【正文】 1 湖北師范學(xué)院 理論課教案 院（系、所、部） 生 物 系 教 研 室 生 物 技 術(shù) 課 程 名 稱 生物工程下游技術(shù) 授 課 對 象 生 物 技 術(shù) 專業(yè) 職 稱 職 務(wù) 副 教 授 2020 年 1 月 22 日 2 《生物工程下游技術(shù)》課程教學(xué)進(jìn)度表 班級名 稱 0403 主 講 教 師 石鶴 總學(xué)時 講 授 實(shí) 驗(yàn) 上 機(jī) 其 它 周學(xué)時 學(xué)生人 數(shù) 45 輔 導(dǎo) 教 師 開課學(xué) 期 20201 開 課 系 部 生物系 系部 生物系 專 業(yè) 名 稱 生物技術(shù) 48 48 3 周次 學(xué)時數(shù) 主要教學(xué)內(nèi)容 其它教學(xué)活動 備注 講授 實(shí)驗(yàn) 上機(jī) 其它 1 4 緒論 2 2 2 下游技術(shù)的理論基礎(chǔ) 4 3 4 發(fā)酵液預(yù)處理 3 4 2 微生物細(xì)胞破碎 2 5 4 國慶放假 6 2 萃取法 8 7 4 沉淀法和吸附法 3 8 2 膜分離過程 4 9 4 液膜分離 3 10 2 離子交換法 6 11 4 色譜分離 3 期中考試 12 2 酒精差壓蒸餾技術(shù) 2 13 4 結(jié)晶技術(shù) 3 14 2 蒸發(fā)與干燥 3 15 4 清潔生產(chǎn)導(dǎo)論 2 16 2 17 4 18 2 19 2 20 21 期末復(fù)習(xí) 22 期末考試 小計(jì) 52 教研室主任 系主任 填寫日期 06 年 9 月 8 日 3 授課章節(jié) 第一章 緒 論 學(xué)時 2 教學(xué) 目標(biāo)與要求 1. 了解 生物工業(yè)下游技術(shù)的工作領(lǐng)域 2. 生物工業(yè)下游技術(shù)的一般工藝過程 3. 生物工業(yè)下游技術(shù)的發(fā)展動態(tài) 教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn) 1. 原料及產(chǎn)品特性 教學(xué)方法 講授；多媒體教學(xué) 主要 教學(xué)內(nèi)容 Section 1: 生物工業(yè)下游技術(shù)的工作領(lǐng)域 ◆ 技術(shù)范疇 ◆ 生物工業(yè)下游技術(shù)的發(fā)展歷程 Section 2: 生物工業(yè)下游技術(shù)的一般工藝過程 ◆ 原料及產(chǎn)品特性 ◆ 下游技術(shù)的一船工藝過程 Section 3: 生物工業(yè)下游技術(shù)的發(fā)展動態(tài) ◆ 傳統(tǒng)分離技術(shù)的提高和完善 ◆ 新技 術(shù)的研究和開發(fā) ◆ 清潔生產(chǎn) 需掌握的專業(yè)詞匯 Cell。 Cell biology。 Cell theory 研究進(jìn)展和參考資料 韓貽仁．分子細(xì)胞生物學(xué)．第二版．北京：科學(xué)出版社， 2020 汪堃仁，薛紹白，柳惠圖．細(xì)胞生物學(xué)．第二版．北京：北京師范大學(xué)出版社， 1998 課后復(fù)習(xí)題 縱觀 cell biology 發(fā)展簡史，你認(rèn)為該學(xué)科近百年來快速發(fā)展的主要原因是什么？ 4 生物工業(yè)下游技術(shù) 第一章 緒 論 下游技術(shù)：對于由生物界自然產(chǎn)生的或由微生物菌體發(fā)酵的、動植物細(xì)胞組織培養(yǎng)的、酶反應(yīng)等各種生物工業(yè)生產(chǎn)過程獲得的生物源料，經(jīng)提取分離、加工并精制目的成分，最終使其成為產(chǎn)品的技術(shù)，通常稱為下游技術(shù)，也稱為下游工程或下游加工過程。 很多工業(yè)生物技術(shù)產(chǎn)品，包括現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)產(chǎn)品，其質(zhì)量的優(yōu)劣、成本的高低、競爭力的大小，往往與下游技術(shù)直接相關(guān)。 第一節(jié) 生物工業(yè)下游技術(shù)的工作領(lǐng)域 一、技術(shù)范疇 從 “下游技術(shù) “的含義上來說，除 “物質(zhì)分離 ”外，還涉及到 “產(chǎn)品加工 ”，目前人們理解的下游技術(shù)大多數(shù)屬于 “物質(zhì)分離 ”范疇。 ? 分離是混合的逆過程。由熱力學(xué)第二定律可知，混合過程是一個墑增加的過程，它 是一個自發(fā)的過程。而它的逆過程 ——分離過程，不能自發(fā)進(jìn)行，需要作功才能實(shí)現(xiàn)，而且需要有專門的過程和設(shè)備。例如將酒精與水分開。 ?與目的產(chǎn)物混合的雜質(zhì)包括： ； ； ； 。 二、生物工業(yè)下游技術(shù)的發(fā)展歷程 1．古代釀造業(yè) 2．第一代生物技術(shù) 3．第二代生物技術(shù) 4．第三代生物技術(shù) (1)固液分離技術(shù) (2)細(xì)胞破碎技術(shù) (3)初步分離純化技術(shù) (4)高度分離純化技術(shù) (5)其他新型分離技術(shù) 第二節(jié) 生物工業(yè)下游技術(shù)的一般工藝過程 一、原料及產(chǎn)品特性 雜質(zhì)：粗原料中帶入大量的不參與發(fā)酵過程的可溶性雜質(zhì)和不溶性懸浮物，給下游過程的分離提取帶來了不小的困難，增加了下游操作成本，包括發(fā)酵廢液的處理成本。 產(chǎn)品濃度很低：一些新興生物技術(shù)產(chǎn)品，待處理物料中產(chǎn)品濃度很低，往往低于雜質(zhì)含量，如 L—異亮氨酸為 ％，青霉素為 ％，每千克產(chǎn)品中核黃素僅含幾克、胰島素僅含幾十毫克，而且對熱、 PH、有些甚至對光不穩(wěn)定。 易揮發(fā)和氧化：用萃 取技術(shù)提取有效成分 (風(fēng)味物質(zhì) )時，如啤酒花需要先進(jìn)行粉碎， 般粉碎機(jī)的機(jī)械沖擊點(diǎn)處溫度高達(dá) 300℃左右，風(fēng)味物質(zhì)極易揮發(fā)和氧化造成損失。 小分子產(chǎn)品：因分子結(jié)構(gòu)簡單，性質(zhì)相對穩(wěn)定， 分離技術(shù)的可選范圍較大。 大分子產(chǎn)品：如酶蛋白，除具有一定氨基酸排列的一級結(jié)構(gòu)外，還具有一定立體構(gòu)象的二、三級結(jié)構(gòu)，甚至于四級結(jié)構(gòu)，才呈現(xiàn)出生物活性。為保持分離操作后 這些生物活性物質(zhì)的功能，甚至過度增加剪切率的操作也是不適合的。 產(chǎn)物為菌體細(xì)胞時：當(dāng)發(fā)酵液進(jìn)入旋轉(zhuǎn)構(gòu)件，以及菌體泥漿排出時存在的 附加剪切力也會導(dǎo)致菌體死亡。 產(chǎn)品的穩(wěn)定性：生物活性物質(zhì)的活性還易受溫度、 pH、金屬離子、無機(jī)鹽濃度、有機(jī)溶媒等環(huán)境因素的影響。制約了下游技術(shù)的可選范圍。 產(chǎn)品安全性：當(dāng)生物技術(shù)產(chǎn)品是食品或藥物時，溶媒的使用受到一定的限制，應(yīng)考慮它們在品質(zhì) 5 或氣味上是否污染產(chǎn)物。萃取及色譜的分離介質(zhì)甚至于膜分離技術(shù) 中膜材料的選擇，有時也受到限制。 二、下游技術(shù)的一船工藝過程 某一具體產(chǎn)品的分離提取工藝與下列情況有關(guān)： (1)是胞內(nèi)產(chǎn)物還是胞外產(chǎn)物； (2)原料中產(chǎn)物和主要雜質(zhì)濃度； (3)產(chǎn)物和主要雜質(zhì)的物理化學(xué)特性及差異； (4)產(chǎn)品用途和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)； (5)產(chǎn)品的市場價(jià)格； (6)廢液的處理方法等。 生物工業(yè)下游技術(shù)大致可分為 4 個階段 (1)預(yù)處理和固液分離： 固液分離以除去發(fā)酵液中的不溶性固形物雜質(zhì)和菌體細(xì)胞。過濾和離心相比，無論是投資費(fèi)用還是運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用，前者都要小得多，因而首選方法應(yīng)是過濾。 (2)提取 (初步分離 )： 目的是除去與產(chǎn)物性質(zhì)差異較大的雜質(zhì)，是目的產(chǎn)物要求有較大濃縮比的過程。 (3)精制 (高度純化 )： 目的是去除與產(chǎn)物的物理化學(xué)性質(zhì)比較接近的雜質(zhì)。通常采用色譜分離，結(jié)晶特別是重結(jié)晶。 (4)成品制作： 成品形式與產(chǎn)品的最終用途有關(guān)，有液態(tài)產(chǎn)品也有固態(tài)產(chǎn)品，美觀的產(chǎn)品形態(tài)也是產(chǎn)品檔次的一個標(biāo)志。 第三節(jié) 生物工業(yè)下游技術(shù)的發(fā)展動態(tài) 一、傳統(tǒng)分離技術(shù)的提高和完善 蒸餾、蒸發(fā)、過濾、離心、結(jié)晶和離子交換等傳統(tǒng)技術(shù)由于應(yīng)用面廣且相對成熟，對它們的提高和完善將會推動大范圍的技術(shù)進(jìn)步。 二、新技術(shù)的研究和開發(fā) 1．新型分離介質(zhì)的研究開發(fā) 膜、樹脂和凝膠是目前主要的新型分離 介質(zhì)。 2．子代分離技術(shù) 各種分離純化技術(shù)相互結(jié)合、交叉、滲透，形成子代分離技術(shù)。膜萃取技術(shù)；膜蒸餾及滲透蒸發(fā)技術(shù)；離子交換色譜等。 3．其他新興下游技術(shù) 雙水相萃取、超臨界ＣＯ ２ 萃取、反膠團(tuán)萃取。 三、清潔生產(chǎn) 清潔生產(chǎn) (Cleaner Production)：是指將綜合預(yù)防的環(huán)境保護(hù)策略持續(xù)應(yīng)用于生產(chǎn)過程和產(chǎn)品中，以期減少對人類和環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。 ?它包括三方面內(nèi)容，即清潔生產(chǎn)工藝 (技術(shù) )、清潔產(chǎn)品、清潔能源。 ?清潔生產(chǎn)工藝是生產(chǎn)全過程控制工藝，包括節(jié)約原材料和能源，淘汰有毒害的原材料，并在全 部排放物和廢物離開生產(chǎn)過程以前，盡最大可能減少它們的排放量和毒性，對必須排放的污染物實(shí)行綜合利用，使廢物資源化。 6 授課章節(jié) 第二章 下游技術(shù)的理論基礎(chǔ) 學(xué)時 2 教學(xué)目標(biāo)與要求 1. 了解 下游技術(shù)中的物理學(xué)過程 2. 了解 下游技術(shù)中的化學(xué)過程 3. 了解 下游技術(shù)中的 生物 學(xué)過程 教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn) 1. 平衡論； ； 。 教學(xué)方法 講授；多媒體教學(xué) 主要 教學(xué)內(nèi)容 Section 1: 下游技術(shù)中的物理學(xué)過程 ◆ 基礎(chǔ)物性 ◆ 分類 ◆ 平衡論 ◆ 傳遞現(xiàn)象 Section 2: 下游技術(shù)中的化學(xué)過程 ◆ 化學(xué)性分子識別 ◆ 下游技術(shù)中的化學(xué)反應(yīng) Section 3: 下游技術(shù)中的生物學(xué)過程 ◆ 特異性相互作用 ◆ 親和色譜 需掌握的專業(yè)詞匯 Cell。 Cell biology。 Cell theory 研究進(jìn)展和參考資料 韓貽仁．分子細(xì)胞生物學(xué)．第二版．北京：科學(xué)出版社， 2020 汪堃仁，薛紹白，柳惠圖．細(xì)胞生物學(xué)．第二版．北京：北京師范大學(xué)出版社， 1998 課后復(fù)習(xí)題 縱觀 cell biology 發(fā)展簡史，你認(rèn)為該學(xué)科近百年來快速發(fā)展的主要原因是什么？ 7 第二章 下游技術(shù)的理論基礎(chǔ) ? 生物工業(yè)下游技術(shù)：尚無一個嚴(yán)格意義上的定義，本課程中所涉及的內(nèi)容有許多在本質(zhì)上屬于物質(zhì)分離的范疇。因此，本章及后續(xù)內(nèi)容將會經(jīng)常使用 “分離 ”一詞。 第一節(jié) 下游技術(shù)中的物理學(xué)過程 第二節(jié) 下游技術(shù)中的化學(xué)過程 第三節(jié) 下游技術(shù)中的生物學(xué)過程 第一節(jié) 下游技術(shù)中的物理學(xué)過程 一、基礎(chǔ)物性 “分離”可利用各種物質(zhì)固有性質(zhì)的差異。物性差異越大，利用價(jià)值越大。 二、分類 以物理學(xué)過程為基礎(chǔ)的分離操作，大致可分為以下三類： 1． 平衡分離過程 建立在相平衡關(guān)系上的。利用相的組成差別進(jìn)行混合物體系的分離。表 2—1 為平衡分離的代表性單元操作。 2．?dāng)M平衡 (速度差 )分離操作 在混合物體系本身所占有的空間之外加一個能引起物質(zhì)分離的勢能場，在它的作用下，形成分離場。如表 2—2 所示。 3 ．非平衡分離操作 2 以外均劃歸其中，利用物質(zhì)移動速度差和廣義的、基于 “屏蔽效應(yīng) ”的分離操作。如表 2—3所示。 三、平衡論 1．相平衡基礎(chǔ) 多組分混合物體系達(dá)到氣液、液液、固液、氣固二相平衡的條件是各相溫度、壓力相等， 各相中各成分的逸度相等。 F=C 一 P 十 2 F—自由度； C—組分?jǐn)?shù)； P—相數(shù)。 2 ．氣液平衡 非理想溶液： pi＝ pi*ai= pi*ri xi ； 式中： pi* —純組分 i 的飽和蒸氣壓； a i—組分 i 的活度，而 ai ＝ ri xi ； ri—組分 i 的活度系數(shù)．可由有關(guān)公式求得。 當(dāng) ri ＝ 1 時，即為理想溶液，則； pi ＝ pi* xi （即拉烏爾定律） 3．溶解度 (1)氣體在液相中的溶解度： pi＝ y i p＝ H xi 式中： pi—組分 i 的氣相分壓 p—總壓 H—亨利常數(shù) xi, ， y i —分別為組分 i 的液相和氣相摩爾分?jǐn)?shù) (2)固體在液相中的溶解度 (ci) ? H T In(ri ci)＝ —— (1 — ) R Tm 式中 Tm—固體熔點(diǎn)，詳情可參考有關(guān)專著 R —摩爾氣體常數(shù) ? H —固體摩爾融解熱焓 8 4．高壓氣體中的溶解度 超過臨