第二章 生物工程下游技术的理论基础
11级生物工业下游技术复习题
11级生物工业下游技术复习第一章绪论一、生物分离技术的基本路线？二、主要生物分离技术的分离原理？三、生物分离技术的特点？四、生产中怎样选取生物分离技术手段？第二章下游技术的基础理论1．对生物产品进行分离的理论依据有那三个方面？2．化学性分子识别和生物学的特异性相互作用的相似和区别？第三章发酵液预处理一、名词解释1．凝聚： 2．絮凝： 3．过滤： 4．离心沉降： 5．离心过滤： 6．助滤剂： 7．沉降：二、单项选择1．真空转鼓过滤机工作一个循环经过（）。
A、过滤区、缓冲区、再生区、卸渣区B、缓冲区、过滤区、再生区、卸渣区C、过滤区、缓冲区、卸渣区、再生区D、过滤区、再生区、缓冲区、卸渣区2．以下哪项不是在重力场中，颗粒在静止的流体中降落时受到的力（）A.重力B. 压力C.浮力D. 阻力3．以下哪项不是颗粒在离心力场中受到的力（）A.离心力B. 向心力C.重力D. 阻力4．颗粒与流体的密度差越小，颗粒的沉降速度（）A.越小B.越大C.不变D.无法确定5．工业上常用的过滤介质不包括（）A.织物介质B.堆积介质C.多孔固体介质D.真空介质6．下列物质属于絮凝剂的有（）。
A、明矾B、石灰C、聚丙烯类D、硫酸亚铁三、判断对错1．助滤剂是一种可压缩的多孔微粒。
（）2．通过加入某些反应剂是发酵液进行预处理的方法之一。
（）3．在生物制剂制备中，常用的缓冲系统有磷酸盐缓冲液；碳酸盐缓冲液；盐酸盐缓冲液；醋酸盐缓冲液等。
（）四、填空1．发酵液常用的固液分离方法有（）和（）等。
2．为使过滤进行的顺利通常要加入（）。
3．工业离心设备从形式上可分为（），（），（），等型式。
4.典型的工业过滤设备有（）和（）。
5．常用离心设备可分为（）和（）两大类；五、简答1．改变发酵液过滤特性的主要方法有哪些？其简要机理如何？2．除去发酵液中杂蛋白的常用方法有哪些？3．试述生物工业中常用固液分离设备的原理、特点及适用范围？第四章细胞破碎一、名词解释1.超声波破碎法2.酶解法二、单项选择1．适合小量细胞破碎的方法是（）A.高压匀浆法B.超声破碎法C.高速珠磨法D.高压挤压法2．丝状（团状）真菌适合采用（）破碎。
生物工程下游技术 PPT课件
/science/journal/1369703X
• Separation and Purification Technology
/science/journal/13835866
• Journal of Membrane Science
/science/journal/03767388
References-SCI journals
• Enzyme and Microbial Technology
/science/journal/01410229
• Journal of Chemical Technology and Biotechnology
/jpages/0268-2575
References-SCI journals
• Separation and Purification Reviews
• P. A. Belter, E. L. Cussler, W. Hu. Bioseparations: Downstream Processing for Biotechnology. New York: John Wiley & Sons, 1988
• D. Forciniti. Industrial Bioseparations: Principles and Practice. Iowa: WileyBlackwell, 2008
考核方式
• 根据课程基本要求，结合平时成绩、课程论文及 笔试（期末考试）三方面进行综合评定。
• 平时成绩20％ • 课程论文20％ • 期末考试60％
主要内容
1. 绪论 2. 下游技术理论基础 3. 发酵液预处理与细胞破碎 4. 沉淀 5. 萃取分离 6. 膜分离 7. 吸附与离子交换 8. 色谱分离 9. 亲和色谱
第一章 绪论 第二章 下游技术理论基础
二、生物工业下游技术的发展历程
1．古代酿造业 2．第一代生物技术 3．第二代生物技术 4．第三代生物技术
(1)固液分离技术 (2)细胞破碎技术 (3)初步分离纯化技术 (4)高度分离纯化技术 (5)其他新型分离技术
生物工业下游技术大致可分为4个阶段
(1)预处理和固液分离： 固液分离以除去发酵液中的不溶性固形物杂质和菌体细
胞。过滤和离心相比，无论是投资费用还是运转费用，前者 都要小得多，因而首选方法应是过滤。
(2)提取(初步分离)： 目的是除去与产物性质差异较大的杂质，是目的产物要
求有较大浓缩比的过程。
(3)精制(高度纯化)： 目的是去除与产物的物理化学性质比较接近的杂质。通
膜、树脂和凝胶是目前主要的新型分离介质。 2．子代分离技术
各种分离纯化技术相互结合、交叉、渗透，形 成子代分离技术。膜萃取技术；膜蒸馏及渗透蒸发 技术；离子交换色谱等。 3．其他新兴下游技术 双水相萃取、超临界ＣＯ２萃取、反胶团萃取。
三、清洁生产
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
一、基础物性 “分离”可利用各种物质固有性质的差异。物性差异越
大，利用价值越大。 二、分类
以物理学过程为基础的分离操作，大致可分为以下三类： 1．平衡分离过程
建立在相平衡关系上的。利用相的组成差别进行混合物 体系的分离。表2—1为平衡分离的代表性单元操作。 2．拟平衡(速度差)分离操作
在混合物体系本身所占有的空间之外加一个能引起物质 分离的势能场，在它的作用下，形成分离场。如表2—2所示。 3 ．非平衡分离操作
《生物工程下游技术》课程教学大纲
《生物工程下游技术》课程教学大纲（Downstream Technology of Biology Engineering ）课程编号：1923030（1913030）课程类别：专业课适用专业：生物技术、生物工程先修课程：无机化学、分析和有机化学、物理化学、生物化学、发酵工程等总学分：2.5 其中实验学分：1总学时：56 （其中理论24学时、实验32学时）教学目的与要求：通过对本课程学习，要求学生从生物工业下游技术的角度，归纳、阐述现有发酵工业和新兴的正在发展中的生物技术产品的提取、分离、纯化、精制加工等技术的科学本质、原理、方法、规律及发展趋势，以及这些技术和环境保护之间的关系。
通过本课程的学习，使学生掌握生物工业产品下游制造技术的科学本质，理解、掌握传统技术基础，接受新概念、新知识、新技术，为今后的科学研究、技术开发和工程应用作好理论准备。
本课程主要介绍发酵液的预处理、微生物细胞破碎、溶剂萃取法、双水相萃取法、反胶团萃取法、膜的分离过程、离子交换法、超临界萃取、结晶技术、蒸发与干燥等内容。
教学内容与学时安排第一节生物工程下游技术的工作领域一、技术范畴二、生物工业下游技术的发展历史古代酿造业；第一代生物技术；第二代生物技术；第三代生物技术。
第二节生物工业下游技术的一般工艺过程一、原料及产品特性以粗原料发酵为主，如酒精等；待处理物料中产品浓度很低；产品具有活性和热敏性；基因工程产品一般为包涵体；发酵液为分批培养，容易出现差异。
二、下游技术的一般工艺过程预处理和固液分离；提取；精制；成品制作。
第三节生物工业下游技术的发展动态一、传统分离技术的提高和完善二、新技术的研究和开发新型分离介质的研发：膜、树脂和凝胶；子代分离技术；其他新兴下游技术。
三、清洁生产清洁生产工艺（技术）；清洁产品；清洁能源。
本章重点：生物工业下游技术的一般工艺过程。
教学基本要求：了解。
第二章发酵液的预处理（3学时）第一节发酵液过滤特性的改变一、降低液体粘度加水稀释法和加热法。
090210生物工程下游技术
《生物工程下游技术》课程（）教学大纲一、课程基本信息课程中文名称：生物工程下游技术课程代码：学分与学时：72学时，4学分课程性质：专业必修授课对象：生物技术及应用专业二、课程教学目标与任务《生物分离工程》是为生物工程本科专业学生开设的一门专业必修课，是培养学生今后从事生物技术产业领域应该具备的思考、分析和解决问题能力的主干课程。
通过本课程的学习：1、使学生掌握生物产品的提取、分离、纯化、精制加工等技术的科学本质、原理、方法、规律。
2、使学生了解生物工程下游技术的科学前沿及其发展趋势。
3、培养学生应用所学理论知识、分析和解决生产及科研中的实际问题的基本能力。
三、学时安排四、课程教学内容与基本要求第一章绪论（4学时）教学目的：了解生物工业下游技术的发展历史。
基本要求：对生物工程下游分离技术的流程和发展趋势大致了解重点与难点：下游技术的一般工艺过程教学方法：多媒体教学主要内容：1、生物工程下游技术的工作领域2、生物工业下游技术的一般工艺过程3、生物工业下游技术的发展动态第二章下游技术的理论基础（4学时）教学目的：使学生了解下游技术的理论基础，为学习具体有技术奠定基础基本要求：了解下游技术的基本理论基础，了解下游技术常见的分离手段，掌握分离效率的评价标准。
重点与难点：分离机理、分离效价的评价标准教学方法：多媒体讲授主要内容：1、分离机理2、分离操作3、分离效价的评价第三章发酵液的预处理（4学时）教学目的：学习并掌握发酵液预处理的一般方法基本要求：掌握发酵液的过滤特性，掌握改善发酵过滤特性的方法，掌握高价无机离子与杂蛋白质去除的方法，掌握常见的固液分离技术（离心、过滤）的原理重点与难点：改善发酵液过滤特性的方法，无机离子的去除方法，澄清过滤和滤饼过滤的差别。
教学方法：多媒体课件教学与课堂讨论相结合主要内容：1、发酵液过滤特性的改变2、发酵液的相对纯化3、固液分离工程及设备第四章微生物细胞的破碎（4学时）教学目的：学习并掌握细胞破碎的基本方法基本要求：掌握细胞破碎的阻力来源于细胞壁，掌握常用的细胞破碎的方法及原理，了解包含体的概念及其分离、复性。
第二章 下游技术的理论基础知识点
(4) 静电性的环境变化： 如在溶液中加入在水中能
离解为阳离子和阴离子的强电解质(如食盐等无机盐)。 溶液离子强度增加，离子间相互作用变弱，氢铰也 受到同样影响。
(5) 试剂： 在试剂中，尿素、盐酸肌、十二烷基磺酸
钠等会对蛋白质构象造成影响。
（二）亲和色谱（Affinity Chromatography）
c — 吸附质浓度
n — 大于1的常数
7．固体吸收平衡
气体、液体成分移向固体的过程称为(固体)吸收。
亨利定律： C — 固体中的溶质浓度 H — 亨利常数 全吸收量： CH — 亨利型吸收量 CD∞— 最大吸附型吸收量 CD — 吸附型吸收量 K — 常数 P — 气相溶质分压 S — 溶解度系数
Tm — 固体熔点
R — 摩尔气体常数 H — 固体摩尔融解热焓
4．高压气体中的溶解度
超过临界温度和临界压力的气体称为超临界气体， 其特征是各种物质在超临界气体中的溶解度较大， 而且在临界点附近溶解度变化很大，利用这个性 质的萃取技术称为超临界萃取技术。
固体溶质在超临界流体中的溶解度：
y2＝(p2*／p) E
应生产特殊用途或更有价值的衍生物。
三、 下游技术中的生物学过程
（一）特异性相互作用(锁钥关系）
生物分离过程的作用特征是生物高分子的特异性相
互作用。生物高分子能分辨特定物质，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。 具有特异性相互作用的高分子主要有：酶、抗体、 植物凝血素、抗生物素蛋白等结合性蛋白、肝素、明胶、 核苷酸等。
第二章 下游技术的理论基础
一、下游技术中的物理学过程 二、下游技术中的化学过程
下游技术的理论基础26页
▪溶解度——亨利定律 ▪高压气体中的溶解度增大 ▪液液平衡——分配平衡 ▪吸附平衡——Langmuir方程
下游技术中的物理学过程
平衡分离操作实质上是一个非平衡 过程趋于达到平衡的操作，这个过程包 含多种传递现象。
▪传递通量（三传）：动量、热量、质量 ▪固相内分子传递（扩散）： Fick定律 ▪多孔体内的扩散：努森扩散、毛细管凝结 ▪填充床层中的物质扩散 ▪膜内传质
表1 平衡分离操作
物性 蒸气压
对象 分子
分离发生 场所
相间
分离操作
蒸发，蒸馏，干燥， 升华，真空镀敷
溶解度 分子 界面余量 分子
相间 相间
气体吸收 吸附，吸收
萃取 结晶
吸附，离子交换，浮选
状态
气—液 气—固
气—液 气—固 液—液 液—固 异相界面
下游技术中的物理学过程
平衡分离操作的理论基础是平衡论， 内容包括：
思考:
1、平衡、非平衡、拟平衡过程的区别是 什么？ 2、平衡论的主要内容包括哪些？ 3、什么是生物亲和力？
透析膜 液相，离子
粒子大小 扩散系数
渗透系数
粒子 分子
分子
屏蔽 速度差
速度和气 液平衡
浓度差 总压差
总压差
界面
过滤
液相，气相
细孔空间 气体扩散分离 气相，多孔 质膜
膜内
透过气化 液相—气相
下游技术中的化学过程
化学性分子识别 化学反应
下游技术中的化学过程
化学性分子识别： 1.分子间相互作用
范德华力、氢键、疏水力等 2.分子识别
表3 非平衡分离操作
物性 对象 分离原理 推动力 分离场所 分离操作
生物工程下游技术(知识点框架)
下游技术概念范畴宗旨清洁生产预 处 理 细 胞 破 碎 细胞壁的组成与结构（主要组成、主要结构、主要阻力、形状和强度取决于） 常用破碎方法 珠磨法：工作原理、破碎率的影响因素分析、R 的确定 高压匀浆法：工作原理、影响破碎的主要因素 超声破碎法：特点及影响因素 酶溶法：外加酶应用的关键 化学渗透法：化学试剂及其原理 反复冻融法：原理及特点 R 的测定及破碎研究方向： 电导率测定的原理、研究方向（结合、上、下） 料液预处理 过滤液特性改变（特性：滤饼比阻；降粘度：加水、加热；调PH ；凝聚与絮凝：二者区别，常用试剂；助滤剂：作用、选择；反应剂：例子） 过滤液相对纯化（高价离子：Ca 2+、Mg 2+、Fe 2+、Fe 3+除去方法，杂蛋白的去除方法） 固液分离（离心分离：原理、Fr 、适用、特点，碟片式离心机：工作过程，最大允许处理量；过滤：分类，真空转鼓过滤机的特点及工作过程） 提 取 溶剂萃取和浸取 溶剂萃取 理论：溶剂互溶规律；介电常数，溶剂选择；弱酸、弱碱分配定律，分离因数β；水相条件（盐析、带溶剂） 其他：萃取步骤，理论得率（E ，多级错流、逆流）；乳化与破乳（HLB ，乳化不良影响）；设备 浸取：过程、相平衡 超临界流体萃取 超临界流体：临界温度、监界压力、临界点、超临界流体（工作区的特点） 超临界萃取：定义、原理、流程模式 超临界CO2萃取：优点，拖带剂 热力学简介：固体溶质溶解度的关键因素、液体溶质溶解度（理解） 分 离 膜分离过程 分类与特性：分类（对称、非对称、复合、荷电、微孔等）；特性（P170表9-1，电渗析原理图及定义） 理论：机理模型（孔模型特点，溶解-扩散模型渗透力的因素，优先—毛细模型的特点）；膜性能参数（孔道特性的三个定义、水通量、截断分子量、截留率的概念） 寿命：压密作用（原因、改善），水解，浓差极化（定义），膜污染（定义、原因、减轻方法、消除的标准） 液膜分离 概论：液膜的定义、分类，膜相组成 分离机制：无载体扩散迁移（二种机制的特点、结果），载体促进传递（三种机制的特点、结果、实例），结论 工艺流程：乳化、分离浓缩、破孔（静置、电破乳）乳化液膜的稳定问题：膜破裂、膨胀纯化-色谱分离 分类：按机理（5种），固定相形状（3种）、流动相（3种）、压力（3种） 基本原理：5种分离的机理名词：线性色谱与非线性色谱，载体，阻滞因数，塔板理论，吸附等温曲线（凹、凸、S ），解离常数，分离因数，洗脱容积，外水容积，分辨率、交换容量其他化工单元操作技术：离子交换技术、酒精差压蒸馏、 结晶、蒸发与干燥。
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生物学过程的机理
特异性相互作用的类型 • 离子间的相互作用（亲和介质和目标物均为蛋白/多肽） • 氢键结合（目标物含有O/N原子）
与配体的立体结构有关
天冬氨酸/谷氨酸（-）；精氨酸/赖氨酸（+）
• 疏水性相互作用（目标物和结合部位均含有烃链/芳香环类疏水基团） • 金属原子配位结合 （结合部位和目标物均可以与同一金属离子
生物学过程的机理
特异性相互作用的含义
生物学分离过程的主要特征是生物高分子的特异性相互作用。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）。注意：亲和介质和目标物是相对的。
• 料液流速是影响层析柱效和分离速度的重要因素 • 料液流速与操作压力成正比，需根据吸附柱的不同载
体来选择
生物学过程在下游技术中的应用
亲和色谱的操作过程
洗涤操作
• 目的是洗去吸附介质内部及柱空隙中存在的杂质，一
般使用与吸附操作相同的缓冲液，必要时可加入表面 活性剂，保证目标物的吸附和杂质的除去。
(Cu2+/Ni2+/Zn2+) 配位，二者可间接结合） [例] 固定化亲和离子层析： 接合部位—亚胺二乙酸（IDA）/三羧甲基乙二胺（TED） 目标物中含有组氨酸（His）(咪唑基)/半胱氨酸（Cys）(巯基)/色氨酸 （Trp）(吲哚基) 弱共价键结合（醛基和羟基间形成半缩醛形式的弱共价键的结合） 可逆性（主要受PH影响）
亲和色谱
载体（担体）的选择
• • • •
具有亲水性 便于载体固定化 非特异吸附很少 有一定的机械强度
Sephadex—葡聚糖通过-1,6结合与交联制备的葡聚糖凝胶 Sepharose—含有半乳糖的琼脂糖凝胶 (Pharmacia 公司) TSK gel—硅胶基质（Tayo 公司）
• 常用的载体：葡聚糖凝胶、琼脂糖凝胶、硅胶等。
识 别 分 子
下游技术中的化学反应
• 柠檬酸 + CaCO3 柠檬酸钙
• 草酸 + Ca2+ 草酸钙 • 谷氨酸+ ZnSO4 谷氨酸锌
（存在环境污染问题，工业上被禁用）
下游技术中的生物学过程
• 生物学过程的机理
—— 特异性相互作用
• 生物学过程在下游技术中的应用
—— 亲和色谱
下游技术的化学过程
• 化学性分子识别 • 化学反应
化学性分子识别
某些化学物质对被分离混合物中的目标物质具有 特异性结合的能力，当该化学物质被加入到被分离混 合物中时，便于目标物质进行特异性结合，从而达到 分离目的。这些具有化学性分子识别能力的物质暂称 为“识别分子” 其作用机理在于目标物与识别分子之间存在一定 的相互作用力（如范德华力、氢键、疏水作用力、静 电引力及化学结合力等）。
为Y字型IgG分子的主干部分（Fc片段），可纯化各种抗体 凝集素：是与糖特异性结合的蛋白质（酶和抗体除外）的总称 （AMP, ADP,`ATP）与辅酶的结构类似 三嗪类色素：三嗪类色素与各种需要在NAD(辅酶II)的存在下表现其生物活性 的脱氢酶和激酶具有结合能力，另外还可纯化血清白蛋白、干扰素、核糖酶和糖 解酶等。 过渡金属离子：可与N, S和O等供电原子产生配位键，因此可与蛋白质表面的 组氨酸的咪唑基、半胱氨酸的巯基和色氨酸的吲哚基发生亲和结合作用 组氨酸：具有弱疏水性、其咪唑环为弱点性，可与蛋白质发生亲和结合作用 （受PH和盐浓度影响），用来分离等电点相差较大的蛋白 肝素：可纯化脂蛋白、脂肪酶、甾体受体、限制性内切酶、抗凝血酶、凝血蛋 白等
弱，氢键也受到同样影响。
• 试剂：尿素、盐酸胍、十二烷基磺酸钠等会对蛋白质构象造成
影响。
生物学过程在下游技术中的应用
亲和色谱
亲和色谱是利用了生物物质间的持异性相互作用， 或者说是利用了某些生物物质之间特异的亲和力进行 选择性分离的一种色谱分离技术。其基本组成如下：
目标物
生物学过程在下游技术中的应用
•
生物学过程的机理
特异性相互作用的影响因素 影响蛋白质立体构象的环境因素会制约上述的特异性 相互作用 热：热是影响蛋白质构象的最普通的因素 温度：温度的上升，使原子、分子的热运动更活泼，因而离子
间的相互作用、氢键、金属原子配位作用等变弱。相反．疏水性 的相互作用因温度上升而加强。
• •
• PH： pH也对蛋白质侧链上的氨基酸残基的离解度影响很大。 • 静电性的环境变化：溶液离子强度增加，离子间相互作用变
生物学过程在下游技术中的应用
亲和色谱
配体和目标物 • 酶的抑制剂：可与被抑制的酶特异性结合 • 抗体：免疫亲和层析，抗体和抗原之间具有高度特异性结合能力 • A蛋白：A抗原，与动物免疫球蛋白G(IgG)具有很强的亲和结合作用，结合部位 • • 辅酶和磷酸腺苷：脱氢酶和激酶与辅酶之间具有亲和结合作用，磷酸腺苷 • •
第二章 下游技术的理论基础
主要内容
• 下游技术的物理学过程 • 下游技术的化学过程
• 下游技术的生物学过程
下游技术的物理学过程
• 平衡分离过程 • 拟平衡分离操作
• 非平衡分离操作
平衡分离过程
根据被分离混合物的物性参数（蒸气压、溶解 度、表面张力、离子强度等）使不同物质在一定条 件下达到其固有的相平衡，从而达到分离不同物质 的目的。其理论基础为平衡论（详 见“物理化 学”）。
•
•
生物学过程在下游技术中的应用
亲和色谱的操作过程
生物学过程在下游技术中的应用
亲和色谱的操作Байду номын сангаас程
吸附操作
• 保证介质对目标物有较高的吸附作用和吸附容量 • 杂质的非特异吸附要控制在最低水平 • 影响因素有：目标物和杂质的浓度、缓冲液离子强度和pH值等；
提高介质本身的质量；在料液中加入表面活性剂（尤其适用于目 标物为疏水性强的蛋白质）
拟平衡分离操作
被分离的混合物在其物性（密度、电荷等）上存在 一定的差异，但并不能将它们完全分开，必须借助外力 场（离心力场、电场、磁场等），方可将它们完全分开。
非平衡分离操作
以被分离混合物在被分离界面两侧的物性参数之差 （温度差、压力差、浓度差等）为推动力，使物质从非平 衡状态向平衡状态转化，从而达到分离的目的。其理论基 础为“三传原理”。