生物分離工程考試重點(diǎn)

一、名詞解釋：生物分離工程：是從微生物、動(dòng)植物細(xì)胞及其生物化學(xué)產(chǎn)物中提取有用物質(zhì)的技術(shù)。過濾：是指在某一種支撐物上放置過濾介質(zhì)，注入含固體顆粒的溶液，是液體通過固體顆粒留下，是固液分離的常用方法之一。凝集：是指在某些電解質(zhì)作用下，使擴(kuò)散雙電層的排斥電位降低，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：是指在某些高分子絮凝劑存在下，在懸浮粒子之間產(chǎn)生架橋作用而使膠粒形成粗大的絮凝團(tuán)的過程。離心分離：離心分離是基于固體顆粒和周圍液體密度存在差異，在離心場(chǎng)中使不同密度的固體顆粒加速沉降的分離過程，當(dāng)靜置懸浮液時(shí)，密度較大的固體顆粒在重力作用下逐漸下沉，這一過程也稱為沉降。離心過濾：是將料液送入有孔的轉(zhuǎn)鼓并利用離心力場(chǎng)進(jìn)行過濾的過程，以離心力為推動(dòng)力完成過濾作業(yè)，兼有離心和過濾的雙重作用。萃?。豪萌苜|(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。至少有一相為液相。吸附：一種物質(zhì)從一相移動(dòng)到另外一相的現(xiàn)象稱為吸附。如果吸附僅僅發(fā)生在表面上，就稱為表面吸附；如果被吸附的物質(zhì)遍及整個(gè)相中，則稱為吸收。吸附等溫線：固體吸附劑從溶液中吸附溶質(zhì)達(dá)到平衡時(shí)，其吸附量與溶質(zhì)濃度和溫度有關(guān)。當(dāng)溫度一定時(shí)，吸附量與濃度之間的函數(shù)關(guān)系。膜：在一種流體相間有一層薄的凝聚相物質(zhì)，把流體相分隔開來成為兩部分，這一薄層物質(zhì)稱為膜。膜本身是均一的一相或由兩相以上凝聚物構(gòu)成的復(fù)合體。膜污染：原料液中的微?；虼蠓肿优c膜有理、化或機(jī)械作用而引起的在膜表面或孔內(nèi)吸附、沉積造成膜孔徑變小甚至堵塞的不可逆現(xiàn)象。濃差極化：膜表面的濃度高于主體濃度的現(xiàn)象。（是可逆的）蒸發(fā)：使含有不揮發(fā)性溶質(zhì)的溶液沸騰汽化并移出蒸氣，從而使溶液中溶質(zhì)濃度提高的單元操作稱為蒸發(fā)。結(jié)晶：是從液相或氣相生成形狀一定、分子（或原子、離子）有規(guī)則排列的晶體的現(xiàn)象。是新相生成的過程；是利用溶質(zhì)之間溶解度的差別進(jìn)行的一種分離操作。重結(jié)晶：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，將晶體用合適得溶劑溶解再次結(jié)晶，從而使其純度提高。二、知識(shí)重點(diǎn)問答：生物分離過程的特點(diǎn)：1、產(chǎn)品豐富、種類多，導(dǎo)致分離方法的多樣性。2、絕大多數(shù)分離方法來源于化學(xué)分離。3、生物分離一般比化學(xué)分離難度大，成本更高。（這是由于：①成分復(fù)雜。②懸液中的目標(biāo)產(chǎn)物濃度低。③生物活性、條件相對(duì)溫和。④生物產(chǎn)品要求質(zhì)量高。⑤獲得高純度的干燥產(chǎn)品。⑥衛(wèi)生安全。）生物分離技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)：1、提高分離過程的選擇性。2、強(qiáng)化傳質(zhì)過程。3、生物分離過程的優(yōu)化。4、清潔衛(wèi)生（下游過程，可持續(xù)發(fā)展）。過濾預(yù)處理：1.加熱，是液體黏度降低，加快過濾速率。2、凝集與絮凝（明礬、三氯化鐵），細(xì)胞碎片、蛋白質(zhì)膠體的去除。3、助濾劑劑上的吸附（硅藻土、珍珠巖）。過濾的一般理論：1.不可壓縮濾餅：顆粒是不易變形的固體。2.可壓縮濾餅：某些膠體物質(zhì)構(gòu)成，濾餅兩側(cè)壓力增大，顆粒形狀及空隙有明顯變化。濾餅可壓縮，過濾速率較低，能耗增大。步驟：1、濾餅的形成。2、洗滌濾餅，除去無價(jià)值或不需要的溶質(zhì)。3、濾餅的清除。離心設(shè)備：離心沉降設(shè)備：1.管式離心機(jī)：優(yōu)點(diǎn)：最簡(jiǎn)單，可提供較大離心力；管狀離心機(jī)可以冷卻，蛋白質(zhì)生產(chǎn)中有利；懸浮液由管底進(jìn)，澄清液由管口流出。缺點(diǎn)：管壁上有濃漿沉積物，須定時(shí)拆卸、清洗。流出物固體損失使離心不能正常進(jìn)行。體積龐大、分離效率低。2.碟片式離心機(jī)：可連續(xù)操作但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴。料液由管頂進(jìn)，清液從加料口附近環(huán)行裂口流出（溢流）。離心過濾設(shè)備：1、三足式離心機(jī)。2、我時(shí)刻刮刀卸料離心機(jī)。3、螺旋卸料離心機(jī)。細(xì)胞破碎的方法：1.化學(xué)破碎法：滲透沖擊法、增容法、脂溶法通過改變細(xì)胞壁或膜的通透性，從而使內(nèi)含物有選擇地滲透出來，這種處理方法稱為滲透法。2.機(jī)械破碎法：勻漿法、研磨法、超聲波法、珠磨破碎法。（機(jī)械破碎處理量大、破碎效率高、速度快）3.其他破碎法：干燥法、自溶法、凍結(jié)-融化法物理破碎法缺點(diǎn)：A、高能、高溫、高噪音、高剪切力，易使產(chǎn)品變性失活；B、非專一性，胞內(nèi)產(chǎn)物均釋放，分離純化困難；C、細(xì)胞碎片大小不一，難分離?；瘜W(xué)破碎法缺點(diǎn)：A、費(fèi)用高；B、引起新的污染，尤其是其他化學(xué)方法；C、一般只有有限的破碎，常需與其他物理法連用。萃?。狠腿C(jī)理：1.物理過程：利用溶劑對(duì)需要分離的組分有較高的溶解能力。2.化學(xué)過程：溶劑首先有選擇性的與溶質(zhì)化合或絡(luò)合，在兩相中重新分配。萃取方式：1、單級(jí)萃?。ɑ旌希吻?，分液漏斗）2、多級(jí)逆流萃?。ǘ鄠€(gè)混合－澄清萃取單元串聯(lián)，原料液與溶劑分別從兩端加入，萃取相與萃余相逆向流動(dòng)。）3、雙水相萃?。河址Q為水溶液兩相分配技術(shù)。某些親水性的高分子聚合物的水溶液超過一定濃度后可以形成兩相，并且在兩相中水分占據(jù)了極大的比例，這稱為雙水相系統(tǒng)。形成：需有兩種親水成分的非互溶性。在水相中，由于各自分子結(jié)構(gòu)的不同，聚合物分子傾向于在其周圍有相同形狀、大小和極性的分子，同時(shí)，不同類型分子間的排斥力＞與親水性有關(guān)的吸引力，故聚合物發(fā)生分離，形成兩相，即聚合物的不相溶性。分配平衡（分配系數(shù)）：（1）靜電作用（2）疏水作用，分配系數(shù)一般隨著聚合物的分子量、濃度及鹽的濃度的增大而增大。影響因素：（1）成相聚合物分子量及濃度（2）鹽濃度和種類（3）pH：改變蛋白的凈電荷。（4）溫度4、反膠團(tuán)萃取，反膠團(tuán)：向非極性有機(jī)溶劑中加入表面活性劑，當(dāng)濃度＞一定濃度后，形成反膠團(tuán)。反膠束溶液是透明的、熱力學(xué)穩(wěn)定的系統(tǒng)。表面活性劑是反膠束溶液形成的關(guān)鍵。“水池”：在疏水環(huán)境中具有使親水性的大分子（蛋白質(zhì)）保持活性。反膠團(tuán)萃取蛋白步驟：1.蛋白質(zhì)從水溶液主體擴(kuò)散到界面；2.在界面形成包容蛋白質(zhì)的反膠束；3.含有蛋白質(zhì)的反膠束在有機(jī)相中擴(kuò)散離開界面。影響分配平衡的因素：（1）有機(jī)相助溶劑（2）表活和助表活（表活：增大濃度可增加反膠團(tuán)的量，從而增大對(duì)蛋白的溶解能力。助表活：是為了增加反膠團(tuán)的含水量）（3）鹽的種類（影響蛋白的分配）。特點(diǎn)：（1）有很高的萃取率和反應(yīng)萃取率，具有選擇性；（2）分離、濃縮可同時(shí)進(jìn)行，過程簡(jiǎn)單；（3）成本低、溶劑可反復(fù)使用；（4）可解決蛋白質(zhì)的失活；（5）可直接提?。◤募?xì)胞中）。5、超臨界流體萃?。⊿CF），依據(jù)：一種溶劑對(duì)固體和液體的萃取能力和選擇性較之在常溫常壓條件下有極大的提高。流體特點(diǎn)：臨界溫度，臨界壓力。密度接近液體－－萃取能力強(qiáng)；粘度接近氣體－－傳質(zhì)性能好。常用CO2特點(diǎn)：1.萃取能力容易控制；2.萃取效率高；3.回收溶劑簡(jiǎn)單；4.對(duì)CO2，近常溫下操作、廉價(jià)、無污染等，是一種“綠色工藝”。吸附吸附類型：1.物理吸附：范氏引力，無選擇性，可逆的，與吸附劑的表面積、孔孔分布和溫度等因素密切相關(guān)。2.化學(xué)吸附：吸附劑與溶質(zhì)間產(chǎn)生化學(xué)鍵。選擇性較強(qiáng)。吸附后較穩(wěn)定。3.離子交換吸附：吸附劑表面由離子組成。離子所帶電荷越多，吸附力就越強(qiáng)，電荷相同的離子，其水化半徑越小，越易被吸附。親和吸附：在一種作為載體的固相介質(zhì)上，偶聯(lián)對(duì)目標(biāo)物有專一性親和的配基，形成親和吸附劑，從混合液中吸附目標(biāo)物。親和吸附特點(diǎn)：1效率高：利用親和吸附可以從粗提液中一次性分離得到高純度的活性物質(zhì)。2分離精度高：可用于分離含量極低，結(jié)構(gòu)相近的化合物。3通用性較差，洗脫條件苛刻。親和吸附影響因素：1配基濃度：配基濃度高有利；2空間位阻：加入“手臂鏈”以降低空間位阻的影響；3配基與載體的結(jié)合位點(diǎn)4載體孔徑：孔道大?。?微環(huán)境：載體或“手臂鏈”的極性、電性。離子交換吸附：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)到分離的目的。離子交換介質(zhì)：（1）陽離子交換劑：活性基團(tuán)為酸性；（2）陰離子交換劑：活性基團(tuán)為堿性。離子交換樹脂：載體+功能基團(tuán)+平衡離子分類：1、陽離子交換樹脂，2、陰離子交換樹脂，3、兩性樹脂，4、螯合樹脂，5、均孔型離子交換樹脂影響交換速度的因素：1、顆粒大小，2、交聯(lián)度，3、溫度，4、離子的化合價(jià)，5、離子的大小，6、攪拌速度，7、溶液濃度影響交離子換選擇性的因素：1離子水合半徑2離子價(jià)3離子強(qiáng)度4溶液的酸堿度5交聯(lián)度6活性基團(tuán)的分布和性質(zhì)7載體骨架一般步驟：1平衡，使分離柱穩(wěn)定2吸附，目標(biāo)物吸附，反離子釋放3洗脫目標(biāo)物洗脫下來4再生，使樹脂重新獲得吸附能力。色譜分離原理：被分離的樣品通過固定相時(shí)，樣品組分在固定相和流動(dòng)相中的分配比例（各種作用力）不同，隨流動(dòng)相帶走時(shí)不同程度地受到阻滯而實(shí)現(xiàn)分離。將溶質(zhì)組分達(dá)到一次分配平衡的色譜柱段稱為一個(gè)理論（塔）板。塔板理論：柱長(zhǎng)的塔板數(shù)越多，表明柱效越高。分離度：色譜分析中，色譜峰相互分離的程度。分配系數(shù)Kd：當(dāng)溶質(zhì)濃度較低時(shí)，固定相濃度和流動(dòng)相濃度都成線形的平衡關(guān)系，兩者之比即為分配系數(shù)。阻滯因子Rf：是在色譜系統(tǒng)中溶質(zhì)的移動(dòng)速度和一理想標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的移動(dòng)速度之比。洗脫溶積Ve：在柱色譜法中，是溶質(zhì)從柱中流出時(shí)所通過的流動(dòng)相體積。吸附色譜法的基本原理：當(dāng)溶液中某組分的分子在運(yùn)動(dòng)中碰到一個(gè)固體表面時(shí)，分子會(huì)貼在固體表面上，發(fā)生吸附作用。固體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間的相互作用力是對(duì)稱的，其力場(chǎng)相互抵消。而處在固體表面的質(zhì)點(diǎn)，受力不對(duì)稱，其向內(nèi)的一面受到固體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的作用力大，而表面層所受作用力小，于是產(chǎn)生固體表面的剩余作用力吸附溶液組分分子。凝膠色譜法原理：樣品混合物通過一定孔徑的凝膠固定相，由于流經(jīng)體積的差異，使不同分子量的組分得以分離的色譜方法。凝膠固定相的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，流動(dòng)相的小分子物質(zhì)進(jìn)入凝膠內(nèi)，流動(dòng)速度減慢，而溶液中的大分子物質(zhì)被完全排阻，很快的流出色譜柱，從而達(dá)到分離不同分子量的物質(zhì)。特點(diǎn)：1操作簡(jiǎn)單，設(shè)備簡(jiǎn)單2分離效果好，重復(fù)性高3分離條件緩和4應(yīng)用廣泛5分辨率不高，分離操作緩慢。紙色譜法：以濾紙為載體的分配色譜法。將試樣溶于適當(dāng)溶劑，點(diǎn)樣于濾紙一端，另用一適當(dāng)溶劑系統(tǒng)，借毛細(xì)現(xiàn)象從點(diǎn)樣的一端流動(dòng)（展開），展開的濾紙取出晾干，用適當(dāng)?shù)姆椒@跡。濾紙質(zhì)地必須均勻，紋路要細(xì)，雜質(zhì)含量少，具一定機(jī)械強(qiáng)度。薄層色譜法：將固定相在固體上鋪成薄層進(jìn)行層析的方法。與紙色譜法相同，只是載體不同。沉析（蛋白質(zhì)沉淀）蛋白質(zhì)溶液穩(wěn)定的原因：（1）水化層：蛋白是膠體溶液；2）靜電斥力：溶液PH不等于PI，蛋白帶電（通常負(fù)電多），靜電引力使溶液中帶相反電荷的粒子吸附在周圍，成雙電層，產(chǎn)生電壓＞吸引力時(shí)，蛋白處于穩(wěn)定態(tài)。等電點(diǎn)沉析：溶液PH為某一值時(shí)，蛋白不帶電，此時(shí)PH為等電點(diǎn)（PI）。蛋白在PI時(shí)，溶解度最小。調(diào)節(jié)溶液的PH值，使兩性溶質(zhì)溶解度下降，析出沉淀。有機(jī)溶劑沉淀：同鹽析類似，有機(jī)溶劑濃度升高，蛋白溶解度下降。優(yōu)點(diǎn)：（1）較鹽析好，不用脫鹽；（2）溶劑沸點(diǎn)低，回收方便。缺點(diǎn)：（1）使蛋白變性失活；（2）需要低溫操作（揮發(fā)）。膜分離概念：利用膜的選擇性（孔徑大?。?，以膜的兩側(cè)存在的能量差（濃度、壓力、電位等）作為推動(dòng)力，由于溶液中各組分透過膜的遷移率不同而實(shí)現(xiàn)分離的一種技術(shù)。是利用半透膜作為選擇障礙層，從而達(dá)到分離目的。以壓力差為推動(dòng)力的膜分離：1微濾(MF)用于菌體的分離和濃縮。2超濾(UF)蛋白質(zhì)、多糖、抗生素等分離。3反滲透(RO)乙醇、丁醇和丙酮以及濃縮抗生素、氨基酸等分離。以蒸氣分壓差為推動(dòng)力:滲透氣化，微孔疏水膜。一側(cè)通原料，另一側(cè)抽真空或通入惰性氣體，膜兩側(cè)產(chǎn)生溶質(zhì)的分壓差，在此作用下，溶質(zhì)溶解于膜內(nèi)，通過膜，在透過側(cè)發(fā)生氣化，可冷凝回收。溶質(zhì)發(fā)生相變。以濃度差為推動(dòng)力的過程：透析。透析膜具有一定孔徑大小、高分子溶質(zhì)不能透過。以電位差為推動(dòng)力的過程：電滲析（離子交換膜）。利用分子的荷電性質(zhì)和分子大小的差別進(jìn)行分離的膜分離法影響膜分離的因素：1.操作形式2.壓力3.料液濃度4.流速：影響透過量5.溫度結(jié)晶晶體的性質(zhì)：1自范性：晶體具有自發(fā)地生長(zhǎng)成為結(jié)晶多面體的可能性。2各向異性：晶體的幾何特性及物理效應(yīng)常隨方向的不同而表現(xiàn)出數(shù)量上的差異。3均勻性：晶體中每一宏觀質(zhì)點(diǎn)的物理性質(zhì)和化學(xué)組成都相同。工業(yè)起晶方法：1自然起晶：指澄清的過飽和溶液達(dá)到一定的過飽和度（不穩(wěn)區(qū)）時(shí)，自發(fā)成核的過程。2刺激起晶：過飽和溶液受到一些其它因素的干擾而刺激成核，也稱外界干擾誘導(dǎo)起晶。3晶種起晶：也稱為投種起晶法。是在較低過飽和度（亞穩(wěn)區(qū)）時(shí)投入一定重量和大小的相同溶質(zhì)的晶粒，由于受晶漿中存在宏觀晶體的影響而形成晶核的方法。晶體的質(zhì)量指晶體的大小、形狀和純度三方面。過飽和溶液的形成：1熱飽和溶液冷卻2部分溶劑蒸發(fā)3真空蒸發(fā)冷卻法4化學(xué)反應(yīng)結(jié)晶法5鹽析法。曲線SS為飽和溶解度曲線，曲線TT為過飽和溶解度曲線。亞穩(wěn)區(qū)上半部為刺激結(jié)晶區(qū)，下半部分為養(yǎng)晶區(qū)。溶解度曲線是恒定的，其他曲線受環(huán)境影響。干燥干燥：是利用熱能除去目標(biāo)產(chǎn)物的濃縮懸液或結(jié)晶（沉淀）產(chǎn)品中濕分（水分或有機(jī)溶劑）的單元操作，是下游加工的最后一個(gè)過程。干燥曲線：在恒定的干燥條件下，干燥時(shí)間于物料溫度、物料濕寒量之間的關(guān)系。干燥速率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，單位干燥面積蒸發(fā)的水分量。恒速干燥階段：濕物料表面為非結(jié)合水，傳質(zhì)推動(dòng)力和傳熱推動(dòng)力為恒定值。主要由空氣流速、濕度、溫度等條件影響。降速干燥階段：物料濕含量降至臨界點(diǎn)后，進(jìn)入該階段。此階段蒸發(fā)結(jié)合水。干燥速率主要取決于