体的分子目标。
具体来说，生物技术下游加工经历四个基本阶段：初级处理、定量和定性分析、后处理和应用研究。
完整的下游处理，需要有针对不同生物材料的性能和特性进行精确测量，运用蛋白质、核酸分子以及小分子药物等多种技术，来实现各种分子转换。
由于下游加工和反应技术的进步，人们可以更加细致的开展个性化的研究，例
如转基因技术的改造，来改善物种性状，增强物种的抗病力、抗逆能力，有助于提高农作物产量、改善农作物质量。
另外，在制药方面，下游加工的发展相当迅速，妥善处理几聚体蛋白质，促进
体外发酵、受体拓展等，实现了药物研发过程从贝叶斯研究到分子靶标研究，扩大了传统化合物研发领域，这对高等教育普遍奠定了一种跨越式发展的理念，促进了新的科学 egieshen研究新的生态可持续发展的策略。
在总结中，生物技术下游加工是生物学功能分子从分子层次变为实现有效分子
目标的过程。
它仅靠生物技术范式、工艺流程及现代生物检测技术来实现，它的发展推动了个性化科学研究并促进了新的科学理念和生态可持续发展策略。