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1、第一章 绪论1 生物工程下游技术概念：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。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。2 主要内容包括：固液分离法、细胞破碎法、萃取分离法、双水相萃取、超临界萃取法、离子交换法、膜分离法、层析分离法、结晶法等等。3 一般步骤与单元操作：固液分离：絮凝，离心，过滤细胞破碎技术：机械破碎（球磨、高压匀浆） ，化学破碎（溶菌酶）等初步分离：用一定的手段将大体积、浓度小的物料显著缩小体积并提高纯度。方法：沉淀（盐析法、有机溶
2、剂沉淀、等电点、沉淀剂） ，吸附，膜分离技术精制：利用各种方法将具有一定纯度的生物产品进一步纯化至高纯度状态。方法：各种层析技术，离子交换成品制成：浓缩，结晶，干燥4.方法选择的基本原则：尽可能简单、低耗、高效、快速分离步骤尽可能少避免相同原理的分离技术多次重复出现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 蛋白质的变性失活合理的分离步骤次序5.下游加工过程的特点需要实现目标产物的快速分离纯化需要对原料液进行高度浓缩需要借助新型的分离技术需要除去有害人类健康的物质需要采用利于保持目标产物产品质量的操作条件第二章 发酵液的预处理和固液分离1. 发酵液的预处理方法：加热法调节 ph
3、凝聚和絮凝2 凝聚：在凝聚剂(如铝盐、铁盐、石灰等)作用下, 胶体脱稳并使粒子相互聚集成mm 大小凝聚体的过程。机理：A、中和粒子表面电荷 B、消除双电层结构常用凝聚剂：硫酸铝 Al2(SO4)318H2O（明矾） ；氯化铝 AlCl36H2O；三氯化铁 FeCl3；硫酸亚铁 FeSO47H2O ；石灰；ZnSO4；MgCO3絮凝：大分子聚电解质将胶体粒子交联成网状，形成絮凝团的过程机理：架桥作用常用絮凝剂：人工合成有机高分子聚合物，如聚丙烯酰胺类衍生物、聚乙烯亚胺衍生物；聚丙烯酸类和聚苯乙烯类衍生物。3 高价无机离子的除去：Ca2+ 草酸、草酸钠， 形成草酸钙沉淀；Mg2+三聚磷酸钠，形成三
4、聚磷酸钠镁可溶性络合物；Fe2+ 黄血盐，普鲁士兰沉淀4 杂蛋白的除去：沉淀法 变性法吸附法5 常用固液分离法：过滤，离心，膜分离，双水相萃取，扩张床吸附过滤：在一定的压力差下，利用多孔性介质截留固液悬浮液中的固体粒子，进行固液分离的方法称为过滤。设备：板框压滤机、真空转鼓过滤机离心分离：借助于离心机旋转所产生的离心力的作用，促使不同大小，不同密度的粒子分离的技术。离心机种类：碟片式离心机、管式离心机、倾析式离心机第三章 细胞破碎1 细胞壁的组成和结构 细菌类：组成肽聚糖（多糖、氨基酸） 、脂类 结构多层三维网状结构细菌破碎的主要阻力来自于肽聚糖的网状结构，其网状结构的致密程度和强度取决于聚糖
5、链上所存在的肽键的数量和交联程度。 酵母菌：组成甘露聚醇、葡聚糖、蛋白质、脂类等 结构三层三维网状结构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；霉菌：组成几丁质（N-乙酰葡聚糖胺的聚合物） 、葡聚糖、蛋白质、脂类等 结构四层三维网状结构 破碎阻力：由于霉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。2 细胞的破碎方法 3 高压匀浆法 ：工作原理：利用高压使细胞悬浮液通过针形阀，由于突然减压和高速冲击撞击环使细胞破碎适用范围 ： 酵母、大多数细菌细胞及植物细胞大规模处理料液细胞浓度可达到 20%左右不宜采用高压匀浆法：易造成堵塞的团状或丝状
6、真菌，较小的革兰氏阳性菌，含有包含体的基因工程菌（因包含体坚硬，易损伤匀浆阀）4 破碎率的测定 ：直接测定法：破碎前的细胞，可利用显微镜直接计数；破碎后可采用染色法把破碎的细胞与未破碎的细胞区别开来。 目的产物测定法：将破碎后的细胞悬浮液离心分离细胞碎片，测定上清液中目的产物含量或活性，并与 100%破碎率的标准值比较，计算其破碎率。 导电率测定法：细胞破碎后，大量带电荷的内含物被释放到水相，使导电率上升。导电率随着破碎率的增加而呈线性增加。测定前制定标准曲线。第四章 沉淀1 盐析：在高浓度的中性盐存在下，蛋白质（酶）等生物大分子物质在水溶液中的溶解度降低，产生沉淀的过程。盐析原理：减弱静电斥
7、力去水化膜盐析剂的选择：盐析作用要强盐析用盐需有较大的溶解度盐析用盐必须是惰性的来源丰富、经济2 盐析的两种方法：Ks 盐析法在一定的 PH 和温度下改变离子强度（盐浓度）进行盐析 盐析在一定离子强度下仅改变 PH 和温度进行盐析应用：一般的初步分离用第一种方法，进一步春花时用第二种方法。3 影响盐析的因素溶质种类的影响：Ks 和 值。 随 PH 变化：对数关系；等电点附近有极小值。 随温度变化：随温度升高减小，热促失水膜溶质浓度的影响：蛋白质浓度达，盐的用量小，但共沉作用明显，分辨率低；蛋白浓度小，盐的用量大，分辨率高，蛋白质回收率较低。PH 值：影响蛋白质表面净电荷的数量，通常调整体系 P
8、H 值，使其在 PI 附近盐析温度：一般在高盐浓度下，温度升高，使其溶解度反而下降。4 有机溶剂的沉淀原理：由于有机溶剂的水合作用，降低了自由水的浓度，降低了亲水溶质表面水化层的厚度，降低了亲水性，导致脱水凝聚。降低了溶质的介电常数，使溶质之间的静电引力增加，从而出现聚集现象，导致沉淀第五章 溶剂萃取分离1 分配定律：一定 T、P 下，溶质在两个互不相溶的溶剂中分配，平衡时，溶质在两相中浓度之比为常数。2 萃取剂：用来萃取产物的溶剂称为萃取剂3 萃取液：溶质转移到萃取剂中与萃取剂形成的溶液称为萃取液4 萃余液：被萃取出溶质后的料液称为萃余液5 分离因素（）：萃取剂对溶质 A 和 B 分离能力的
9、大小 =KA/KB 越大，KA 越大于 KB，分离效果越好。6 pH 直接影响表观分配系数（pHK） pH 低有利于酸性物质分配在有机相，碱性物质分配在水相。对弱酸随 pHK, 当 pH pK 时，KK07 温度 T 影响分配系数 ：T，分子扩散速度，故萃取速度8 乳化：乳化即水或有机溶剂以微小液滴形式分散于有机相或水相中的现象。影响：发酵废液中夹带着有机溶剂微滴发酵单位的损失溶剂相中夹带着发酵液的微滴给以后的精制造成困难9 萃取方式单级萃取：只包括一个混合器和一个分离器多级错流萃取特点：每级中都加新鲜溶剂，故溶剂消耗量大，而得到的萃取剂平均浓度较稀，但萃取较完全。多级逆流萃取特点：在逆流萃取
10、中，只在最后一级中加入萃取剂，故和错流萃取相比，萃取剂之消耗量较少，因而萃取液平均浓度较高。工业上常采用第六章 双水相萃取分离1 双水相：将两种亲水性的聚合物都加在水溶液中，超过某一浓度产生两相形成的原因 ： 1）体系熵的增加 2）分子间作用力 高聚物的不相溶：双水相是由于聚合物分子的空间阻碍作用，相互间无法渗透，当聚合物的浓度达到一定值时，就不能形成单一的水相，当两种聚合物在排斥力作用下达到平衡时，就形成了稳定的两相，两种聚合物分别位于两个互不相溶的两相中。 常用的两类双水相体系： 聚乙二醇（PEG）/葡聚糖（Dex）体系、PEG/盐体系。2 相图 ：两相区（Vt）-系线双节线-临界点-均相
11、区（Vb）A 平衡时符合杠杆规则：。Vt/ Vb=BM/MTB 当点 M 向下移动时，系线长度缩短，两相差别减小，到达 K 点时，系线长度为 0，两相间差别消失而成为一相，因此 K 点为系统临界点。C 双节线的位置和形状与聚合物的分子量有关。聚合物的分子量越高，相分离所需的浓度越低。两种聚合物的分子量相差越大，双节线的形状越不对称。3 双水相体系影响因素：分子量 第七章 超临界流体萃取1 超临界流体萃取：当一种流体处于其临界点的温度和压力之上，则称之为超临界流体。2 超临界流体特点：兼具有气体和液体的性质密度接近液体高溶解的性能，萃取能力强 粘度接近气体易扩散和流动，传质性能好3 超临界流体萃
12、取的基本原理：利用临界或超临界状态的流体，依靠被萃取的物质在不同的蒸汽压力下所具有的不同化学亲和力和溶解能力进行分离、纯化的但单元操作，即此过程同时利用了蒸馏和萃取现象蒸汽压和相分离均在起作用。4 超临界 CO2 萃取特点（临界点：T：31 P：7.3MPa）优点：临界条件温和产品分离简单无毒、无害不燃无腐蚀性价格便宜缺点：设备投资大5 超临界萃取三种工艺流程：等温条件等压条件吸附剂吸附第八章 膜分离1 膜分离的概念 ：以选择性透膜为分离介质，通过在膜两边施加一个推动力（如浓度差、压力差或电压差等）时，使原料侧组分选择性地透过膜，以达到分离提纯的目的2 膜分类：按孔径大小：微滤膜、超滤膜、反渗
13、透膜、纳滤膜按膜结构：对称型膜、不对称性膜、复合膜 按材料：合成邮寄聚合物膜、无机材料膜3 对称性和非对称性膜区别：对称膜：膜截面的膜厚度上孔道结构均匀。一般指膜的各部分具有相同的特性，其孔结构不随深度而变化的膜。膜的厚度范围为 10200um。非对称膜：膜在厚度上的孔道结构不均匀，不对称膜主要由起膜分离作用的表面活性层(0.2-0.5um)和起支撑作用的惰性层(50-100um)构成。4 微滤、超滤、纳滤、反渗透的原理及应用 反渗透： 基本原理：为溶解扩散。在高于溶液渗透压的压力作用下，只有溶液中的水透过膜，而所有溶液中的大分子、小分子有机物及无机物全被截留住。应用：主要用于海水脱盐，纯水制
14、造以及小分子产品如乙醇、糖及氨基酸浓缩,回收有机溶剂，如乙醇、丁醇和丙醇等超滤：分离原理：筛分原理，但有些情况下受到粒子荷电性与荷电荷相互作用的影响很大，分离分子量从 300 到 1,000,000Da 的可溶性大分子物质。应用：A、高分子溶质之间，以及高分子与小分子溶质之间的分离；B、Pro 浓缩，C、病毒的分离和富积，C、回收细胞，处理胶体悬浮液。微滤(MF)：原理：筛分原理，以多孔细小薄膜为过滤介质，使不溶物浓缩过滤用途：除去 0.1m10m 的颗粒，用于培养基液除菌，产品消毒（配制培养染菌时，则采取灭菌过滤除菌） ，细胞收集。纳滤：是介于反渗透与超滤之间的能截留有机小分子而使大部分无机
15、盐通过。应用：抗生素、维生素等的分离纯化，活性染料的脱盐与浓缩等5 膜的性能参数： 孔道特征、水通量、截留率和截断分子量、其他因素 孔道特征：包括孔径、孔径分布和孔隙率。孔径反映孔的大小。最大孔径可通过泡点法测定。 孔径分布是指膜中一定大小的孔的体积占整个孔体积的百分数。 孔隙度是指整个膜中孔所占的体积百分数。水通量：为每单位时间内通过单位膜面积的水体积流量，也叫透水率，即水透过膜的速率。膜材料、生产工艺和膜孔径影响水通量大小。意义：A、对同类膜，孔径越大，水通量越大；B、水通量并不能完全衡量和预测实际料液的透过流通量。截留率：表征膜对溶质的截留能力。截留分子量：通过测定分子量不同的球形蛋白质
16、或水溶性聚合物的截留率，可获得膜的截留率与溶质分子量之间的关系曲线，即截留曲线。一般将在截留率为 90%的溶质分子量定义为膜的截留分子量6 膜的四大组件 ：管式，平板式，螺旋卷式，中空纤维（毛细管）式7 膜的污染及浓差极化 浓差极化：膜分离操作中，不能完全透过膜的溶质受到膜的截留作用，在膜表面附近浓度升高，高于料液主体浓度的现象。形成原因：不能完全透过膜的溶质收到膜的截留作用措施：要减少浓差极化，通常采用错流操作膜污染：是指处理物料中的微粒，胶体或溶质大分子由于与膜存在物理化学相互作用或机械作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附，沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生透过流量与分离特性的不可逆变化现象造成膜污染的主要原因：凝胶极化现象引起的凝胶
