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生物工程下游技術1. Introduction2010appt下載

素材編號:
419004
素材軟件:
PowerPoint
素材格式:
.ppt
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2020-07-04
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生物工程下游技術1. Introduction2010appt

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這是生物工程下游技術1. Introduction2010appt,包括了緒論,下游技術理論基礎,發酵液預處理與細胞破碎,沉淀,萃取分離,膜分離,吸附與離子交換,色譜分離,親和色譜等內容,歡迎點擊下載。

生物工程下游技術 (生物分離工程)
何    進  hejinhzau@yahoo.com.cn
梅余霞  mei@mail.hzau.edu.cn
目的與要求
了解生物工程下游技術的基礎理論及工藝過程。
掌握細胞破碎、萃取分離、膜分離、色譜分離、親和分離等的基本原理及其特點及應用范圍。
能在實際工作中掌握幾種分離技術的工藝過程及熟悉相關設備。
能根據目的產物的特性,在生物產品產業化研究及工藝設計中合理應用相應分離技術。
考核方式
根據課程基本要求,結合平時成績、課程論文及筆試(期末考試)三方面進行綜合評定。
平時成績20%
課程論文20%
期末考試60%
主要內容
1.  緒論
2.  下游技術理論基礎
3.  發酵液預處理與細胞破碎
4.  沉淀
5.  萃取分離
6.  膜分離
7.  吸附與離子交換
8.  色譜分離
9.  親和色譜
References-books
田瑞華.生物分離工程.北京:科學出版社,2008
曹學君.現代生物分離工程.上海:華東理工大學出版社,2007
毛忠貴.生物工業下游技術.北京:中國輕工業出版社,1999
嚴希康.生化分離工程.北京:化學工業出版社,2001
孫彥.生物分離工程.北京:化學工業出版社,2005
References-books
劉國詮.生物工程下游技術(第二版).北京:化學工業出版社,2003
A. A. Garcia, M. R. Bonen, J. Ramirez-Vick, M. Sadaka and A. Vuppu. 生物分離過程科學.北京:清華大學出版社,2002
R. G. Harrison, P. Todd, S. R. Rudge, D. P. Petrides. Bioseparations Science and Engineering. New York: Oxford University Press, 2003
A. A. Garcia, M. R. Bonen, J. Ramirez-Vick, M. Sadaka and A. Vuppu. Bioseparation Process Science. Massachusetts: Blackwell Science, Inc., 1999
References-books
P. A. Belter, E. L. Cussler, W. Hu. Bioseparations: Downstream Processing for Biotechnology. New York: John Wiley & Sons, 1988
D. Forciniti. Industrial Bioseparations: Principles and Practice. Iowa: Wiley-Blackwell, 2008
M. R. Ladisch (Purdue Univ). Bioseparations Engineering: Principles, Practice and Economics. New York: John Wiley and Sons, 2001
Raja Ghosh. Principles of Bioseparations Engineering. New York: World Scientific, 2006
References-webs
華東理工大學
    http://course.ecust.edu.cn/courses/swflgc/
福州大學
    http://met.fzu.edu.cn/eduonline/shflgc/index.htm
南京工業大學
    http://jwc.njut.edu.cn/06jpkc/njgydx/index.asp
References-journals
色譜
膜科學與技術
離子交換與吸附
生物工程學報
高校化學工程學報
現代化工
化工進展
化工學報
化學工程
化學工業與工程
China Journal of Chemical Engineering
References-SCI journals
Journal of Chromatography A
    http://www.sciencedirect.com/science/journal/00219673
Journal of Supercritical Fluids http://www.sciencedirect.com/science/journal/08968446
Journal of Membrane Science http://www.sciencedirect.com/science/journal/03767388
References-SCI journals
Enzyme and Microbial Technology              http://www.sciencedirect.com/science/journal/01410229
Biochemical Engineering Journal http://www.sciencedirect.com/science/journal/1369703X
Separation and Purification Technology
    http://www.sciencedirect.com/science/journal/13835866
References-SCI journals
Biotechnology and Bioengineering
    www.interscience.wiley.com/jpages/0006-3592
Journal of Separation Science
    www.interscience.wiley.com/jpages/1615-9306
Journal of Chemical Technology and Biotechnology              
    www.interscience.wiley.com/jpages/0268-2575
References-SCI journals
Separation and Purification Reviews
    www.tandf.co.uk/journals/titles/15422119.asp
Separation Science and Technology
 www.tandf.co.uk/journals/titles/01496395.asp
1 緒  論
1.1 生物工程下游技術的研究對象
1.2 生物工程下游技術的重要性
1.3 生物工程下游技術的特點
1.4 生物工程下游技術的發展歷程
1.5 生物工程下游技術的一般工藝過程
1.6 生物工程下游技術的發展動態
1.1 生物工程下游技術的研究對象
生物工程下游技術(Downstream Processing for Biotechnology ):
由生物界自然產生的、
由微生物菌體發酵的、
動植物細胞培養的、
酶反應產生的、
微生物轉化的
各種生物工業生產過程獲得的生物原料,經提取分離、獲得純產品的技術,屬于“物質分離”范疇—生物分離工程(Bioseparation Engineering)。
1.1 生物工程下游技術的研究對象
分離技術在人類生產和生活中具有重要作用。將地球上的各種各樣混合物進行分離和提純是提高生產力和改善生活水平的一種重要途徑。 
分離是混合的逆過程,不能自發進行,需要作功才能實現。而且需要有專門的工藝和設備。
在實際的工業生產中,目的產物往往與大量雜質混合在一起,分離的任務,就是從這些混合物中用最低的投入(物力、財力和人力),獲得最高的產出(如產物的高得率、高純度)。
1.2 生物工程下游技術的重要性
分離純化是生物技術產業的瓶頸。
下游加工過程的費用占全部產品研發費用的50%以上;
在的成本構成中,分離與純化部分占產品成本的比例很高。
開發新的分離和純化工藝是降低成本、提高經濟效益的重要途徑。
1.3 生物技術下游加工過程的特點
   原料的特點
復雜的多相體系,非牛頓流體,成分復雜
如發酵產品:粗原料產物、微生物代謝產物(metabolome)、各種添加劑,混合物產物數以萬計。
1.3 生物技術下游加工過程的特點
   原料的特點
發酵或培養大多是分批操作,各批產物濃度和其他物性會出現差異,也會出現異常
生物活性物質的穩定性差
如原料液中常存在降解目標產物的蛋白酶、菌體也可能自溶、容易被雜菌污染:發酵液放罐后,應及時快速操作,要求采用快速的分離純化方法除去影響目標產物穩定性的雜質。
原料液中常存在與目標分子結構極其相似的分子如同系物及異構體。
1.3 生物技術下游加工過程的特點
   原料的特點
原料中目標產物的濃度低
1.3 生物技術下游加工過程的特點
   對產物的要求
保持生物產物的活性
純度要求高
當生物技術產品是食品或藥物時,要求
    無污染物
    無對映體
反應停(thalidomide,酞胺哌啶酮)于1956 年上市, 作為鎮靜藥被廣泛應用。1961 年發現(S)-(-)異構體該藥具有致畸胎的不良反應。
天冬酰胺((S)- 味甜, (R)- 味苦)
昆蟲信息素Olean(雄性果蠅,雌性果蠅)
    無病毒
    無熱原
    無致敏原
青霉素抗原決定簇 β-內酰胺環
1.3 生物技術下游加工過程的特點
   對生產工藝的要求
生物相容性
高純度
大規模
經濟性
清潔性
1.4  生物工程下游技術的發展
古代釀造業
    不經過后處理
第一代生物技術
    過濾、蒸餾、精餾等
第二代生物技術
    80%傳統+現代
第三代生物技術
    20世紀80年代以來,出現了很多新概念、新技術、和新設備
1.4  生物工程下游技術的發展
   固液分離技術
發酵液菌體特別是細菌的分離一直是生物工業上的難題。
近20年來,研究開發了菌體及懸浮物絮凝技術,改善了發酵液的分離性能,加之纖維素助濾劑的開發,大大提高了發酵液的固液分離效率。
用超濾法從發酵液中分離細菌的報道,但因技術和經濟上的原因大規模應用尚不多見。
1.4  生物工程下游技術的發展
   細胞破碎技術
細胞破碎是生產胞內物質所必需的技術
已經開發出球磨破碎、壓力釋放破碎、冷凍加壓釋放破碎和化學破碎等技術。
細胞破碎技術的逐漸成熟,使得胞內生物物質的大規模工業化生產成為可能。
1.4  生物工程下游技術的發展
     初步分離純化技術
主要開發了沉淀、離子交換、萃取、超濾等技術。
雙水相萃取技術比較適合于胞內活性物質和細胞脆片的分離;
超濾技術解決了生物大分子對pH、熱、有機溶劑、金屬離子敏感等難題,在生物大分子的分級、濃縮、脫鹽等操作中得到了廣泛的使用。
1.4  生物工程下游技術的發展
   高度分離純化技術
小分子物質一般可通過離子交換、脫色和結晶、重結晶等方法獲得純度很高的產品。
生物大分子的純化一直是個難題。20世紀70年代以來,逐漸開發出各種色譜(層析)技術,如親和色譜、疏水色譜、離子交換色譜和凝膠色譜等。
1.5 生物工程下游技術工藝過程
    產品的分離提取工藝還與下列情況有關:
①產物本身的性質;
②是胞內產物還是胞外產物;
③原料中產物和主要雜質濃度;
④產物和主要雜質的理化特性及差異;
⑤產品用途和質量標準;
⑥產品的市場價格;
⑦廢液的處理方法等。
1.5 生物工程下游技術工藝過程
預處理、提取、精制、成品制作:
預處理→細胞分離→細胞破壁→碎片分離→提取→   精制 →      成品制作
   加熱        過濾            勻漿法         離心          沉淀      (重)結晶       濃縮
   調 pH      離心            研磨法         雙水相      吸附      離子交換      干燥
   絮凝        膜分離        酶解法         膜分離      萃取      色譜分離      無菌過濾
                                                                              超濾       膜分離
                                                                              結晶
圖1-1  生物工程下游技術一般工藝過程
1.5 生物工程下游技術工藝過程
原料中產品濃度越低,分離純化的成本越高。
分離純化的的步驟越多,總收率也越低:
重復提取是提高總收率的一個有效方法:
       如谷氨酸一步等電點結晶,結晶母液如再經過一次離子交換提取
       75%+(1- 75%)× 65%= 91.25% 。
1.6 生物工程下游技術的發展動態
生物分離工程研究動態:
傳統分離技術的提高和完善
新技術的研究和開發
下游工程與上游工程相結合
強化化學作用對下游工程的影響
改進上游因素,簡化下游過程
1.6.1 傳統分離技術的提高和完善
蒸餾、蒸發、過濾、離心、結晶和離子交換等傳統技術由于應用面廣且相對成熟,對它們的提高和完善將會推動大范圍的技術進步。
各種新型高效的過濾機械和離心機械的問世,也從一個側面推動生物工業向更大規模方向發展。
適合于大規模工業化生產的傳統技術經過改造提高后,適應面會更寬。效率會更高,仍然顯示出強勁的生命力。
1.6.2 新技術的研究和開發
   新型分離介質的研究開發

滲透蒸發膜
膜萃取膜
膜蒸溜膜
膜吸收膜 
樹脂
Amberlite系列(Rohm and Haas)
Diaion HP系列(三菱化學 )
凝膠
色譜填料
1.6.2 新技術的研究和開發
 子代分離技術
各種分離純化技術相互結合、交叉、滲透,形成形成了所謂融合技術或子代分離技術。
如膜技術和萃取、蒸餾、蒸發技術相結合形成了膜萃取技術、膜蒸餾及滲透蒸發技術;
又如膜分離過程與親和配基相結合,形成了親和膜分離過程;
離心分離與膜分離過程相結合,形成了膜離心分離過程等等。
1.6.2 新技術的研究和開發
    新興下游技術
超臨界流體萃取Supercritical fluid extraction
反膠團萃取Revised micelle extraction
液膜分離Liquid membrane separation
磁性親和分離magnetic affinity separation
聚焦色譜Chromatofocusing
高速逆流色譜High speed countercurrent chromatography
徑向流色譜Radial flow chromatography
連續環狀色譜Continuous annular chromatography
擬移動床色譜Simulated moving bed chromatography
1.6.3 下游工程與上游工程相結合
    發酵與分離耦合過程的研究
這一新的技術思路在20世紀70年代首先用于厭氧發酵——乙醇發酵過程中,取得了令人滿意的效果,近年來逐步發展到用于好氧發酵過程中來。
發酵-分離耦合過程的優點是可以解除終產物的反饋抑制效應,同時簡化產物提取過程,縮短生產周期,收到一舉數得的效果。
1.6.4 強化物理化學作用的影響
    物理作用
將微波、超聲波、電磁等應用于分離:
微波萃取
微波蒸餾
超聲波萃取
磁性親和分離
1.6.4 強化物理化學作用的影響
    化學作用
選擇適當的分離劑,增大分離因子,增加對目的組分的選擇性
向分離體系投入附加組分,改變原來體系的化學位,從而增大分離因子。
無水乙醇的制備
手性物質的分離
強化化學作用對相界面傳質速率的影響
利用一些相轉移促進劑來增大相間的傳質速率。若把這類相轉移促進劑結合在固相的界面上,便形成各類“親和”分離過程,如親和色譜、親和萃取、親和錯流過濾、親和膜分離等,這是強化分離過程的一個前沿研究方向。
1.6.5 改進上游因素,簡化下游過程
    培養基和發酵條件
直接決定著輸送給下游的發酵液質量,如采用液體培養基,不用酵母膏、玉米漿等有色物質和雜蛋白等為原料,控制比生長速率、消沫劑用量,放罐時間等發酵條件,可使分離過程方便、經濟。
1.6.5 改進上游因素,簡化下游過程
    代謝工程 Metabolic engineering
菌種選育和工程菌構建一般以提高目的產物量為目標,現在應該轉變觀念,從整體出發,除了達到以上目標外,還應設法增加產物的胞外分泌量,減少非目的產物的分泌(如色素、毒素、降解酶及其他干擾性雜質等)以及賦于菌種或產物以某種有益的性質以改善產物的分離特性,從而簡化下游加工過程。
復習思考題
掌握生物工程下游技術的研究對象。
理解生物工程下游技術的重要性。
掌握生物工程下游技術有何特點?
掌握生物工程下游技術的一般工藝過程。
掌握生物工程下游技術的發展動態。
 

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