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生化分离技术义
《生物分离工程》课程教学大纲(2008年)
一、目的
《生物分离工程》是《生物化学》、《物理化学》、《微生物学》、《食品工程原理》或《化工原理》或《化工单元操作》、《化工热力学》等课程的延续和深化课程,为生物工程专业、生化工程专业本科生开设的一门技术基础课程。
其目的是使学生系统地学习物质分离和提纯过程中的概念、原理、技术及工艺,了解各种分离技术及其应用,提高学生的科研能力及水平。
二、要求
该课程采取课堂讲授与课堂讨论相结合、讲授与自学相结合的教学方式。
要求学生大量阅读参考教材、查阅有关各种分离新技术的文献;在掌握分离技术的共同特征、分类及发展动向的基础上,熟悉并掌握各种分离新技术及其应用。
三、课程主要内容
绪论(2学时)
第一部分萃取分离技术(8学时)
第一章溶剂萃取
1.1萃取过程的理论基础
1.2萃取方式的理论计算
第二章双水相萃取(Two-aqueousphaseextraction)
2.1双水相体系
2.2双水相萃取过程的理论基础
2.3物质分配平衡的因素
2.4双水相萃取技术的应用
2.5水相萃取技术的进展
第三章反胶束萃取
3.1反胶束溶液形成的条件和特征
3.2反胶束萃取蛋白质的基本原理
3.3影响反胶束萃取蛋白质的主要因素
3.4反胶束萃取蛋白质的应用
第四章凝胶萃取
4.1凝胶萃取分离过程
4.2凝胶萃取的理论基础
4.3凝胶萃取的应用
第五章超临界流体萃取
5.1超临界流体的性质
5.2超临界流体萃取的热力学基础
5.3超临界流体萃取过程
5.4超临界流体萃取的应用
第二部分吸附分离、离子交换分离及色层分离技术(8学时)
I.吸附分离和离子交换分离
第一章概述
1.1吸附分离过程、解吸方法及应用
1.2吸附剂
1.3吸附剂基础性能的测试
第二章吸附平衡
2.1吸附平衡和吸附平衡关系式
2.2吸附热力学
第三章不等温(变温)吸附分离
3.1气体的净制和回收
3.2吸附干燥剂和吸湿平衡
3.3固定床吸附操作的计算
3.4不等温吸附操作的计算
第四章变压吸附分离
4.1变压吸附分离的应用和发展
4.2变压吸附的操作过程和循环
4.3变压吸附干燥净制和空气分离
4.4变压吸附分离操作的数学模型
第五章离子交换分离技术
5.1离子交换剂
5.2离子交换平衡及交换动力学
II色层分离技术
第一章色层分离的一般原理
1.1色层分离技术的分类
1.2分配平衡
1.3色层分离效率
第二章离子交换色层分离技术
2.1离子交换色层分离技术概述
2.2离子交换色层分离
第三章萃取色层分离技术
3.1萃取色层分离技术概述
3.2萃取色层分离与溶剂萃取分离的关系
3.3萃取色层分离过程
第四章凝胶色层分离技术
4.1凝胶色层分离技术概述
4.2凝胶和溶剂
4.3凝胶色层分离技术的应用
第五章吸附色层分离技术
5.1吸附色层分离技术概述
5.2吸附剂和溶剂
5.3吸附色层分离技术的应用
第六章亲合色层分离技术
6.1亲合色层分离技术概述
6.2载体、配基和偶联
6.3吸附和解吸
6.4亲合色层分离技术的应用
第三部分膜分离技术(10学时)
第一章概述
1.1膜分离技术发展的历史
1.2膜的概念(定义)、分类、膜材料及膜组件
1.3膜分离技术的类型及定义
第二章反渗透
2.1基本概念
2.2反渗透过程的基本流程
2.3反渗透膜
第三章超滤膜、微滤及纳米膜过滤
3.1基本原理
3.2超滤膜、微滤膜及纳米过滤膜
第四章电渗析
4.1电渗析的基本原理
4.2离子交换膜
4.3电渗析过程的极化和结垢问题
4.4电渗析的应用
第五章亲和膜分离及亲和膜过滤
5.1亲和膜分离
5.2亲和-膜过滤
第六章渗透蒸发
6.1原理和特点
6.2渗透蒸发膜及膜材料的选择
6.3应用
第七章其他膜分离过程
7.1膜蒸馏
7.2膜萃取
第八章液态膜分离技术
8.1液态膜及其分类
8.2液态膜分离的机理
8.3液态膜材料的选择与液态膜分离的操作过程
8.4应用
第四部分其它现代分离技术(4学时)
第一章包结分离技术
1.1包结分离的基本原理
1.2包结分离技术的应用
第二章结晶分离技术
2.1结晶分离的基本原理
2.2结晶分离过程
2.3结晶分离技术的应用
第三章分子蒸馏分离技术
3.1分子蒸馏的原理和模型
3.2分子蒸馏的应用
四、课程教材
1孙彦.生物分离工程.北京:
化学工业出版社
2严希康.生化分离技术.上海:
华东理工大学出版社,1996
3J.D.Seader,ErnestJ.Henley.SeparationProcessPrinciples(分离过程原理).北京:
化学工业出版社
五、主要参考书:
1E.克雷耳著.陈甘棠译.实验室蒸馏指南——中间工厂蒸馏的导论.北京:
化学工业出版社,1986
2叶振华.化工吸附分离过程.中国百化出版社,1987
3朱长乐等.化学工程手册(18).薄膜过程.北京:
化学工业出版社,1987
4高明恒等.膜分离技术基础.北京:
科学出版社,1989
5叶振华.吸着分离过程基础工业.北京:
化学工业出版社,1989
6[美]C.贾德森.金.分离过程.北京:
化学工业出版社,1990
7史继芬.多级分离过程.北京:
化学工业出版社,1991
8吴俊生等.分离工程.上海:
华东化工学院出版社,1992
9蒋维钧.新型传质分离技术.北京:
化学工业出版社,1992
10刘茉娥等.新型分离技术基础.杭州:
浙江大学出版社,1993
11刘国诠.生物工程下游技术.北京:
化学工业出版社,1993
12王学松.膜分离技术及其应用.北京:
科学出版社,1994
13陆九芳等.分离过程化学.北京:
清华大学出版社,1994
14高孔荣等.食品分离技术.广州:
华南理工大学出版社,1998
15KingCJ.SeparationProcess.2nded.NewYork:
McGraw-Hill,1980
16DMRuthven,PrinciplesofAdsorptionandAdsorptionProcesses,NewYork:
JohnWileyandsons,1986
17KingCJ.Separation&Purification-CriticalNeedsOpportunities.WashingtonDC:
NationalAcademyPress,1987
18BelterPA,CusslerEL,HuW.Bioseparation-DownstreamProcessingforBiotechnology.NewYork:
JohnWiley,1988
19FLSlejko,AdsorptionTechnology,NewYork:
MarcelDekker,1990
20AsenjoJuanA.SeparationProcessesinBiotechnology.NewYork:
MarcelDekker,1990
21WeatherLR.EngineerinProcessesforBioseparation.London:
Butterworth-Heineman,1994
第一章绪论
1.1生物技术和生物分离技术
生物技术:
有机体的操作和应用有机体生产有用物质、改善人类生存环境的技术。
生物加工过程(bioprocess),包括选育、基因工程、细胞工程、生物反应过程。
生物分离过程,包括提取、浓缩、纯化、成品化过程。
1.2生物分离的一般过程
1.一般过程
动、植物组织、体液等胞外产物提取
胞外产物提取
发酵液→预处理→分离→破碎→碎片分离→初步纯化→精制→制成品
培养液加热沉淀匀化离心沉淀分子筛无菌过滤
酶反应调pH离心超声萃取吸附离子交换超滤
絮凝过滤胞溶过滤萃取亲和冻干
错流过滤研磨错流过滤超滤吸附喷干
憎水结晶
电泳
2.几个概念
1)生物分离工程的定义:
为提取生物产品时所需的原理、方法、技术及相关硬件设备的总称,指从发酵液、动植物细胞培养液、酶反应液和动植物组织细胞与体液等中提取、分离纯化、富集生物产品的过程(DownstreamProcessing)生物技术下游工程
2)Downstream(下游)与上游相对的概念,一般而言,上游指基因克隆、细胞培养等目的产物表达工序,下游指从表达有目的产物的复杂的混合液中分离纯化得到符合要求的目的产物的一系列步骤。
美、日、欧等发达国家生物技术产品工业化的实践证明:
生物技术产品的产业化高度依赖于基因工程下游工序技术及设备的进步。
3)单元操作:
完成一道工序所需的一种方法和手段。
1.3历史沿革
1、古代:
酿酒、酱油、醋、干酪等(蒸馏或过滤);
2、1860起:
发现微生物导致发酵,工业生产酒精、丙酮、丁醇(压滤、蒸馏、精馏);
3、1940起:
青霉素、链霉素等抗生素、氨基酸、有机酸、酶制剂、单细胞蛋白。
提出单元操作概念,引入下游加工过程。
4、1970起:
基因工程、酶工程、细胞工程等发展,现代生物技术产品的要求。
1.4生化产品的类型
1.按用途分类
食品类
保健品类
医用类产品(1998年,719种)
抗生素112种
农业用产品(1998年,36种)
生物试剂类(1998年,975种)
2.按分子量大小分类
Mass<1000D:
抗生素、有机酸、aa、多肽类等
Mass>1000D:
酶、抗原、抗体、多肽、蛋白质类
3.按发酵时目的产物所在的位置分类
cell内:
胰岛素、白细胞介素、干扰素、重组蛋白质
cell外:
抗生素(青霉素、红霉素)、胞外酶(α-淀粉酶)等
1.5生化产品的特点
1.应用面广。
医药卫生、环保、动植物生长调节、食品和试剂等
2.种类繁多。
分子量X0–X,000,000,结构功能复杂,生物活性各异。
3.目的产物在初始物料中的含量低。
青霉素(4.2%)、庆大霉素(0.2%)、干扰素(<50ug/ml)。
4.产品价格与产物浓度呈反比:
5.初始物料成分复杂。
除少量产物外,还有大量的细胞及碎片、其他代谢物(几百上千种)、培养基成分、无机盐等。
6.生物活性物质的稳定性低。
易变质、易失活、易变性,对温度、pH值、重金属离子、有机溶剂、剪切力、表面张力等非常敏感。
7.产品的质量要求高,尤其是药品等。
成品青霉素对其强致敏原---青霉噻唑蛋白必须控制RIA值(放射免疫测定)小于100(1.5*10-6),蛋白类药物(杂质<2%)、重组胰岛素(Humulin)中杂蛋白小于0.01%。
1.6生物分离工作的重要性
1.生化产品的必经的过程(一夫挡关)。
2.回收率不高。
抗生素(80%左右),蛋白质(60-90%)。
意义?
3.分离纯化昂贵。
下游研究费用占整个R&D费用的50%以上;产品的成本构成中分离纯化的成本站全部成本的40-80%;精细和药用产品的成本比率更高;大多数酶70%。
意义?
4.基因工程的R&D费用,下游占50-80%。
基因工程表达产品成本85-90%;劳动力和物力成本占整
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