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(chǎn)品與普通化工產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)物的雜質(zhì)各種蛋白酶降解基因工程蛋白產(chǎn)物， 應(yīng)快速分離。 ：原料液中常伴有與目標產(chǎn)物性質(zhì)非常相近的雜質(zhì)高效純化技術(shù)進行分離。 ：生物產(chǎn)品穩(wěn)定性差 嚴格限制操作條件，保證產(chǎn)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(chǎn)物收得 率，盡可能減少操作步驟。 ：各批次反應(yīng)液性質(zhì)有所差異分離技術(shù)具有一定的彈性。2 設(shè)計生物產(chǎn)品的分離工藝應(yīng)考慮哪些因素？(1) 產(chǎn)品的性質(zhì)（2）成本（3）工藝步驟（4）操作程序（5）生產(chǎn)方式（6）生產(chǎn)規(guī)模（7）產(chǎn)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(zhì)有較大差異的雜質(zhì)分開，使產(chǎn)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(zhì)相近的雜質(zhì)，是產(chǎn)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(zhì)溶液中的熱原質(zhì)？（1）生產(chǎn)過程無菌（2） 所有層析介質(zhì)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(shù)？6 純化生物產(chǎn)品的得率是如何計算的？若每一步純化產(chǎn)物得率為90%，共6步純化得到符合要求產(chǎn)品，其總收率是多少？得率=產(chǎn)品中目標產(chǎn)物總量/原料中目標產(chǎn)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(chǎn)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(zhì)不穩(wěn)定，隨時間變化，如易受空氣氧化、微生物污染、蛋白質(zhì)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(diào)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(zhì)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(jié)合使用？答：凝聚：指在投加的化學物質(zhì)（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(jié)構(gòu)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(zhì)）能在懸浮粒子之間產(chǎn)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(jié)合使用：在發(fā)酵液中加入具有高價陽離子的電解質(zhì)，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(chǎn)生篩選作用。混濁微粒被截留，不僅是篩選作用的結(jié)果，也是過濾層里面發(fā)生的吸附作用的結(jié)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(nèi)壁流動，而附著在濾膜上的殘留物質(zhì)很薄，其過濾阻力增加不大，因而能在長時間內(nèi)保持穩(wěn)定不變的過濾速度。優(yōu)點: 1.克服介質(zhì)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(zhì)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(yīng)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(chǎn)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(zhì)失活（3） 對產(chǎn)物存在著一定的毒性且會給產(chǎn)物的純化帶來困難，影響產(chǎn)物濃度4. 工業(yè)生產(chǎn)中對于細胞破碎常用的生產(chǎn)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(zhì)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(zhì)在高離子強度的溶液中溶解度降低，發(fā)生沉淀的現(xiàn)象。 影響鹽析的主要因素：溶質(zhì)種類的影響：Ks和值 溶質(zhì)濃度的影響：蛋白質(zhì)濃度大，鹽的用量小，但共沉作用明顯，分辨率低； 蛋白質(zhì)濃度小，鹽的用量大，分辨率高； pH值：影響蛋白質(zhì)表面凈電荷的數(shù)量，通常調(diào)整體系pH值，使其在pI附近； 鹽析溫度：大多數(shù)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(yīng)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(zhì)的機理什么？用乙醇沉淀蛋白質(zhì)時應(yīng)注意哪些事項？有機溶劑沉淀蛋白質(zhì)的機理是：向蛋白質(zhì)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(zhì)分子表面荷電基團的水化程度降低，液體的介電常數(shù)下降，蛋白質(zhì)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(zhì)時 應(yīng)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(zhì)失活變性（加入有機溶劑為放熱反應(yīng)）；2、采用的有機溶劑必須與水互溶，與蛋白質(zhì)不發(fā)生作用；3、蛋白質(zhì)分子量越大，需要加入的溶劑量越少；4、一種蛋白質(zhì)的溶解度常會因為另一種蛋白質(zhì)存在而降低；5、沉淀的蛋白如果不能再被溶解，可能已經(jīng)變性；6、很多酶和蛋白質(zhì)在20-50%（V/V）就能產(chǎn)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(zhì)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(chǎn)時在什么情況下面采用離心的方法來分離產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)時經(jīng)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(shù)1 理解概念：截留分子量，截留率，體積濃縮倍數(shù)2 微濾，超濾，反滲透分離技術(shù)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(gòu)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(zhì)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(nèi)溶質(zhì)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(zhì)：如：酸、堿、酶(蛋白酶)，螯合劑，表面活性劑。用起切斷離子結(jié)合作用的方法：如改變離子強度、pH、電位。起氧化作用的物質(zhì)：如過氧化氫、次氯酸鹽。用起滲透作用的物質(zhì)：如磷酸鹽、聚磷酸鹽結(jié)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(jié)晶過程中最先析出的微小顆粒(小晶體)是以后結(jié)晶的中心飽和溶液：當溶液中溶質(zhì)濃度等于該溶質(zhì)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(zhì)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(guān)系？凱爾文公式的內(nèi)容？粒度大小與溶解度之間的關(guān)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(zhì)的溶解度 R-氣體常數(shù) T-絕對溫度 -固體顆粒密度 M-溶質(zhì)的分子量 -固體顆粒與溶液間的表面張力在結(jié)晶過程中最先析出的微小顆粒(小晶體)是以后結(jié)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(jié)晶的前提，過飽和度是沉淀結(jié)晶的推動力，過飽和度越大，推動力就越大，析出沉淀結(jié)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?nèi)軇┬再|(zhì)(4) 化學反應(yīng)產(chǎn)生低溶解度物質(zhì)(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(xiàn)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(chǎn)生5. 了解飽和溫度曲線和過飽和溫度曲線的內(nèi)容？結(jié)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(jié)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(jié)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(zhì)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(jié)晶？重結(jié)晶是利用雜質(zhì)和結(jié)晶物質(zhì)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(jié)晶，以獲得高純度的晶體的操作萃取1. 理解概念：分配系數(shù)，分離因子，溶解度參數(shù)，介電常數(shù)，HLB 值 ，萃取因數(shù)，帶溶劑分配系數(shù)：當萃取體系達到平衡時，溶質(zhì)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(shù):是化合物mol極化程度的量度，又稱電容率。表征電介質(zhì)極化性質(zhì)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(shù):也稱萃取比，其定義為被萃取溶質(zhì)進入萃取相的總量與該溶質(zhì)在萃余相中總量之比。溶解度參數(shù):是衡量液體材料相容性的一項物理常數(shù)。其物理意義是材料單位體積內(nèi)聚能密度的開平方。HLB數(shù)即親水與親油平衡程度：HLB數(shù)越大，親水性越強，形成OW型乳濁液；HLB數(shù)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(zhì)，它們能和產(chǎn)物形成復合物，使產(chǎn)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(zhì)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(zhì)速率不同（3）相分離性能不同（固體與表劑）（4） 產(chǎn)物的不穩(wěn)定性3.pH 對弱電解質(zhì)的萃取效率有何影響？主要表現(xiàn)在兩方面：pH影響分配系數(shù)。一般弱酸性電解質(zhì)的分配系數(shù)隨pH降低而增加；弱堿性電解質(zhì)的分配系數(shù)隨pH降低而升高。pH影響選擇性。一般在酸性條件下，酸性產(chǎn)物可被有機溶劑萃取得到，而堿性雜質(zhì)則會形成鹽留在水相中；對于堿性產(chǎn)物應(yīng)在堿性條件下萃取。pH還影響產(chǎn)物的穩(wěn)定性。4. 發(fā)酵液乳化現(xiàn)象是如何產(chǎn)生的？對分離純化產(chǎn)生何影響? 如何有效消除乳化現(xiàn)象？產(chǎn)生：發(fā)酵液中存在的蛋白質(zhì)和固體顆粒等物質(zhì)，這些物質(zhì)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(chǎn)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(xiàn)兩種夾帶：發(fā)酵液中夾帶有機溶劑微滴，使目標產(chǎn)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(zhì)黏度：較大時能增強保護膜的機械強度。液滴帶電：相同電荷的顆粒互相排斥而維持乳濁液穩(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(zhì)及固體微粒，防止乳化現(xiàn)象的發(fā)生。乳化產(chǎn)生后，采取適當?shù)钠迫槭侄?物理方法：過濾或離心沉降乳化現(xiàn)象不嚴重，可采用的方法。 加熱 稀釋 吸附 加電解質(zhì)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(zhuǎn)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(zhì)相混合時，其混合結(jié)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(zhì)的分配？ 在兩水相中加入的無機鹽鹽析劑通過降低溶質(zhì)在水中的溶解度，使其更易轉(zhuǎn)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(zhì)的分配。另外，鹽析劑的加入還可以促進溶質(zhì)的解離，提高分配系數(shù)。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(zhì)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(lián)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(lián)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(yīng)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(chǎn)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(shù)字組成。第1位數(shù)字代表產(chǎn)品的分類，第2位數(shù)字代表骨架結(jié)構(gòu)的差異，第三位數(shù)字為順序號，用以區(qū)別基團、交聯(lián)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(shù)字，表示交聯(lián)度。3. 離子交換樹脂的分類？其主要的理化性質(zhì)有哪些？（一）按照交換的活性離子分類可分為（1） 強酸