生物分离工程部分习题和答案

2 2 生物分离工程在生物技术中的地位？生物分离工程在生物技术中的地位？ 答：生物技术的主要目标产物是生物物质的高效生产，而分离纯化是生物产品工程的重 要环节，而且分离工程的质量往往决定整个生物加工过程的成败，因此，生物分离纯化过 程在生物技术中极为重要。 3 3 分离效率评价的主要标准有哪些？各有什么意义？（分离效率评价的主要标准有哪些？各有什么意义？（pptppt） 答：根据分离目的的不同，评价分离效率主要有 3 个标准： 以浓缩为目的：目标产物浓缩程度（浓缩率 m） 以纯度为目的：目标产物最终纯度（分离因子 a） 以收率为目的：产品收得率（%） 5 5 在设计下游分离过程前，必须考虑哪些问题方能确保我们所设计的工艺过程最为经济、在设计下游分离过程前，必须考虑哪些问题方能确保我们所设计的工艺过程最为经济、 可靠？可靠？(ppt)(ppt) 答：、目标产物性质及其共存杂质的特性 、充分考虑目标产物商业价值 、考虑生物加工过程自身规模 、采用步骤次序相对合理 、尽可能采用最少步骤 、产品稳定性与物性 、产品规格与型式 、生产过程中废水等排放 6 6 下游加工过程的发展趋势有哪些方面？（下游加工过程的发展趋势有哪些方面？（pptppt） 答：成本控制 和 质量控制 第二章 发酵液预处理 一 解释名词 凝聚剂凝聚剂：让不稳定的胶体微粒（或者凝结过程中形成的微粒）聚合在一起形成集合体的过 程中所投加的试剂的统称。 过滤过滤：利用多孔介质（如滤布、微孔膜、致密膜）截流悬浮液中的固体粒子，进行液固分 离的过程。 离心离心：在离心力作用下，利用固体和液体之间的密度差达到沉降分离目的。 细胞破碎细胞破碎：利用外力破坏细胞膜和细胞壁，使细胞内容物包括目的产物成分释放出来的技 术 包含体包含体：指细胞或细菌中高表达的蛋白质(也可以汇同其他细胞成分)聚集而成的不溶性颗 粒。 二 简答题 1 1 为什么要进行发酵液的预处理？常用处理方法有哪几种为什么要进行发酵液的预处理？常用处理方法有哪几种？ 答：提高过滤速度与过滤质量 改变发酵液性质(黏度、颗粒、颗粒稳定性) 去除部分杂质 使产物转入到易处理的相中（通常是液相） 方法： 加热、调节、pH、凝聚、絮凝 2 2 凝集与絮凝过程有何区别？如何将两者结合使用？凝集与絮凝过程有何区别？如何将两者结合使用？常用的絮凝剂有哪些？常用的絮凝剂有哪些？ 答：凝集：在中性盐作用下，由于双电层排斥电位降低使胶体体系不稳定的现象。 机制：破坏双电层、水化层解体胶体吸附、氢键结合等。 絮凝剂种类：A、阳离子类：如聚丙烯酰胺(+)、聚苯烯酸二烷基胺乙酯、聚二烯丙基四胺； B、阴离子类：如聚丙烯酸钠、聚苯乙烯磺酸、聚丙烯酰胺(-)； C、非离子类：如聚丙烯酰胺(0)、环氧化乙烯。 3 3 发酵液预处理中凝聚剂主要起什么作用？絮凝机理是什么？发酵液预处理中凝聚剂主要起什么作用？絮凝机理是什么？ 答：絮凝剂主要起中和电荷、架桥和网络作用（范德华力、氢键） 。 在絮凝剂高分子聚合分子的作用下，基于架桥作用，胶体颗粒和聚合物交连成网，形成 10 mm 大小的絮凝团过程。是一种以物理集合为主的过程。 4 4 细胞破碎的方法包括哪几类？工业上常用的方法有哪些？为什么？细胞破碎的方法包括哪几类？工业上常用的方法有哪些？为什么？ 机械法：固体剪切法(珠磨法、压榨法、撞击法) 液体剪切法（高压匀浆法、超声波破碎） 非机械法：酶溶胞作用、化学溶胞作用（酸碱法、表面活性剂法、抗生素） 、物理溶胞作用 （有机溶剂膨胀法、渗透冲击、冻融、 激光、高速切相流撞击、冷冻喷射） 、干燥处 工业常用方法：高压匀浆法、高速珠磨法 6 6 离心设备可分为哪两大类？离心设备可分为哪两大类？按分离因子按分离因子 FrFr 不同，离心机一般分为哪几类？不同，离心机一般分为哪几类？ 答：管式离心机（最简单，可供较大离心力；可用冷却水冷却；悬浮液由管底进，澄清液 由管口出），蝶片式离心机（流速与碟片数、微粒与转鼓轴间距离有关） 按分离因子不同，可分： 1)、常速离心机 2)、高速离心机 3)、超速离心机 8 8 固固- -液分离主要包括哪些方法和设备？液分离主要包括哪些方法和设备？ 答：1、过滤 (重力过滤、加压过滤、减压过滤) 2、离心沉降（各种离心机） 3、重力沉降 4、气悬浮 过滤设备类型：加压过滤设备： 板框过滤机、加压叶滤机 减压过滤设备： 转鼓真空过滤器、圆盘真空过滤器、带式真空过滤器 重力过滤设备： 离心过滤机 离心设备：生物工业所用的离心机多为高速离心机。离心机主要包括以下几类： 管式离心机： 多室离心机（管式离心机的变形） 碟式离心机：（人工排渣式、喷嘴排渣式、活塞排渣式等） 螺旋卸料沉降离心机 离心过滤机 三足式离心机 沉沉 淀淀: 由于物理环境变化（加入试剂、加热等） ，改变溶剂和溶质的能量平衡来降低溶 质溶解度，使溶质生成固体颗粒沉降析出的现象。 结结 晶晶: 从均匀液相或气相形成一定形状、大小的分子、原子或离子有规则排列的固体 颗粒的过程。 （工业结晶一般以液相为主） 硫酸铵饱和度硫酸铵饱和度: 指在 100g 硫酸铵溶液中硫酸铵在溶液中所占质量分数。 晶晶 种种: 在结晶法中，通过加入不溶的添加物即晶种，形成晶核，加快或促进与之晶型 或立体构型相同的对映异构体 结晶的生长。 晶晶 核核：晶体的生长中心。 饱和溶液饱和溶液：如果向溶剂中加入足够量的固体溶质，一定时间后溶剂中的溶质浓度不再升高， 溶质在固液之间达到平衡，此时溶液中的浓度称为溶解度或饱和浓度；该溶液称为饱和溶 液。 过饱和溶液过饱和溶液：一定温度、压力下，当溶液中溶质的浓度已超过该温度、压力下溶质的溶解 度，而溶质仍不析出的现象叫过饱和现象，此时的溶液称为过饱和溶液。 饱和度饱和度：某种溶液的饱和度是指在 100g 该溶液中溶质在溶液中所占质量分数。 二 简答题 2 2 常用的蛋白质沉淀方法有哪些？常用的蛋白质沉淀方法有哪些？有机溶剂沉淀蛋白质的机理什么？用乙醇沉淀蛋白质时有机溶剂沉淀蛋白质的机理什么？用乙醇沉淀蛋白质时 应注意哪些事项？应注意哪些事项？ 答：常用的蛋白质沉淀方法有： 蛋白质盐析沉淀、蛋白质等电点沉淀、有机溶剂沉淀法及运用沉淀动力学沉淀法等。 有机溶剂沉淀蛋白质的机理是： 向蛋白质溶液中加入有机溶剂，水的活度降低。随着有机溶剂溶度的增大，水对蛋白 质分子表面荷电基团的水化程度降低，液体的介电常数下降，蛋白质分子间的静电引力增 大，从而凝聚和沉淀。 用乙醇沉淀蛋白质时 应注意的事项： 1、低温条件下操作可以提高收率和减少蛋白质失活变性（加入有机溶剂为放热反应） ； 2、采用的有机溶剂必须与水互溶，与蛋白质不发生作用； 3、蛋白质分子量越大，需要加入的溶剂量越少； 4、一种蛋白质的溶解度常会因为另一种蛋白质存在而降低； 5、沉淀的蛋白如果不能再被溶解，可能已经变性； 6、很多酶和蛋白质在 20-50%（V/V）就能产生沉淀；当溶剂量达到 50%时，通常只有 分子量1500 的蛋白留在溶液中； 7、PH=PI 时，需要加入的溶剂量减少； 8、盐析法沉淀的蛋白质采用有机溶剂精制时必须与先进行透析。 5 5 简述有机溶剂沉淀的原理。简述有机溶剂沉淀的原理。 答：有机溶剂沉淀的原理： 亲水性有机溶剂加入溶液后降低了介质的介电常数，使溶质 分子之间的静电引力增加，聚集形成沉淀；水溶性有机溶剂的水合作用降低了自由水的 浓度，压缩了亲水溶质分子表面原有水化层的厚度，降低了它的亲水性，导致脱水凝集。 6 6 沉淀与结晶有何不同？沉淀与结晶有何不同？ 答：结晶为同类分子或离子以有规则排列形式析出，沉淀为溶质分子或离子以无规排列形 式析出，构成成分复杂（目标分子、杂质、溶剂等） 。 （沉淀与结晶的联系： 在本质上都是新相析出的过程，主要是物理变化，当然也存在化学 反应的沉淀或结晶。 ） 而提取原料中目标产物的方法。 2 2 反萃取反萃取(Back extraction) ： 调节水相条件，将目标产物从有机相转入水相的萃取操作 过程。 4 4 有机溶剂萃取有机溶剂萃取：用与水互不相溶的有机溶剂作为萃取剂，利用生物物质在两相中分配系 数的差异进行分离的过程 5 5 分离因子分离因子：衡量分离的程度用分离因子表示 6 6 乳化乳化：水或有机溶剂以微小液滴形式分散于有机相或水相中的现象。 9.9.反反 胶胶 团团(reverse micelles): 表面活性剂在连续有机溶剂中自发缔合形成纳米尺度 水溶性聚集体，是一种透明的、热力学稳定的体系。 1 18 8 双双水水相相萃萃取取 ：利用生物物质在互不相溶的两水相间分配系数的差异进行分离的过程 二 简答题 5 5 发酵液乳化现象是如何产生的？对分离纯化产生何影响发酵液乳化现象是如何产生的？对分离纯化产生何影响? ? 影响乳浊液稳定的因素主要有影响乳浊液稳定的因素主要有 哪些？如何有效消除乳化现象？哪些？如何有效消除乳化现象？ 答：是发酵液中存在的蛋白质和固体颗粒等物质，这些物质具有表面活剂性的作用，使有 机溶剂和水的表面张力降低（乳化剂） ，产生两种乳浊液： 油包水型 W/O 乳浊液、水包油型 O/W 型乳浊液。 乳化后使有机相和水相分层困难，出现两种夹带： 发酵液中夹带有机溶剂微滴，使目标产物受到损失； 有机溶剂中夹带发酵液给后处理操作带来困难。 影响因素：表面活性剂的种类，浓度影响表面张力，介质黏度：较大时能增强保护膜的机 械强度。液滴带电：相同电荷的颗粒互相排斥而维持乳浊液稳定。 如何消除：P101 在操作前，对发酵液进行过滤或絮凝沉淀处理，可除去大部分蛋白质及固 体微粒，防止乳化现象的发生。 乳化产生后，采取适当的破乳手段 物理方法：过滤或离心沉降乳化现象不严重，可采用的方法。 加热 稀释 吸附 加电解质 化学方法： 对于 O/W 型乳浊液，加入亲油性表面活性剂，可使乳浊液从 O/W 型转变成 W/O 型， 对于 W/O 型乳浊液，加入亲水性表面活性剂，如 SDS（十二烷基磺酸钠）或 PPB（溴代十 五烷基砒碇）可达到破乳的目的。 乳化是一种液体（分散相）分散在另一种不相混溶的液体（连续相）中的现象。当有 机溶剂（通称为油）和水混合加以搅拌时，可能产生两种形式的乳浊液，一种是油滴分 散在水中，称为水包油型（O/W）乳浊液；另一种是水滴分散在油中，称为油包水 （W/O）型乳浊液。但油与水是不相溶的，二者混在一起很快会分层，不能形成稳定的 乳浊液。只有第三种物质乳化剂存在时，才容易形成乳浊液。乳化剂多为表面活性剂， 它一般是由亲油基和亲水基两部分组成，且能降低界面张力的物质。 表面张力也可以表示为增加单位表面积所需要的功。所以表面张力降低，液体容易分 散成微滴而发生乳化。在乳浊液中，界面积大，物系的自由能大，故为热力学不稳定系统。 时间一长，乳浊液会自行破坏。因此，要形成稳定的乳浊液，还应具备使其稳定的条件。 其稳定性和下列几个因素有关：界面上是否形成保护膜；液滴是否带电；介质的粘 度。其中以为最重要。在发酵液中，蛋白质是引起乳化的最重要的表面活性物质。 生产过程出现的乳浊液是水包油（O/W），还是油包水型（W/O），主要由表面活性剂 的性质决定。当表面活性剂的亲水基团强度大于亲油基团，易生成水 包油型（O/W）乳浊 液；反之，则易生成油包水型（W/O）乳浊液。 2.乳化的防止和破乳化 为了保证溶剂萃取操作的正常进行，措施要分两方面：一方面为萃取之前去除蛋白质， 使发酵滤液中的蛋白质含量达到最低浓度；另一方面为在萃取过程中如何破坏生物产物发 酵滤液中蛋白质经酸化变性后所引起的乳化作用。一般采用的措施如下： (1)乳化的防止 严格发酵过程的代谢控制，合理确定发酵周期，准确判断放罐时间。 加强发酵液预处理和过滤操作。 常用的方法： a.过滤和离心分离b.热处理c.等电点法d.加重金属盐法e.加絮凝剂法 (2)破乳化 a.电解质中和法b.吸附法c.顶替法d.转型法 加入表面活性剂做去乳剂，改变界面的表面张力，促使乳浊液转型，就是使 W/O 型的乳浊 液变为 O/W 型的过程或者是相反的过程，但又不稳定，从而达到破乳的目的。 .解决乳化的其他途径 （1）膜技术-超滤一般选用能去除分子量在10000以上孔径的超滤膜进行过滤。 （2）反应萃取 （3）筛选其他萃取剂a.中性萃取剂b.脂肪醇类萃取剂 6 6 液液萃取从机理上分析可分为哪两类？液液萃取从机理上分析可分为哪两类？ 答：物理萃取（Physical extraction) ：根据相似相溶原理，溶质在两相之间达到分配平 衡，萃取剂与溶质之间不发生化学反应的萃取操作。 化学萃取（Physical extraction) ：利用脂溶性萃取剂与溶质之间发生化学反应生成脂溶 性复合分子，使溶质优先向有机相分配的萃取操作。 7 7 常见物理萃取体系由那些构成要素？常见物理萃取体系由那些构成要素？ 答：萃取剂，原溶剂（稀释剂），溶质（被萃取的物质） 8 8 何谓萃取的分配系数？其影响因素有哪些？何谓萃取的分配系数？其影响因素有哪些？ 答：溶质在两相中的总浓度之比。影响因素：水相 ph，温度，无机盐，有机溶剂或稀释剂 种类。 1010 何谓双水相萃取何谓双水相萃取? ? 影响生物分子在两水相中分配的因素有哪些？影响生物分子在两水相中分配的因素有哪些？常见的双水相构成体系常见的双水相构成体系 有哪些？有哪些？ 答：双水相萃取是利用生物物质在互不相溶的两水相间分配系数的差异进行分离的过程 影响因素：成相聚合物分子量与浓度，无机盐的种类和浓度，PH 值，温度 双聚合物系统聚乙二醇(PEG)/葡聚糖(Dx)体系。 聚合物与无机盐的混合溶液，例如，PEG/磷酸钾、PEG/磷酸铵、PEG/硫酸钠等常用于生物 产物的双水相萃取。 第五章 吸附与离子交换 交联度交联度：合成树脂中单体中 DVB（二乙烯苯）的百分含量。 （通常为 812%）交联度越大， 树脂越坚固，在水中越不容易膨胀；达到平衡速度慢，选择性高。 3 3 常用的离子交换树脂类型有哪些？影响离子交换速度的因素有哪些？常用的离子交换树脂类型有哪些？影响离子交换速度的因素有哪些？ 答：离子交换树脂有多种分类力浊，主要有四种：第种按树脂骨架的主要成分分类，如 聚苯乙烯型树脂、聚丙烯酸测树脂、环氧氯丙烷型多烯多胺型树脂、酚醛型树脂等；第 二种按聚合的化学反应分为共聚型树脂和缩聚型树脂；第三种按骨架的物理结构分类，可 分为凝胶型树脂亦称微孔树脂、大网格树脂亦称大孔树脂、以及均孔树脂；第四种按活性 基团分类，分为含酸性基团阳离子交换树脂和含碱性基闭的阴离子交换树脂。由于活性基 团的电离程度强弱不同又可分为强酸性和弱酸性阳离子交换树脂及强碱性和弱碱性阴离子 交换树脂。此外，还有含其他功能基团的整合树脂、氧化还原树脂以及两性树脂等。 影响交换速度的因素有： 颗粒大小；交联度； 温度； 离子的化合价；离子 的大小；搅拌速度；溶液浓度 6 6 离子交换剂性能评价主要包括哪些方面？各有什么意义？离子交换剂性能评价主要包括哪些方面？各有什么意义？ 1外观：大多数商品树脂多制成球形，其直径为 0.21.2mm。球形的优点是增大比表面积、 提高机械强度和减少流体阻力。 2膨胀度：膨胀是可逆地进行的，其程度随树脂的交联度、相反离子的种类和浓度、外部 溶液的浓度而变化，交联度大的树脂，膨胀度小，因而由于实验条件的变化而引起的膨胀 度的差异就小。但交联度小的树脂，会显著膨胀或收缩，往往造成操作上的种种困难。 3交联度：树脂的性质随着作为交联剂的 DVB 的含量不同而有所差异。合成树脂时，单体 中 DVB 的含量百分数称为交联度，在商品树脂中，通常是 8%12%。但合成时，通过改变它 和苯乙烯的混合比，可制出不同含量的产品。一般说来，交联度越大，树脂越坚固，在水 中不易溶胀。而交联度减少，树脂变得柔软，容易溶胀。 4交换容量 交换容量是单位质量的干燥离子交换剂或单位体积的湿离子交换剂所能吸附的一价离子的 毫摩尔数，是表征树脂交换能力的主要参数。 1111 透析透析：利用具有一定孔径大小高分子溶质不能透过的亲水膜将含有高分子溶质和其他小 分子溶质的溶液与纯水或缓冲液分隔，在浓差的作用下，高分子溶液中的小分子溶质透向 另一侧，而另一侧的水透向高分子侧。 1313 截留率截留率：膜对溶质的截留能力，可用小数或百分数表示 二 简答题 1 1 简述膜分离技术的优点简述膜分离技术的优点 答：1）处理效率高，设备易放大；操作方便，易于自动化；设备结构紧凑、维修成本低。 2）分离条件温和，对于热敏感物质的分离很重要； 3）化学与机械损害小，有利于减少产物失活； 4）膜分离不涉及相变，能耗低。对能量要求低，与蒸馏、结晶和蒸发相比有较大的差异； 5）有良好的选择性，浓缩的同时可达到部分纯化的效果； 6）选择适当的膜与操作参数，可得到较高的产品收率； 7）系统可在密闭的环境下操作，有利于防止外来污染； 8）不需外加化学物质，节约成本减少环境污染。 2 2 膜分离型式包括哪几主要类型（膜分离型式包括哪几主要类型（简述或图示过滤的基本形式简述或图示过滤的基本形式）？各有何特点？）？各有何特点？ A,微滤：同一般过滤，膜两侧的操作压在 0.05-0.5Mpa，除去 0.1um14um 的颗粒 B 超滤：消除了滤饼的阻力，过滤效率高；超滤回收率高；滤液的质量好；减少处理步 骤 C 反渗透：对膜一侧的料液施加压力溶剂逆着自然渗透的方向渗透，可用于海水淡化， 抗生素和氨基酸等浓缩，回收有机溶剂等 D 纳米过滤：截留小分子物质的同时能透析出盐（集透析与浓缩为一体） ；操作压力低， 节约动力 E 透析：透析方法和设备简单，价格低廉；实验室最常用的样品脱盐方法透析的速度缓 慢；溶质稀释 F 电透析:设备简单;透析速度极快（提高几十倍）; 电流直接指示电透析终点; 减轻溶 质的稀释 G 电渗析: 可大规模生产; 能耗高 H 渗透气化: 单级选择性好; 过程操作简单，易于掌握; 操作中无需加压，不会造成膜 压密; 有相变，耗能高; 蒸发通量小（2 000g/m2.h，选择性高的膜100g/m2.h） 7 7 影响膜截留率的因素有哪些？影响膜截留率的因素有哪些？ 答：A、分子特征：分子量相同时，线形分子截留率较低；支链分子较高，球状分子最大 B、电荷：对于荷电膜，膜相同的分子截留率低；反之，截留率较高 C、膜吸附：溶质与膜 有相互吸附的，截留率高；相反，截留率较低 D、其他高分子的影响：a、竞争性抑制； b、浓度的极现象使膜表面的浓度高于主体浓度 E、操作条件：温度升高，黏度下降，则截 留率降低膜面流速增大，则浓度极化减低，截留率升高 F、pH 值：当料液的 pH 值等于蛋 白质的 pI 时，溶质的截留率高于其他 pH 下的截留率 8 8 简述浓差极化模型理论要点简述浓差极化模型理论要点 答：1 浓度极化现象：在膜分离操作中，所有溶质均被透过液传送到膜表面，不能完全透 过膜的溶质受到膜的截留作用，在膜表面附近浓度升高。这种在膜表面附近浓度高于主体 浓度的现象谓之浓度极化 2 透过膜的通量（m3/s）一般表示为:Jv=P- 由于不能完全通过膜的溶质受到膜面阻力吸附在膜上形成极化层也会形成阻力， 故有： 当达到稳态时，溶质对流进入膜单元的速度等于透过膜的速度和反扩散速度之和： 边界条件为：C=Cb X=0 JvCp=JvC-D*dc/dx C=Cm X= 利用上述边界条件积分的浓差极化方程： 一、名词解释： 7 7 五对亲和配基：五对亲和配基： 抗原与单克隆抗体；荷尔蒙与受体蛋白；酶与辅酶；凝集素与糖，糖蛋白，细胞等；免疫 球蛋白与 A 蛋白和 G 蛋白 1 1、什么是生物分离工程？、什么是生物分离工程？生化分离工程：也称生物技术下游加工过程（Downstream Processing）， 从发酵液或酶反应液或动植物细胞培养液中分离、纯化生物产品的过程。 2 2、生物产品不同于化工产品的特点（发酵液特点）。、生物产品不同于化工产品的特点（发酵液特点）。A: 产物浓度低的水溶液 组分复杂 产物稳定性差，大分子，小分子 质量要求高 3 3、生化分离下游加工过程的一般流程及各流程所包含单元操作。、生化分离下游加工过程的一般流程及各流程所包含单元操作。发酵液的预处理 与固液分离（絮凝，离心，过滤，微过滤） 细胞破碎技术（球磨，高压匀浆，冷冻破碎、 化学破碎技术） 初步纯化技术（产物提取）（盐析法，有机溶剂沉淀，化学沉淀，大孔 吸附树脂，膜分离技术） 高度纯化技术 （产物精制）（各类层析，亲和，疏水，聚焦， 离子交换，凝胶层析） 成品加工 （喷雾干燥，气流干燥，沸腾干燥，冷冻干燥，结晶） 4 4、生物下游加工过程的选择准则、生物下游加工过程的选择准则 步骤少 次序合理：a 应选择不同分离纯化机理的方法联合使用：b 应首先选择 能除去含量最多杂质的方法：c 应尽量选择高效的分离方法：；d 应将最费时、成本最高的 分离纯化方法安排在最后阶段 产品规格：用成品中各类杂质的最低存在量来表示，它是确定纯化要求的程度及 由此而产生的下游加工过程方案选择的主要依据（注射，非注射，去除热原质）； 生产规模：琼脂糖凝胶、冷冻干燥 物料组成：丝状菌适合过滤，不适合中空纤维膜 产品形式：固体 适当结晶；液体 适当浓缩 产品稳定性：调节操作条件，使由于热、pH 值或氧化所造成的产品降解减少到最 低程度。如蛋白质的巯基容易氧化，使用抗氧化剂； 物性：溶解度、分子电荷、分子大小、功能团、稳定性、挥发性 危害性：溶剂萃取；基因工程菌发酵；干燥过程的防护和粉尘排放；固定化过程 溴化氰。 废水处理：BOD、COD 第二章第二章 1 1、发酵液为什么要预处理（目的）？有哪些方法？以及各方法的原理。、发酵液为什么要预处理（目的）？有哪些方法？以及各方法的原理。A、促进从悬 浮液中分离固形物的速度，提高固液分离的效率： 改变发酵液的物理性质降低液体黏度； 相对纯化，去除发酵液中的部分杂质以利于后续各步操作； 尽可能使产物转入便于 后处理的一相中（1 1）加热法）加热法 a）加热降低液体粘度；b）加热使蛋白质变性凝固，去除杂 蛋白 （2 2）调节悬浮液的）调节悬浮液的 pHpH 值值 pH 值直接影响发酵液中某些物质的电荷性质，适当调节 pH 值可改善其过滤特性。（3 3）加入惰性助滤剂）加入惰性助滤剂 a) 助滤剂是一种颗粒均匀，质地坚硬，不可 压缩的粒状惰性物质；b)在发酵液中加入固体助滤剂，则菌体可吸附于助滤剂微粒上，助 滤剂就作为胶体粒子的载体，均匀地分布于滤饼层中，降低了滤饼的可压缩性，使滤饼疏 松，减小了过滤阻力，使过滤介质堵塞现象得减轻，易于过滤。c)既能使悬浮液中幼小颗 粒状胶态物质截留在格子骨架上，又能使清液有流畅的沟道，能大大提高过滤能力和生产 效率，改善滤液澄清度，降低过滤成本。（4 4）加入反应剂）加入反应剂加入某些不影响目标产物的反应 剂，可消除发酵液中的一些杂质对过滤的影响，从而提高过滤速度。（5 5）发酵液的相对纯）发酵液的相对纯 化化 A A 高价无机离子（高价无机离子（CaCa2+ 2+、 、MgMg2+ 2+、 、FeFe2+ 2+） ）Ca2+ 草酸、草酸钠 形成草酸钙沉淀（注意 回收草酸） ；Mg2+三聚磷酸钠 形成三聚磷酸钠镁可溶性络合物；Fe2+ 黄血盐， 普鲁士兰沉淀 B B 杂蛋白：沉淀法；变性法；吸附法杂蛋白：沉淀法；变性法；吸附法 （6 6）凝聚和絮凝）凝聚和絮凝凝聚：胶体粒子在中性盐促进下脱稳相互聚集成大粒子（1mm）大 小块状凝聚体的过程。絮凝：大分子聚电解质将胶体粒子交联成网状，形成 10mm 大小的 絮凝团的过程。其中絮凝剂主要起架桥作用。 2 2、什么是絮凝、混凝？常用的絮凝、混凝剂有哪些？、什么是絮凝、混凝？常用的絮凝、混凝剂有哪些？答：见上 A）混凝：首先加入无机电解质，使悬浮粒子脱稳而凝聚，然后，再加入絮凝剂。凝 聚作用为絮凝剂的架桥创造了良好的条件，从而提高了絮凝效果。这种包括凝聚和絮凝机 理的过程，称为混凝。B）常用絮凝剂：按来源可分为四类：按来源可分为四类：人工合成有机高分子聚合物； 天然有机高分子聚合物 ；无机高分子聚合物；微生物絮凝剂 根据活性基团在水中解离情况不同：根据活性基团在水中解离情况不同：阴离子型（含有羧基) ；阳离子型（含有胺基） ；非离子型。凝聚剂：凝聚剂：硫酸铝 Al2(SO4)318H2O（明矾）； 氯化铝 AlCl36H2O;三氯化铁 FeCl3;硫酸亚铁 FeSO47H2O ；石灰；ZnSO4；MgCO3 3 3、固液分离的方法有哪些？过滤操作的一些基本设备及其原理，离心分离碟片机工、固液分离的方法有哪些？过滤操作的一些基本设备及其原理，离心分离碟片机工 作原理作原理答： 固液分离方法主要是过滤和离心 。1）按操作方式分类：间歇过滤机、连续 过滤机 按操作压强差分类：压滤、吸滤和离心过滤 2）典型过滤设备：a 实验室用抽滤装置： 压差作为推动力 b 板框压滤机（间歇操作）：板框压滤机的过滤推动力来自泵产生的液压 或进料贮槽中的气压；c 真空过滤机（连续操作）：真空过滤设备以大气与真空之间的压 力差作为过 滤操作的推动力。d 过滤式离心机 ：(转动离心)3 3）碟片式离心机工作原理）碟片式离心机工作原理 （好好看看）（好好看看） 悬浮液由位于转鼓中心的进料管加入转鼓，从碟片外缘进入碟片间隙内缘流动。由于 碟片的高速旋转，便产生了惯性离心力，其中密度较大的固体颗粒在离心力作用下沉降到 碟片上形成沉渣（或液层）。沉渣沿碟片表面滑动而脱离碟片并积聚在转鼓内直径最大的 部位。液体则由于密度小，在后续液体的推动下沿着碟片的隙道向转子中心流动，然后沿 中心轴上升，从套管中排出，达到分离的目的。 第四章第四章 1 1、什么是膜分离技术？、什么是膜分离技术？答：利用膜的选择性，以膜的两侧存在的能量差作为推动力， 允许某些组分透过而保留混合物中其它组分，从而达到分离目的的技术。 2 2、膜的分类（根据膜结构）、膜的分类（根据膜结构）答：a、对称性膜：又称为均质膜，各向同性膜，膜两侧 截面的结构及形态相同，且孔径与孔径分布也基本一致的膜。b、不对称膜：指膜的化学结 构或物理结构随膜的部位而异，即各向异性的膜。c、复合膜： 在多孔支撑层上覆盖一 层不同材料的致密皮层构成。复合膜也是一种对称膜 3 3、膜技术分类（根据推动力不同），各分类里单元操作概念、膜技术分类（根据推动力不同），各分类里单元操作概念答：根据推动力不同， 分为 以静压力差静压力差为推动力的过程：微滤、超滤、纳滤、反渗透；以蒸气分压差蒸气分压差为推动力的 过程：膜蒸馏、渗透蒸发；以浓度差浓度差为推动力的分离过程：渗析；以电位差电位差为推动力的膜 分离过程：电渗析。 4 4、膜过滤装置类型？各自特点是什么？、膜过滤装置类型？各自特点是什么？答：平板式平板式：优点: 结构紧凑、简单，能 承受高压；保留体积小，你通过能稳定，工艺简单缺点: 投资费用大，浓差极化严重，易 堵塞，单位体积中所含过滤面积较小卷式（螺旋式）卷式（螺旋式）：优点优点: 单位体积中所含过滤面积 大，换新膜容易，价格低缺点缺点: 料液需预处理，压力降大,易污染,清洗困难管式管式：优点：优点： 易清洗，无死角，耐高压，适宜于处理含固体较多的料液，单根管子可以调换缺点缺点: : 保留 体积大，单位体积中所含过滤面积较小，压力降大，成本高中空纤维式中空纤维式:优点优点: 保留体积 小，单位体积所含过滤面积大，可以逆洗，操作压力较低，动力消耗较低，价格低缺点缺点: 料液需要预处理，单根纤维损坏时需调换整个模件，易堵塞，不易清洗 5 5、表征膜性能的参数有哪些？、表征膜性能的参数有哪些？答：a 水通量：水通量：一定条件下（一般压力为 0.1MPa，温 度为 20）通过测量透过一定纯水所需的时间测定。b b 孔的性质（孔径、孔分布、孔隙度）孔的性质（孔径、孔分布、孔隙度） c c 截断分子量（截断分子量（MMCOMMCO）：）：相对于一定截留率(通常为 90或 95)的分子量 d d 抗压能力抗压能力 e e pHpH 适用范围适用范围 f f 对热和溶剂的稳定性对热和溶剂的稳定性 6 6、什么是浓差极化？什么是凝胶极化？、什么是浓差极化？什么是凝胶极化？答：1、浓差极化：在分离过程中，料液中溶 剂在压力驱动下透过膜，大分子溶质被带到膜表面，但不能透过，在膜表面与临近膜面区 域浓度越来越高，产生膜面到主体溶液之间的浓度梯度，形成边界层，这种膜面溶质浓度 高于主体浓度的现象称为浓差极化。2、凝胶极化：当膜表面的溶质浓度超过溶质的溶解度 时，溶质会析出，形成凝胶层；当分离含有菌体、细胞或其他固形成分的料液时，也会在 膜表面形成凝胶层，这种现象称为凝胶极化。 7 7 膜污染是怎么造成的？如何清除和有效防止膜污染？膜污染是怎么造成的？如何清除和有效防止膜污染？答：A、（1）膜的污染大体可 分为沉淀污染、吸附污染、生物污染 （2）处理物料中的微粒，胶体或溶质大分子与膜存 在物理化学作用或机械作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附，沉积造成膜孔径变小或堵塞， 使膜产生透过流量与分离特性的不可逆变化现象。（浓差极化加剧了膜污染）B、减轻膜污 染的方法预处理：预先处理使膜发生变化的因素。选择合适的抗污染的膜材料，改变 膜的性质改善操作条件开发抗污染的膜 C、膜污染的清洗方法物理清洗物理清洗( (机械刮除; 冲洗及浸泡) )：借助液体流动产生的机械力将膜面上的污染物冲刷掉。化学清洗：化学清洗：根据所 形成的附着层的性质，采用合适的化学试剂清洗。选择化学清洗剂要注意三点：1要尽量 判别是何种物质引起污染；2清洗剂要不致于对膜或装置有损害， 8 8、膜分离操作方式，各自特点？、膜分离操作方式，各自特点？答：1、开路式操作：料液一次性通过组件，透过液 的体积非常少，回收率低，要求非常大的膜。仅用于浓差极化效应忽略不计和流动速率要 求不高的情况。2、间歇式操作：截留需回流进料罐中，以达到循环的目的。这是浓缩一定 量物质的最快方法。要求的膜面积小，在整个操作时间内的平均浓度要低得多，平均通量 较高，所需膜面积较小，装置简单，成本较低。但需要较大的储槽，适用于规模较小，药 物和生物制品中。3、进料和排放式操作（连续式操作）特点：产品在系统中停留时间较短， 对热敏或剪切力敏感的产品有利，容易实现自动化，主要用于大规模生产，如奶制品工业 中。连续操作中，级数愈多，则所需的总膜面积就愈小。 第五章第五章 1 1、萃取、反萃取等的基本概念、萃取、反萃取等的基本概念答：萃取：利用溶质在互不相溶的两相之间分配系 数的不同而使溶质从一种溶剂内转移到另外一种溶剂中，从而得到纯化或浓缩的方法。 反萃取：溶质从萃取剂转移到反萃剂的过程。料液：在溶剂萃取中，被提取的溶液； 溶质：其中欲提取的物质；萃取剂：用以进行萃取的溶剂；萃取液：经接触分离后， 大部分溶质转移到萃取剂中得到的溶液；萃余液：被萃取出溶质的料液。 2 2、什么是分配定律？其使用条件？、什么是分配定律？其使用条件？答：分配定律：是指在一定温度、压力下，溶质 分子分布在两个互不相溶的溶剂里，达到平衡后，如果其在两相中的相对分子质量相等， 则它在两相中的平衡浓度之比为一常数 Ko，这个常数称为分配常数，即： K o 萃取相 浓度/萃余相浓度 XY 注：液液萃取是以分配定律为基础。分配系数表征萃取剂对溶质的萃取能力。 应用条件：(1)稀溶液；(2)溶质对溶剂之互溶度没有影响；(3)必须是同一种分子类 型，即不发生缔合或离解。 3 3、pHpH 对弱电解质萃取的效率有何影响？对弱电解质萃取的效率有何影响？答：水相 pH 值对弱电解质分配系数具有显著 影响。物理萃取时，弱酸性电解质的分配系数随 pH 值降低而增大，弱碱性电解质随 pH 值 降低而减少。 4 4、发酵液乳化现象产生原因及影响？如何消除？、发酵液乳化现象产生原因及影响？如何消除？发酵液中的乳化现象主要是由蛋 白质和其它固体颗引起的乳化，构成型式为 o/w 型。这一方面是由于蛋白质分散在两相界 面，形成无定形黏性膜起保护作用，另一方面，发酵液中存在着一定数量的固体粉末，对 已产生的乳化层也有稳定作用。在形成乳化的过程中，一定存在某种表面活性物质在形成乳化的过程中，一定存在某种表面活性物质HLB 亲水亲油平衡值：表示表面活性剂亲水性的一个参数，可理解为表面活性剂分子中亲水基 和憎水基之间的平衡数值。a、HLB=（亲水基部分的相对分子质量/表面活性剂的相对分子 质量）*100/5b、HLB=3-6 油包水型乳化剂；LB=8-15 水包油型乳化剂。影响：两种夹带, a 发酵液废液中（萃余相）夹带有机溶剂微滴，造成发酵单位的损失，使目标产物受到损 失。b 溶剂相（萃取相）中夹带发酵液微滴，给以后的精制造成困难。 5 5、什么是液膜萃取？包括哪些组成？、什么是液膜萃取？包括哪些组成？答：它是一种以具有选择透过性的液态膜为 分离介质,以浓度差为推动力的液体混合物的膜分离操作。它与溶剂萃取的传质机理虽然不 同，但都属于液-液系统的传质分离过程。液膜分离涉及三种液体：a、通常将含有被分 离组分的料液作连续相，称为外相；b、接受被分离组分的液体，称为内相；c、成膜的液 体处于两者之间，称为膜相。在液膜分离过程中，被分离组分从外相进入膜相，再转入内 相，浓集于内相。 6 6、液膜分离的机理是什么？液膜分离有哪些类型？、液膜分离的机理是什么？液膜分离有哪些类型？答：A 液膜分离的传质机理，按液 膜渗透中有无流动载体分为两类：无流动载体液膜分离机理；有载体液膜分离机理 1 1、无、无 流动载体液膜流动载体液膜选择性渗透选择性渗透：即单纯靠待分离的不同组分在膜相液中的溶解度和扩散系数 的不同导致透过膜的速度不同来实现分离的。滴内化学反应（滴内化学反应（型促进迁移）型促进迁移）： 2 2、载、载 体液膜分离体液膜分离膜相化学反应（膜相化学反应（ 型促进迁移）：型促进迁移）：在膜相加入可与目标产物发生可逆化学反 应的萃取剂 S，目标产物与该萃取剂在膜相的料液一侧发生正向反应生成中间产物。此中 间产物在浓差作用下扩散到膜相的另一侧，释放了目标产物。载体输送分为两种：反向迁 移（即供能物质与目标溶质迁移方向相反）；同向迁移（即供能物质与目标溶质迁移方向 相同。） 7 7、液膜分离的基本操作过程有哪些？、液膜分离的基本操作过程有哪些？答：1 1、制备液膜、制备液膜： 2 2、液膜萃取、液膜萃取 3 3、澄清分离、澄清分离 4 4、破乳：、破乳： a、化学破乳 B、静电破乳 8 8、什么是胶束、反胶束？什么是反胶束萃取？反胶束萃取的影响因素有哪些？、什么是胶束、反胶束？什么是反胶束萃取？反胶束萃取的影响因素有哪些？答： A、胶束：胶束：表面活性剂的极性头朝外，疏水的尾部朝内，中间形成非极性的“核心”。在此 核心可以溶解非极性物质。反胶束：反胶束：向有机溶剂中加入表面活性剂，当表面活性剂的浓度 超过临界胶束浓度时，其在有机溶剂中也会形成胶束。是两性表面活性剂在非极性有机溶 剂中亲水性基团自发地向内聚集而成的，内含微小水滴的，空间尺度仅为纳米级的集合型 胶体反胶团。B、反胶团萃取反胶团萃取的本质仍是液-液有机溶剂萃取，但与一般有机溶剂萃取 所不同的是，反胶团萃取利用表面活性剂在有机相中形成的反胶团，从而在有机相内形成 分散的亲水微环境；使生物分子在有机相（萃取相）内存在于反胶团的亲水微环境中，消 除了生物分子，特别是蛋白质类生物活性物质难于溶解在有机相中或在有机相中发生不可 逆变性的现象。C、影响因素：1、水相 pH 值对萃取的影响；2、盐浓度；3、盐种类对萃取 的影响；4、表面活性剂种类的影响；5、表面活性剂浓度的影响；6、助表面活性剂的影响； 7、有机溶剂的影响；8、温度的影响 9 9、什么是超临界流体？它有哪些性质？简述超临界萃取的原理。、什么是超临界流体？它有哪些性质？简述超临界萃取的原理。答：1、超临界流体： 当一种流体处于其临界点以上的的温度和压力时，物质处于既非液体也非气体的超临界状 态，称之为超临界流体。a、超临界流体具有气体和液体之间的性质，且对许多物质均具有 很强的溶解能力，分离速率远比液体萃取快，可以实现高效的分离过程。b、特点：密度接 近液体萃取能力强；粘度接近气体传质性能好 2、用 SCF 作萃取剂时，是在临界 点附近，压力和温度微小的变化都可以引起流体密度很大的变化，并相应地表现为溶解度 的变化。因此，可以利用压力、温度的变化来实现萃取和分离的过程。在较高压力下，将因此，可以利用压力、温度的变化来实现萃取和分离的过程。在较高压力下，将 溶质溶解于流体中，然后降低流体溶液的压力或升高流体溶液的温度，使溶解于超临界流溶质溶解于流体中，然后降低流体溶液的压力或升高流体溶液的温度，使溶解于超临界流 体中的溶质因密度下降，溶解度降低而析出，从而实现特定溶质的萃取。体中的溶质因密度下降，溶解度降低而析出，从而实现特定溶质的萃取。 1010、超临界萃取的主要流程。、超临界萃取的主要流程。答：超临界流体萃取的过程是由萃取阶段萃取阶段和分离阶段分离阶段组 合而成的。 1111、什么是双水相萃取？它有哪些优点？包括哪些类型？、什么是双水相萃取？它有哪些优点？包括哪些类型？答： 1、双水相的形成：双 水相现象是当两种聚合物或一种聚合物与一种盐溶于同一溶剂时，当聚合物或无机盐浓度 达到一定值时，就会分成不互溶的两相。2、双水相萃取与水-有机相萃取的原理相似,都是 依据物质在两相间的选择性分配。当萃取体系的性质不同时,物质进入双水相体系后,使 其在上、下相中的浓度不同。K= C 上/ C 下 ；其中 K 为分配系数，C 上和 C 下分别为被分 离物质在上、下相的浓度。 分配系数 K 等于物质在两相的浓度比,由于各种物质的 K 值 不同,可利用双水相萃取体系对物质进行分离。3、优点使固液分离和纯化两个步骤同时 进行，一步完成；操作条件温和；生物活性蛋白质在两相中不会失活，且以一定比例 分配于两相中。两相的界面张力小，两相易分散，分相时间短,目标产物有较高的收率。 双水相分配技术易于连续化操作，处理量大，适合工业应用。4、双水相体系的类型 A、 两种非离子型聚合物 B、非离子型聚合物-聚电解质 C、两种聚电解质 D、聚合物-无机盐 第六章第六章 1 1、蛋白质胶体稳定的原因有哪些？、蛋白质胶体稳定的原因有哪些？答：水化层：由于胶粒表面的水化作用，形成 了水化层，也能阻碍直接聚集。水化膜主要是伴随胶粒带电而引起，一旦 电位降低或消 失，水化层也会随之减弱或消失。静电排斥：产生电排斥作用，阻止了粒子的聚集。 电位越大，电排斥作用就越强，胶粒的分散程度也越大。 2 2、常用的蛋白质陈定方法有哪些？各自有什么原理？、常用的蛋白质陈定方法有哪些？各自有什么原理？答：（1）盐析：盐析：1.高浓度盐离 子使蛋白质表面双电层厚度降低，静电排斥作用减弱，从而相互靠拢；2.中性盐比蛋白质 具更强的亲水性，因此将与蛋白质争夺水分子，使蛋白质脱去水化膜，疏水区暴露，由于 疏水区的相互作用导致沉淀； （2 2）等电点沉淀：）等电点沉淀：当溶液 pH 值为蛋白质的等电点时，分子表面的净电荷为零，导致 蛋白质表面双电层和水化膜的削弱或破坏，分子间引力增加，形成蛋白质聚集体，进而产 生沉淀。（3 3）有机溶剂沉淀：）有机溶剂沉淀：1、降低了溶质的介电常数，使溶质之间的静电 引力增 加，从而出现聚集现象，导致沉淀。2、由于有机溶剂的水合作用，降低了自由水的浓度， 降低了亲水溶质表面水化层的厚度，降低了亲水性，导致脱水凝聚。 （4 4）非离子型聚合）非离子型聚合 物沉淀法：物沉淀法：聚合物的作用认为与有机溶剂相似，能降低水化度，使蛋白质沉淀。 聚合 物的空间排斥