生物工程下游技术复习幻灯片

生物工程下游技术复习,第一章 生物工程下游技术概述,*什么是生物工程下游技术? 也称为下游工程或下游加工过程，是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。,下游技术产品的特性？ 1.有些产品，在待处理物料中浓度很低，比杂质含 量还低，分离、纯化较困难。 2.小分子产品因分子结构简单，性质相对稳定，分 离技术可选范围较大。 3.产品性质限制下游技术的可选范围。 4.产品共存物有可能引起产物的破坏和降解，导致 发酵液的变质，给下游操作带来不必要的困难。,下游技术的一般工艺过程？ （1）产物的预处理和固液分离 过滤 、离心、加热、调PH、絮凝， （2）提取（初步分离） 目的是除去与产物性质差异较大的杂质，得到目标产物含量较高提取物的过程。沉淀、吸附、萃取、超滤、结晶。 （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。通常采用对产物有高度选择性的技术，如色谱分离技术。 （4）成品制作 浓缩、干燥、无菌过滤、成型。成品形式与产品的最终用途有关。,*具体的产品分离提取需考虑的问题? （1）是胞内产物还是胞外产物； （2）原料中产物和主要杂质浓度； （3）产物和主要杂质的理化学特性及差异； （4）产品用途和质量标准； （5）产品的市场价格； （6）废液的处理方法等。,第二章 发酵液的预处理,1 、名词解释 *凝聚:是指在电解质作用下，由于胶粒之间双电层排斥作用降低，电位下降，而使胶体体系不稳定的现象。 *絮凝:则是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。 凝聚值（表示电解质的凝聚能力）：使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度（mmol/L）。 凝聚原理：加入电解质异电离子作用下，原双电层电位降低胶体稳定性下降相互碰撞而凝聚。,絮凝机理：絮凝剂（能溶于水的高分子聚合物，长链结构） 链节上含有许多活性官能团，阴离子（-COOH）或阳离子（-NH3+）、不带电的非离子型基团通过静电引力、范德华力、氢键等吸附在胶粒表面 当许多链节分别吸附在不同胶 粒表面上产生桥架联接较大絮团 *滤饼：当悬浮液通过过滤布时，固体颗粒被滤布所阻拦而逐渐形成滤饼（或称滤渣），当滤饼至一定厚度时即起过滤作用。,微生物发酵液的特性？ 发酵产物浓度较低，大多为1%-10%，悬浮液中大部分是水； 悬浮物颗粒小，相对密度与液相相差不大； 固体粒子可压缩性大（细胞在很大程度上属于可压缩的粘稠物料）； 液相粘度大； 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。,*改变发酵液过滤特性的主要方法有哪些？ 其简要机理如何？ 改善发酵液过滤特性的物理化学方法有：调酸（等电点）、热处理、电解质处理、添加凝聚剂、添加表面活性物质、添加反应剂及添加助滤剂等。 降低液体粘度 根据流体力学原理，滤液通过滤饼的速率与液体的粘度成反比，可见降低液体粘度可有效提高过滤速率。,调整pH pH值直接影响发酵液中某些物质的电离度和电荷性质，从而改善其过滤特性。 凝聚与絮凝 是目前工业上最常用的预处理方法之一。 凝聚是指在电解质作用下，由于胶粒之间双电层排斥作用降低，电位下降，而使胶体体系不稳定的现象。 絮凝则是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。, 加入助滤剂 悬浮液中大量的细微胶粒被吸附在助滤剂表面，从而改变滤饼结构，过滤阻力下降了。 加入反应剂 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。,*除去发酵液中杂蛋白的常用方法有哪些？ （1）沉淀法：蛋白质是两性电解质。 在酸性溶液中，能与一些阴离子如三氯乙酸盐、水杨酸盐等形成沉淀； 在碱性溶液中，能与一些阳离子如Ag+、Cu2+、Zn2+、Fe3+和Pb2+等形成沉淀。 （2）变性法：蛋白质从有规则的排列变成不规则结构的过程称为变性。,加热。不仅使蛋白质变性，同时降低液体粘度，提高过滤速率。 调PH； 加有机溶剂如酒精、丙酮等。 （3）吸附法 加入某些吸附剂或沉淀剂吸 附杂蛋白而除去。,*发酵液预处理的目的是什么？主要有那几 种方法？ 预处理的目的： 分离细胞、菌体和其它悬浮颗粒（细胞碎片、核酸和蛋白质的沉淀物）， 除去部分可溶性杂质和改变滤液的性质，以利于后继各步操作。 调酸（等电点）、热处理、电解质处理、添加凝聚剂、添加表面活性物质、添加反应剂及添加助滤剂等。,区别澄清过滤和滤饼过滤？ 澄清过滤： 所用的过滤介质为硅藻土、砂、颗粒活性炭、玻璃珠、塑料颗粒等，填充于过滤器内即构成过滤层；也有用烧结陶瓷、烧结金属、粘合塑料等组成的成型颗粒滤层。 当悬浮液通过时，固体颗粒被阻拦或吸附在滤层的颗粒上。 过滤介质起着主要的过滤作用。适合于固体含量少于0.1g/100ml、颗粒直径在5-100um的悬浮液的过滤分离，如河水、麦芽汁、酒类和饮料等的澄清。,滤饼过滤： 过滤介质为滤布，包括天然或合成纤维织布、金属织布、石棉板、玻璃纤维纸、合成纤维等无纺布。 当悬浮液通过过滤布时，固体颗粒被滤布所阻拦而逐渐形成滤饼（或称滤渣），当滤饼至一定厚度时即起过滤作用。 悬浮液本身形成的滤饼起着主要的过滤作用。适合于固体含量大于0.1g/100ml的悬浮液的过滤分离。,*膜过滤的种类及微滤的优缺点？ 目前主要有3种膜过滤： 微孔过滤（简称微滤）用于分离固体颗粒 如细胞、细胞碎片、包含体及蛋白沉淀物；微孔 膜（0.110m） 超滤 分离浓缩大分子物质如蛋白质、核酸、多 糖；超滤膜(0.0010.1 m) 。 反渗透 用于小分子如抗菌素、氨基酸溶液中脱 除水分。反渗透膜(0.001 m),切向流过滤的3种方式？ （1）泵循环式切向流过滤 缺点：悬浮液在流动过程中有压力损失，能量消 耗大，流路中固体积累程度不一。 （2）在膜表面加以搅拌造成流动。 缺点：实验室规模，处理的液量少。过滤面积 小，剪切力不均匀。 优点：灵活、操作方便。 （3）使膜相对于悬浮液运动。 缺点：难以放大，设备投资较大。 优点：剪切力大，单位膜面积的过滤速度很高。,第三章 细胞破碎、蛋白质复性及固液分离,*包含体? 主要由蛋白质构成，其中大部分是基因表达产物,产 物的一级结构是正确的，但立体结构是错误的，故 无活性。通常为固体颗粒。 泡沫分离法? 是一种基于溶液中溶质（或颗粒）间表面活性的 差异进行分离的一种方法，表面活性强的物质优 先吸附于分散相（气相）与连续相（液相）的界 面处，被气泡带出连续相而达到分离。,稀释复性? 将溶液稀释，导致变性剂的浓度降低，蛋白质开始复性。 透析复性? 将溶液对水或缓冲液透析，变性剂透过膜被除去，里面的蛋白开始复性。时间较长，易形成蛋白质沉淀。 临界胶团浓度? 表面活性剂在水溶液中形成胶团的最低浓度。,包含体的成分及形成的原因? 包含体（inclusion body）：重组蛋白质的高效表达常常导致其在胞内发生错误折叠和聚集，形成包含体。 包含体主要由蛋白质构成，其中大部分是基因表达产物；产物的一级结构是正确的，但立体结构是错误的，故无活性。 一般认为包含体的形成主要原因是蛋白质本身具有易于聚集沉淀的性质，或表达产物周围的物理环境（如温度、离子组成）不适或缺少某些折叠辅助因子（如分子伴侣）的作用。 在大多数情况下，包含体的形成是蛋白质过量表达的结果，而与蛋白质的种类和表达系统无关。,从细胞破碎到蛋白质复性的几种工艺路线 是？,影响泡沫分离的主要因素是？其主要应用于 哪几个方面？ 影响泡沫分离的主要因素 （1）表面活性物质的浓度 （2）气速 （3）pH （4）离子强度 （5）泡沫层的高度 泡沫分离的应用 环境保护、生物工程、冶金工业及医药卫生等。 （1）细胞的收集或去除 （2）蛋白质、多肽和酶的提取分离 （3）中药有效成分的分离浓缩,第四章 萃 取,*溶剂萃取？ 溶剂萃取法是利用液体混合物各组分在某有机 溶剂中的溶解度的差异而实现分离的方法。 *反萃取？ 溶质从萃取剂转移到反萃剂的过程。 这种调节水相条件，将目标产物从有机相转入 水相的操作就称为反萃取（Back extraction) *浸取？ 是用某种溶剂把有用物质从固体原料中提取到 溶液中的过程称为浸取。,乳化？ 一种液体（分散相）分散在另一种不相混溶的 液（连续相）体中的现象。 表面活性剂？,何谓溶剂萃取？其适用条件是什么？ *溶剂萃取：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的操作。如抗生素、有机酸、维生素、激素等。 应用前提条件： （1） 稀溶液 （2） 溶质对溶剂之间的互溶度没有影响 （3） 必须是同一分子类型,不发生缔合或离解,何谓乳化液？ 当将有机溶剂（通称为油）和水混在一起搅拌时，可能产生两种形式的乳浊液。一种是以油滴分散在水中，称为水包油型或O/W型乳浊液；另一种是水以水滴分散在油中，称为油包水型或W/O型乳浊液。,乳浊液稳定性和哪几个因素有关？ 界面上保护膜是否形成； 液滴是否带电； 介质的粘度。 其中以第一个因素最重要。如上所述，表面活 性剂分子聚集在界面上，在分散相液滴周围形 成保护膜。保护膜应具有一定的机械强度，不 易破裂，能防止液滴碰撞而引起聚沉。介质粘 度较大时能增强保护膜的机械强度。,常用去乳化方法有那些？ 物理法（加热、稀释、吸附等）； 化学法（加电解质中和离子型乳浊液的电荷）； 过滤或离心分离破乳法； 顶替法（加入表面活性更大，但因其碳链较短难以 形成坚固的保护膜的物质，取代界面上的乳化剂，如 戊醇）； 转型法（如在O/W中加入亲油性乳化剂，使乳化液 有生成W/O倾向，但又不稳定，从而达到破乳化的目 的）。,比较溶剂萃取与浸取的异同点？ 溶剂萃取法是利用液体混合物各组分在某有机 溶剂中的溶解度的差异而实现分离的。 浸取是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。,生物萃取与传统萃取相比的特殊性？ 组分比较复杂 传质速率不同（质量的传递受可溶的和不 溶的表面活性组分影响） 相分离性能不同（不溶性固体和可溶性表 面活性剂的存在，对相分离的速率产生重大的 不利影响） 产物的不稳定性,描述浸取的基本过程？ 从植物的叶、茎、花和根中浸取药品或风味物 质，一般先将物料干燥，有助于细胞膜的破 裂，溶剂也容易进行细胞内直接溶解溶质。 另外，可将原料滚压成片（大豆及许多植物种 子），甜菜切成薄片。 浸取过程系指出溶媒进入细胞组织溶解、浸取 目的产物后，变成浸取液的全部过程。,*什么是反胶团？反胶团的微小界面和微小水相具有哪两个特异性的功能？ 反胶团（Reversed Micelles）:是两性表面活性剂在有机溶剂中亲水性基团自发地向内聚集而成的，内含微小水滴的，空间尺寸仅为纳米级的集合型胶体。 反胶团的微小界面和微小水相具有两个特异性的功能： （1）具有分子识别并允许选择性透过的半透膜的功能； （2）在疏水性环境中具有使亲水性大分子如蛋白质等保持活性的功能。,*反胶团的制备方法？ （1）注入法 将含蛋白质的水溶液直接注入含有表面活性剂的非极性有机溶剂中去，然后进行搅拌直到形成透明的溶液为止。 （2）相转移法 将酶或蛋白质从主体水相转移到含表面活性剂的非极性有机溶剂中形成反胶团-蛋白质溶液。可得较高蛋白质浓度。 （3）溶解法 对非水溶性蛋白质可用该法。将含有反胶团（W=3-30）的有机溶液与蛋白质固体粉末一起搅拌，使蛋白质进入反胶团中，所需时间长。,反胶团萃取的特点？ 萃取进入有机相的生物大分子被表面活性分子所屏蔽，从而避免了与有机溶剂相直接接触而引起的变性、失活。 可通过调整pH、离子强度、表面活性剂浓度等来控制分离场（反胶团）-待分离物质（生物大分子）的相互作用，实现对目的物质高选择性的萃取。 反胶团萃取也是一个浓缩过程，因微水相体积仅占有机相的几