生物分離工程思考題.doc

分離PPT思考題及部分答案分離概述1 生物產品與普通化工產品分離過程有何不同？生物下游加工過程特點： ：發(fā)酵液組成復雜，固液分離困難這是生物分離過程中的薄弱環(huán)節(jié) ：原料中目標產物含量低，有時甚至是極微量從酒精的1/10到抗菌素1/100， 酶1/100萬左右，成本高。 ：原料液中常伴有降解目標產物的雜質各種蛋白酶降解基因工程蛋白產物， 應快速分離。 ：原料液中常伴有與目標產物性質非常相近的雜質高效純化技術進行分離。 ：生物產品穩(wěn)定性差 嚴格限制操作條件，保證產物活性。 ：分離過程常需要多步驟操作，收率低，分離成本高提高每一步的產物收得 率，盡可能減少操作步驟。 ：各批次反應液性質有所差異分離技術具有一定的彈性。2 設計生物產品的分離工藝應考慮哪些因素？(1) 產品的性質（2）成本（3）工藝步驟（4）操作程序（5）生產方式（6）生產規(guī)模（7）產品穩(wěn)定性（8）環(huán)保和安全3 初步純化與高度純化分離效果有何不同？（1） 初步純化是將目標物和與其性質有較大差異的雜質分開，使產物的濃度有較大幅度的提高，可采用沉淀、吸附、萃取、超濾等單元操作.（2） 高度純化主要是除去與目標物性質相近的雜質，是產品的精制過程，可采用層析（柱層析和薄層層析）、離子交換、親和色譜、吸附色譜、電色譜.4 如何除去蛋白質溶液中的熱原質？（1）生產過程無菌（2） 所有層析介質無菌（3） 所用溶液無菌（4）親和層析（多粘菌素）5 生物分離為何主張采用集成化技術？6 純化生物產品的得率是如何計算的？若每一步純化產物得率為90%，共6步純化得到符合要求產品，其總收率是多少？得率=產品中目標產物總量/原料中目標產物總量總收率=（90%）6 =53.1441%發(fā)酵液預處理1 發(fā)酵液為何需要預處理？處理方法有哪些？1、 發(fā)酵產物濃度較低，大多為1%10%，懸浮液中大部分是水；2、懸浮物顆粒小，相對密度與液相相差不大；3、固體粒子可壓縮性大（細胞在很大程度上屬于可壓縮的粘稠物料）；4、液相粘度大，大多為非牛頓型流體；5、性質不穩(wěn)定，隨時間變化，如易受空氣氧化、微生物污染、蛋白質酶水解等作用的影響。處理方法：（1） 凝集和絮凝（2） 加熱法（3） 調pH法（4） 加水稀釋（5） 加助濾劑法（6） 加吸附劑或加鹽法（7） 熱處理法（8） 離子交換和活性炭吸附法 2 如何使用助濾劑?助濾劑的使用方法有兩種：在過濾前先在過濾介質表面預涂（鋪）一層助濾劑。助濾劑按一定比例均勻加入待過濾的料液中。3 凝集與絮凝過程有何區(qū)別？如何將兩者結合使用？答：凝聚：指在投加的化學物質（鋁、鐵的鹽類或石灰等）作用下，膠體脫穩(wěn)并使粒子相互聚集成 mm 大小塊狀凝聚體的過程。機理：a 中和粒子表面電荷 b 消除雙電層結構絮凝：指使用高分子絮凝劑（天然的和合成的大分子量聚電解質）能在懸浮粒子之間產生橋梁作用，使膠粒形成粗大絮凝團（10mm）的過程。其中絮凝劑主要起架橋作用。機理：架橋作用結合使用：在發(fā)酵液中加入具有高價陽離子的電解質，由于能降低電位和脫除膠粒表面的水化膜，就能導致膠粒間的凝聚作用4 錯流微濾與傳統(tǒng)過濾相比有何優(yōu)點？（1）傳統(tǒng)過濾作用是由兩個過程組成：篩選作用和吸附作用。如果微粒比濾層的孔隙大，即產生篩選作用。混濁微粒被截留，不僅是篩選作用的結果，也是過濾層里面發(fā)生的吸附作用的結果。在懸浮微粒過濾時，微粒的直徑使它不可能通過縫隙的入口時，被截留在過濾層的表面上，微粒又形成了第二道過濾層，在入口孔隙的上方積累，隨之堵塞了他們。（2）錯流過濾打破了傳統(tǒng)過濾的機制，即液體的流向和濾膜相切，使得濾膜的孔隙不容易堵塞。被過濾的發(fā)酵液在壓力推動下，帶著混濁的微粒，以高速在管狀濾膜的內壁流動，而附著在濾膜上的殘留物質很薄，其過濾阻力增加不大，因而能在長時間內保持穩(wěn)定不變的過濾速度。優(yōu)點: 1.克服介質阻力大 2.不能得到干濾餅 3.需要大的膜面積 4.收率高 5.質量好 6.減少處理步驟 7.染菌罐也能進行處理細胞破碎1. 細胞破碎的常用的方法有哪些？珠磨法、高壓勻漿法、超聲破碎法、酶溶法、化學滲透法2. 機械法、超聲波法等在破碎細胞時應該共同注意什么？3.酶消化法和堿處理法都是細胞破碎的有效方法，但是也都有各自的什么缺點？酶消化法缺點：（1） 價格高，通用性差，產物抑制的存在堿處理法缺點：（1） 操作時間長（2） 易引起活性物質失活（3） 對產物存在著一定的毒性且會給產物的純化帶來困難，影響產物濃度4. 工業(yè)生產中對于細胞破碎常用的生產工藝流程有那些？ 沉析、沉淀1.理解概念：硫酸銨飽和度，鹽溶， 鹽析2.常用的蛋白質沉淀方法有哪些？（1）鹽析法（2）有機溶劑沉淀法（3）等電點沉淀法（4）非離子多聚物沉淀法（5）生成鹽復合物法（6）選擇性變性沉淀（7）親和沉淀3. 影響鹽析的主要因素有哪些？鹽析：蛋白質在高離子強度的溶液中溶解度降低，發(fā)生沉淀的現象。 影響鹽析的主要因素：溶質種類的影響：Ks和值 溶質濃度的影響：蛋白質濃度大，鹽的用量小，但共沉作用明顯，分辨率低； 蛋白質濃度小，鹽的用量大，分辨率高； pH值：影響蛋白質表面凈電荷的數量，通常調整體系pH值，使其在pI附近； 鹽析溫度：大多數情況下，高鹽濃度下，溫度升高，其溶解度反而下降；4. 何謂中性鹽的飽和度？鹽析操作中，中性鹽的用量（40% 硫酸銨飽和度）如何計算？ 0300C 溶解度變化很小，加入水中后溶液體積會變大（必須考慮到）。 200C 1L加至飽和濃度時體積變大為：1.425L(實際應加入) 761g 因此，要使1L溶液濃度由M1增加到M2需要加入多少克（NH4）2SO4需要按下式計算： 200C時 G=533（M2-M1）/（4.05-0.3M2）或533（S2-S1）/（100-0.3S2） 00C時 G=505（M2-M1）/（3.825-0.285M2）或505（S2-S1）/（100-0.285S2）5.有機溶劑沉淀蛋白質的機理什么？用乙醇沉淀蛋白質時應注意哪些事項？有機溶劑沉淀蛋白質的機理是：向蛋白質溶液中加入有機溶劑，水的活度降低。隨著有機溶劑溶度的增大，水對蛋白質分子表面荷電基團的水化程度降低，液體的介電常數下降，蛋白質分子間的靜電引力增大，從而凝聚和沉淀。用乙醇沉淀蛋白質時 應注意的事項：1、低溫條件下操作可以提高收率和減少蛋白質失活變性（加入有機溶劑為放熱反應）；2、采用的有機溶劑必須與水互溶，與蛋白質不發(fā)生作用；3、蛋白質分子量越大，需要加入的溶劑量越少；4、一種蛋白質的溶解度常會因為另一種蛋白質存在而降低；5、沉淀的蛋白如果不能再被溶解，可能已經變性；6、很多酶和蛋白質在20-50%（V/V）就能產生沉淀；當溶劑量達到50%時，通常只有 分子量1500的蛋白留在溶液中；7、PH=PI時，需要加入的溶劑量減少；8、鹽析法沉淀的蛋白質采用有機溶劑精制時必須與先進行透析。離心1. 工業(yè)生產時在什么情況下面采用離心的方法來分離產物？當發(fā)酵液不易被過濾純化時，我們可以采用離心的方法來分離。2.工業(yè)生產時最有可能使用的是那三種離心機？管式離心機、碟片式離心機、離心過濾機3. 工業(yè)生產時經常使用的三種離心機的各自特點是什么？4.什么是澄清操作?什么是分離操作?液-固分離:即低濃度懸浮液的分離，稱澄清操作。液-液(或液-液-固）分離: 即乳濁液的分離，稱分離操作。膜分離技術1 理解概念：截留分子量，截留率，體積濃縮倍數2 微濾，超濾，反滲透分離技術在分子尺寸上有何區(qū)別？3 影響截留率的因素有哪些？分子的形狀、吸附作用、溫度、流速、pH 、離子強度（影響蛋白構象）4 毛細管流動模型，溶解擴散模型和優(yōu)先吸附模各適用于解釋哪些膜過程?5 膜污染有哪些途徑造成？如何有效防止和清除膜污染？污染的原因有A、凝膠極化引起的凝膠層，阻力為Rg B、溶質在膜表面的吸附層，阻力為Ras C、膜孔堵塞，阻力為Rp D、膜孔內溶質吸附，阻力為Rap防止：預處理、開發(fā)抗污染膜、加大流速、化學清洗、物理清洗膜的清洗：機械方法：加海綿球，增大流速，逆洗(對中空纖維超濾器)，脈沖流動，超聲波等。 化學方法用起溶解作用的物質：如：酸、堿、酶(蛋白酶)，螯合劑，表面活性劑。用起切斷離子結合作用的方法：如改變離子強度、pH、電位。起氧化作用的物質：如過氧化氫、次氯酸鹽。用起滲透作用的物質：如磷酸鹽、聚磷酸鹽結晶1 理解概念：晶種，晶核，晶型，飽和溶液，過飽和溶液，飽和度晶核：在結晶過程中最先析出的微小顆粒(小晶體)是以后結晶的中心飽和溶液：當溶液中溶質濃度等于該溶質在同等條件下的飽和溶解度時，該溶液稱為飽和溶液；過飽和溶液：溶質濃度超過飽和溶解度時，該溶液稱之為過飽和溶液；2 粒子大小與溶解度有何關系？凱爾文公式的內容？粒度大小與溶解度之間的關系可用開爾文方程式表示： 式中：C1、C2-分別是曲率半徑為L1、L2的溶質的溶解度 R-氣體常數 T-絕對溫度 -固體顆粒密度 M-溶質的分子量 -固體顆粒與溶液間的表面張力在結晶過程中最先析出的微小顆粒(小晶體)是以后結晶的中心，稱為晶核，微小晶核具有較大的溶解度，因此在飽和溶液中，晶核是要溶解的。只有達到一定的過飽和度時，使晶核半徑r大于臨界半徑rc，晶核才能存在。因此，溶液達到過飽和濃度是沉淀結晶的前提，過飽和度是沉淀結晶的推動力，過飽和度越大，推動力就越大，析出沉淀結晶的可能性就越大。3 有哪些方法造成溶液過飽和？過飽和溶液的形成方法 (1) 冷卻(2) 溶劑蒸發(fā)(3) 改變溶劑性質(4) 化學反應產生低溶解度物質(5)真空蒸發(fā)法(6)鹽析法 4 初級成核與次級成核是如何形成的？初級成核:過飽和溶液中的自發(fā)成核現象二次成核：向介穩(wěn)態(tài)過飽和溶液中加入晶種，會有新晶核產生5. 了解飽和溫度曲線和過飽和溫度曲線的內容？結晶過程中的飽和溫度曲線和不飽和溫度曲線的簡圖如右圖所示：S-S曲線為飽和溫度曲線，在其下方為穩(wěn)定區(qū)，在該區(qū)域溶液為不飽和溶液，不會自發(fā)結晶；T-T曲線為過飽和溫度曲線，在其上方為不穩(wěn)定區(qū)，能夠自發(fā)形成結晶；S-S曲線和T-T曲線之間為亞穩(wěn)定區(qū)，在該區(qū)域，溶液為過飽和溶液，但若無晶種存在，也不能自發(fā)形成晶體；7.常用的工業(yè)起晶方法有哪些？自然起晶法、刺激起晶法、晶種起晶法8. 影響晶體質量的因素有哪些？過飽和度、溫度、攪拌、晶種、溶液純度9.何為重結晶？重結晶是利用雜質和結晶物質在不同溶劑和不同溫度下的溶解度不同，將晶體用合適的溶劑再次結晶，以獲得高純度的晶體的操作萃取1. 理解概念：分配系數，分離因子，溶解度參數，介電常數，HLB 值 ，萃取因數，帶溶劑分配系數：當萃取體系達到平衡時，溶質在兩相中的總濃度之比。分離因子：衡量分離的程度。介電常數:是化合物mol極化程度的量度，又稱電容率。表征電介質極化性質的宏觀物理量。定義為電位移D和電場強度E之比D=E萃取因數:也稱萃取比，其定義為被萃取溶質進入萃取相的總量與該溶質在萃余相中總量之比。溶解度參數:是衡量液體材料相容性的一項物理常數。其物理意義是材料單位體積內聚能密度的開平方。HLB數即親水與親油平衡程度：HLB數越大，親水性越強，形成OW型乳濁液；HLB數越小，親油性越強，形成WO型乳濁液。帶溶劑：是指這樣一些物質，它們能和產物形成復合物，使產物更易溶于有機溶劑相去，該復合物在一定條件下又要容易分解。2. 生物物質的萃取與傳統(tǒng)的萃取相比有哪些不同點？（1）成分與相復雜（2）傳質速率不同（3）相分離性能不同（固體與表劑）（4） 產物的不穩(wěn)定性3.pH 對弱電解質的萃取效率有何影響？主要表現在兩方面：pH影響分配系數。一般弱酸性電解質的分配系數隨pH降低而增加；弱堿性電解質的分配系數隨pH降低而升高。pH影響選擇性。一般在酸性條件下，酸性產物可被有機溶劑萃取得到，而堿性雜質則會形成鹽留在水相中；對于堿性產物應在堿性條件下萃取。pH還影響產物的穩(wěn)定性。4. 發(fā)酵液乳化現象是如何產生的？對分離純化產生何影響? 如何有效消除乳化現象？產生：發(fā)酵液中存在的蛋白質和固體顆粒等物質，這些物質具有表面活劑性的作用，使有機溶劑和水的表面張力降低（乳化劑），產生兩種乳濁液： 油包水型W/O乳濁液、水包油型O/W型乳濁液。乳化后使有機相和水相分層困難，出現兩種夾帶：發(fā)酵液中夾帶有機溶劑微滴，使目標產物受到損失；有機溶劑中夾帶發(fā)酵液給后處理操作帶來困難。影響因素：表面活性劑的種類，濃度影響表面張力，介質黏度：較大時能增強保護膜的機械強度。液滴帶電：相同電荷的顆?；ハ嗯懦舛S持乳濁液穩(wěn)定。如何消除：P101在操作前，對發(fā)酵液進行過濾或絮凝沉淀處理，可除去大部分蛋白質及固體微粒，防止乳化現象的發(fā)生。乳化產生后，采取適當的破乳手段 物理方法：過濾或離心沉降乳化現象不嚴重，可采用的方法。 加熱 稀釋 吸附 加電解質化學方法： 對于O/W型乳濁液，加入親油性表面活性劑，可使乳濁液從O/W型轉變成W/O型， 對于W/O型乳濁液，加入親水性表面活性劑，如SDS（十二烷基磺酸鈉）或PPB（溴代十五烷基砒碇）可達到破乳的目的。5. 從分子相互作用的機理出發(fā)，理解兩水相體系的形成。當兩種大分子物質相混合時，其混合結果主要是由分子間作用力決定的。兩種聚合物分子間若存在相互排斥作用，即某種分子的周圍將聚集同種分子而非異種分子，達到平衡時，就可能形成兩相，而兩種聚合物分別進入一相中，形成雙水相體系。6. 在兩水相加入無機鹽如何影響物質的分配？ 在兩水相中加入的無機鹽鹽析劑通過降低溶質在水中的溶解度，使其更易轉入有機溶劑中，同時還可以減少有機溶劑在水中的溶解度來影響物質的分配。另外，鹽析劑的加入還可以促進溶質的解離，提高分配系數。7. 影響生物分子在兩水相中分配的因素有哪些？（1） 成相聚合物的相對分子質量（2） 聚合物的濃度（3） 鹽的種類（4） 鹽的濃度（5） pH（6） 溫度（7） 細胞的濃度離子交換法1 理解概念：交換容量，工作交換容量，膨脹度，濕真密度，交聯度2 離子交換樹脂如何命名？命名方法：（1）凝膠型：分類代號-骨架代號-順序代號-交聯度（2）大孔型：大孔（D）-分類代號-骨架代號-順序代號 分類代號：0-強酸，1-弱酸，2-強堿，3-弱堿，4-螯合，5-兩性，6-氧化還原。 骨架代號：0-苯乙烯系，1-苯烯酸系，2-酚醛，3-環(huán)氧，4-乙烯吡啶，5-脲醛，6-氧乙烯。 順序代號：1-99 強酸，100-199 弱酸，200-299 強堿，300-399 弱堿。 例：D101：大孔弱酸苯乙烯系1號樹脂。離子交換樹脂的全名由分類名稱、骨架（或基團）名稱、基本名稱（離子交換樹脂）排列組成。由于氧化還原樹脂與離子交換樹脂的特性不同，故在命名的排列上也有不同，其命名由基本名稱、骨架名稱、分類名稱和樹脂兩字排列組成。凡屬酸性的應在基本名稱前加一“陽”字；凡屬堿性的，在基本名稱前加一“陰”字。為了區(qū)別離子交換樹脂產品中同一類中的不同品種，在全名前必須有符號，離子交換樹脂的型號由三位阿拉伯數字組成。第1位數字代表產品的分類，第2位數字代表骨架結構的差異，第三位數字為順序號，用以區(qū)別基團、交聯劑等的不同。為了區(qū)別凝膠型和大孔型離子交換樹脂，在全名前加“大孔”兩字或加“大”字的漢語拼音首字母“D”表示大孔型樹脂。凝膠型離子交換樹脂，在型號后面用“”號連接阿拉伯數字，表示交聯度。3. 離子交換樹脂的分類？其主要的理化性質有哪些？（一）按照交換的活性離子分類可分為（1） 強酸