生物工业下游技术教案

生物工业下游技术教案内容摘要：

缺点：设备投资高、能耗大。 此外，连续排料时，固相干度不如过滤设备。 种类：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。 1．碟片式离心机 2． 管式离心机 3．倾析式离心机 二、过滤 原理：悬浮液通过过滤介质时，固态颗粒与溶液分离。 过滤操作可分为澄清过滤和滤饼过滤两种。 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、粘合塑料及用金属丝绕成的 管于等组成的成型颗粒滤层。 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，及毡、石棉扳、玻璃纤维纸、合成纤维等无纺布。 滤饼过滤按推动力的不同可以分为四种，即重力过滤、加压过滤、真空过滤和离心过滤。 1．板框过滤机 2． 真空转鼓过滤机 3．硅藻土过滤机 硅藻土：较纯二氧化硅矿石。 化学性能稳定，具有极大的吸附和渗透能力，是良好的介质和助滤剂。 使用方法： (1)作为深层过滤介质，以过滤含少量 (＜ 0． 1％ )悬浮固形物的液体。 硅藻土不规则粒子间形成许多曲折的毛细孔道，藉筛分和吸附作用除去悬浮液中的固体 粒子。 (2)在支持介质 (滤布 )的表面上预涂硅藻土薄层 (预涂层 )，以保护支持介质的毛细孔道在较长时间内不被悬浮液中的固体粒子所堵塞，从而提高和稳定过滤速率。 (3)将适当的硅藻土分散在待过滤的悬浮液中，使形成的滤饼具有多孔隙性，降低滤饼的可压缩性，以提高过滤速率和延长过滤操作的周期。 用量：预涂， 500g/m2 左右， 24mm 厚；加入， 0． 1％左右。 三、其他固液分离方法 1．切向流过滤：又称错流过滤、交叉过滤和十字流过滤，是一种维持恒压下高速过滤的技术。 其操作特点是使悬浮液在过滤介质表面作切向流动，利 用流动的剪切作用将过滤介质表面的固体(滤饼 )移走，过滤速率就近似恒定。 (1)用泵循环使悬浮液流经过滤介质。 (2)在过滤介质表面加以搅拌造成流动，产生切向流。 2．双水相萃取 3．吸附法：优点在于设备简单、能耗低，主要的问题是很难选择合适的吸附剂，以保证目的产物不致于被吸附而损失。 14 授课章节 第四章 微生物细胞破碎 学时 2 教学目标与要求 1. 掌握 微生物细胞壁的组成与结构 2. 掌握 微生物细胞壁的常用破碎方法 3. 了解细胞壁 破碎率的测定与破碎技术的研究方向 教学重点与难点 1. 细胞壁结构与细胞破碎；。 教学方法 讲授；多媒体教学 主要 教学内容 Section 1: 细胞壁的组成与结构 ◆ 细菌细胞壁主要化学成分 ◆ 酵母 细胞壁主要化学成分 ◆ 霉 菌细胞壁主要化学成分 Section 2: 细胞壁的常用破碎方法 ◆ 珠磨法 ◆ 高压匀浆法 ◆ 超声破碎法 ◆ 酶溶法 ◆ 化学渗透法 Section 3: 破碎率的测定与破碎技术的研究方向 ◆ 破碎率的测定 ◆ 破碎技术的研究方向 需掌握的专业词汇 Cell。 Cell biology。 Cell theory 研究 进展和参考资料 韩贻仁．分子细胞生物学．第二版．北京：科学出版社， 2020 汪堃仁，薛绍白，柳惠图．细胞生物学．第二版．北京：北京师范大学出版社， 1998 课后复习题 纵观 cell biology 发展简史，你认为该学科近百年来快速发展的主要原因是什么。 15 第四章 微生物细胞破碎 微生物代谢产物大多分泌到细胞外，如大多数小分子代谢物、细茵产生的碱性蛋白酶、霉菌产生的糖化酶等，称为胞外产物。 但有些目的产物存在于细胞内部、如大多数酶蛋白、类脂和部分抗生素等，称为胞内产物。 许多基因工 程产品都是胞内产物。 分离提取胞内产物时，首先必须将细胞破碎，使产物得以释放，才能进一步提取。 因此细胞破碎是提取胞内产物的关键步骤。 第一节 细胞壁的组成与结构 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结构特性是不同的。 一、细菌细胞壁主要化学成分：肽聚糖；主要阻力脓聚糖的网状结构。 二、酵母茵细胞壁主要化学成分：葡聚糖 (30％一 34％ )、甘露聚糖 (30％ )、蛋白质 (6％一 8％ )和脂类；主要阻力壁结构交联的紧密程度和它的厚度。 三、霉茵细胞壁主要化学成分：几丁质和葡聚糖；主要阻 力几丁质或纤维素的纤维状结构。 细胞壁结构与细胞破碎：细胞个体小、球形、壁厚、聚合物交联程度高是最难破碎的。 第二节 常用破碎方法 方法很多，按其是否使用外加作用力可分为机械法和非机械法两大类。 机械法 ： 有珠磨法、高压匀浆法、超声破碎法等。 在机械破碎法中，由于稍耗的机械能转为热量会使温度上升，在大多数情况下要采用冷却措施，以防止生物产品受热破坏。 非机械法 ： 有酶溶法、化学法、物理法和干燥法等，其中某些方法的应用受到限制。 目前人们仍在探寻新的细胞破碎方法。 一、珠磨法 二、高压匀 浆法 三、超声破碎法 超声破碎通常采用的超声破碎机在 15—25kHz 的频率下操作。 其破碎机理尚未完全清楚，可能与空化现象引起的冲击波和剪切作用有关。 超声破碎的效率与声频、声能、处理时间、细胞浓度及菌种类型等因素有关。 对不同菌种的发酵液．超声破碎的效果差别较大。 一般地，杆菌比球菌较易破碎，革兰氏阴性细菌细胞比革兰氏阳性细菌细胞较易破碎，对酵母菌的效果较差。 优点：操作简便，液量损失少，适合实验室规模。 缺点：易引起温度的剧烈上升，在大规模操作中，声能传递和散热困难，产生的化学自由基团 能使某些敏感性活性物质失活。 四、酶溶法 利用酶反应 ,分解破坏细胞壁上的特殊键，从而达到破壁的目的。 1 外加酶法 ： 常用的溶酶有溶菌酶、 β 1 ， 3葡聚糖酶、 β 1， 6葡聚糖酶、蛋白酶、甘露糖酶、糖苷酶、肽键内切酶、壳多糖酶等，而细胞壁溶解酶是几种酶的复合物。 其中溶菌酶主要用于细菌类，其他酶对酵母作用较显著。 2．自溶法 ： 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。 微生物细胞的自溶法常采用加热法或干燥法。 五、化学渗透法 (1)表面活性物质 ： 可促使细胞某些组分溶 解，其增溶作用有助于细胞的破碎。 (2)EDTA 螯合剂 ： 革兰氏阴性菌的外层膜结构通常靠二价阳离子 Ca2+或 Mg2+结合脂多糖和蛋白质来维持，一旦 EDTA 将 Ca2+或 Mg2+ 螯合，大量的脂多糖分子将脱落，使细胞壁外层膜出现洞穴。 这些区域由内层膜的磷脂来填补，从而导致内层膜通透性的增强。 (3)有机溶剂 ： 能分解细胞壁中的类脂。 (4)变性剂 ： 变性剂与水中氢键作用，削弱溶质分子间的疏水作用，从而使疏水性化合物溶于水溶液。 化学渗透法有如下优缺点： 优点： 16 (1)对产物释放具有一定选择性。 (2)细胞外形保持完整，碎片少，浆液粘度低，易于固液分离和进一步提取。 缺点： (1)通用性差，某种试剂只能作用于某些特定类型的细胞。 (2)时间长，效率低，一般胞内物质释放率不超过 50％。 (3)有些化学试剂有毒性，在其后的产物提取精制过程中需设法分离除去。 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 1．直接测定法 2．目的产物调定法 3．导电串测定法 二、破碎技术的研究方向 1．多种破碎方法相结合 2．与上游过程相结合 3．与下游过程相结合 17 授课章节 第五章 萃取法 学时 2 教学目标与要求 1. 掌握 溶剂萃取法 2. 了解 超临界流体萃取法 3. 了解 双水相萃取法 4. 了解 反胶团萃取法 5. 掌握 浸取法 教学重点与难点 1. 溶剂萃取方法的应用和操作； ； ；。 教学方法 讲授；多媒体教学 主要 教学内容 Section 1: 溶剂萃取法 ◆ 溶剂萃取过程的理论基础 ◆ 工 业萃取方式和理论收得率 ◆ 乳化和去乳化 Section 2: 超临界流体萃取法 ◆ 超临界流体的苹取原理 ◆ 超临界 CO2 的溶剂特征 ◆ SC— C02 萃取以及拖带剂的作用 ◆ 超临界流体萃取的热力学基础 ◆ SC— C02 萃取流程及在生物、食品工业中的应用 Section 3: 双水相萃取法 ◆ 双水相分离理论 ◆ 双水相萃取技术的应用 Section 4: 反胶团萃取法 ◆ 反胶团的形成 ◆ 生理活性物质的分离农缩 ◆ 在分离工艺中的应用 Section 5: 浸取法 ◆ 浸取过程的应用 ◆ 浸取速率 需掌握的专业词汇 Cell。 Cell biology。 Cell theory 研究进展和参考资料 韩贻仁．分子细胞生物学．第二版．北京：科学出版社， 2020 汪堃仁，薛绍白，柳惠图．细胞生物学．第二版．北京：北京师范大学出版社， 1998 18 课后复习题 纵观 cell biology 发展简史，你认为该学科近百年来快速发展的主要原因是什么。 第五章 萃取法 萃取：指任意两相之间的传质过程。 第一节、溶剂萃取法 第二节、超临界流体萃取法 第三节、双水相萃取法 第 四节、反胶团萃取法 第五节、浸取法 第一节 溶剂萃取 溶剂萃取法是利用一种溶质组分 (如产物 )在两个互不相溶的液相 (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。 优点：比化学沉淀法分离程度高；比离子交换法选择性好、传质快；比蒸馏法能耗低。 另外它还有生产能力大、周期短、便于连续操作、容易实现自动化控制等优点。 一、溶剂萃取过程的理论基础 1．物质的溶解和相似相溶原理 从热力学角度考虑，一个过程要能自动进行，体系的自由能应下降，自 由能的变化包括焓变化和嫡变化两部分： 为了简单起见，忽略嫡的变化，井忽略压力和体积变化 (一般溶解过程压力和体积的变化很小 )，这样只要考虑体系能量的变化即可。 溶解过程的三个能量变化过程 (1)溶质 B 各质点的分离 ； 原先是固态或液态的溶质 B．先分离成分子或离子等单个质点。 此过程需要吸收能量，这种能量的大小通常与分子之间的作用力有关，一般顺序为： 非极性物质＜极性物质＜氢键物质＜离子型物质 (2)溶剂 A 在溶质 B 的作用下形成可容纳 B 质点的空位；此过程也需要吸收能量，其大 小与溶剂分子 A 之间的相互作用力有关，一般顺序与上述相同： 非极性物质＜极性物质＜氢键物质 该能量还与溶质分子 B 的大小有关。 (3)溶质质点 B 进入溶剂 A 形成的空位； 此过程放出能量，放出能量的大小有以下规律： A、 B 均为非极性分子＜一非极性分子、另一极性分子 ＜均为极性分子＜ B 被 A 溶剂化 “相似相溶 ”原理 ” 分子之间可以有两方面的相似：一是分子结构相似，如分子的组成、官能团、形态结构的相似；二是能量 (相互作用力 )相似，如相互作用力有极性的和非极性的之分，两种物质如相互作用力相近，则能互相溶解。 与水 “相似 ”的物质易溶于水，与油 “相似 ”的物质易溶于油就是相似相溶原理的表现。 2．溶剂的互溶性规律 物质分子之间的作用力与物质种类有关，包括较强的氢键力和较弱的范德华力。 氢键力与化合键能相比较弱，但比范德华力要强得多。 按照生成氢键的能力，可将溶剂分成四种类型。 (1)N 型溶剂 不能形成氢键，如烷烃、四氯化碳、苯等 ,称惰性溶剂。 (2)A 型溶剂 只有电子受体的溶剂，如氯仿、二氯甲烷等，能与电子供体形成氢键。 (3)B 型溶剂 只有电子供体的溶剂，如酮、醛、醚、酯等，萃取溶剂中的 TBP(磷酸三丁酯 )、叔胺 19 等。 (4)AB 型溶剂 同时具备电子受体 A—H 和供体 B 的溶剂 ,可缔合成多聚分 子，因氢键的结合形式不同又可分成三类： AB(1)型：交链氢键缔合溶剂，如水、多元醇、多元羧酸、多酚等。 AB(2)型：直链氢键缔合溶剂，如醇、胺、羧酸等． AB(3)型：生成内氢键分子，例如邻硝基苯酚等，这类溶剂中的电子受体 A—H 因已形成内氢键而不再起作用。 故 AB(3)型溶剂的氢键性质与 N 型或 B 型相似。 3．溶剂的极性。