生物分离工程的特点

1、1、生物别离工程的特点； 成分复杂，固液别离困难；浓度低，别离能耗大收率低；易失活；不稳 定性。2、精制产品别离纯化一般流程1 胞外产品：发酵液一预处理一目的产物尽量进液相固液别离一收集液相后f提取与精制2胞内产品：发酵液f预处理一除杂、改变液相性质一固液别离一 收集细胞或菌体 f细胞破碎 f目的产物进液相f 固-液别离f 收集液相 f后提取与精制3、生物悬浮液的特性： 悬浮物颗粒小，比重与液相相差不大； 固体粒子可压缩性大； 粘度大，含有蛋白质、多糖等胶体物质，大多为非牛顿型流体。 改性的目的：降低滤饼比阻，提高过滤与别离的速率。4、凝聚：指在电解质作用下，由于胶粒间双电层排斥电位的降低，而

2、使胶体体系不稳 定的现象。凝聚作用机理：参加电解质f电解质中的高价阳离子f对胶体周围离子的 影响f双电层电位Jf胶体稳定性Jf发生凝聚5、 阳离子对带负电荷的发酵液胶体粒子凝聚能力的次序为：AI3+Fe3+H+Ca2+Mg2+K+Na+Li+6、絮凝：指在某些高分子絮凝剂存在下，基于桥架作用，使胶粒形成较大絮凝团的过 程。7、错流过滤(Cross-Flow Filtration) 又称切向流过滤，是一种维持恒压下高速过滤 的技术。其操作特点是使悬浮液在过滤介质外表作切向流动，利用流动的剪切作用将过 滤介质外表的固体(滤饼)移走。8珠磨法细胞破碎率可用一级反响动力学表示：间歇操作：ln 1/(1

3、-R)= Kt连续操作：ln 1/(1- R= Kt其中t =V/ F式中：R 破碎率(g/g ) K 反响速率常数(1/s) t 破碎时间(s) t 平均停留时间(s) V破碎室悬浮液体积(L) F进料速率(L/s)9、高压匀浆法破碎的动力学方程ln1/(1-R) KTNPaKT与温度等有关的破碎常数。N-悬浮液通过匀浆器的次数。P操作压力。a微生 物种类常数，对于酵母菌a值可取2.210、简述采用多种破碎方法相结合提高破碎率的原理化学法与酶法取决于细胞壁膜的化学组成，机械法取决于细胞结构的机械强度，而 化学组成又决定了结构的机械强度，组成的变化必然影响到强度的差异，这就是化学法 与机械法相

4、结合的原理。11、沉淀的作用一是浓缩，通过沉淀目的产物由液相变成固相，浓缩倍数可达几十倍至数百倍；二是纯化，通过沉淀固液分相后，除去留在液相(如果目的产物是固相)或沉积在 固相中(目的产物留在液相)的杂质。12、盐析法具有如下特点：(1) 本钱低，不需要什么特别昂贵的设备；(2) 操作简单、平安；(3) 对许多生物活性物质具有稳定作用。(4) 存在产品与杂质的共沉作用，因而它只能作为初步纯化。13、盐析原理。蛋白质在高盐浓度下发生盐析，这是因为当中性盐浓度增加至一定程度时，蛋白质 外表电荷被大量中和亲水基团被大量中性盐离子所包围，水分子离开蛋白质的周围， 暴露出疏水区域，疏水区域间的相互作用，

5、使蛋白质分子相互聚集而沉淀。14、Cohn方程式IgS屮-心遽！ZS 蛋白质的溶解度g/L I 离子强度mi i离子的摩尔浓度moI/L Zi i离子所带的电荷数即离子的价数B 盐析常数，与盐的种类无关 KS 盐析常数，与温度和pH无关15、KS与盐种类的关系对于阴离子，含高价阴离子的盐，效果比低价的好。常用阴离子的盐析效果排列如下：柠檬酸盐PO43- SO42- CH3COO Cl- N03- SCN。对于阳离子，一般地高 价阳离子如Mg2+Ca2+不如低价阳离子，常用一价阳离子的盐析效果排列如下：NH4+ K+ Na+0而常用盐析剂盐析效果的排列顺序为：NaH2PO4 NH42SO4 Na

6、2SOMgSONaCl16、有机溶剂法沉淀原理一般水溶液参加有机溶剂水溶液的介电常数溶质分子蛋白质之间静电引力 T-溶质的溶解度J。有机溶剂沉淀法具有如下特点： 不同溶质的沉淀所要求的有机溶剂浓度不同，这是有机溶剂分步沉淀的根底。其 分辨能力比盐析法高。 溶剂容易蒸发除去，因此适合于制备食品用蛋白质。 有机溶剂密度低，与沉淀物密度差大，过滤和离心别离都较容易。 容易使某些生物大分子变性失活。 有机溶剂易燃易爆，操作常需在低温下进行。17、非离子多聚物沉淀法原理.沉淀作用是多聚物与大分子发生共沉作用的结果。与有机溶剂相似，使大分子的水 化度降低，促使大分子沉淀多聚物与大分子之间以氢键相结合形成复

7、合物PEG沉淀法特点1操作条件温和，变性失活少。2 具有极高的沉淀效果，用量较少，PEG浓度一般为10流右。3沉淀后多聚物较易除去，对后继别离影响较小。18、膜别离技术的特点1处理效率高，设备易放大；2适合于热敏物质别离；3失活较少；4 无 相变过程，省能；5在别离、浓缩的同时可到达局部纯化；6可达较高回收率；7 系统可密闭，防止外来污染；8不外加化学物质，减少环境污染；9不适合于分子 量相近物质的别离，一般地分子量需相差 10倍以上才能获得较好的别离。19、常见膜别离过程简介：1 微过滤Micro-Filtration截留0.00210卩m的悬浮物，使悬浮液澄清2超过滤Ultra- Filt

8、ration 截留120nm的大分子溶质，可对含有大分子溶 质的溶液进行浓缩、提纯和分级，3反渗透可截留0.11 nm的溶质，可别离小分子有机物和无机盐，广泛应用于制造 超纯水、海水淡化和污水处理等，4 透析从大分子溶液中透析除去中小分子、无机盐或更换溶剂。5纳滤5纳滤是间于超滤与反渗透之间的一种膜过滤，20、膜的根本要求：1透过速度快孔穴密、厚度小；2选择性好孔径分布集中；3机械强度好；4耐热、耐酸碱，化学惰性；5不易被污染，易于清洗和再生； 6价格低廉，易于制造。21、影响截留率的主要因素 除溶质的分子大小外，截留率还与以下因素有关：1分子形状：线性分子的 R 值低于球形分子。2吸附作用：

9、膜对溶质的吸附作用 使R值上升。3桥架作用：两种或两种以上高分子溶质的存在，其 R值比单一高分子 时会有所提高。 4温度升高，粘度降低，吸附作用减少， R 值下降。 5进料速度加 大，切向流的剪切作用增大，浓差极化减少，R值下降。6pH、离子强度等会影响生物大分子的构象和形状，因而影响 R 值。22、萃取是利用物质溶解于某种液体的一种提取方法，它基于混合物中各组分在同 种溶剂中的溶解度不同而使所需组分得以别离和浓缩。23、萃取过程中发酵液预处理目的过滤或离心 除去细胞及其他悬浮颗粒； 絮凝、沉淀等 除蛋白质等高分子化合物； 沉淀、络合 除高价无机离子；膜过滤、蒸发等 浓缩以减少萃取剂用量24、

10、萃取原理分配系数 如溶质分子在萃取剂中有缔合现象，那么分配定律可改写为： K=C1/C2n 其 中 n=M1/M2 n 为溶质在溶剂中缔合分子量变化的数目， 其值等于溶质在上下相中分子 量之比。25、色谱别离种物理的别离方法 当多组分混合物随流动相流经固定相时，由于各组分物理化学性质的差异，使各组 分以不同的速度随流动相移动，使之别离。色层别离的特点 1别离效率高2应用范围广 适合于各种原理 3操作参数多选择性强 4高灵敏度的在线检测 5 快速别离 6过程自动化操作 26 、按别离机理不同分类1吸附色谱，由于固定相对不同物质的吸附力不同而使混合物别离的方法2分配色谱利用混合物中各物质在两液相中

11、的分配系数不同而别离。3离子交换色谱基于离子交换树脂上可电离的离子与流动相中具有相同电荷的溶 质离子进行可逆交换，由于混合物中不同溶质对交换剂具有不同的亲和力而将它们分 离。4凝胶色 根据各物质分子大小不同而进行别离的色谱技术，5亲和色谱 系利用生物分子间所具有的专一亲和力而别离。27、亲和色谱亲和色谱Afinity Chromatography,AFC是专门用于纯化生物大分子的色谱别离 技术，它是基于固定相的配基与生物分子间的特殊生物亲和能力的不同来进行相互别离 的。亲和色谱特点：1具有其他别离技术所不能比拟的高选择性； 2操作条件温和， 能有效地保持生物大分子高级结构的稳定性； 3对活性样

12、品的回收率较高。28、简述聚合物分子量和聚合物浓度对双水相萃取的影响：1聚合物的分子量的影响：蛋白质易分配于聚合物分子量较小的相。对于 PEG/Dx系统：PEG分子量T- 蛋 白质的分配系数K ； Dx分子量T-蛋白质的分配系数 K T 通过改变PEG的分子量可使蛋白质分配在不同的相。通过选择不同分子量的PEG可分离不同分子量的蛋白质。由于细胞碎片的分子量较大，所以增加 PEG 的分子量更易使 细胞碎片趋于下相。2聚合物浓度的影响： 1对于双水相系统，在增加某一聚合物的含量时，双水相形成后其所占的体积也大。于是PEG浓度T-上相体积V1 T-上、下相体积比RT-溶质收率丫 T2增 加聚合物浓度

13、，使上、下相热力学特性差异增大，不同物质间的 K 值差异也会增大，有 利于杂质的别离。3聚合物浓度增大，粘度上升，不利于两相别离。29、简述改变发酵液过滤特性的主要方法及其机理： 1降低液相黏度：加水稀释法，虽能降低液相粘度，但会增加悬浮液的体积，加大 后继过程的处理能耗；加热可有效降低液相黏度，改善过滤性能，但目的产物活性可能 下降。2调整PH:调整pH一改变某些物质的电荷性质与强度一发生絮凝一便于别离。 3凝聚与絮凝：1、凝聚:指在电解质作用下，由于胶粒间双电层排斥电位的降低，而使胶体体系不 稳定的现象。 作用机理：参加电解质一电解质中的高价阳离子对胶体周围离子的影响 -双电层电位下降一胶

14、体稳定性下降，发生凝聚2、絮凝:指在某些高分子絮凝剂存在下，基于桥架作用，使胶粒形成较大絮凝团的 过程。机理：胶 体 粒 子高分子絮凝剂静电引力、范德华力、氢键作用-相互吸 附作用-形成絮团 3、混凝：胶体悬浮液参加电解质-粒子间的排斥作用降低、脱 稳、凝聚成微粒参加絮凝剂-絮凝成较大的颗粒4助滤剂的使用：悬浮液参加助滤剂-悬浮液中的细微胶体粒子被吸附到助滤 剂的外表上-滤饼的结构改变，可压缩性下降-过滤阻力降低，过滤速率提高 5参加反响剂：生成不溶性沉淀；分解大分子物质。30、发酵液预处理时调整 PH 的主要作用：1对于氨基酸、蛋白质等两性物质，调 pH 至等电点，在等电点下溶解度最小，此即

15、为等电点沉淀。 2细胞 碎片及某些胶体物 质在某个 pH 值下也可能趋于絮凝而成为较大颗粒， 有利于过滤的进行。 3在极端 pH 值下，蛋白质发生凝固，使之别离。31、膜过滤的根本特征 切向流过滤 是一种维持恒压下高速过滤的技术。 其操作特点是 使悬浮液过滤介质外表作切向流动， 利用流体的剪切作用将过滤介质外表沉积的固体移 走。水通量的大小主要取决于溶质分子在膜外表上的沉积和溶液的性质。 实际的透过速度变 化1. 生物别离工程在生物技术中的地位 1对于生物新产品，别离工程所占本钱最大。 A 类：液体或固体混合物产品。下游加工占总本钱1020% B类：小分子生物产品、非活性大分子产品和细胞产品即

16、 传统发酵工厂产品。下游过程本钱占 30%左右。 C 类：生物活性物质产品。下游过程 本钱占 8095%2别离工程的落后阻碍生物技术的开展。许多生物工程上游技术的新成果由于 没有适宜的提取与精制方法而不能转化为生产力；由于提取和精制方法的落后，使某些 生物产品收率低、本钱高，缺乏竟争力。2. 生物别离工程的开展方向 新型别离方法的研究与开发。膜别离技术完善与推广应用、亲和技术、色谱别离 技术、吸附技术、新型萃取技术、复合集成别离技术的研究。 上游技术对下游过程的影响。将胞内产物变为胞外产物；选择便于产品别离的培 养基；通过代谢工程和基因工程的方法，减少影响目标产物别离的副产物的形成。 原位别离

17、技术研究 发酵培养与产品别离耦合技术。 防止或减少产物反响抑制 作用；减少生物活性物质产品的失活损失3. 简述采用多种破碎方法相结合提高破碎率的机理：化学法与酶法取决于细胞壁膜的化学组成，机械法取决于细胞结构的机械强度，而化学组成又决定了结构的机械强度，组成的变化必然影响到强度的差异，这就是化学法 与机械法相结合的原理。细胞(酶法或化学法处理)T破坏细胞壁某些物质组成一壁的机械强度J (机械法处理) f细胞破碎率T4 细胞碎片常用的别离方法有离心、膜过滤和双水相萃取，试比拟各自特点。 细胞碎片的别离方法：离心沉降、微过滤、双水相萃取、泡沫别离、吸附别离。(1) 离心：通过控制进料流量来到达所需

18、要的别离目的；投资高，耗能大。(2) 微过滤：设备投资少，能耗低，不受液固密度差的影响；别离效果影响因素较多，存在膜的泄 露与堵塞问题。( 3)双水相萃取：一般萃取系统分为有机相和水相，双水相为轻相和重相，克服离心别离中投资高 能耗大的缺点，也不存在 MF 中膜的泄露与堵塞问题。(4)膜过滤法特点：将变性剂的除去与浓缩过程相结合，克服了稀释法和透析法的缺点，但同样存 在蛋白质的失活问题。5 何为B分段盐析和Ks分段盐析法，简述原理： ( 1) KS 分段盐析法 改变离子强度对于蛋白质混合物，不同蛋白质在不同离子强度下的溶解度不同，发生盐析时所需 的离子强度也就不同。根据这一原理，采用不同离子强

19、度分步盐析的方法，即可从蛋白 质混合物中别离各种不同的组份。这种改变离子强度的分段盐析法称为 Ks分段盐析法, 常用于粗蛋白质和酶的分段别离。 关于KS主要取决于蛋白质和盐的种类，而与温度 和pH无关。2) B分段盐析法一一改变pH和温度不同蛋白质在不同温度和 pH 值下的溶解度不同，因此在一定离子强度下改变混合 液pH和温度亦可实现分段盐析的目的。由于这种方法是通过改变B值的大小来实现的， 因而叫做B分段盐析法。此法常用于蛋白质的进一步纯化和结晶时使用。B值与盐的种类无关B值随温度和pH而变 6为什么说色层别离技术的效率是别离纯化技术中最高的？ 色层别离是一种物理的别离方法。当多组分混合物随

20、流动相流经固定相时，由于 各组分物理化学性质的差异，使各组分以不同的速度随流动相移动，使之别离。 色谱别离的效率是所有别离纯化技术中最高的， 其填料为细粒多孔球形的高效填 料，每米柱长的理论塔板数可达几千至几十万块塔板数。 这种高效的别离尤其适合于极复杂混合物的别离，由于效率高，通常使用的色谱 柱长一般只有几厘米至几十厘米。7简述改变发酵液过滤特性的主要方法及其机理：( 1)加水稀释法：虽能降低液相粘度，但会增加悬浮液的体积，加大后继过程的处理 任务( 2)加热：可有效降低液相黏度，改善过滤性能，但目的产物活性可能下降。(3) 调整PH:调整pH一改变某些物质的电荷性质与强度一发生絮凝一便于别

21、离。( 4)凝聚与絮凝： 凝聚：指在电解质作用下，由于胶粒间双电层排斥电位的降低，而使胶体体系不 稳定的现象。 作用机理：参加电解质一电解质中的高价阳离子对胶体周围离子的影响 f双电层电位下降一胶体稳定性下降，发生凝聚。 絮凝：指在某些高分子絮凝剂存在下，基于桥架作用，使胶粒形成较大絮凝团的 过程。机理：胶体粒子+高分子絮凝剂(静电引力、范德华力、氢键作用)f相互 吸附作用f形成絮团。 混凝：胶体悬浮液(参加电解质)f粒子间的排斥作用降低、脱稳、凝聚成微粒 (参加絮凝剂)f絮凝成较大的颗粒5助滤剂的使用：悬浮液参加助滤剂悬浮液中的细微胶体粒子被吸附到助滤剂的外表上一滤饼的结构改变，可压缩性下降

22、一过滤阻力降低，过滤速率提高。6参加反响剂：生成不溶性沉淀，不溶性沉淀可作为助滤剂；分解大分子物质，提 高过滤速率。&当盐浓度较低时Cohn方程是否使用？为什么？不适用。蛋白质在低盐浓度下发生盐溶，当蛋白质溶液中参加少量中性盐时，中性 盐离子对蛋白质分子外表亲水基团的影响，增加了蛋白质与水分子的相互作用力，使蛋 白质的溶解度增大所以不适用。9、多级错流萃取具有较多的收得率但为什么在实际生产中应用不多？虽然能有较高的溶质回收率，但溶剂用量大，回收费用高，因此，在工业生产中很 少使用，在实验室中应用较多。10、试绘出超过滤一酶反响器UFER系统示意图，与其他酶反响系统比拟有何特点:解决了下述所有问

23、题：对游离酶反响系统，存在的主要问题是用酶量大，而酶的回 收困难；对固定化酶反响系统，存在的问题主要是酶活力的损失，且传质困难；对连续 酶反响过程，存在酶反响速度与底物利用率的矛盾；特别适合于产物与底物分子量差异 较大的场合。11、简述聚合物分子量和聚合物浓度对双水相萃取的影响。影响双水相分配的因素：聚合物的分子量、聚合物的浓度、盐类的影响、PH1聚合物的分子量的影响：蛋白质易分配于聚合物分子量较小的相。对于 PEG/Dx系统： PEG分子量T- 蛋白质的分配系数K ； Dx分子量T-蛋白质的分配系数 K T通过改变PEG的分子量可使蛋白质分配在不同的相；通过选择不同分子量的 PEG 可别离不

24、同分子量的蛋白质；由于细胞碎片的分子量较大，所以增加 PEG的分子量更 易使细胞碎片趋于下相。2聚合物浓度的影响： 对于双水相系统，在增加某一聚合物的含量时，双水相形成后其所占的体积也大。 于是PEG浓度T-上相体积 V T-上、下相体积比R T-溶质收率丫 T 增加聚合物浓度，使上、下相热力学特性差异增大，不同物质间的K值差异也会增大，有利于杂质的别离。聚合物浓度增大，粘度上升，不利于两相别离。12、包含体产品的别离：包含体Inclusion bodies一种不具生物活性的蛋白产物。多为克隆表达产物， 这些产物在一级结构上是完全正确的，但在高级结构上是错误的，因而不具生物活性。1路线I:机械

25、破碎珠磨法离心法提取包含体固相加变性剂溶解 包含体液相- 除变性剂复性具活性产品。优点：利用包含体与细胞碎片的密度 差异离，可获得干净的包含体，使后面的别离纯化简单化。缺点：需经屡次离心别离除细胞碎片，加工时间长，投资较大。2路线U:机械破碎珠磨法膜别离除可溶性蛋白浓缩相一加变性剂 溶解包含体(液相)-除变性剂复性(具活性产品)。特点：(1)投资省，能耗低；(2) 封闭操作，不受污染； ( 3)细胞碎片与包含体在一起，后处理困难，假设包含体溶解复性 后，较易与细胞碎片及大分子蛋白质别离，可考虑。(3) 路线川：化学破碎(加变性剂)一离心法除细胞碎片(液相)-除变性剂复 性(具活性产品) 。特点

26、：(1)细胞破碎与包含体溶解两道工序合二为一，节省设备和 时间。( 2)适合于实验室操作。 ( 3)目标产物与细胞内的大量可溶性杂质在一起，后处 理过程复杂。假设包含体产品分子量较大，较易与可溶性杂蛋白质别离，可考虑。13、发酵液预处理时调整PH的主要作用：对于氨基酸、蛋白质等两性物质，调 pH 至等电点，在等电点下溶解度最小，此即 为等电点沉淀；在极端 pH 值下，蛋白质发生凝固，使之别离；可以使存在于胞内的发 酵产物转入液相或使发酵产物以适合的离子状态或游离状态存在于发酵液中， 防止其沉 淀、氧化或变性等；通过调整 pH 值改变膜过滤中易吸附分子的电荷性质，可减少膜堵 塞和污染；细胞(碎片

27、)及某些胶体物质在某个pH值下也可能趋于絮凝而成为较大颗粒， 有利于过滤的进行。14、对于蛋白质产品，别离过程收率较低的主要原因 ：蛋白质失活，与杂蛋白的共沉作 用，浓度低杂质多导致步骤多，目的蛋白质含量少，目的蛋白质与杂蛋白结构相似不易 别离，蛋白质变性。15、不宜采用高压匀浆法破碎的有 ：( 1)易造成堵塞的团状或丝状真菌， ( 2)较小的革 兰氏阳性菌，( 3)某些质地坚硬的亚细胞如包含体。16、细胞碎片别离的主要方法有 ：离心沉降、微过滤、双水相萃取、泡沫别离、吸附分 离。17、以下条件改变时，Cohn方程式中什么参数发生变化。盐的种类：Ks、I。盐的浓度：I。温度：B。PH： B。蛋

28、白质性质：B、Kso18、反渗透的推动力为压力差，110MPa。透析的推动力为浓度差。电渗析的推动力为 电位差。超滤的推动力为压力差0.11MPa。微滤的推动力为压力差0.10.5MPa纳滤的 推动力为压力差 0.51.5MPa。19、微滤是对称膜，截留物质为悬浮物，通过物质为大分子溶质，超滤是不对称膜，截 留物质为大分子溶质，通过物质为小分子溶质，反渗透通过物质为溶剂水，截留物质为 小分子溶质。20、从高到低排序。浓缩效果 ：沉淀别离、膜别离、萃取、色层别离。别离纯化效果： 色层别离、萃取、膜别离、沉淀别离。21、以下物质最适合用何种别离方法 ：非极性化合物萃取，氨基酸等电点沉淀，蛋 白质膜别离盐析，酸碱性物质离子交换色谱。22、 阳离子对带负电荷的发酵液胶体粒子凝聚能力的次序为：AI3+Fe3+H+Ca2+Mg2+K+Na+Li+23、萃取操作中，加大溶剂用量，会使以下因素如何变化：别离因素不变、萃取级数J、 产品收率T、产品浓度J24、微生物细胞破碎中，机械法主要考虑 ：细胞的大小、形状，细胞壁厚度，聚合物交 联程度；非机械法主要考虑：细胞壁膜的组成和结构25、试比拟溶剂萃取与分配色层别离的别离特点 ：萃取：( 1)选择性好；( 2)操作条件温和，适合于热敏物料的别离； (3)能量消