生物工程下游技术

1、1.请描述一下下游生物工程技术的一般流程，并分析每一步可以采用的方法和原则根据生产工艺，下游工艺流程大致可分为四个阶段，即预处理、萃取(初步分离)、精制(纯化)和成品生产。发酵液预处理细胞分离细胞壁破碎碎片分离提取精制成品制备通过加热、过滤和均质进行离心沉淀(重结晶)浓缩PH调节离心研磨双水相吸附离子交换干燥絮凝膜分离、酶解、膜分离、萃取层析和无菌加工超滤膜分离成型结晶化(1)预处理和固液分离加热方法：加热可以降低液体的粘度，这种方法只适用于产品稳定的发酵液加热。在适当的温度和加热时间下，细菌或蛋白质可以凝结形成较大的颗粒聚集体，从而改善发酵液的固液分离特性。加热是蛋白质变性和凝固的有效方法。

2、调节酸碱度的方法：酸碱度直接影响发酵液中某些物质的电离程度和电荷性质，调节酸碱度可以改变细菌和蛋白质的电荷性质，从而改变它们的过滤特性。蛋白质属于两性电解质。当溶液中两性电解质的酸碱度处于等电点时，分子表面的净电荷为零，导致稳定的双电层和水合膜被削弱或破坏，分子间的吸引力使溶解度增加到最小。因此，调节溶液的酸碱度可以降低蛋白质的溶解度并使其沉淀，是去除蛋白质的有效方法。改变酸碱度也可以使蛋白质变性和凝固。絮凝作用：在一些高分子絮凝剂的存在下。基于桥，胶体粒子形成絮凝。(2)提取(初步分离)沉淀：向溶液中加入沉淀剂会降低溶质的溶解度，导致溶液中出现无定形固体沉淀。原理：沉淀分离是通过沉淀去除固液

3、相分离后残留在液相或沉积在固相中的不必要的成分。吸附：吸附是指液体或气体中的某种成分被吸附剂选择性吸附，从而富集在吸附剂表面的过程。吸附原理：固体内部分子间的力是对称的，而固体表面分子间的力是不对称的。内侧受到内部分子的影响很大，而外侧受到的影响较小。因此，当溶液中的气体分子或溶质分子在运动过程中遇到固体表面时，它们将被吸引并停留在固体表面。萃取：利用两个不互溶相之间分配系数的差异来提纯或浓缩溶质的技术。原理：利用每种物质在不同溶剂中溶解度不同的原理，达到分离纯化目标产物的目的。超滤：超滤是一种膜分离技术，它利用膜的渗透性在静压差的推动下分离离子、分子和某些颗粒。原理：超滤是一个筛选过程。在一

4、定压力下，当含有大分子和小分子溶质的溶液流过超滤膜表面时，溶剂和小分子物质(如无机盐)透过膜，作为渗透液被收集；大分子溶质(如有机胶体)被膜捕获，并作为浓缩液回收。结晶：形成结晶物质的过程被称为“结晶”。原理：结晶溶液中的大部分杂质会留在母液中，然后通过过滤和洗涤可以得到高纯度的晶体。(3)精制(纯化)(重)结晶：重结晶的原理是利用混合物在某种溶剂中或在同一溶剂中不同温度下的不同溶解度来分离混合物的组分。离子交换：离子交换技术使用球形树脂(离子交换树脂)过滤原水，水中的离子将与固定在树脂上的离子进行交换。两种常见的离子交换方法是硬水软化和去离子。色谱分离：在色谱分离过程中，被分离的样品(混合物

5、)分布在两相之间，其中一相是固定相，称为固定相。另一相是流动相，称为流动相或流动相。在流动相的帮助下，混合物沿着流动相的流动方向迁移。混合物中各成分的迁移速度取决于各成分在固定相和流动相之间的分配系数(气液分配色谱)或吸附能(气固吸附色谱)。分配系数大或吸附能大的组分在固定相中停留时间长，随后流出色谱柱。分配系数小或吸附能小的组分在固定相中停留时间短，首先流出柱。从而分离混合物中组分。膜分离：膜是一种具有选择性分离功能的材料。通过膜的选择性分离来分离、纯化和浓缩料液的不同组分的过程称为膜分离。与传统过滤不同的是，膜可以在分子范围内分离，这一过程是一个物理过程，不需要改变相和添加添加剂。(4)成

6、品制造浓度：蒸发溶剂以增加溶液的浓度，这通常意味着减少不必要的部分，增加所需部分的相对含量。原理：浓缩去除溶液中部分溶剂(通常是水)的操作过程也是溶质和溶剂均匀混合溶液的部分分离过程。通过浓缩，可以去除食品中的大量水分，降低质量和体积，降低食品包装、储存和运输成本；浓缩可以提高产品浓度，增加渗透压，降低水分活度，抑制微生物生长，延长保质期；浓缩可用作干燥、结晶或完全脱水的预处理过程。浓缩可以降低食品脱水过程中的能耗和生产成本；浓缩还能有效去除不良挥发性物质和不良风味，提高产品质量。干燥：在干燥过程中，水分从材料内部移动到表面，然后从表面扩散到热空气中。干燥过程的必要条件是由干燥材料中的水分产生

7、的水蒸气的分压大于热空气中的分压。如果它们相等，就意味着蒸发达到平衡，干燥停止。如果热空气中水蒸气的分压很高，这种材料反而会吸水。因此，为了干燥物料，有必要控制热空气的相对湿度(饱和空气相对湿度=100%，不饱和空气相对湿度=100%，干燥空气相对湿度=0%)2.请分析表面活性物质在生物工程下游的应用反胶束萃取：正胶束是由表面活性剂分子在极性溶剂如水中形成的非极性核心的多分子集合体，亲水基团(头)朝外，疏水基团(尾)朝内。这种胶束是由洗涤剂中的表面活性剂分子在水中形成的，它的非极性核心可以溶解各种油污。从而达到去污的效果。相反，在非极性溶剂中，如一些有机溶剂，表面活性剂会形成多分子聚集体，其极

8、性核向内亲水，向外疏水。由于表面活性剂的排列方向与一般的正胶束相反，所以称之为反胶束，反胶束的极性核心可以溶解一些极性物质，在此基础上，还可以溶解一些原本不溶的物质，即所谓的二次增溶原理。例如，在反胶束的极性内核中溶解水之后，在内核中形成“水池”，其可以进一步溶解生物活性物质，例如蛋白质、核酸和氨基酸。由于胶束的屏蔽作用，这些生物物质不与有机溶剂直接接触，水池的微环境保护了生物物质的活性，从而达到溶解和分离生物物质的目的。该技术不仅利用了溶剂萃取的优点，而且实现了生物物质的有效分离，成为一种新的生物分离技术。(1)三种蛋白质的相互分离：在反胶束萃取分离蛋白质的研究中，首先利用AOT/异辛烷反胶

9、束体系，通过调节水相的酸碱度和离子强度，从三者的混合物中分离出-核糖核酸酶、细胞色素c和溶菌酶。它们的相对分子量相似，但等电点不同。基于这三种蛋白质反胶束萃取过程中pH值和离子强度的差异，建立了这三种蛋白质的分离工艺。当蛋白质的等电点是酸碱度时，蛋白质带负电荷，而蛋白质带正电荷。首先，在pH9和低离子强度下，-核糖核酸酶带负电荷，不能被反胶束萃取，但仍保留在水相中，而细胞色素C和溶菌酶带正电荷，可以被反胶束萃取到有机相中。第二步，通过提高离子强度，将细胞色素c从反胶束中提取到水相；最后，溶菌酶也可以通过增加酸碱度和离子强度反萃取到水相。因此，这三种蛋白质被成功分离。日本学者利用该系统提取分离牛

10、血清白蛋白、-胰蛋白酶和细胞色素c，并成功分离出溶菌酶、胰蛋白酶和胃蛋白酶。(2)从复杂的混合系统中分离蛋白质在实际应用中经常会遇到复杂的混合系统。例如，不仅含有多种蛋白质，还含有发酵底物、细胞碎片、细胞组织或血液成分。很难从中分离出某种蛋白质。许多研究人员尝试了这种方法，并取得了一些进展。例如，Aries -Barros用AOT/异辛烷体系从细菌发酵液中提取了两种脂肪酶。Leser从大豆和向日葵中分离出蛋白质、油和多酚。吉奥文科用表面活性剂破坏细胞壁，用反胶束体系直接提取胞内酶。(3)反胶束萃取的工艺进展德克尔利用混合澄清萃取器将反胶束萃取和反萃取结合起来，使反胶束溶液在两个单元之间循环，从

11、而实现了过程的连续操作。如图7所示。反胶团体系是：聚甲基丙烯酸甲酯/异辛烷非离子表面活性剂。通过控制ph值和离子强度，-淀粉酶的浓度可提高17倍，产率可达85%，每个循环中表面活性剂的损失为2.5%。3.电泳和色谱都是高度纯化产品的方法。请分析它们在分离生物产品时的适用性和异同(1)适用性：色谱和电泳是两种物质的最佳分离方法。(2)差异：电泳：电泳是指带电测试产物(蛋白质、核苷酸等)的方法。)在惰性支持介质(如纸、醋酸纤维素、琼脂糖凝胶、聚丙烯酰胺凝胶等)中游泳。)在电场的作用下以它们各自的速度在相应的电极方向上移动，从而将组分分离成窄条带，并记录它们的电泳条带图或用合适的检测方法计算它们的含

12、量(%)。电泳具有灵敏度高、重复性好、测定范围广、适应性强、操作简便、结果直观、设备简单以及分析、鉴定和分离功能等特点。色谱法：色谱法利用混合物中各组分的物理和化学性质(如吸附力、分子形状和大小、分子亲和力、分配系数等)的差异。)，因此每个分量都处于两个阶段(一个阶段是固定的，这称为固定阶段；另一相流过固定相，称之为流动相，其分布程度不同，使各组分以不同的速度运动，达到分离的目的。然而，目前电泳还不能用于生产规模的生物大分子的分离纯化，因此分离纯化生物大分子(包括蛋白质、酶、核酸和多糖等)是研究的重点。)通常是在色谱上。(3)相似性：它们都是高效分离技术，其操作可以自动化，并且有许多不同的分离

13、模式。4.请为生物工程下游虾青素的纯化设计一个纯化流程(画一个流程图，说明原理和操作步骤)原料预处理总类胡萝卜素提取虾青素皂化(1)提取。用溶剂萃取法从新鲜虾壳中提取虾青素。溶剂萃取原理：溶剂萃取是基于有机溶剂对不同的金属离子有不同的溶解度，从而富集和分离溶液中的金属离子。操作步骤：将一定量的新鲜虾壳放入塑料桶中，加入5%稀盐酸，不断搅拌至无气泡出现(酸碱度=5.0-70)，再次浸泡虾壳，用水洗涤至中性。压碎虾壳，尽可能多地去除水分。将预处理后的新鲜虾壳放入罐中，加入1.5倍于浸泡虾壳量的丙酮，在室温下避光密封浸泡24小时。过滤。用新丙酮浸泡虾壳，向滤液中加入石油醚，然后加水提取。石油醚层在4

14、0以下真空浓缩得到粗色素油，水层蒸馏回收丙酮。提取过程重复三次，虾壳几乎无色，滤液呈黄色，滤饼被浸泡。用高效液相色谱法分析色素粗品中虾青素的含量，用二氯甲烷-甲醇制备色素粗品。(2)皂化。强碱性条件下虾青素的皂化。原理：虾青素在藻类和天然植物中主要以虾青素单酯和二酯的形式存在。酯化虾青素的生物利用度低，虾青素酯组成复杂，难以纯化和检测。因此，有必要将提取的虾青素酯皂化水解成游离虾青素，以提高虾青素的纯度和生物利用度。虾青素含有长链不饱和双键体系和环上的烯酮醇，因此不稳定，容易异构化和降解，特别是在碱性条件下容易氧化成半虾青素和虾青素。因此，皂化过程中必须严格控制条件，以减少对虾青素的破坏。操作

15、步骤：用0.02摩尔氢氧化钾乙醇或甲醇溶液在低温或室温下皂化虾青素酯。(3)净化。用色谱法纯化虾青素粗品。原理：皂化得到的虾青素含量低，还含有其他类胡萝卜素、脂肪等物质。高纯度虾青素产品可通过色谱纯化获得。操作步骤：以硅胶为固定相，极性和非极性混合溶剂为流动相，当样品溶液通过硅胶柱时，黄色带和红色带明显出现，流出液颜色开始变淡黄色。当红色条带到达色谱柱底部时，流出液的颜色变为红色。进样后，正己烷洗脱，流出液颜色由红色变为淡黄色。然而，根据薄层色谱分析，流出物中没有虾青素和游离虾青素，这可以从表4.1中看出。以硅胶为固定相的柱色谱分离虾青素的实验条件为：硅胶399，硅胶层高度为33.5厘米；29

16、粗虾青素溶解在40毫升正己烷中；样品注射速度05毫升/分钟；洗脱率为：1毫升/毫升。室温9。5.请提出您认为在生物工程下游净化过程中需要改进的方法，并提出您的改进方案进行可行性分析生物工程的下游技术没有单一的纯化工艺，可以将两种或三种方法结合起来进行纯化，可以达到更高的纯化效率，达到大规模生产的目的。例如，色谱法通常用于纯化，并且提取的物质具有高纯度，但是它不适合大规模生产。改进方案：吸附树脂与硅胶结合分离纯化。目前常用的吸附树脂是大孔网络吸附树脂。大孔吸附树脂是一种具有大孔结构的聚合物吸附剂，具有吸附性和分子筛性质。由于其吸附容量大、吸附速度快、易脱附、易再生、对有机物选择性好等优点，目前被广泛应用于中药等领域。缺点是容易带入有机残留物，应在预处理后使用，并应检测产品的有机残留物。硅胶柱色谱的分离原理是根据硅胶上不同的吸附力来分离物质。热内例如，在环孢素A的分离纯化中，根据环孢素A的弱极性，引入非极性大孔吸附树脂色谱技术，并结合硅胶柱色