(完整word版)生物分離原理及技術(shù)-總復(fù)習(xí)

生物分離技術(shù)總復(fù)習(xí)生物分離工程（Bioseparation)：對于由生物界自然產(chǎn)生的或由微生物菌體發(fā)酵的、動植物細(xì)胞組織培養(yǎng)的、酶反應(yīng)等各種生物工業(yè)生產(chǎn)過程獲得的生物原料，經(jīng)提取分離、加工并精制目的成分，最終使其成為產(chǎn)品的技術(shù)，又稱為下游加工過程（DownstreamProcessing）。微生物發(fā)酵液的特性發(fā)酵產(chǎn)物濃度較低，處理體積量大；各類細(xì)胞的顆粒小，相對密度與液相相差不大；細(xì)胞含等固型物含水量大，可壓縮性大；液相粘度大，大多為非牛頓型流體；產(chǎn)品生物活性不穩(wěn)定；動植物細(xì)胞不耐剪切。預(yù)處理的目的改變發(fā)酵液的物理性質(zhì)，促進(jìn)從懸浮液中分離固形物的速度，提高固液分離器的效率；去除發(fā)酵液中的部分雜質(zhì)，以利于后續(xù)各步操作。盡可能使產(chǎn)物轉(zhuǎn)入便于后處理的一相中。發(fā)酵液預(yù)處理的方法發(fā)酵液過濾特性的改變降低液體粘度調(diào)節(jié)懸浮液的pH值凝聚和絮凝凝聚作用：在某些電解質(zhì)作用下，使擴(kuò)散雙電層的排斥電位降低，使破壞膠體系統(tǒng)的分散狀態(tài)，而使膠體粒子聚集的過程。絮凝作用：在某些高分子絮凝劑存在下，在懸浮粒子之間產(chǎn)生橋梁作用而使腳力形成粗大的絮凝團(tuán)的過程。使用助濾劑加入反應(yīng)劑初步純化高價無機(jī)離子的去除雜蛋白的去除固液分離工程及設(shè)備1、過濾2、離心與沉降3、雙水相萃取4、擴(kuò)張床吸附離心分離離心過濾：轉(zhuǎn)鼓周壁開孔，為過濾式轉(zhuǎn)鼓，適合于固相含量較多，顆粒較粗的懸浮液分離離心沉降：轉(zhuǎn)鼓周壁無孔，為沉降式轉(zhuǎn)鼓，適合于固相含量較少，顆粒較細(xì)的懸浮液離心分離：轉(zhuǎn)鼓周壁無孔，轉(zhuǎn)數(shù)最高，適合于乳濁液的分離。碟片式離心機(jī)管式離心機(jī)見計算題細(xì)胞破碎細(xì)胞破碎（cellrupture）技術(shù)是指利用外力破壞細(xì)胞膜和細(xì)胞壁，使細(xì)胞內(nèi)容物包括目的產(chǎn)物成分釋放出來的技術(shù)。（見計算題，滲透壓，p39）細(xì)胞破碎方法分類萃取利用在兩個互不相溶的液相中各種組分（包括目的產(chǎn)物）溶解度的不同，從而達(dá)到分離的目的。單級萃取過程的解析計算方法假定傳質(zhì)處于平衡狀態(tài)有y－萃取相中溶質(zhì)的濃度x－萃余相中溶質(zhì)的濃度由質(zhì)量守恒定律：由以上兩式可得其中萃取因子：若P為萃取回收率多級萃取是工業(yè)生產(chǎn)最常用的萃取流程分離效率高產(chǎn)品回收率高溶劑用量少見計算，多次萃取新型萃取技術(shù)超臨界萃取利用流體在臨界點附近某一區(qū)域內(nèi)，與待分離混合物中的溶質(zhì)具有異常相平衡行為和傳遞性能，且對溶質(zhì)溶解能力隨壓力和溫度改變而在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)變動這一特性而達(dá)到溶質(zhì)分離的一項技術(shù)。密度和萃取能力接近液體，粘度擴(kuò)散系數(shù)接近氣體。雙水相萃取當(dāng)兩種聚合物或一種聚合物與一種鹽溶于同一溶劑時，由于聚合物之間或聚合物與鹽之間的不相溶性，當(dāng)聚合物或無機(jī)鹽濃度達(dá)到一定值時，就會分成不互溶的兩相。反膠團(tuán)萃取吸附與離子交換吸附是利用吸附劑對液體或氣體中某一組分具有選擇性吸附的能力，使其富集在吸附劑表面的過程。吸附過程通常包括：待分離料液與吸附劑混合、吸附質(zhì)被吸附到吸附劑表面、料液流出、吸附質(zhì)解吸回收等四個過程常見的吸附類型及其主要特點物理吸附化學(xué)吸附吸附作用力分子間引力化學(xué)鍵合力選擇性較差較高所需活化能低高吸附層單層或多層單層達(dá)到平衡所需時間快慢工業(yè)用吸附劑硅膠活性氧化鋁活性炭大孔吸附樹脂分子篩離子交換(ionexchange)概念：利用離子交換樹脂作為吸附劑，將溶液中的待分離組分，依據(jù)其電荷差異，依靠庫侖力吸附在樹脂上，然后利用合適的洗脫劑將吸附質(zhì)從樹脂上洗脫下來，達(dá)到分離、濃縮和提純的目的。離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)單元具有三維空間立體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)骨架聯(lián)接在骨架上的活性基團(tuán)（功能基團(tuán)）活性基團(tuán)所帶的相反電荷的活性離子（可交換離子）主要的多糖基離子交換樹脂離子交換纖維素 樹脂骨架為纖維素，根據(jù)活性基團(tuán)的性質(zhì)可分為陽離子交換纖維素和陰離子交換纖維素兩類 特點：骨架松散、親水性強(qiáng)、表面積大、交換容量大、吸附力弱、交換和洗脫條件溫和、分辨率高常用的離子交換纖維素有：甲基磺酸纖維素、羧甲基纖維素、二乙基氨基乙基纖維素色譜技術(shù)色譜技術(shù)是利用混合物中各組分物理化學(xué)性質(zhì)的差異（如吸附力、分子形狀及大小、分子親和力、分配系數(shù)等），使各組分在兩相（一相為固定的，稱為固定相；另一相流過固定相，稱為流動相）中的分布程度不同，從而使各組分以不同的速度移動而達(dá)到分離的目的。按機(jī)理分，有以下幾種：吸附色譜——疏水色譜分配色譜——正相（固極流非-極）與反相（固非流極-非）色譜離子交換色譜凝膠排阻色譜將樣品混合物通過一定孔徑的凝膠固定相，由于流經(jīng)提及的差異，使不同分子量的組分得以分離的色譜方法（大的先流出）親和層析膜分離與電泳膜分離的概念：利用膜的選擇性（孔徑大?。阅さ膬蓚?cè)存在的能量差作為推動力，由于溶液中各組分透過膜的遷移率不同而實現(xiàn)分離的一種技術(shù)。膜分離技術(shù)的類型和定義（板式，管式，螺旋卷式，中空纖維式）膜分離過程的實質(zhì)是物質(zhì)透過或被截留于膜的過程，近似于篩分過程，依據(jù)濾膜孔徑大小而達(dá)到物質(zhì)分離的目的，故而可以按分離粒子大小進(jìn)行分類：微濾（MF）懸浮物固體超濾（UF）大分子有機(jī)物，蛋白納濾(NF)有機(jī)酸，多糖，染料反滲透（RO）無機(jī)鹽電滲析強(qiáng)制膜分離電泳電泳（Electrophoresis）是荷電物質(zhì)（電解質(zhì)）在電場作用下發(fā)生定向泳動的現(xiàn)象。電泳分離技術(shù)是利用荷電物質(zhì)在電場中泳動速度的差別進(jìn)行分離的方法。各類電泳的工作原理常規(guī)聚丙烯酰胺凝膠電泳可用于蛋白質(zhì)定量。電泳后的凝膠經(jīng)凝膠掃描儀掃描，從而給出定量的結(jié)果.凝膠掃描儀主要用于對樣品單向電泳后的區(qū)帶和雙向電泳后的斑點進(jìn)行掃描。SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳可測定蛋白質(zhì)分子量.其原理是帶大量電荷的SDS結(jié)合到蛋白質(zhì)分子上克服了蛋白質(zhì)分子原有電荷的影響而得到恒定的荷/質(zhì)比。SDS聚丙烯酰胺凝膠電泳測蛋白質(zhì)分子量已經(jīng)比較成功，此法測定時間短，分辨率高，所需樣品量極少（1～100μg），但只適用于球形或基本上呈球形的蛋白質(zhì)，某些蛋白質(zhì)不易與SDS結(jié)合如木瓜蛋白酶，核糖核酸酶等，此時測定結(jié)果就不準(zhǔn)確.等電聚焦是將兩性電解質(zhì)加入盛有pH梯度緩沖液的電泳槽中，當(dāng)其處在低于其本身等電點的環(huán)境中則帶正電荷，向負(fù)極移動；若其處在高于其本身等電點的環(huán)境中，則帶負(fù)電向正極移動。當(dāng)泳動到其自身特有的等電點時，其凈電荷為零，泳動速度下降到零，具有不同等電點的物質(zhì)最后聚焦在各自等電點位置，形成一個個清晰的區(qū)帶，分辨率極高。雙相電泳是等電聚焦電泳和SDS的組合，即先進(jìn)行等電聚焦電泳（按照pI分離），然后再進(jìn)行SDS（按照分子大?。?，經(jīng)染色得到的電泳圖是個二維分布的蛋白質(zhì)圖沉析沉析是利用沉析劑使所需提取的生化物質(zhì)或雜質(zhì)在溶液中的溶解度降低而形成無定形固體沉淀的過程，也稱為沉淀。沉淀法的分類根據(jù)所加入的沉淀劑的不同，沉淀法可以分為：鹽析法；蛋白質(zhì)（酶）等生物大分子物質(zhì)在高濃度中性鹽存在下，溶解度降低而產(chǎn)生沉淀。等電點沉淀法；兩性電解質(zhì)在溶液PH處于等電點時，分子表面凈電荷為零，導(dǎo)致賴以穩(wěn)定的雙電層及水合膜削弱或破壞，分子間引力增加，溶解度下降，析出沉淀的操作有機(jī)溶劑沉淀法；向水中加入一定親水性的有機(jī)溶劑，降低溶質(zhì)的溶解度，使其沉淀析出的分離純化方法。（4）非離子型聚合物沉淀法；（5）聚電解質(zhì)沉淀法；（6）高價金屬離子沉淀法等。鹽析過程當(dāng)中性鹽加入蛋白質(zhì)分散體系時可能出現(xiàn)以下兩種情況：（1）“鹽溶”現(xiàn)象—低鹽濃度下，蛋白質(zhì)溶解度增大（2）“鹽析”現(xiàn)象—高鹽濃度下，蛋白質(zhì)溶解度隨之下降，原因如下：無機(jī)離子與蛋白質(zhì)表面電荷中和，形成離子對，部分中和了蛋白質(zhì)的電性，使蛋白質(zhì)分子之間的排斥力減弱，從而能夠相互靠攏；中性鹽的親水性大，使蛋白質(zhì)脫去水化膜，疏水區(qū)暴露，由于疏水區(qū)的相互作用導(dǎo)致沉淀；鹽析法IgS=B-KIKs分級鹽析法：在一定pH和溫度下，改變體系離子強(qiáng)度（鹽濃度）進(jìn)行鹽析的方法；Β分級鹽析法：在一定離子強(qiáng)度下，改變pH和溫度進(jìn)行鹽析； 其中，Ks鹽析法由于蛋白質(zhì)對離子強(qiáng)度的變化非常敏感，易產(chǎn)生共沉淀現(xiàn)象，因此常用于提取液的前處理。而β鹽析法由于溶質(zhì)溶解度變化緩慢，且變化幅度小，因此分辨率更高，常用于進(jìn)一步的純化。結(jié)晶結(jié)晶是新相生成的過程，是利用溶質(zhì)之間溶解度的差別進(jìn)行分離純化的一種擴(kuò)散分離操作，與沉淀的生成原理一致。溶液中的溶質(zhì)在一定條件下，因分子有規(guī)則的排列而結(jié)合成晶體，晶體的化學(xué)成分均一，具有各種對稱的晶型。結(jié)晶的步驟過飽和溶液的形成晶核的形成晶體生長其中，溶液達(dá)到過飽和狀態(tài)是結(jié)晶的前提；過飽和度是結(jié)晶的推動力。飽和曲線和過飽和曲線干燥干燥(Drying)是利用熱能除去濃縮懸浮液或結(jié)晶(沉淀)產(chǎn)品中濕分(水分或有機(jī)溶劑)的單元操作。通常是生物產(chǎn)品分離的最后一步，因此干燥的質(zhì)量直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和價值。物料內(nèi)水分的種類物料與水分的結(jié)合方式：化學(xué)結(jié)合水：水分與物料的離子型結(jié)合和結(jié)晶型分子結(jié)合（結(jié)晶水），結(jié)晶水的脫除必將引起晶體的崩潰；物化結(jié)合水：包括吸附、滲透和結(jié)構(gòu)水分，其中吸附水分結(jié)合力最強(qiáng)機(jī)械結(jié)合水：毛細(xì)管水、濕潤水分、孔隙水份平衡水分和自由水分平衡水分：當(dāng)一種物料與一定溫度及濕度的空氣接觸時，物料勢必會放出或吸收一定量的水分，物料的含水量會趨于一定值。此時，物料的含水量稱為該空氣狀態(tài)下的平衡水分。平衡水分代表物料在一定空氣狀態(tài)下的干燥極限，即用熱空氣干燥法，平衡水分是不能去除的自由水分：在干燥過程中能夠除去的水分，是物料中超出平衡水分的部分干燥機(jī)理在干燥過程中，當(dāng)物料中水分表面汽化的速率小于內(nèi)部擴(kuò)散的速率時，稱為表面汽化控制；強(qiáng)化措施（對對流干燥而言）：提高空氣的溫度，降低相對濕度，改善空氣與物料的接觸和流動情況，均有助于提高干燥速率。當(dāng)物料中水分表面汽化的速率大于內(nèi)部擴(kuò)散的速率，稱為內(nèi)部擴(kuò)散控制。強(qiáng)化措施：從改善內(nèi)部擴(kuò)散著手，如：減少物料厚度、使物料堆積疏松、攪拌或翻動物料、采用微波干燥等。恒速干燥階段濕物料表面為非結(jié)合水所濕潤，物料表面溫度是該空氣狀態(tài)下的濕球溫度；傳熱推動力（溫度差）以及傳質(zhì)推動力（飽和蒸汽壓差）是一個定值；干燥速率也是一個定值；該階段的干燥速率決定于物料表面水分汽化的速率、決定于水蒸氣通過干燥表面擴(kuò)散到氣相主體的速率。因此，又稱為表面汽化控制階段。此時的干燥速率幾乎等于純水的汽化速度，和物料濕含量、物料類別無關(guān)；影響因子主要有：空氣流速、空氣濕