生物工程下游技术教案第一章Word文档下载推荐.docx
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考核方式
考试(考试/考查)
授课对象
本科生(研究生/本科生/专升本/专科)
任课专业班级
生物03-1
学生人数
42
生物03-2
39
选用教材
教材名称:
主编:
刘国诠
出版时间2003年1月第二版出版社:
化学工业出版社
教材类别(21世纪教材/九五、十五规划教材/优秀、获奖教材/普通教材/自编讲义)
十五规划教材
多媒体课件
课件名称:
出版社(自编):
自编
获奖情况:
无
参考书及参考资料
(教材名称、主编、出版社等)
《生物工艺学》(第一版)俞俊棠唐孝宣等编著华东理工大学出版社1997
《生物分离工程》(第二版)孙彦化学工业出版社2005
《生物工程概论》陶兴无等化学工业出版社2005
《生化分离工程》严希康等化学工业出版社2001
《生物工业下游技术》毛忠贵中国轻工业出版社1999
备注
第一章生物工程下游技术概述
一、本章基本要求:
(1)使学生对生物工程以及生物工程下游技术有一大体了解。
(2)掌握下游技术的概念及下游技术过程
(3)掌握工业下游技术的一般工艺过程。
二、教学的重点和难点:
重点:
掌握下游技术的概念以及下游技术过程;
下游技术的一般工艺过程
难点:
生物工程下游技术中的一般流程和单元操作。
三、主要教学设计(方法、手段等):
首先对本课程的各章节的学时分布及考核方式给大家简单的介绍,让学生了解本课程的体系,头脑中整体是有一个印象。
对本章的内容主要是用讲述的形式,中间以提问的形式固顾过去所学过的有本课程有关的内容。
四、学时分配:
生物工程的内容;
生物工程下游技术的工作领域(1学时)
生物工程下游技术的一般工艺过程;
生物工程下游技术的发展动态(1学时)
五、参考资料及补充习题:
思考题:
1、什么是下游技术?
所用原料及产品的特性?
2、下游技术的一般工艺过程?
3、生物技术下游加工过程的特点及重要性?
生物工程下游技术课程教案
教案内容
教学设计
本课程学时分布:
章节
学时
2学时
第二章发酵液的预处理与细胞分离
3学时
第三章细胞破碎、蛋白质复性及固液分离
7学时
第四章萃取
16学时
第五章膜分离技术在生物工程中的应用
4学时
第六章凝胶过滤和离子交换层析介质
5学时
第七章其他色谱法
第八章电泳技术
第九章浓缩、干燥及保存
第十章目标产品的蛋白质分析检测及质量控制
考核方式:
考试(闭卷)70%
平时成绩:
作业、考勤及提问30%
本章主要内容
生物工程的内容
生物工程下游技术的工作领域
生物工程下游技术的一般工艺过程
生物工程下游技术的发展动态
——生物工程的内容
一、生物工程的定义
1、生物工程的定义
(1)由‘生物技术’演变而来。
(2)1917年,匈牙利艾里基提出“凡是以生物机体为原料,无论其用何种生物方法进行产品生产的技术”都属于生物技术。
太宽泛了,未被人们重视。
(3)20世纪70年代末80年代初,分生物学、DNA重组技术出现,且某些基因工程产品如重组胰岛素、重组人体生长激素也问世,这时必须是采用基因工程等一类具有现代生物技术内涵或分子生物学为基础的技术才称得上生物技术。
而把当时已成熟的发酵技术、酶催化技术、生物转化技术、原生质体融合技术等排斥在外。
(4)1982年,国际经济合作与发展组织(IECDO)提出的定义为多数人所赞同:
生物技术是“应用自然科学和工程学的原理,依靠生物作用剂的作用将物料进行加工以提供产品或用以为社会服务”的技术。
(5)国家科学技术委员会制定《中国生物技术政策纲要》时,将生物技术定义为“以现代生命科学为基础,结合先进的工程技术手段和其他基础学科的科学原理,按照预先的设计改造生物体或加工生物原料,为人类生产出所需产品或达到某种目的的新技术。
”
改造生物体:
是指获得优良品质的动物、植物或微生物品系。
生物原料:
是指生物体的某一部分或生物体生长过程中所能利用的物质、如淀粉、糖蜜、纤维素等有机物,也包括一些无机化合物,甚至某些矿石。
所需的产品:
包括粮食、医药、食品、化工原料、能源、金属等产品。
达到的目的:
包括疾病的预防、诊断与治疗,环境污染的检测与治理等。
2、‘工程’与‘技术’
技术面广泛些,带有较强的自然科学探索性和首创性,在学归属中属理科范畴;
工程面较小,重视过程的可实施性和经济上的合理性,属工科的范畴。
注意:
在我国,除了在高校中生物技术专业属理科,生物工程专业属工科外,其他场合下两者当作同义词看待。
biotechnology
现代生物工程:
基因工程、蛋白质工程、酶工程、细胞工程和发酵工程。
相互联系,相互渗透。
——生物工程的内容
二、生物工程的基本内容
基因工程(geneticengineering):
是在分子水平上对基因进行操作的复杂技术、是将外源基因通过体外重组后导入受体细胞内,使这个基因能在受体细胞内复制、转录、翻译表达的操作。
最大特点是克服了固有的生物种间的限制,提高了定向创造新种的可能性。
蛋白质工程(proteinengineering):
是指研究蛋白质分子结构及其生物功能之间关系的基础上,对编码蛋白质的基因进行有目的的设计和改造,并通过基因工程的手段进行表达和分离,最终获得性能比自然界中存在的蛋白质更优良、更加符合人类社会需要的新型蛋白质。
目前,蛋白质工程主要集中在改造蛋白质这一领域。
对目的蛋白结构与功能关系的认识程度是蛋白质工程进行的关键。
如知道上述关系,则可根据不同的目的进行氨基酸的改造。
研究对象主要集中在酶蛋白分子。
细胞工程(cellengineering):
是在细胞水平上,按照人们预定的设计,有计划地改变细胞的遗传特性和细胞培养技术以产生新的品种,或通过大规模细胞培养以获得人们所需物质的技术过程。
主要涉及动植物组织和细胞培养技术、细胞融合技术、细胞器移植和细胞重组技术、体外授精技术、染色体工程技术、DNA重组技术和基因转移技术。
发酵工程(fermentationengineering):
又称微生物工程,是在人工控制的条件下,通过微生物物生命活动来获得人们所需物质的技术过程。
酶工程(enzymeengineering):
是指酶的生产与应用的技术过程,即通过人工操作,获得人们所需的酶,并通过各种方法使酶发挥其催化功能的技术过程。
化学酶工程:
通过对酶的化学修饰或固定化处理,改善酶的性质以提高酶的效率和减低成本,甚至通过化学合成法制造人工酶;
生物酶工程:
即用基因重组技术生产酶及对酶基因进行修饰或设计新基因,从而生产性能稳定、具有新的生物活性及催化效率更高的酶。
——生物工程下游技术的工作领域
※前言:
重要性
①是生物产品产业化的必经之路
如基因重组技术生产的生物产品胰岛素等大都在宿主细胞内,我们必须分离纯化才能应用。
②是产品竞争力的关键技术
如中药是生物界自然产生的生物原料,我国是发源地,独具优势,但在国际中药市场上贸易额仅占3%。
③与许多新产品的开发以及环境保护密切相关。
中国林蛙的林蛙油应用价值很高,若开发成产品,就离不开下游技术。
在一些产物的提取中会用到化学试剂,如氯仿有毒,磷酸缓冲液会造成水体富营养化。
一、技术范畴
下游技术除主要指“物质分离”外,还涉及到“产品加工”’,如某些生化物质接上某种基团后生成其他用途的衍生物;
或通过化学反应生成新的物质,如木糖加氢生成木糖酵等。
这些内容将涉及到专门的技术领域,一般不包括在下游技术课程中,所以,目前人们理解的下游技术大多数属于“物质分离的”范畴。
明确几点:
1、分离是混合的逆过程。
混合是自发过程。
分离过程需作功才能实现,且需专门的过程和设备。
如:
酒精加入水中(自发混合);
需分离,要经过蒸馏,且需打破恒沸点才能将其彻底分开。
2、实际生产中,目的产物往往与大量杂质混合一起,杂质包括:
副产物,未消耗完的原料,少量生产设备材料。
3、下游技术的任务:
是从这些混合物中用最低的投入(物力、财力和人力),获得最高的产出(如产物的高得率、高纯度)。
——生物工程下游技术的工作领域
二、下游技术的发展历程
1、古代酷造业
包括酿酒、制酱(油)、醋、酸奶和干酪等。
(技术原始、家庭作坊式、产物不经后处理直接使用,无上下游技术之分。
)
2、第一代生物技术(19世纪60年代——20世纪40年代青霉素等抗生素出现之前)
发现发酵的本质是微生物的作用,掌握纯种培养技术。
20世纪上半叶逐渐形成了发酵法生产酒精、丙酮、丁醇等微生物发酵产业。
但产品简单,基本上是无活性的小分子。
开始引入成熟的近代分离技术,如过滤、蒸馏、精馏等。
3、第二代生物技术(以20世纪40年代出现的青霉素产品为代表)
无菌空气制备技术、大型好氧发酵装置开发成功。
产品品种、类型迅速增加,不仅有初级代谢产物,也有次级代谢产物;
不仅有小分子,也有具生命活性的大分子,有的产品分子结构相当复杂。
(抗生素、氨基酸、核酸、柠檬酸、淀粉酶等)
4、第三代生物技术(以20世纪70年代末掘起的DNA重组技术及细胞融合技术为代表。
高附加值的产品出现,如乙肝疫苗、干扰素等。
生理功能性物质,如属低聚糖类的活性糖质、活性肽、高度不饱和脂肪酸等。
同时,人们认识到下游技术的落后会阻碍生物技术的发展,许多发达国家开始加强研究力量,增设研究机构。
如日本,1988年,组建了高度分离系统技术联合体;
瑞典组建了Biolink公司,加强下游技术领域的研究。
80年代以来,出现一系列新概念、新技术、新产品和新装备。
(1)固液分离技术
最初发酵液菌体特别是细菌的分离是生物工业上的难题,原因?
细菌细胞是高度分散的柔性体,大小仅1um左右,密度又与水相相差无几。
而高速离心分离投资巨大,且运行成本高,很少采用。
絮凝技术(广泛应用于污水处理、化学工程)引入到发酵液的预处理上,开发了菌体及悬浮物絮凝技术,加之纤维素助滤剂的开发,改善了发酵液的分离性能,大提高发酵液的固液分离效率。
分离机械方面:
出现性能优良的固液分离机械,如带式过滤机、连续半连续板框过滤机、螺旋沉淀式离心机等;
微滤膜。
(2)细胞破碎技术
开发出球磨破碎、压力释放破碎、冷冻加压释放破碎和化学破碎技术等。
——生物工程下游技术的工作领域
(3)初步分离纯化技术
主要开发了沉淀、离子交换、萃取、超滤等技术。
酶及蛋白的盐析,有机溶剂沉淀法。
双水相萃取技术:
比较适合于胞内活性物质和细胞碎片的分离。
超滤技术:
应用于生物大分子的分级、浓缩、脱盐等。
解决了生物大分子对pH、热、有机溶剂、金属离子敏感等问题。
(4)高度分离纯化技术
小分子物质:
通过离子交换、脱色和结晶、重结晶等方法获得纯度很高的产品。
生物大分子的纯化:
色谱(层析)技术,如亲和色谱、疏水色谱、离子交换色谱和凝胶色谱等。
(5)其新型分离技术
超临界CO2萃取技术在获取天然生物物质方面有很大优势。
如啤酒花中有效成分和咖啡豆中咖啡因的萃取分离。
介于反渗透和超滤之间的纳米滤(nanofiltration)技术(能使水和大部分无机盐通过而截留分子量300-1000u的小分子,且操作压力低。
)。
——下游技术的一般工艺过程
一、生物物质(原料及产品)
生物物质种类繁多,包括小分子化合物、生物大分子、超大分子、细胞和具有复杂结构与构成成分的生物体组织。
来源包括自然界存在的各种生物资源,但现代生物技术主要通过生物反应过程生产各种有用生物物质,如生物医药、疫苗、诊断试剂、生物材料、生物能源(生物制氢、生物柴油)、人工器官、功能食品添加剂、饲料、化妆品等。
常见的生物制品有抗生素、有机酸、氨基酸、多肽、蛋白质(包括酶、抗体)、核苷酸、核酸、病毒、糖类、脂类、生物碱、糖苷等。
现代生物技术产品的主体是蛋白质药物,包括细胞因子(如干素、生长因子、红细胞生成素)、激素(如胰岛素、生长激素)、抗体药物(单克隆抗体、抗体片段、基因工程抗体)、酶类药物、溶血栓药物等。
1、原料特性:
大多生物技术产业主要以粗料发酵为主(如酒精、酶制剂),粗原料中往往存在不参与发酵的可溶性杂质或不溶性悬浮物,给下游过程的分离有困难(操作成本、废液的处理)。
有些产品,在待处理物料中产品浓度很低,比杂质含量还低,如青霉素3.6%,每千克产品中核黄素仅含几克,胰岛素仅含几十毫克。
有的产品对热、pH、光等到不稳定。
如用超临界CO2萃取技术从啤酒花中提取有效成分时,在粉碎啤酒花时,温度可达300℃,风味物质极易挥发和氧化。
2、产品特性:
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。
具有高级结构的生物产品如酶蛋白,操作强度不能太大;
菌体细胞为产物时,剪切力也可能导致菌体死亡。
产品的稳定性制约了下游技术的可选范围。
温度、pH、金属离子、无机盐浓度。
对于产品是食品或药物时,要考虑安全性,是否污染,分离介质、膜材料等方面都有一下限制。
——下游技术的一般工艺过程
一、一般工艺过程
生物分离的原料主要来源于生物反应过程。
生物反应的产物一般是由细胞、游离的细胞外代谢产物、细胞内代谢产物、残存底物及惰性组分组成的混合液。
具体的产品分离提取需考虑:
(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)产物和主要杂质的物理化学特性及差异;
(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。
按生产过程一般分为4个阶段:
预处理和固液分离,提取(初步分离),精制(高度纯化),成品制作。
——生物工程下游技术的发展动态
一、传统分离技术的提高和完善
如80年代酒精蒸馏技术工业应用的成功,在幅降低了成品酒精的能耗;
各种新型过滤机械和离心机械的问世;
结晶理论和离子交换技术的新进展,提高了产品的收率、质量和生产效率。
二、新技术的研究和开发
1、新型分离介质的研究开发
膜、树指和凝胶
2、子代分离技术
如膜技术和萃取、蒸馏、蒸发技术相结合形成了膜萃取技术、膜蒸馏及渗透蒸发技术;
色谱技术与离子交换技术等结合形成离子交换色谱、等电聚焦色谱等。
3、其他新兴下游技术
如双水相萃取、超临界CO2萃取、反胶团萃取。
菌体絮凝技术和菌体细胞破碎技术。
三、清洁生产(cleanerproduction)
是指将综合预防的环境保护策略持续应用于生产过程和产品中,以期减少对人类和环境的风险。
生物工业的产品大多数是通过液态发酵获得的。
酒精、谷氨酸和柠檬酸的发酵液浓度罗高,也只有10%左右,其他一般只有2%-5%,有的甚至不到1%。
因而,生物工业单位产品排放的废液量很大。
三方面:
清洁生产工艺(技术);
(节药原材料和能源,淘汰有毒害的原材料,并在全部排放物和废物离开生产过程以前,尽量大可能减少它们的排放量和毒性,对必须排放的污染物实行综合利用,使废物资源化。
清洁产品;
清洁能源
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