生物工业下游技术介绍(20200517182215)
生物工业下游技术
1.生物分离工程：由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、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，称为分离工程，也称为下游技术或下游工程。
主要内容包括预处理、提取（初步分离）、精制（高度纯化）、成品制备。
不确定2.生物产品特点：（1）粗料发酵：酒精、柠檬酸、酶制剂等。
（2）产物浓度低；（3）组分复杂；（4）产物稳定性差（化学微生物降解）；（5）质量要求高（食品或药品）；（6）分批操作，生物变异性大。
3.生物分离过程的选择准则（1）步骤少（2）次序合理（例如盐析、离子交换）（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）物理性质：溶解度、分子电荷、分子大小、功能团、挥发性等（9）危害性（10）废水处理具体：（1）尽可能简单、低耗、高效、快速。
（2）分离步骤尽可能少。
（3）避免相同原理的分离技术多次重复出现。
比如，分子筛和超滤技术按分子量大小分离，重复应用两次以上，意义就不大了。
（4）尽量减少新化合物进入待分离的溶液。
A)引起新的化学污染；B)蛋白质的变性失活（5）合理的分离步骤次序。
原则是：先低选择性，后高选择性；先高通量，后低通量；先粗分，后精分；先低成本，后高成本。
（6）要掌握的产物物化性质：(A)溶解度及影响因素(温度、pH值、有机溶剂和盐等)；(B)分子量和分子形状(高分子物质)；(C)沸点和蒸汽压(对于热稳定的小分子物质) ；(D)极性大小；(E)分子电荷及影响因素，包括pH值和盐等；(F)功能团(萃取剂和特异性吸附的选择) ；(G)免疫原性,设计亲和色谱；(I)稳定性及其影响因素(温度、pH值、毒性试剂)；(J)等电点pI；7）成品规格（或产品质量标准）（8）物料的组成和性质(A)目的产物的浓度。
高？低？(B)物料中的与目的产物相近物质组成的物理化学性质。
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
生物工业下游技术
生物工业下游技术生物工业下游技术名词解释和填空1.下游技术：对于由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、酶反应等多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称为下游技术。
2.双水相萃取：是利用物质在互不相溶的两水相间分配系数的差异来进行萃取的方法。
生化工程中得到广泛应用的双水相系统有：聚乙二醇（PEG）/葡聚糖（Dex）体系，PEG/盐体系。
3.超临界流体萃取：超临界流体萃取是将超临界流体作为萃取溶剂的一种萃取技术。
主要运用于食品添加剂、医药、香料等天然物质的萃取中。
4.反胶团萃取：反胶团萃取是表面活性剂在非极性有机溶剂中亲水性集团自发地向内聚集而成的，内含微小水滴的，空间尺度仅为纳米级的集合型胶体。
反胶团萃取的优点：①具有很高的萃取率和反萃取率并具有选择性②分离浓缩可同时进行，过程简便③能解决蛋白质在非细胞环境中迅速失活的问题④可直接从完整细胞中提取具有活性的蛋白质和酶⑤反胶团萃取技术成本低，溶剂可重复使用。
5.膜组件：膜分离装置的核心部分是膜组件，即膜的规则排列。
良好的膜组件应具备下列条件：①沿膜面流动情况好，以利于减少浓差极化。
②较大的膜面积与压力容器体积比，即单位体积中所含的膜面积较大。
③组件价格低④清洗和膜的更新方便⑤保留体积小，且无死角。
根据膜的形式和排列方式，可以把膜区分为管式、中空纤维式、平板式和螺旋卷绕式四种。
形式优点缺点管式易清洗，无死角，适宜于处理含固体较多的料液，单根管子可以调换保留体积大，单位体积中所含过滤面积较小，压降大中空纤维式保留体积小，单位体积中所含过滤面积大，可以逆洗，操作压力较低，动力消耗较低料液需要预处理，单根纤维损坏时，需要调换整个模件螺旋卷绕式单位体积中所含过滤面积大，换新膜容易料液需要预处理，压降大，易污染，清洗困难平板式保留体积小，能量消耗界于管式和螺旋卷绕式之间死体积较大6.超滤（UF）：凡是能截留相对分子量在500以上的高分子的膜分离过程叫超滤。
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。
下游技术
1、下游技术：对于由生物界自然产生的或有微生物菌体发酵的、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。
2、生物工业下游技术生产的四个阶段：料液的预处理→提取→精制→成品制作。
3、贯穿下游技术工艺过程的主线是：产品的收得率和质量控制4、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；相互聚集成大粒子（1mm）的过程。
作用机理：凝聚机理：1）中和粒子表面电荷2）消除双电层结构3）破坏水化膜5、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。
其中絮凝剂主要起架桥作用6、助滤剂：是一种不可压缩的多孔微粒，可使滤饼疏松，滤速增大。
最常用的:硅藻土7、虑速与液体粘度成反比，粘度越大虑速越慢。
8、发酵液过滤特性的物理化学方法：降低液体粘度、调整PH、凝聚和絮凝，加入反应剂，加入助滤计9、常用的细胞破碎方法：机械法：珠磨法、高压匀浆法、超声破碎法。
非机械法：酶溶法、化学渗透法、渗透压法10、细胞破碎的阻力主要取决于：结构交联的紧密程度和它的厚度（阳性》阴性)11、破碎的测定方法：直接测定法、目的产物测定法、导电率测定法12、萃取：利用一种溶质组分（如产物）在两个互不混溶的液相（如水相和有机溶剂相）中竞争性溶解和分配性质上的差异来进行分离操作的。
13、多级错流萃取特点是：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。
14、多级逆流萃取流程的特点是：料液走向和萃取剂走向相反，只在最后一级中加入萃取剂。
和错流萃取相比，萃取剂消耗少，萃取液产物平均浓度高，产物收率最高。
在工业上应采用多级逆流萃取流程。
15、溶剂萃取剂的选择：相似相容的原则（分子结构相似、分子间作用能相似）16、超临界流体：温度和压力略超过或靠近临界温度TC和临界压力PC、介于气体和液体之间的流体，是状态超过气液共存时的最高压力和最高温度下物质特有的点——临界点后的流体。
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。
（2）氨基酸和蛋白质在酸性条件下带正电，碱性条件下带负电，等电点时净电荷为零，两性物质在等电点下的溶解度最小，等电点沉淀法在生物工业分离中广泛使用。
下游技术
名词解释：生物工业下游技术:下游技术是生物工程的一个组成部分，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、反应液或培养液中提取分离、加工并精制目的成分，最终使其成为产品的技术，称为下游技术。
特异性相互作用：主要以蛋白质为代表的生物高分子（另外含有肝素、明胶、核苷酸等）（亲和介质），能分辨特定的物质（目标物），再与其可逆性结合。
这种现象是非常排他性的、特异性的结合，故称为特异性相互作用（或生物亲和力）。
疏水性相互作用：在水性介质中，分子和分子的疏水性部分相互作用的凝聚力，即疏水性基团有尽可能避免和水接触，自身相互之间聚集起来的趋势。
这就是疏水性相互作用的本质。
盐析：在发酵液中加入中性盐能破坏蛋白质或酶的胶体性质，消除微粒上的电荷及水化层，促使蛋白质或酶沉淀。
凝聚：凝聚作用就是向发酵液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。
絮凝：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．就形成了较大的聚团，这就是絮凝作用。
膜的截留率：对一定相对分子量的物质，膜能截留的程度。
截断分子量：相当于一定截留率的（90%/95%）相对分子量。
分离膜的污染：固体或溶质在膜面或膜孔内吸附、沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜通量变小与分离性能恶化的暂时性不可逆变化的现象。
分离膜的浓差极化：溶剂透过膜，而溶质留在膜上，导致膜面上溶质浓度增大，并高于主体中的浓度的现象。
结晶：利用物理的方法将溶质从溶液中以规则的形状析出的分离方法叫结晶。
沉淀：从溶液中得到无定型的溶质的分离方法叫沉淀。
清洁生产：清洁生产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，以减少对人类和环境的风险。
生物下游工业常用的膜分离过程：微滤，超滤，纳滤，反渗透。
生物工业常用的细胞破碎方法：改变发酵液过滤特性的方法过饱和溶液的获得方法：(1)将热饱和溶液冷却（冷却结晶）(2)将部分溶媒蒸发（恒温蒸发结晶）(3)将热饱和溶液冷却和将部分溶媒蒸发(冷却蒸发结晶)（4）加入晶种（5）加入化学反应剂超临界流体萃取中常用的萃取剂：二氧化碳盐析沉淀法所得蛋白质中的盐的去除：饱和溶液法；添加固体硫酸铵溶剂萃取操作中萃取剂需满足的条件：(1)有很大的萃取容量，即单位体积的萃取溶剂能萃取大量的产物；(2)有良好的选择牲，理想情况是只萃取产物而不萃取杂质；(3)与被萃取的液相(通常是水相)互溶度要小，且粘度低，即界面张力小或适中，这样有利于相的分散和两相分离；(4)溶剂的回收和再生容易；(5)化学稳定性好，不易分解，对设备腐蚀性小；(6)经济性好，价廉易得；(7)安全性好，闪点高，对人体无毒性或毒性低。