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《生物工程下游技术》课程教学大纲课程基本信息课程名称:生物工程下游技术课程编号：051115课程性质：专业必修课课程学时和学分：总学时：56总学分：3.5理论学时：36实验学时：20适用专业：生物工程先修课程：生物化学、生物工艺学、发酵工程开课学院（部）：生物工程学院教研室：生物工程一、教学目的、要求《生物工程下游技术》课程的任务主要是在于从生物工程下游技术的角度，归纳、阐述现有发酵工业和新兴的正在发展中的生物技术产品的提取、分离、纯化、精制加工等技术的科学本质、原理、方法、规律及发展趋势，和相互之间的关系等。通过本课程的学习，使学生掌握生物工程产品下游制造技术的科学本质，理解、掌握传统技术基础，接受新概念、新知识、新技术，为今后的科学研究、技术开发和工程应用作好相应的知识和技术准备。二、课程主要内容（内容及要求）绪论目的和要求：（2学时）掌握生物工程下游技术的一般工艺过程；理解生物工程下游技术的发展历程，了解生物工程下游技术的发展动态。主要内容：第一节生物工业下游技术的工作领域一、技术范畴二、生物工程下游技术的发展历程第二节生物工程下游技术的一般工艺过程一、原料及产品特性二、下游技术的一般工艺过程第三节生物工业下游技术的发展动态一、传统分离技术的提高和完善二、新技术的研究和开发三、清洁生产重点与难点：重点：生物工程下游技术的一般工艺过程第一章下游技术的理论基础（4学时）目的和要求：掌握下游技术的理论基础。掌握物理学过程中平衡论的主要内容，理解平衡、非平衡、拟平衡过程的区别；理解化学过程中化学分子间的相互识别及识别机理，分子间的相互作用和化学反应；理解生物分离过程的特异性相互作用及作用方式。主要内容：第一节下游技术中的物理学过程一、基础物性二、物理学过程分类三、平衡论及各种平衡关系四、传递现象及传递方式第二节下游技术中的化学过程一、化学分子识别机理及相互作用二、下游技术中的化学反应第三节下游技术中的生物学过程一、生物特异性相互作用机理，作用方式和影响因素二、亲和色谱重点与难点：重点：下游技术的理论基础；平衡论的主要内容；化学分子间的相互识别及识别机理，分子间的相互作用和化学反应。难点：平衡论的主要内容；化学分子间的相互识别及识别机理，分子间的相互作用和化学反应。第二章发酵液预处理（4学时）目的和要求：了解发酵液进行预处理的目的，掌握具体的改善发酵液过滤特性的处理方法。掌握发酵液中高价无机离子和杂蛋白质的去除方法。理解固液分离的方法，设备以及各分离设备的类型，分离原理和分离适用范围。主要内容：第一节发酵液过滤特性的改变一、发酵液的特性二、改善发酵液过滤特性的方法第二节发酵液的相对纯化一、发酵液的杂质对提取精制的影响二、高价无机离子的去除方法三、杂蛋白质的去除方法第三节固液分离工程及设备一、固液分离方法的种类二、离心分离的原理三、离心分离各种类型的设备，分离适用范围和分离原理四、过滤操作的种类五、常用的过滤设备类型和工作机理六、错流过滤原理七、错流过滤应用八、其他固液分离方法重点与难点：重点：改善发酵液过滤特性的处理方法；发酵液中高价无机离子和杂蛋白质的去除方法；固液分离的方法，设备，分离设备的类型，分离原理和分离适用范围。难点：高价无机离子和杂蛋白质的去除方法；固液分离的原理、方法与应用。第三章微生物细胞破碎（2学时）目的和要求：理解微生物细胞壁的组成与结构，能区分G+菌、G—菌以及酵母菌细胞壁的差别。掌握微生物细胞破碎的原理，具体的破碎方法以及不同破碎方法各自的原理及适用范围。理解细胞破壁应注意的问题。掌握破碎率的测定方法，了解细胞破碎的发展动态。主要内容：第一节细胞壁的组成与结构一、细胞壁和细胞膜的组成和各自的作用二、细菌，酵母菌，霉菌的细胞壁结构三、细胞壁结构和细胞破碎第二节常用破碎方法一、细胞破碎方法分类二、机械破碎方法原理三、不同类型机械破碎设备四、细胞机械破碎影响因素五、非机械破碎方法种类六、不同细胞破碎方法适用范围七、不同细胞破碎方法各自优缺点八、其他破碎方法第三节破碎率的测定与破碎技术的研究方向一、破碎率的测定方法二、破碎技术的研究方向重点与难点：重点：细胞壁的组成与结构；细胞破碎的常用方法及适用范围；破碎率的测定。难点：细胞破碎的常用方法及适用范围。第四章溶剂萃取和浸取（4学时）目的和要求：掌握溶剂萃取法分离机制，溶剂萃取中的基本概念。了解溶剂萃取基础上发展起来的新型萃取技术。理解工业萃取方式及过程计算。掌握乳化和去乳化概念和过程。了解萃取设备。理解浸取基本概念，步骤，理论基础和扩散机理。主要内容：第一节溶剂萃取一、溶剂萃取过程的理论基础二、基本概念三、相似相溶原理四、溶解过程五、溶剂的互溶性规律六、溶剂萃取溶剂的选择七、分配定律和分配因数八、溶剂萃取水相条件的影响九、工业萃取方式十、不同工业萃取方式过程计算十一、乳化和去乳化概念和过程十二、萃取设备简介第二节浸取一、基本概念二、浸取过程三、费克定律四、不同介质中的分子扩散五、相平衡六、溶剂选择原理重点与难点：重点：萃取法分离机制，溶剂萃取中的基本概念；工业萃取方式及过程计算；乳化和去乳化概念和过程；理解浸取基本概念，步骤，理论基础和扩散机理。难点：萃取的原则和选用；浸取的原理和选择。第五章超临界流体萃取（2学时）目的和要求：掌握超临界流体萃取中相关概念，了解超临界流体萃取技术在工业上的应用。掌握超临界流体萃取的基本原理，超临界流体的性质，超临界流体的选择性，夹带剂的使用，超临界流体萃取的特点。掌握超临界流体萃取的基本过程。了解超临界流体萃取设备。主要内容：第一节序言一、超临界流体萃取的基本概念二、超临界流体萃取在工业上的应用第二节超临界流体萃取的基本原理一、癸酸为列说明超临界流体萃取的基本原理二、溶剂气体的临界温度和溶解度之间的关系第三节超临界CO2溶剂特征一、超临界CO2的相图二、萃取溶剂CO2的性质第四节超临界CO2萃取一、超临界CO2萃取举例二、拖带剂概念及作用第五节超临界CO2萃取流程一、咖啡豆中咖啡因萃取二、啤酒花萃取第六节超临界CO2萃取技术在生物，食品等工业中的应用重点与难点：重点：超临界流体萃取的基本原理；超临界CO2溶剂特征；超临界CO2萃取；超临界CO2萃取流程。难点：超临界流体萃取的基本原理；超临界CO2萃取流程。第六章双水相萃取技术（2学时）目的和要求：了解双水相体系的形成。掌握双水相萃取的基本原理。了解影响双水相萃取得率的因素。了解双水相萃取技术的应用和双水相萃取技术的进展。主要内容：第一节概述一、双水相萃取的特点二、双水相萃取的基本概念三、双水相萃取现象四、聚合物的不相溶性第二节双水相分离理论一、双水相形成二、几种典型的双水相系统三、相图四、物质在两相中的分配五、双水相系统中物质分配的影响因素第三节双水相萃取技术的应用一、酶的提取和纯化二、核酸的分离及纯化第四节双水相萃取技术的进展一、廉价双水相体系二、双水相萃取技术同生物转化相结合三、双水相萃取技术同膜分离技术相结合四、双水相萃取技术同亲和层析相结合重点与难点：重点：双水相萃取的基本原理；双水相萃取技术的应用。难点：双水相萃取的基本原理。第七章反胶团萃取（2学时）目的和要求：掌握反胶束的形成和概念，比较反胶束和正常胶束。掌握反胶团的物理化学性质，了解反胶束萃取的基本原理。学习反胶团的制备方法。理解蛋白质向非极性溶剂中的溶解模型。掌握影响反胶束萃取得率的因素。了解反胶团萃取在分离工艺中的应用。主要内容：第一节概述一、反胶团的概念二、反胶团的功能三、反胶团的应用方面四、反胶团萃取的优点第二节反胶团的形成一、反胶团的构造二、反胶团的物理化学性质三、反胶团和正胶团的比较四、反胶团的制备方法第三节生物活性物质的分离浓缩一、反胶团萃取的原理二、蛋白质向非极性溶剂中的溶解模型三、反胶束萃取蛋白质的影响因素四、AOT/异辛烷体系中立体性、静电性、疏水性相互作用的分离特性和效果第四节反胶团萃取在分离工艺中的应用分离核糖核酸酶，细胞色素和溶菌酶的混合物流程重点与难点：重点：反胶束的形成和概念；反胶团的物理化学性质；反胶束萃取的基本原理；反胶束萃取得率的因素难点：蛋白质向非极性溶剂中的溶解模型；反胶束萃取的基本原理；反胶束萃取得率的因素第八章膜分离过程（3学时）目的和要求：掌握膜分离的基本概念，基本操作模式。理解膜分离的特点，膜的分类。理解膜分离过程的机理和模型。了解膜的性能参数及其中的基本概念，影响膜寿命的因素。了解膜组件的结构与特点。比较反渗透、纳滤与超滤。主要内容：第一节概述一、膜的概念二、膜分离的优点第二节膜和膜分离过程的分类和特性一、膜的分类二、膜分离过程的种类三、膜分离过程的区别和使用范围第三节膜的基本理论一、膜分离过程的基本传质过程二、膜分离过程的机理三、浓差极化四、膜分离过程的扩散模型五、膜的性能和参数六、膜的性能参数中的基本概念七、膜的使用寿命的影响因素八、膜的使用寿命的影响因素中的基本概念第四节膜的应用一、膜组件的结构和特点二、各种膜组件性能的比较三、反渗透法膜的基本性能参数和应用四、超滤法膜的基本性能参数和应用五、微孔过滤的基本性能参数和应用六、纳米过滤的基本性能参数和应用重点与难点：重点：膜分离的基本概念；膜分离过程的基本原理和过程；膜组件的结构和应用。难点：膜分离过程的过程和模型。第九章液膜分离（3学时）目的和要求：了解液膜的分类，乳化液膜的形成。掌握乳化液膜的分离机制，乳化液膜的制备方法。掌握乳化液膜分离技术的一般工艺流程。了解乳化液膜在不同行业上的应用。分析液膜分离和反胶团萃取各自的异同点。主要内容：第一节概述一、液膜分离的概念二、液膜分离的应用简介三、液膜的分类四、液膜的膜相组成第二节乳化液膜的制备与分离机制一、乳化液膜的制备方法二、乳化液膜的两大分离机制第三节载体载体分类及简要介绍第四节乳化液膜分离技术的工艺流程及其应用一、乳化液膜分离技术的一般工艺流程二、工业规模角度对膜相成分的要求三、破乳化四、乳化液膜分离在工业上的应用五、乳化液膜分离在生物化学上的应用六、乳化液膜分离在医学上的应用第五节乳化液膜过程的不利因素一、膜破裂二、膜膨胀的两种机理三、选择性载体的开发重点与难点：重点：乳化液膜的分离机制，乳化液膜的制备方法；乳化液膜分离技术的一般工艺流程及应用。难点：乳化液膜的分离机制，乳化液膜的制备方法；液膜分离和反胶团萃取的异同点。第十章离子交换法（4学时）目的和要求：掌握离子交换原理。理解离子交换树脂的种类，离子交换树脂的理化性能。理解离子交换平衡及其影响因素。学习离子交换装置和离子交换树脂的工作过程。生化用离子交换剂的类型和特点。主要内容：第一节概述离子交换剂的简介第二节离子交换原理及分类一、离子交换原理二、离子交换树脂分类三、树脂的命名第三节离子交换树脂的理化性能一、基本概念二、离子交换树脂的基本要求第四节离子交换过程的理论基础一、离子交换平衡二、离子交换选择性三、离子交换选择性的影响因素四、离子交换过程五、影响离子交换过程速度的因素第五节离子交换的应用一、离子交换装置二、离子交换树脂的工作过程第六节生化用离子交换剂的特点和种类一、生化用离子交换剂的特点二、生化用离子交换剂的种类重点与难点：重点：离子交换原理；离子交换装置和离子交换树脂的工作过程及理论；离子交换的应用。难点：离子交换装置和离子交换树脂的工作过程及理论。第十一章色谱分离（4学时）目的和要求：了解色谱分离的原理，色谱分离的发展历程以及色谱分离的的基本特点。了解色谱分离的类型。比较分析色谱与制备色谱及工业色谱。掌握分配色谱，吸附色谱，凝胶色谱，层析色谱，亲和色谱各自的分离原理，特点。主要内容：第一节概述一、色谱分离的概念二、色谱分离的发展历程三、色谱分离的的基本特点第二节色谱分离的分类一、按分离机理不同分类二、按固定相形状不同分类三、其他分类方法第三节生物工业中的色谱分离一、色谱分离规模划分二、色谱分离方法的选择三、分析色谱与制备色谱及工业色谱的比较第四节色谱分离的基本原理一、色谱分离的原理示意图二、分配色谱的分配系数三、分配色谱的阻滞因素四、分配色谱的塔板理论五、吸附色谱的典型等温曲