生物分開工程復習

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第一章緒論

1.生物分開工程：回收生物產(chǎn)品分開過程的原理與方法，即從發(fā)酵液、酶反應液、動植物細胞培養(yǎng)液中分開、純化生物產(chǎn)品的過程。

生物分開工程也稱生物技術(shù)下游加工過程。處于生物工程研究中的下游位置。2、生物分開工程研究的內(nèi)容：一是研究目標產(chǎn)品及其基質(zhì)的性質(zhì)，二是研究根據(jù)產(chǎn)品及基質(zhì)選擇適合的分開純化技術(shù)，包括對基本技術(shù)原理、基本方法、基本設備的研究。3、生物下游加工過程的一般流程

1）下游加工的四個階段

2）各階段單元操作（1）發(fā)酵液的預處理

由于發(fā)酵液的粘度高，所以分開之前要對發(fā)酵液進行預處理，如可采用酸化、加熱、凝聚和絮凝技術(shù)等方法來處理。

過濾和離心是發(fā)酵液預處理基本的單元操作，也是困難的一步操作.（2）固液分開

細胞碎片和碎片的分開：

方法：生物、化學、機械等等。儀器：高壓勻漿器和球磨機

碎片的分開：一般用離心分開，但十分困難，目前多采用雙水相萃取法（3）初步純化（提?。?/p>

主要是除去與目標產(chǎn)物性質(zhì)有很大差異的物質(zhì)，一般會發(fā)生顯著的濃縮和產(chǎn)品質(zhì)量的增加。典型的分開方法有：a.（溶劑萃取）b.（超臨界流體萃?。ヽ.（雙水相萃?。?）高度純化（精制）

這類過程技術(shù)對產(chǎn)物有高度的選擇性。主要除去與被純化物有類似化學功能和物理性質(zhì)的不純物。

典型的方法：色譜分開、電泳、結(jié)晶、沉淀（5）成品加工

產(chǎn)物的最終用途決定了產(chǎn)品最終的加工方法，常用的方法：濃縮、無菌過濾、去熱原、枯燥4、生物分開工程在生物工程中的發(fā)展與地位1）生物工程的發(fā)展

生命科學的發(fā)展帶動生物工程的進步（1）現(xiàn)代生物技術(shù)的興起：兩項技術(shù)：

1、第一個含有外源基因的重組質(zhì)粒在細菌內(nèi)增殖成功（1973年）2、細胞融合技術(shù)（1975年）（2）直接結(jié)果：

此前自然存在于生物體內(nèi)極微量的生物物質(zhì)得以通過大量生物培養(yǎng)方式進行商業(yè)的生產(chǎn)，出現(xiàn)了現(xiàn)代生物加工過程。（3）生物工程研究的層次上游技術(shù)

優(yōu)育生物物種的選育（運用基因工程，分子生物學，遺傳學的相關(guān)知識）

基因工程遺傳育種

中游技術(shù)

通過培養(yǎng)相關(guān)細胞獲得代謝產(chǎn)物（包括微生物發(fā)酵、動植物細胞培養(yǎng)，海洋生物培養(yǎng)）

生物反應工程

下游技術(shù)

通過適當?shù)姆珠_純化方法從發(fā)酵液或細胞培養(yǎng)液中分開獲得相關(guān)產(chǎn)品。

生物分開工程

2)生物分開工程重要性重要性

起初，生物工程的研究集中在上游技術(shù)（基因工程）和中游技術(shù)（生物反應器和發(fā)酵技術(shù)）上。而下游技術(shù)（分開與純化）沒有給予應有的重視。近來，隨著產(chǎn)品的分開和精制過程所需費用的比例越來越大，下游加工技術(shù)的開發(fā)顯得越來越重要。

生物分開至少占總成本50%。

生物分開過程中產(chǎn)品與廢物的比例平均為1:3250其次章發(fā)酵液的預處理1、預處理概念

以細胞培養(yǎng)液或發(fā)酵液為出發(fā)點，設法將細胞（菌體）富集或去除，使所需的目標產(chǎn)物轉(zhuǎn)移到液相中，同時除去其它懸浮顆粒以及改善濾液的性狀，以利后續(xù)分開純化等操作的過程。

發(fā)酵液預處理的目的

除去部分可溶性雜質(zhì)和改變?yōu)V液的性質(zhì)，以利于后繼各步操作。

改變發(fā)酵液的物理性質(zhì)和降低溶液的粘度，盡可能使產(chǎn)物轉(zhuǎn)入便于以后處理的相中。2、凝集與絮凝

凝集是指在投加的的化學試劑作用下，發(fā)酵液中的膠體脫穩(wěn)并使粒子相互凝集成為1mm大小塊狀絮凝體的過程。

絮凝是指某些高分子絮凝劑能在懸浮粒子之間產(chǎn)生橋梁作用，是膠粒形成粗大絮凝團的過程。

預處理方法——凝集

凝集作用：是在某些電解質(zhì)作用下，如中性鹽作用下，使擴散雙電層的排斥電位降低，破壞膠體系統(tǒng)的分散狀態(tài)，而使膠體粒子聚集的過程。

機理:中和粒子表面電荷消除雙電層結(jié)構(gòu)破壞水化膜常用的凝集電解質(zhì):硫酸鋁Al2(SO4)3?18H2O（明礬）；氯化鋁AlCl3?6H2O;三氯化鐵FeCl3;硫酸亞鐵FeSO4·7H2O；石灰；ZnSO4；MgCO3預處理方法——絮凝

絮凝：指在某些高分子絮凝劑存在下，在懸浮粒子之間產(chǎn)生架橋作用，而使膠粒形成粗大的絮凝團的過程。

它是一種以物理的集合為主的過程。絮凝劑的種類

合成有機高分子聚合物，

如聚丙烯酰胺類衍生物、聚苯乙烯類衍生物；無機高分子聚合物，

如聚合鋁鹽、聚合鐵鹽等；自然有機高分子絮凝劑，

如聚糖類膠粘物、海藻酸鈉、明膠、骨膠、殼多糖、脫乙酰殼多糖等。絮凝劑的特點:

絮凝劑是一種能溶于水的高分子聚合物，長鏈狀結(jié)構(gòu)，其鏈節(jié)上含有大量活性官能團。它們通過靜電引力、范德華引力或氫鍵的作用，猛烈地吸附在膠粒的表面。當一個高分子聚合物的大量鏈節(jié)分別吸附在不同的膠粒表面上，產(chǎn)生架橋聯(lián)結(jié)時，就形成較大絮團，產(chǎn)生絮凝作用。3、去除高價無機離子2+

Ca去除：

一般用草酸的鈉鹽生成草酸鈣，2+

Mg去除：

參與三聚磷酸鈉，從而形成三聚磷酸鈉鎂絡合物3+

Fe去除：

參與黃血鹽(亞鐵氰化鉀)4、固液分開的主要方法：

（1）固液分開的方法：過濾、離心

（2）過濾的兩種方式：垂直過濾（死過濾）、錯流過濾5、過濾有哪兩種形式，哪種更具有優(yōu)勢（1）兩種過濾方式

垂直過濾：料液滾動的方向與過濾介質(zhì)的方向垂直。錯流過濾：料液滾動的方向與過濾介質(zhì)的方向平行。

錯流過濾特點:料液流經(jīng)膜面時產(chǎn)生的剪切力把膜面上滯留的顆粒帶走，從而使污染層保持在一個較薄的水平。

6、過濾介質(zhì)的類型和過濾設備

過濾介質(zhì)：織物介質(zhì)、粒狀介質(zhì)、多孔固體介質(zhì)、微孔纖維素薄膜和金屬薄膜介質(zhì)過濾設備：板框式壓濾機、板式壓濾機、自動板框壓濾機、真空過濾機本節(jié)小結(jié)

1、預處理的目的：除去懸浮顆粒、改善濾液的性狀、便利后續(xù)步驟2、雜蛋白的去除方法：改變pH、加熱（產(chǎn)品耐熱）、吸附劑高價無機離子的去除（鈣、鎂、鐵）草酸、聚磷酸鈉、黃血鹽3、膠體的特性：雙電層、水化膜

4、凝集：通過電解質(zhì)破壞膠體分散狀態(tài)絮凝：物理高分子物質(zhì)的橋聯(lián)作用

5、固液分開的主要方法:過濾和離心分開過濾介質(zhì)類型（了解）過濾設備（熟悉）第三章細胞分開技術(shù)1、細胞壁結(jié)構(gòu)（了解）細菌細胞壁結(jié)構(gòu)1）結(jié)構(gòu)特點：（1）幾乎所有細菌的細胞壁都含有肽聚糖。

（2）相鄰聚糖鏈上的短肽又交織相聯(lián)，構(gòu)成了細胞壁的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使細胞具有一定的形狀和強度。兩種典型細胞壁比較成分占細胞壁干重的%革蘭氏陽性細菌肽聚糖磷壁酸類脂質(zhì)蛋白質(zhì)含量很高（50~90）含量較高（＜50）一般無（＜2）無革蘭氏陰性細菌含量很低（~10）無含量較高（~20）含量較高2）細胞破碎

破碎細菌的主要阻力是來自于肽聚糖的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)試比較革蘭氏陰性菌與革蘭氏陽性菌破碎難度。酵母細胞壁的結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)特點：最外層是甘露聚糖、中間有一層蛋白質(zhì)分子內(nèi)層是葡聚糖和幾丁質(zhì)植物細胞壁的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)特點

植物細胞壁主要由多糖和蛋白質(zhì)構(gòu)成，多糖主要成分為纖維素、半纖維素和果膠類物質(zhì)。

纖維素是長鏈D-葡聚糖，大量這樣的長鏈形成微纖絲。它是構(gòu)成細胞壁的骨架，細胞壁的機械強度主要來自于微纖絲。

2、細胞破碎的方法(了解原理)

細胞破碎方法分類，在大規(guī)模生產(chǎn)中，細胞破碎方法是十分有用的。我們很簡單將這些方法劃分為兩大類：機械法、非機械法

機械法破碎細胞機械法—高壓勻漿

原理：從高壓室（幾百個大氣壓）壓出的細胞懸浮液速度可達幾百米每秒，

高速噴出的漿液噴射到靜止的撞擊環(huán)上，

細胞在高速造成的剪切力，碰撞力和高壓到常壓的變化等作用下，造成細胞破碎。機械法—珠磨

原理：細胞懸浮液與極細的玻璃小珠、石英砂、氧化鋁等研磨劑一起快速攪拌或研磨，研磨劑、珠子與細胞之間的相互剪切、碰撞，使細胞破碎。機械法—超聲波

破碎原理：一般認為在超聲波作用下液體發(fā)生空化作用。液體中局部空穴的形成、增大和閉合產(chǎn)生極大的沖擊波和剪切力，引起的粘滯性旋渦在細胞上造成了剪切力，使細胞內(nèi)液體發(fā)生滾動，從而使細胞破碎。非機械法—酶解

概念：利用酶促反應，分解破壞細胞壁上特別的鍵，從而達到破壁的目的。

酶解法專一性強，因此在選擇酶系統(tǒng)時，必需根據(jù)細胞的結(jié)構(gòu)和化學組成來選擇。幾種主要的酶

細菌：主要用溶菌酶

酵母和真菌：蝸牛酶、纖維素酶

植物細胞：纖維素酶、半纖維素酶，果膠酶特點：優(yōu)點：專一性強，發(fā)生酶解的條件溫柔。

缺點：酶水解費用較貴，一般只適用于小規(guī)模的試驗室研究。非機械法—滲透壓沖擊

概念：是較溫柔的一種破碎方法，將細胞放在高滲透壓的介質(zhì)中(如一定濃度的甘油或蔗糖溶液)，入達到平衡。

介質(zhì)被突然稀釋，或者將細胞轉(zhuǎn)入水或緩沖液中，由于滲透壓的突然變化，水迅速進入細胞內(nèi)，引起細胞壁的破碎。

非機械法—凍結(jié)-溶化

概念：將細胞放在低溫下突然冷凍和室溫下溶化，反復屢屢而達到破壁作用。非機械法—化學法

概念：用酸堿及表面活性劑處理，可以使蛋白質(zhì)水解，細胞溶解或使某些組分從細胞內(nèi)滲漏