生物工程下游技术1-15章复习 - 图文

第一章 绪论

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、酶反应等各种生物工业生产过程获得的生物源料，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，也称为下游工程或下游加工过程。

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。它包括三方面内容，即清洁生产工艺(技术)、清洁产品、清洁能源。清洁生产工艺是生产全过程控制工艺，包括节约原材料和能源，淘汰有毒害的原材料，并在全部排放物和废物离开生产过程以前，尽最大可能减少它们的排放量和毒性，对必须排放的污染物实行综合利用，使废物资源化。

第二章 下游技术的理论基础

利用物质性质上的差异，可以区分不同的物质，并可对包含多种成分的混合物进行分离和精制。 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

（2）拟平衡(速度差)分离操作 （3）非平衡分离操作

流体在分离场内的传递现象可用经典流体力学中动量（通量）传递，热量（通量）传递，和质量（通量）传递规律和作用于分离场外的外加势能来描述。 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。有时也被称为生物亲和力。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。

（1）离子间的相互作用：氨基酸侧链的电荷引起的静电作用 （2）氢键结合：配体含或原子，能和结合部位之间形成氢键

（3）硫水性相互作用：配体上的非极性基团与结合部位侧面的非极性部分存在硫水性相互作用 （4）对金属原子配位：结合部位的一部分和配体的一部分在同一金属上配位 （5）弱共价键结合：醛基和羟基间形成半缩醛可逆性结合作用（除共价结合外） （二）亲和色谱（Affinity Chromatography）

利用某些生物物质之间特异的亲和力进行选择性分离的色谱技术。

各自的解离常数都一样小，则不能说这个配体对目的物的特异性作用高（群特异性） 亲和色谱的一个操作周期通常包括：吸附，洗涤，洗脱，在平衡化等操作。 第三章 发酵液预处理

1.预处理的目的：分离菌体和其他悬浮颗粒，除去部分可溶性杂质和改变滤液的性质，以利于提取和精制后继各工序的顺利进行。 微生物发酵液的特性

①发酵产物浓度较低，大多为1％一10％，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；

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、蛋白酶水解等作用的影响。这些特性使得发酵液的过滤与分离相当困难。 降低液体粘度：加水稀释vs加热

PH值直接影响发酵液中某些物质的电离度和电荷性质，适当调节PH值可改善其过滤特性。

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。可以除去杂蛋白质和固体杂质，提高滤液质量。

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。

凝聚值：使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度。反离子的价数越高，该值就越小，即凝聚能力越强。 阳离子对带负电荷的胶粒凝聚能力的次序：Al3+ >Fe3+ >H+ >Ca2+ >Mg2+ >K+ >Na+ >Li+

常用的凝聚剂电解质有：硫酸铝 Al2(SO4)3?18H2O（明矾）； 氯化铝 AlCl3?6H2O；三氯化铁 FeCl3； 硫酸亚铁 FeSO4·7H2O ；石灰；ZnSO4；MgCO3

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。

絮凝剂：是一种能溶于水的高分子聚合物，其相对分子质量可高达数万至一千万以上，它们具有长链状结构， 其链节上含有许多活性官能团， 包括带电荷的阴离子或阳离子基团以及不带电荷的非离子型基团。它们通过静电引力、范德华引力或氢键的作用，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，产生桥架联结时，就形成了较大的絮团，这就是絮凝作用。

絮凝剂的最适添加量往往需通过试验确定，虽然较多的絮凝剂有助于增加桥架的数量，但过多的添加量反而会引起吸附饱和，絮凝剂争夺胶粒而使絮凝团的粒径变小，絮凝效果下降。 助滤剂最常用的是硅藻土。

加入某些不影响目的产物的反应剂，可消除发酵液中，某些杂质对过滤的影响，从而提高过滤速率。 固液分离方法很多，常规方法有分离筛，重力沉降，浮选分离，离心分离和过滤等，其中用于发酵液固液分离的主要是离心分离和过滤，不同性状的发酵液应选择不同的固液分离方法与设备，如霉菌和放线菌为丝状菌，发酵液大多采用过滤方法处理；而细菌和酵母菌为单细胞，其发酵液一般采用高速离心机分离。 离心机是利用转鼓高速转动所产生的离心力，来实现悬浮液、乳浊液分离或浓缩的分离机械。离心分离具有分离速率快，分离效率高，液相澄清度好等优点。离心机的种类很多，按其作用原理不同，可分为过滤式离心机，和沉降式离心机两大类。

过滤是传统的化工单元操作，其原理是悬浮液通过过滤介质时，固态颗粒与溶液分离。根据过滤机理不同，过滤操作可分为澄清过滤和滤饼过滤两种。

第四章 细胞破碎

1.细胞破碎（Cell rupture）:是指利用外力破坏细胞膜和细胞壁，使细胞内物质包括目的产物成分释放出来的技术。

2.细胞破碎的主要阻力来自于细胞壁，不同类型的微生物其细胞壁的机构特性是不同的，取决于遗传和环境因素。

3.细菌破碎的主要阻力来自于肽聚糖的网状结构，网状结构越致密，破碎的难度越大，革兰氏阴性细菌网状结构不及革兰氏阳性细菌的坚固；酵母细胞壁破碎的阻力也主要决定于壁结构交联的紧密程度和它的厚度；由于真菌细胞壁中含有几丁质或纤维素的纤维状结构，其强度比细菌和酵母菌的细胞壁有所提高。主要阻力来自于壁强度和聚合物网状结构。

影响破碎的主要因素是压力，温度，通过匀浆器的次数。 超声破碎通常采用的超声机在15~25kHz的频率下操作。 酶溶法中细胞壁溶解酶是几种酶的复合物。

自溶法中影响自溶过程的主要因素有温度、时间、PH、激活剂和细胞代谢途径等。 化学渗透法取决于化学试剂的类型，以及细胞壁膜的结构与组成。

X-press 法中细胞破碎是由于冰晶体的磨损，使包埋在冰中的微生物变形而引起的。

渗透压法仅适用于细胞壁较脆弱的细胞，或者细胞壁预先用酶处理，或者在培养过程中加入某些抑制剂，使细胞壁有缺陷，强度减弱。

反复冻结-融化法只适用于细胞壁较脆弱的菌体，破碎率较低，常需反复多次。 破碎率的测定 ： 1）直接测定法2)目的产物测定法3)导电率测定法 第五章 萃取技术

萃取：利用溶质在互不混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。萃取是通过溶质在两个液相之间的竞争性溶解或分配而实现的。

浸取：用某种溶剂把有用物质从固体原料中提取到溶液中的过程。 从能量变化的角度可将溶解过程分三步： 1）溶质B各质点的分离。

2）溶剂A在溶质B的作用下形成可容纳B质点的空位。 3）溶质质点B进入溶剂A形成的空位。

良好的溶剂满足条件：

乳化是一种液体（分散相）分散在另一种不想混溶的液体（连续相）中的现象。乳化的结果形成两种形式水包油型（O/W）vs油包水型（W/O），生产过程出现的乳浊液是是什么型主要由表面活性剂的性质决定。 第六章 超临界流体萃取

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下物质特有的点--临界点后的流体。 超临界流体萃取：在生物工业、食品加工等领域中，利用超临界流体特有的性质，在流体的超临界区域或近临界区域进行物质萃取的一种技术。

在超临界流体萃取中，主要是溶剂流体密度的大幅度增加导致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，这个特性给溶剂流体的回收、溶剂与萃取物（溶质）的分离带来方便，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物与溶剂的分离。

超临界CO2相图可知：利用不同密度下的CO2对物质溶解能力的差异就可以实现萃取和分离的操作，而无需通过相变。超临界萃取特性：通过压力或温度的改变就可能有效滴萃取和分离溶质。

对同一天然产品用不同方法或不同萃取剂提取得到的制品，组分不同。30MPa下CO2萃取获得的酒花制品为绿色，而在14MPa下微黄色。

添加拖带剂即辅助溶剂以增加物质的溶解度和萃取选择性，是实际运行中常用方法之一。 SC-CO2萃取流程基本上是由萃取工段和分离工段组合成，三中流程模式图：

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