生物工程下游技术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。通过本课程的学习，使学生掌握生物工程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。

 

 

 

生物工程下游技术课程教学大纲

Downstream Technology of Biology Engineering

课程编号：1913030；1923030

课程性质：专业课

适用专业：生物技术、生物工程、生物科学等

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学分                          其中实验学分：1学分

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

第一章  绪论（2学时）

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。

二、调整pH

对于提取蛋白质、氨基酸等目的产物常用的方法；对于提取小分子物质，可以利用等电点方法去除蛋白质等杂质；在膜过滤中，减少堵塞和污染；细胞、细胞碎片和一些胶体物质絮凝成为大颗粒，利于过滤。

三、凝聚与絮凝

凝聚：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，使胶体体系不稳定。

絮凝：在某些高分子絮凝剂作用下，基于桥架作用，使胶粒形成较大絮凝团的过程。

四、加入助滤剂

根据目的产物选择；根据过滤介质和过滤情况；粒度选择；使用量的选择。

五、加入反应剂

第二节  发酵液的相对纯化

一、高价无机离子的除去

无机离子：Ca² 、Mg² 、Fe² 等。钙离子的去除：用草酸；镁离子的去处：用三聚磷酸钠；铁离子的去处：用黄血盐形成普鲁士蓝沉淀而除去。

二、杂蛋白质的除去

沉淀法；变性法；吸附法。

第三节  固液分离工程及设备

一、离心分离

碟片式离心机；管式离心机；倾析式离心机。

二、过滤

板框过滤机；真空转鼓过滤机；硅藻土过滤机。

三、其他固液分离方法

本章重点：改变发酵液过滤性质；发酵液的相对纯化；离心与过滤设备。

难点：固液分离工程与设备。

教学基本要求：掌握

第三章  微生物细胞破碎（3学时）

第一节  细胞壁的组成与结构

一、细菌细胞壁

占细胞干重的10%-25%，坚韧略具弹性；肽聚糖是主要化学成分，有多糖链借短肽交连而成多糖链由许多N-乙酰葡萄糖胺（NAG）和N-乙酰胞壁酸（NAM）通过β-1，4葡萄糖苷键连接而成；短肽一般由4个或5个氨基酸所组成，通常是L-丙氨酸、D-丙氨酸、D-谷氨酸。细胞破碎的主要阻力来自于肽聚糖的网状结构，而网状结构的致密程度和强度取决于多糖链上存在的肽键数量和其交联程度。

二、酵母菌细胞壁

由特殊的酵母纤维素构成：最里层为葡聚糖层（30-34%），构成细胞的刚性骨架，是一种分支多糖聚合物，主链以β-1,6 糖苷键结合，支链以β-1,3 糖苷键结合；外层为甘露聚糖（30%），主链以β-1,6 糖苷键结合，支链以β-1,3或β-1,2糖苷键结合；中间层为蛋白质细胞破碎的主要阻力主要决定于壁结构交联的紧密程度和它的厚度。

三、霉菌细胞壁

主要由多糖组成，其次含少量蛋白质和脂类；多糖壁由几丁质和葡聚糖构成；几丁质是由数百个N-乙酰葡萄糖胺分子以β-1,4葡萄糖苷键连接；强度比细菌和酵母的细胞壁强。

四、细胞壁结构与细胞破碎

第二节  常用破碎方法

一、珠磨法

进入珠磨机的细胞悬浮液与极细的玻璃小珠、石英砂、氧化铝等研磨剂一起快速搅拌或研磨，研磨剂与细胞之相互剪切、碰撞，使细胞破碎，释放内容物。

二、高压匀浆法

大规模细胞破碎的常用方法。由高压泵和匀浆阀组成。利用高压使细胞悬浮液通过针形阀，由于减压和高速冲击撞击环使细胞破裂。高压室压力高达几十个兆帕，细胞悬浮液自针形阀喷出每秒可达几百米，又射到静止的撞击环上。细胞经历了剪切、碰撞及高压到常压的变化。

三、超声破碎法

在15-25kHz的频率下操作；可能与空化现象引起的冲击波和剪切作用有关；破碎效率与声频、声能、处理时间、细胞浓度及菌种类型有关；在大规模操作中，声能传递与散热有困难，具有局限性。

四、酶溶法

分外加酶法和自溶法。

五、化学渗透法

一些化学试剂，如有机溶剂、变性剂、表面活性剂、抗生素、金属螯合剂等，可以改变细胞壁或膜的通透性，从而使细胞内物质有选择地渗透出来。

六、其他方法

X-press法；渗透压法；反复冻结-融化法；干燥法。

第三节  破碎率的测定与破碎技术的研究方向

一、破碎率的测定

直接测定法；目的产物测定法；电导率测定法。

二、破碎技术的研究方向

多种破碎技术结合；与上游过程相结合。

本章重点：常用细胞破碎方法的原理、特点与适用性。

难点：超声破碎法、渗透压法。

教学基本要求：掌握

 

第四章  溶剂萃取和浸取（2学时）

第一节  溶剂萃取

一、萃取溶剂过程的理论基础

物质溶解和相似相溶；溶剂互溶性规律；溶剂的极性；分配定律和分离因素。

二、工业萃取方式和理论收得率

单级萃取；多级萃取。

三、乳化与去乳化

过滤或离心分离；化学法：加入电介质中和离子型乳浊液的电荷；物理法：加热、稀释、吸附等；顶替法：加入表面活性更大的物质；转型法：在水包油中加入亲油型乳化剂。

四、萃取设备简介

单级萃取设备；多级萃取设备。

第二节  浸取

一、浸取过程的应用

二、浸取速率

三、浸出的其他问题

溶剂的选择；增溶作用；固体原料的预处理。

本章重点：良好溶剂满足的条件；乳化与破乳化；浸取的应用。

难点：溶剂萃取过程的理论基础；浸取速率。

教学基本要求：掌握

第五章  超临界流体萃取（2学时）

第一节  超临界的萃取原理

一、超临界的萃取原理

超临界流体(Supercritical fluid，SCF)技术中的SCF是指温度和压力均高于临界点的流体，如二氧化碳、氨、乙烯、丙烷、丙烯、水等。高于临界温度和临界压力而接近临界点的状态称为超临界状态。处于超临界状态时，气液两相性质非常相近，以至无法分别，所以称之为SCF。

第二节  超临界CO₂的溶剂特征

一、超临界CO₂的相图

二、萃取溶剂CO₂的性质

萃取剂需具有化学稳定性，对设备没有腐蚀性；临界温度不能太低或太高，最好在室温附近或操作温度附近；操作温度应低于被萃取溶质的分解温度或变质温度；临界压力不能太高，可节约压缩动力费；选择性要好，容易得到高纯度制品；溶解度要高，可以减少溶剂的循环量；萃取溶剂要容易获取，价格要便宜。

第三节  SC-CO₂萃取以及拖带剂的作用

一、SC-CO₂萃取

二、拖带剂的作用

第四节  SC-CO₂萃取流程在及在生物、食品工业中的应用

一、SC-CO₂萃取流程

二、SC-CO₂萃取技术在生物、食品工业中的应用

本章重点：超临界的萃取原理；SC-CO₂萃取流程在及在生物、食品工业中的应用。

难点：超临界CO₂的相图。

教学基本要求：掌握

第六章  双水相萃取法（2学时）

第一节  双水相分离理论

一、双水相的形成

在生化工程中广泛应用的双水相体系有：聚乙二醇（PEG）/葡聚糖(Dex)体系，该双水相的上相富含PEG，下相富含Dex。除双聚合物系统外，聚合物与无机盐的混合溶液也可形成双水相，例如，PEG/磷酸钾(KPi)、PEG/磷酸铵、PEG/硫酸钠等常用于生物产物的双水相萃取。PEG/无机盐系统的上相富含PEG，下相富含无机盐。

二、相图

三、物质在两相中的分配

表面自由能的影响；表面电荷的影响；影响分配平衡的参数。

第二节  双水相萃取技术的应用

一、概说

欲提取的酶与细胞碎片应分配在不同的相中；酶的分配系数应足够大，经过一次萃取，就能得到较高的收率；两相用离心机很容易分离。

二、双水相提取胞内酶的具体操作

萃取和平衡；上下相分离；多聚物的分离。

第三节  双水相萃取技术的发展

本章重点：双水相的形成；双水相的应用。

难点：双水相分离理论。

教学基本要求：掌握

第七章  反胶团萃取法（2学时）

第一节  概述

反胶团萃取具有成本低、溶剂可反复使用、萃取率和反萃取率都很高等突出的优点；反胶团萃取还有可能解决外源蛋白的降解，即蛋白质(胞内酶)在非细胞环境中迅速失活的问题；由于构成反胶团的表面活性剂往往具有溶解细胞的能力，因此可用于直接从整细胞中提取蛋白质和酶。

第二节  反胶团的形成

一、反胶团的构造

具有分子识别并允许选择性透过的半透膜功能；在疏水性环境中具有使亲水性大分子保持活性功能。

二、反胶团的物理化学特征及制备

反胶团的物理化学特征：临界胶团浓度、反胶团的含水率W；反胶团的制备：注入法、相转移法、溶解法。

第三节  生理活性物质的分离浓缩

一、反胶团萃取原理

二、蛋白质的溶解

为水壳模型，蛋白质位于水池的中心，周围存在的水层将其与反胶团壁(表面活性剂)隔开；蛋白质分子表面存在强烈疏水区域，该疏水区域直接与有机相接触；蛋白质吸附于反胶团内壁；蛋白质的疏水区与几个反胶团的表面活性剂疏水尾发生相互作用，被几个小反胶团所“溶解”。

三、反胶团萃取

第四节  在分离工业中的应用

本章重点：反胶团萃取的特点；反胶团的物理化学特征及制备；生理活性物质的分离浓缩。

难点：酶、蛋白质萃取特性。

教学基本要求：掌握

第八章  膜分离过程（2学时）

第一节  膜和膜分离过程的分类与特征

一、膜的分类

对称膜；非对称膜；复合膜；荷电膜；微孔膜；动态膜。

二、膜的制造

相转变法制造膜；烧结法；核径迹法；拉伸法；复合膜的制备。

第二节  膜的基本理论

一、膜分离过程的机理

二、膜的性能与参数

孔道特征；水通量；截留率和截断分子量。

三、膜的使用寿命

膜的压密作用；膜的水解作用；膜的浓差极化；膜污染。

第三节  膜的应用

一、膜组件的结构和特点

良好的膜组件应具备的条件：沿膜面的流动性好，以利于减少浓差极化；较大的膜面积与压力容器体积比；组件的价格低；清洗和膜的更新方便；保留体积小，且无死角。

管式膜组件；中空纤维式；螺旋卷绕式；平板式。

二、反渗透

相态不变，无需加热，设备简单，能耗低；透水率、透盐率、抗压性等；海水脱盐，食品医药的浓缩，超纯水的制造等；膜材料：醋酸纤维膜、芳香聚酰胺膜、高分子电解质膜、无机质膜等。

三、超滤

凡是能截留分子量在500以上的高分子的膜分离过程。各种小分子可溶性溶质和高分子物质如蛋白质、酶、病毒等溶液的浓缩、分离和纯化。

四、微孔过滤

主要用于分离流体中0.1～10mm的微生物和微粒子，以达到净化、分离和浓缩的目的。

 

五、纳米过滤

介于超滤和反渗透之间，以压力差为动力，从溶液中分离出300～1000相对分子量物质的膜分离过程。

本章重点：膜的性能与参数；膜的使用寿命；膜组件的结构和特点；反渗透、超滤、微孔过滤和纳米过滤的定义。

难点：膜分离过程的机理。

教学基本要求：掌握

第九章  液膜分离（2学时）

第一节  概论

一、液膜的分类

整体液膜；支持液膜；乳化液膜。

二、液膜的膜相组成

三、与生物膜的相似性

第二节  乳化液膜的制备与分离机制

一、乳化液膜的制备

二、分离机制

第三节  载体

第四节  乳化液膜分离技术的工艺流程及其应用

一、一般工艺流程

工艺流程及膜相实例；解乳化工程。

二、工业上的应用

第五节  关于液膜过程不利因素的讨论

一、膜破裂

二、膜膨涨

本章重点：液膜的概念；乳化液膜的制备与分离机制；乳化液膜分离技术的工艺流程及其应用。

难点：乳化液膜的分离机制。

教学基本要求：掌握

第十章  结晶技术（2学时）

第一节  基本概念

一、晶体性状

晶体是内部结构的质点（原子、离子、分子）作规律排列的固态物体。自范性：晶体具有自发地生长为多面体结构的可能性，晶体常以平面作为与周围介质的分界面；各向异性：几何特性及物理性质应随方向而有差异；均匀性：晶体中每一宏观质点的物理性质和化学组成都相同。

二、饱和曲线和过饱和曲线

三、结晶过程

晶体纯度的影响因素：母液在晶体表面的吸藏；形成晶簇，包藏母液；晶习：晶体外形。成核现象：初级均相成核；初级非均相成核；二次成核。

第二节  结晶动力学

一、晶核的形成

初级均相成核；临界粒度及粒度对溶解度的影响；初级非均相成核。

二、二次成核现象

液体剪应力成核；接触成核；工业结晶过程中控制成核现象的措施。

三、晶体的生长

四、杂质对晶体生长速率的影响

第三节  结晶操作和结晶设备

一、分批结晶

二、连续结晶

三、结晶设备

本章重点：晶体性状；结晶过程；二次成核现象；杂质对晶体生长速率的影响；结晶操作。

难点：结晶动力学。

教学基本要求：掌握

第十一章  蒸发与干燥（2学时）

第一节  前言

第二节  蒸发

一、蒸发的基本流程

加热使溶液沸腾汽化和不断排除水蒸气。

二、蒸发的操作方法

常压蒸发和减压蒸发；单效蒸发和多效蒸发。

三、蒸发器及蒸发系统

蒸发器的分类：膜式和非膜式蒸发器。膜式蒸发器的结构与特征：升膜蒸发器；降膜蒸发器；旋转刮板蒸发器。蒸发工艺的确定：取决于物料主成分的损失和蒸发的能耗。

四、蒸发的应用及节能

第三节  干燥

一、概述

利用热能使湿物料中湿分汽化并排除蒸汽，从而得到较干物料的过程。产品便于包装贮存运输；许多生物制品在湿分含量较低的状态下较为稳定，从而使生物制品有较长的保质期。

干燥的方法：导热干燥；辐射干燥；介电加热干燥；对流干燥。

二、干燥器及干燥工艺

干燥工艺的确定：物料的化学性质，如组成、热敏性、物料的毒性、可燃性、氧化性和酸碱性、摩擦带电性、吸水性等。物料的热性质，如物料含水量、粒度、导热系数等。其他性质，如膏糊状物料的黏附性、触变性等。

三、干燥的应用及节能

气流干燥技术：干燥强度大；热效率高；处理量大；设备简单；应用范围广。喷雾干燥技术：干燥速度十分迅速；干燥过程中液滴的温度不高，产品质量好；产品具有良好的分散性、流动性和溶解性；生产过程简化，操作控制方便；适用于连续化、大规模生产。冷冻干燥技术：物料的物理结构和分子结构变化极小；热敏性物料或酶制剂十分稳定；干燥后的物料可在短时间内恢复干燥前的原来状态；干燥后的物料水分很低，在常温下长期保存。

本章重点：蒸发的基本流程和干燥的基本原理；蒸发和干燥的设备、应用和节能。

难点：干燥的基本概念与原理。

教学基本要求：掌握

 

教材：

毛忠贵编《生物工业下游技术》、中国轻工业出版社、2005年。

 

主要参考书目：

1、熊宗贵编《发酵工艺原理》、中国医药出版社、1995年。

2、陈陶生编《近代工业微生物》上册、科学技术出版社、1979年。

3、刘国诠编《生物工程下游技术》、化学工业出版社、2003年。

 

执笔：谢虹

生物工程下游技术实验教学大纲

Downstream Technology of Biology Engineering

 

课程编号：1913030；1923030

课程名称：生物工程下游技术

实验学分：1.0

实验学时：32

适用专业：生物技术/生物工程/生物制药

实验名称与学时安排

 

实验一、法夫酵母细胞的培养

实验性质：综合性实验

实验内容：法夫酵母斜面接种与培养；法夫酵母种瓶的接种与培养；法夫酵母发酵瓶的接种与培养。

实验目的与要求：掌握微生物的发酵培养操作技术及其过程；获得发酵液为下游操作作准备。

注意点：斜面的制作：灭菌一完成后在琼脂凝固前倾斜放置。接种与培养严格操作，以防染

菌。

实验二、法夫酵母细胞中虾青素的提取及含量的测定

实验性质：综合性实验

实验内容：分别用盐酸、DMSO、自溶三种方法破壁，比较三种破壁方法中虾青素的收率；比较丙酮、乙醇、石油醚等有机溶剂对虾青素的提取效果。

实验目的与要求：学习细胞破碎的原理与方法；学习与掌握有机溶剂萃取的原理与方法。

注意点：严格控制酸破壁时沸水浴的时间，沸水浴后及时冷却；DMSO在 55℃预热；加入石油醚

提取虾青素时，需加20%氯化钠破乳化。分光光度计测定虾青素含量时，石油醚作空白防止混入水。

实验三、从辣椒中提取辣椒红色素

实验性质：设计性实验

实验内容：预处理；提取；盐析；再提取。

实验目的与要求：掌握从植物材料中提取活性物质的方法；学习回流提取有效成分的方法；掌握色素的质量检测。

注意点：辣椒需去籽及去梗；回流提取需充分。

实验四、HPLC测定乳及乳制品中三聚氰胺的含量 

 

 

 

实验性质：设计性实验