生化分離工程思考題及答案

1、第一章緒論1、何為生化分離技術(shù)？其主要研究那些內(nèi)容？生化分離技術(shù)是指從動植物組織培養(yǎng)液和微生物發(fā)酵液中分離、純化生物產(chǎn)品的過程中所采用的方法和手段的總稱。2、生化分離的一般步驟包括哪些環(huán)節(jié)及技術(shù)？一般說來，生化分離過程主要包括4個方面：原料液的預處理和固液分離，常用加熱、調(diào)PH凝聚和絮凝等方法；初步純化（提?。?常用沉淀、吸附、萃取、超濾等單元操作；高度純化（精制）,常選用色譜分離技術(shù)；成品加工，有濃縮、結(jié)晶和干燥等技術(shù)。3、生化分離工程有那些特點，及其重要性？特點：1、目的產(chǎn)物在初始物料（發(fā)酵液）中的含量低；2、培養(yǎng)液是多組分的混合物，除少量產(chǎn)物外，還有大量的細胞及碎片、其他代謝物（幾百上千

2、種）、培養(yǎng)基成分、無機鹽等；3、生化產(chǎn)物的穩(wěn)定性低，易變質(zhì)、易失活、易變性，對溫度、pH值、重金屬離子、有機溶劑、剪切力、表面張力等非常敏感；4、對最終產(chǎn)品的質(zhì)量要求高重要性：生物技術(shù)產(chǎn)品一般存在于一個復雜的多相體系中。唯有經(jīng)過分離和純化等下游加工過程，才能制得符合使用要求的產(chǎn)品。因此產(chǎn)品的分離純化是生物技術(shù)工業(yè)化的必需手段。在生物產(chǎn)品的開發(fā)研究中，分離過程的費用占全部研究費用的50%以上；在產(chǎn)品的成本構(gòu)成中，分離與純化部分占總成本的40-80%;精細、藥用產(chǎn)品的比例更高達7090%。顯然開發(fā)新的分離和純化工藝是提高經(jīng)濟效益或減少投資的重要途徑。4、生物技術(shù)下游工程與上游工程之間是否有聯(lián)系？它

3、們之間有聯(lián)系。生物工程作為一個整體，上游工程和下游工程要相互配合，為了利于目的產(chǎn)物的分離與純化，上游的工藝設計應盡量為下游的分離純化創(chuàng)造條件，例如，對于發(fā)酵工程產(chǎn)品，在加工過程中如果采用液體培養(yǎng)基，不用酵母膏、玉米漿等有色物質(zhì)為原料，會使下游加工工程更方便、經(jīng)濟；通常生物技術(shù)上游工程與下游工程相耦合。發(fā)酵-分離耦合過程的優(yōu)點是可以解除終產(chǎn)物的反饋抑制效應，同時簡化產(chǎn)物提取過程，縮短生產(chǎn)周期，收到一舉數(shù)得的效果。5、為何生物技術(shù)領(lǐng)域中往往出現(xiàn)“豐產(chǎn)不豐收”的現(xiàn)象？第二章預處理、過濾和細胞破碎1、發(fā)酵液預處理的目的是什么？主要有那幾種方法？且的：改變發(fā)酵液的物理性質(zhì)，加快懸浮液中固形物沉降的速率；

4、出去大部分可溶性雜質(zhì)，并盡可能使產(chǎn)物轉(zhuǎn)入便于以后處理的相中(多數(shù)是液相)，以便于固液分離及后提取工序的順利進行。方法：加熱法。升高溫度可有效降低液體粘度，從而提高過濾速率，常用于粘度隨溫度變化較大的流體?？刂七m當溫度和受熱時間，能使蛋白質(zhì)凝聚形成較大顆粒，進一步改善發(fā)酵液的過濾特性。使用加熱法時必須注意加熱溫度必須控制在不影響目的產(chǎn)物活性的范圍內(nèi)，對于發(fā)酵液，溫度過高或時間過長可能造成細胞溶解，胞內(nèi)物質(zhì)外溢，而增加發(fā)酵液的復雜性，影響其后的產(chǎn)物分離與純化；調(diào)節(jié)懸浮液的pH值,pH直接影響發(fā)酵液中某些物質(zhì)的電離度和電荷性質(zhì)，適當調(diào)節(jié)pH可以改善其過濾特性；凝聚和絮凝；使用惰性助濾劑。2、何謂絮凝

5、？何謂凝聚？何謂混凝？各自作用機理是什么？3、常用的凝聚劑有哪些？常用的絮凝劑有哪些？(1)凝聚作用：凝聚作用是指在某些投加的化學物質(zhì)的作用下，膠體粒子脫穩(wěn)并使粒子聚集成1mm：小塊狀凝聚體的過程。這些物質(zhì)稱為凝聚劑。凝聚劑的作用機理：凝聚劑的加入可使膠粒之間雙電層電位下降或者使膠體表面水化層破壞或變薄，導致膠體顆粒間的排斥作用降低，吸引作用加強，破壞膠體系統(tǒng)的分散狀態(tài)，導致顆粒凝聚。工業(yè)上常用的凝聚劑大多為陽離子型,無機鹽類：A1C13-6H2OFeCl3-6H20、A12(SO4)3-18H2OK2SO4A12(SO4)3-24H20FeS047H2OZnS04MgC03等；金屬氧化物類：

6、氫氧化鋁、氫氧化鐵等；聚合無機鹽類：聚合鋁、聚合鐵凝聚值;電解質(zhì)凝聚能力可用凝聚值來表示，使膠粒發(fā)生凝聚作用的最小電解質(zhì)濃度(mmol/L)稱為凝聚值。陽離子的價數(shù)越高，該值就越小，即凝聚能力越強。(2)絮凝作用二絮凝作用是利用帶有許多活性官能團的高分子線狀化合物(絮凝齊IJ)將膠體粒子交聯(lián)成網(wǎng)，形成10mmfc小凝絮團的過程。絮凝作用的機理：實現(xiàn)絮凝作用的關(guān)鍵在于長鏈狀結(jié)構(gòu)的多個活性官能團，包括帶電荷的陰離子(如一COOH或陽離子(如一NH2基團以及不帶電荷的非離子型基團。它們通過靜電引力、范德華力或氫鍵作用，強烈地吸附在膠粒表面。即架橋作用。工業(yè)上僅見因一絮凝到史類:有機高分子絮凝劑：聚丙

7、烯酰胺,聚丙烯酸類衍生物陰離子型絮凝劑；無機高分子聚合物，如聚合鋁鹽、聚合鐵鹽等；生物絮凝劑，主要有蛋白質(zhì)、粘多糖、纖維素和核酸等.溫避.:在實際應用中，絮凝劑與無機電解質(zhì)凝聚劑經(jīng)常搭配在一起使用，加入無機電解質(zhì)使懸浮粒子間的排斥能力降低而凝聚成微粒，然后加入絮凝劑，兩者相輔相成，二者結(jié)合的方法稱為混凝。混凝可有效提高凝聚和絮凝效果。4、何為惰性助濾劑？其使用方法有哪些？惰性助濾劑是一種顆粒均勻、質(zhì)地堅硬、不可壓縮的粒狀物質(zhì)，用于擴大過濾表面的適用范圍，使非常稀薄和非常細小的懸浮液在過濾時發(fā)生的快速擠壓和介質(zhì)堵塞現(xiàn)象得到減輕，易于過濾。原理.：助濾劑能吸附膠體，且形成的濾餅具有網(wǎng)格型結(jié)構(gòu)，不可

8、壓縮，濾孔不會被堵塞，從而提高過濾效率。常用的助濾劑一有硅藻土、纖維素、石棉粉、珍珠巖、白土、炭粒、淀粉等。最常用的是硅藻土助濾劑的使用方法：將助濾劑在支持介質(zhì)（濾布）的表面上預涂薄層12mm;將助濾劑分散在待過濾的懸浮液中.補充:生化產(chǎn)品固液分離方法：過遮、沉降和離心分離。過濾是以某種多孔性物質(zhì)作為介質(zhì)，在外力的作用下，懸浮液中的流體通過介質(zhì)孔道，而固體顆粒被截留下來，從而實現(xiàn)固液分離的過程；沉降是依靠外力的作用、利用分散物質(zhì)（固相）與分散介質(zhì)（液相）的密度差異，使之發(fā)生相對運動，而實現(xiàn)固液分離的過程;宣心父互是利用裝置所提供的慣性離心力的作用來實現(xiàn)固液分離的過程。5、深層過濾和餅層過濾的異

9、同點？依據(jù)過濾介質(zhì)所起主要作用不同可分為：餅層過濾或深層過濾。深層過濾：過濾介質(zhì)（如硅藻土、砂、顆?；钚蕴康龋┢鹬饕^濾作用，當懸浮液通過過濾層時，固體顆粒被阻攔或吸附在濾層顆粒上，使濾液得以澄清，這種方法適合于固體含量少于0.001g/mL,顆粒直徑在（5100）mm的懸浮液的過濾分離，如河水、麥芽汁、酒類和飲料的過濾澄清;餅層過濾:沉積于過濾介質(zhì)上的餅層起主要過濾作用，過濾介質(zhì)為濾布，當懸浮液通過濾布時，固體顆粒被濾布所阻攔而逐漸形成濾餅，濾餅至一定厚度時即起過濾作用，此時濾布主要起支撐作用。這種方法常用于分離固體含量大于0.001g/mL的懸浮液。6、影響過濾的因素及改善措施？影響過濾性

10、能的因素主要有：混合物中懸浮微粒的性質(zhì)和大??；混合液的粘度;操作條件：固液分離操作中溫度、pH操作壓力、濾餅厚度等；助濾劑的使用；固液分離設備和技術(shù)改善過濾性能的方法：工藝上一般采用降低混合液粘度的方法、增大被分離顆粒的粒度或者在混合液中加入助濾劑的方法、提高離心機的轉(zhuǎn)速或提高操作壓力、增大真空度、降低濾餅層的厚度，或除去濾餅等方法以改善過濾性能。7、真空過濾機與壓力式過濾機的適用范圍？真空轉(zhuǎn)鼓過濾機特別適合于固體含量較大（10%的懸浮液的分離。由于受推動力（真空度）的限制，真空轉(zhuǎn)鼓過濾機一般不適合于菌體較小和粘度較大的細菌發(fā)酵液的過濾，而且采用真空轉(zhuǎn)鼓過濾機過濾所得固相的干度不如加壓過濾。應

11、用：大規(guī)模生物分離的主要過濾設備，用于較難分離的低黏度發(fā)酵液板框過濾機比較適合固體含量1310%勺懸浮液的分離。板框過濾機過濾面積大，過濾推動力能大幅度調(diào)整，能耐受較高的壓力差，固相含水分低，能適應不同過濾特性的發(fā)酵液的過濾。應用：用于很難處理的、高黏度、高細顆粒含量的發(fā)酵液的固液分離8、機械法細胞破碎與非機械破碎相比有何特點？9、細胞破碎主要有那幾種方法？10、何謂化學法破碎細胞？其原理是什么？包括那幾種？細胞破碎技術(shù)二（一）機械法珠磨法:在磨腔中裝入小玻璃球或小鋼球，由電動機帶動攪拌碟片高速攪拌微生物細胞懸浮物和小磨球而產(chǎn)生剪切力，將細胞破碎，釋放出內(nèi)含物。一般有立式或臥式兩種珠磨機；高速

12、勻漿法：利用高壓使懸浮液通過針形閥，由于突然減壓和高速沖擊撞擊環(huán)使細胞破碎。設備是高速勻漿器，由高壓泵和均壓閥組成；超聲破碎法：另一種液相剪切破碎法，常為實驗室方法.當通過超聲探頭向懸浮液輸入聲能，大量聲能轉(zhuǎn)化成彈性波形式的機械能，引起局部的剪切梯度，使細胞破碎。（二）非機械方法酶法溶胞:利用酶分解細胞壁上特殊的化學鍵使之破裂?；瘜W法：用某些化學試劑溶解細胞壁或抽提細胞中某些組分，改變細胞壁或膜的通透性，從而使內(nèi)含物有選擇性地滲透出來。包括酸堿條件改變pH有機溶劑法、表面活性劑法等。物理法如滲透壓沖擊法、凍融法、干燥法等。11、何為包涵體？包涵體中分離產(chǎn)物一般包括哪幾個步驟？所謂包涵體是指蛋白

13、質(zhì)分子本身及與其周圍的雜蛋白、核酸等形成不溶性的，無活性的聚集體，其中大部分是克隆表達的目標產(chǎn)物蛋白。從包涵體中分離產(chǎn)物的處理步驟為：收集菌體細胞一細胞破碎一離心分離一包涵體的洗滌一目標蛋白的變性溶解一目標蛋白的復性。第三章萃取單元莖取生利用溶質(zhì)在互不相溶的兩相之間分配系數(shù)的不同而使溶質(zhì)得到純化或濃縮的方法。液液莖取,是以液體為萃取劑，含有目標產(chǎn)物的原料也為液體。液固莖,取或浸.取.是以液體為萃取劑，含有目標產(chǎn)物的原料也為固體。反萃取一:調(diào)節(jié)水相條件，將目標產(chǎn)物從有機相轉(zhuǎn)入水相的萃取操作。萃取方法分物理萃?。ㄈ苜|(zhì)根據(jù)相似相溶的原理在兩相間達到分配平衡，萃取劑與溶質(zhì)之間不發(fā)生化學反應。例如，用乙

14、酸丁酯萃取青霉素）;化學萃?。ㄓ弥苄暂腿┡c溶質(zhì)之間的化學反應生成脂溶性復合分子實現(xiàn)溶質(zhì)向有機相的分配。萃取劑與溶質(zhì)之間的化學反應，包括離子交換和絡合反應等）.1、何謂溶劑萃取?溶劑萃取是利用物質(zhì)在互不相溶的水相與有機相間的分配系數(shù)不同而達到分離的過程，也稱溶媒萃取。特點是濃縮倍數(shù)和純化倍數(shù)較高，可連續(xù)、多級操作，溶劑耗量大，對設備、安全要求高；應用在生物小分子物質(zhì)如抗生素、有機酸、氨基酸等。操作的一般過程：萃取-洗滌-反萃取2分配定律及其適用條件是什么？分配定建二在溫恒壓條件下,溶質(zhì)A在互不相溶的兩相中達到分配平衡時,如果兩相中以相同的分子形態(tài)存在，則在兩相中的平衡濃度之比為常數(shù)，稱為分配

15、常數(shù)，這就是溶質(zhì)的分配定律.K=y/x,y是A在萃取相E中的濃度mol/L,x是A在萃余相中的濃度mol/L適應條件：一定溫度和壓力下，相同分子形態(tài)（相對分子質(zhì)量相同）存在于兩相中的溶質(zhì)濃度之比。不合適弱電解質(zhì)的萃??；也不適合于化學萃取，因溶質(zhì)在各相中并非以同一種分子形態(tài)存在2、在溶劑萃取過程中pH值是如何影響酸堿弱電解質(zhì)的提取和離子交換（化學）萃取？弱電解質(zhì)分配定律公式推導得出：有機相和水相表面的K表與溫度壓力有關(guān)，還與萃取達到平衡時水相的pH密切相關(guān)酸性電解質(zhì)：K表=卜曰/AH+A-=K/1+10（PH-PKP）堿性電解質(zhì)：K表=AH/AH+A-=K/1+10（pKp-pH）化學萃取目的：

16、由于氨基酸aa和一些極性較大的抗生素的水溶性很強，在有機相中的分配系數(shù)很小甚至為零，利用一般的物理萃取效率很低，甚至無法萃取?；瘜W萃取有陰離子交換萃取和陽離子交換萃取水相條件的選擇：pH值影響分配系數(shù)K和分離因子B以及穩(wěn)定性3、何謂乳化現(xiàn)象？生物料液萃取時形成乳化形成的原因？乳化:水或有機溶劑以微小液滴形式分散于有機相或水相中的現(xiàn)象。發(fā)酵產(chǎn)物的萃取操作中產(chǎn)生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。產(chǎn)生原因：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，

17、水易于以微小液滴的形式分散于油相稱為油包水型W/O?L濁液；相反，為O/W型乳濁液。在發(fā)酵液溶劑萃取中，有蛋白質(zhì)引起的乳狀液是水包油型（O/W）的，此界面乳狀液可放數(shù)月不凝聚4、何為反膠團和反膠團萃取？反膠團:是兩性表面活性劑在非極性有機溶劑中親水性基團自發(fā)地向內(nèi)聚集而成的，內(nèi)含微小水滴的，空間尺度僅為納米級的集合型膠體。是一種自我組織和排列而成的，并具熱力學穩(wěn)定的有序構(gòu)造。反膠團萃取:是利用表面活性劑在有機相中形成分散的親水微環(huán)境，使蛋白質(zhì)類生物活性物質(zhì)溶解于其中的一種生物分離技術(shù).其本質(zhì)仍是液液有機溶劑萃取反膠團萃取蛋白質(zhì)的基本原理：反膠團萃取是有機相-水相間的分配萃取，是從主體水相向溶解

18、于有機溶劑相中反膠團微水相中的分配萃取，時也是一個濃縮操作，改變水相條件可實現(xiàn)反萃取。蛋白質(zhì)融入反膠團的推動力主要包括表面活性劑與蛋白質(zhì)分子的靜電作用力（影響因素是pH值和離子強度）和位阻效應（與含水率W有關(guān)）影響反膠團萃取的主要因素：水相pH值;離子強度；表面活性劑類型及其濃度5、反膠團萃取的特點是什么？其中尤其突出的優(yōu)點（見劃線）是什么?反膠團萃取技術(shù)的突出優(yōu)點：有很高的萃取率和反萃取率并具有選擇性；分離、濃縮可同時進行，過程簡便；進解決蛋白質(zhì)（如胞內(nèi)酶）在非細胞環(huán)境中迅速失活的問題；表面活性劑往往具有細胞破壁功效，可直接從完整細胞中提取具有活性的蛋白質(zhì)和酶；成本低，溶劑可反復使用等。6、水相的pH值和離子強度是如何影響反膠團萃取的？影響的機理是什么？水相pH值對萃取的影響:蛋白質(zhì)溶入反膠團的推動力是靜電引力,而決定蛋白質(zhì)表面電荷的狀態(tài)是水相的pH值，因此水相的pH值是影響反膠團的最主要因素.當pHpl時，蛋白質(zhì)不能溶入膠團內(nèi)，但在等電點附近，急速變?yōu)榭扇?。當pHM新帶電荷量相同QA=QB=QC第十章離心技術(shù)1、常用離心技術(shù)：一般包括差速離心法和密度梯度離心，密度梯度離心又分速率區(qū)帶離心和等密度離心。