生化分离工程习题示范.doc

南京工业大学 第一章 绪论 1、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是利用培养微生物、动物细胞、植物细胞来生产对人有用的产品，而分离纯化过程是生物产品工程的重要环节。因此，生物分离工程是生物技术的重要组成部分，是生物技术转化为生产力所不可缺少的重要环节，在生物技术研究和产业发展中发挥着重要作用，其技术进步程度对于保持和提高各国在生物技术领域内的经济竞争力有至关重要的作用。 2、生物分离工程的特点是什么？ 答：生物分离是从生物材料、微生物的发酵液、生物反应液或动植物细胞的培养液中分离并纯化有关产品（如具有药理活性作用的蛋白质等）的过程，又称为下游加工过程。 生物工程的主要特点是生物制品多种多样; 常无固定操作方法可循;生物材料组成非常复杂, 分离操作步骤多，不易获得高收率; 培养液（或发酵液）中所含目的物浓度很低，而杂质含量却很高; 分离进程必须保护化合物的生理活性; 生物活性成分离开生物体后，易变性、破坏。 3、生物分离工程可分为几大部分，分别包括哪些单元操作？ 答：生物分离工程可分为可分为不溶物的去除、产物分离、产品的纯化及产品的精制四大部分。 不溶物的去除包括过滤、离心和细胞破碎，通过这些单元操作使产物浓度和质量得到了提高。 产物分离包括离子交换吸附、萃取等。其中萃取又分为溶剂萃取、反微团萃取、 超临界流体萃取和双水相萃取等。以上分离过程不具备特异性，只是进行初分 可提高产物浓度和质量。 产品的纯化包括色谱、电泳、沉淀等单元操作，这些技术具有产物的高选择性和杂质的去除性。 产品的精制包括结晶及干燥等单元操作。 4、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？ 答：在设计下游分离过程前，通常要注意以下几个问题： 1)生物材料的组成成分非常复杂，有数百种甚至更多，各种化合物的形状、大小、相对分子质量和理化性质都各不相同，有的迄今还是未知物，而且这些化合物在分离时仍在不断的代谢变化中。 2)在生物材料中，有些化合物含量很低或极微，制备时，原材料用量很大，得到产品很少。近年来，利用某些分子特有的专一亲和力，将某一化合物从极复杂的体系中分离出来，与其他化学分离技术相比具有很大的优越性。 3)许多生物活性物质，一旦离开了生物体内环境，很易变性和被破坏，应十分注意保护这些化合物的生物活性，常选择十分温和的条件，尽可能在较低温度和洁净环境中进行。 4)生化分离制备过程几乎都在溶液中进行，各种温度、pH、离子强度等参数，对溶液中各种组成的综合影响，常常无法固定，有些实验或工艺的设计理论性不强，常带有很大的经验成分。因此，要建立重复性好的成熟工艺，对生物材料、各种试剂及其辅助材料等都要严格地加以规定。第二章 过滤 1、何谓过滤 答：过滤 （filltration）是借助粒状材料或多孔介质截除水中悬浮固体的过程。过滤是将料液通过固体支持或者过滤介质时，使得固体物质从溶液中分离，对于好的定形的晶体，这是一种最直接的步骤。过滤操作广泛用于各种化工生产中，尤其是用于分离液体中的固体颗粒，也有用于分离气体的粉尘，如袋滤器。 2、凝聚和絮凝的区别 答：凝聚从作用机理来看，是指胶体和分散系双电层压缩、电位破坏、电性中和而脱稳并聚集为絮粒的过程。 絮凝从工艺上看，是指絮粒通过吸附、交联、网捕，聚结为大絮体沉降的过程。采用凝聚方法得到的凝聚体，颗粒常常是比较细小的，有时还不能有效地分离。3、常用的絮凝剂有哪些？ 絮凝剂有不少品种，其共通特点是能够将溶液中的悬浮微粒聚集联结形成粗大的絮状团粒或团块。 （1）无机絮凝剂：简单的酸或碱、三氯化铁 （2）有机高分子絮凝剂：聚丙烯酰胺、聚苯乙烯、多聚胺衍生物 硅藻土、珍珠岩 4、过滤设备分类 答：过滤设备从传统的板框式过滤机到旋转式真空过滤设备，种类很多。最普遍的是板框式过滤机，有可填充的、金属隔片的和凹显空间滤饼的。其它类型还有平的金属板，可用滤纸或滤布过滤介质在开放式框架上分离形成滤饼。这种过滤机适合于相对的干性滤饼，能被清除，不适合有毒气和生物危害物的滤饼。 第三章 离心和沉降 1、何谓沉降 答：由于分散相和分散介质的密度不同，分散相粒子在力场(重力场或离心力场)作用下发生的定向运动。沉降的结果使分散体系发生相分离。可利用悬浮在流体(气体或液体)中的固体颗粒下沉而与流体分离。利用悬浮的固体颗粒本身的重力而获得分离的称做重力沉降(gravitational settling)。利用悬浮的固体颗粒的离心力作用而获得分离的称做离心沉降(centrifugal settling)。应用于化学、燃料、冶金等工业，如气体的净化、沉淀或晶体的集积等。 2、沉降与离心的异同 答：离心分离是基于固体颗粒和周围液体密度存在差异，在离心场中使不同密度的固体颗粒加速沉降的分离过程。当静置悬浮液时，密度较大的固体颗粒在重力作用下逐渐下沉，这一过程称为沉降 3、沉降与离心的速度方程 答：离心沉降方程为： 式中， 转鼓回转角速度，r/sr 转鼓中心轴线与微粒间距离, m. 4、离心设备可分为哪两大类?答：利用离心沉降力将悬浮液中固液相分离，其设备可分两大类：一 类是离心沉陈设备，另一类是离心过滤设备。5、常用的离心沉降设备有哪些？ 答： 离心沉降设备从操作方式上看，有间歇(分批)操作和连续操作之分；从型式上看有管式、套筒式、碟片式等型式；从出渣方式上看、有人工间歇出渣和自动出渣等方式。此外，旋液分离器也属于离心沉降设备。 6、常用的离心过滤设备有哪些？ 常用的离心过滤设备主要有三种，(1)三足式离心机；(2)卧式刮刀离心机；(3)螺旋卸料离心机第四章 细胞破碎 1、简述细胞破碎的意义 答： 细胞破碎(即破坏细胞壁和细胞膜)使胞内产物获得最大程度的释放。通常细胞壁较坚韧，细胞膜强度较差，易受渗透压冲击而破碎，因此破碎的阻力来自于细胞壁。各种微生物的细胞壁的结构和组成不完全相同，主要取决于遗传和环境等因紊，因此，细胞破碎的难易程度不同。另外，不同的生化物质，其稳定性亦存在很大差异，在破碎过程中应防止其变性或被细胞内存在的酶水解，因此选择适宜的破碎方法十分重要。 2、细胞破碎方法的大致分类 3、渗透压的计算方法 答：渗透压的数值可能很大，可以用化学平衡的概念来估算， 4、何谓萃取的分配系数？其影响因素有哪些？ 答：在研究萃取过程时，常用分配系数表示平衡的两个共存相中溶质浓度的关系。对互不混溶的两液相系统，分配系数k为 kyx 式中 y 平衡时溶质在轻相中浓度， x 平衡时溶质在重相中浓度。 5、何谓超临界流体萃取？其特点有哪些？ 答：超临界萃取就是利用超临界流体的特殊性质，使之在高压条件下与待分离的固体或液体混合物相接触，萃取出目的产物，然后通过降压或升温的办法，降低超临界流体的密度，从而萃取物得到分离。超临界萃取作为一种分离工艺的开发和应用的根据是，一种溶剂对固体和液体的苯取能力和选择性在其超临界状态下铰之在其常温常比条件下可获得极大的提高。 超临界萃取工艺具有如下特点： (1)超临界萃取同时具有精馏和液相萃取的特点，即在萃取过程中由于被分离物质问的挥发度的差异和它们分子间亲和力的不同，这两种因素同时发生作用而产生相际分离效果。 (2)超临界萃取具有独一无二的优点是它的萃取能力的大小取决于流体的密度，而流体密度很容易通过调节温度和压力来加以控制。 (3)超临界萃取的溶剂回收，方法简单并且大大节省能源。被萃取物可通过等温降压或等压降温的办法与萃取剂分离；而萃取剂只需再经压缩便可循环使用。 (4)高沸点物质往往能大量地、有选择性地溶解于超临界流体中而形成超临界流体相。由于超临界萃取工艺不一定需要在高温下操作故特别适合十分离易受热分解的物质。 超临界萃取有其不利的因素。它的主要缺点是：为了获得相当高的压力的超临界条件，设备投资将花谈很大。事实上、出于高昂的设备投资，超临界单取工艺只有在精馏和液相萃取府用不利的情况才予以考虑。 6、何谓双水相萃取?常见的双水相构成体系有哪些？ 答：双水相萃取法是利用物质在互不相溶的两水相间分配系数的差异来进行萃取的方法。 常见的双水相构成体系可以分为三类：互不相溶，形成两个水相，两种高聚物分别富集于上、下两相；复合凝聚，也形成两个水相，但两种高聚物都分配子一相，另一相几乎全部为溶剂水；完全互溶，形成均相的高聚物水溶液。第六章 吸附和离子交换 1、影响吸附的主要因素？ 答：固体在溶液中的吸附比较复杂，影响因素也较多，主要有吸附剂、 吸附质、溶剂的性质以及吸附过程的具体操作条件等。现将主要因索 简述如下。 2、亲和吸附的原理和特点是什么？ 答：亲和吸附原理：亲和吸附依靠于涪质和树脂之间特殊的化学作用，这不同于依靠范德华力的传统吸附及离子交换静电吸附。亲和吸附具有更高的选择性，吸附剂由载体与配位体两部分组成。载体与配位体之间以共价键或离子簇相连，但载体不与溶质反应。相反，被束缚的配位体有选择地与溶质反应，当涪质为大分子时，这种作用表示为“钥匙和钥匙”的机制，大致可分为三步： 配基固定化 选舞合适的配基与不溶性的支撑载体偶联，或共价结合成具有特异亲和性的分离介质。 吸附样品 亲和吸附介质选择性吸附酶或其他生物活性物质，杂质与层折介质问没有亲和作用，故不能被吸附。3、常用的离子交换树脂类型有哪些？ 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。 4、影响离子交换速度的因素有哪些？ 答：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 5、用于蛋白质提取分离的离子交换剂有哪些特殊要求，主要有哪几类？ 答：蛋内质是高相对分子质量化合物，它的体积比无机离子大很多；蛋白质是带有许多可解高基团的多价的两性电解质，在不同的pH值下，可以带不同数目的正电荷或负电荷；蛋白质有四级结构，只有在温和条件下，才能维持高级结构，否则将遭到破坏而变性。因此，陈一般树脂具备的性能外，适用于蛋白质分离纯化用树脂还需有特殊的性能，首先，必须具备良好的亲水性；其次需具备均匀的大网结构，以容纳大体积蛋白质；选择适当电荷密度的交换剂，以免引起蛋白质空间构象变化导致失活粒度越小，分辨率越高，一般分为租、中粗、细、超细等不同规格，要求粒径均匀；根据应用目的的不同可选用工业级、分析级、生物级、分子生物级等不同级别的交换别。用于蛋白质提取分离的离子交换剂主要有： 多糖类，以多糖为母体的离子交换剂是经典的分离生物大分子的材料。纤维素、交联葡萄糖、交联琼脂糖树脂均为具有网状结构的亲水性骨架，可允许生物大分子透过而不发生变性； 聚乙烯酵类； 聚丙烯酸经乙酯类； 系离子交换树脂第七章 色谱分离 1、色谱方法共分几类？常用的蛋白质分离方法有哪些？并简述其原理 答：根据分离的机理，色谱法可以分为： 1.吸附色谱法靠吸附力不同而分离； 2.分配色谱法靠物质在两液相间的分配系数不同而分离； 3.离子交换色谱法靠各物质对离子交换树脂的化学亲和力不同而分离； 4.凝胶色谱法靠各物质的分子大小或形状不同而分离。根据固定相的形状不同，可以分为：柱色谱法、纸色谱法、薄层(板)色谱法、凝胶色谱法和旋转薄层色谱法等。 根据流动相的物态可以分为：气相色谱法和液相色谱法。气相色谱法分离效果很好，但仅用于能气化的物质，在抗生亲生产中很少应用。 根据实验技术，色谱分离法可以分为迎头法、顶替法和洗脱分析法。 2、简述液-固吸附色谱(LSC)的工作原理？ 答：液固色谱是以液体作为流动相，活性吸附剂作固定相。被分析的样品分子在吸附剂表面的活性中心产生吸附与洗脱过程，被分析样品不进入吸附剂内。与薄层色谱在分离机理上有很大的类似性。主要样品的性能按极性的人小顺序而分离，非极性溶质先流出层析柱，极性溶质在柱内停留时问长。 3、简述离子交换色谱(IEC)的分离机理？ 答：以液体作为流动相，以人工合成的离子交换树脂作为固定相，分析哪些能在溶液中离解成正或负的带电离子的样品，固定相是惰性网状结构，其带固定电荷，溶剂中被溶解的样品如具有与反向缓冲离子相同的电荷便可完成分离。由于不同的物质在溶剂中离解后，对离子交换中心具有不同的亲和力，相当于具有不同的分配系数亲和力高的在柱中的保留时间也就愈长。 第八章 沉析 1、简述等电点沉析的原理 答：两性电解质在溶液pH处于等电点(pI)时，分子表面净电荷为零，导致赖以稳定的双电层及水化膜的削弱或破坏，分子间引力增加，溶解度降低。调节溶液的PH值，使两性溶质溶解皮下降，析出沉淀的操作称为等电点沉析法。 等电点沉析法操作十分简便，试剂消耗少，给体系引入的外来物(杂质)也少，是一种常用的分离纯化方法。两性溶质在等电点及等电点附近仍有相当的溶解度(有时甚至比较大)，所以等电点沉析往往不完全，加上许多生物分子的等电点比较接近，故很少单独使用等电点沉析法作为主要纯化手段，往往与盐析、有机溶剂沉析等法联合使用在实际工作中普遍用等电点法作为去杂手段。 2、影响盐析的主要因素有哪些？ 答：影响盐析的主要因素有溶质（蛋白质等）的种类、溶质（蛋白质等）的浓度、 pH及盐析温度。 3、简述沉析溶剂选择的原则 答：沉析用的有机溶剂的选择，主要应考虑以下几个方面的因素： (1)介电常数小，沉析作用强。 (2)对生物分子的变性作用小。 (3)毒性小，挥发性适中。沸点过低虽有利于溶剂的除去和回收，但挥发损失较大且给劳动保护及安全生产带来麻烦。 (4)沉析用溶剂一般需能与水无限混溶，一些与水部分混溶或微溶的溶剂，如氯仿、乙醚等也有使用，但使用对象和方法不尽相同。 第九章 膜分离 1、何谓膜分离？ 答：膜分离是利用膜的选择性，以膜的两侧存在一定量的能量差作为推动力，由于溶液中各组分透过膜的迁移速率不同而实现的分离。膜分离操作用于速率控制的传质过程，具有设备简单、可在室温或低温下操作、无相变、处理效率高、节能等优点，适用于热敏性的生物工程产物的分离纯化。 2、膜分离的种类 答：生物分离中常用的膜有微滤膜（MF）、超滤膜（UF）、电渗析膜和反渗透膜(RO)等。 3、简述超滤技术的的特点及其应用？ 答：超滤技术是最近几十年迅速发展起来的一项分子级薄膜分离手段，它以特殊的超滤膜为分离介质，以膜两例的压力差为推动力，格不问分子量的物质进行选弹性分离。超滤膜的最小截留相对分子质量为500退尔顿，在生物工程中可用来分离蛋白质、酶、核酸、多糖、多肤、抗牛素、病毒等。超滤的优点是没有相的转移，元需添加任何强烈化学物质，可以在低温下操作，过滤速度较快，便于做无菌处理等。所有这些都能使分离操作简化，避免了生物活性物质的活力损失和变性。生物分离工程每章课后思考题第一章 生物分离工程概述1、生物分离工程在生物技术中的地位？2、生物分离工程的特点是什么？3、生物分离工程可分为几大部分，分别包括哪些单元操作？4、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？ 第二讲 过滤1、何谓过滤2、过滤的基本形式3、凝聚和絮凝的区别4、常用的絮凝剂有哪些5、过滤设备分类6、常用过滤设备及其特点第三讲 离心1、何谓沉降2、沉降与离心的异同3、沉降与离心的速度方程4、离心设备可分为哪两大类5、常用的离心沉降设备有哪些6、常用的离心过滤设备有哪些第四讲 细胞破碎1、简述细胞破碎的意义2、细胞破碎方法的大致分类3、渗透压的计算方法第五讲 萃取1、什么是萃取过程？2、液液萃取从机理上分析可分为哪两类？3、常见物理萃取体系由那些构成要素？4、何谓萃取的分配系数？其影响因素有哪些？5、何谓超临界流体萃取？其特点有哪些？6、何谓双水相萃取?常见的双水相构成体系有哪些？7、反胶团的构成以及反胶团萃取的基本原理第六讲 吸附与离子交换1、P223 第一题，第二题2、影响吸附的主要因素？3、亲和吸附的原理和特点是什么？4、常用的离子交换树脂类型有哪些？5、影响离子交换速度的因素有哪些？6、用于蛋白质提取分离的离子交换剂有哪些哪些特殊要求，主要有哪几类？第七讲 色谱技术1、色谱方法共分几类？常用的蛋白质分离方法有哪些？并简述其原理2、何为理论塔板高度和理论塔板数？如何计算？3、简述高效反相液相色谱的工作原理？4、试分析HPLC和HIC技术的异同（1）常用的蛋白质沉淀方法有哪些？（2）影响盐析的主要因素有哪些？（3）何谓中性盐的饱和度？盐析操作中，中性盐的用量（40% 硫酸铵饱和度）如何计算？第八讲 沉析1、 何谓膜分离？2、 膜分离的种类3、 何谓反渗透？4、 常用的膜分离组件有哪些？5、 何谓电泳？6、 常规PAGE和SDS PAGE电泳有何异同？7、 何谓双相电泳？第九讲 结晶1、结晶操作的原理是什么？2、绘制饱和温度曲线和过饱和温度曲线，并标明稳定区、亚稳定区和不稳定区。第十讲 干燥1、什么是干燥？2、干燥的基本流程是什么？3、物料中所含水分的种类有哪些？除去的难易程度如何？4、平衡水分和自由水分的概念？5、了解干燥曲线，并结合干燥速率曲线说明什么是恒速干燥阶段？什么是降速干燥阶段？6、常用的干燥设备有哪些生物分离工程综合题库一、填充题1. 生物产品的分离包括R_，I_ ，P _和P_ ； 2. 发酵液常用的固液分离方法有_ 和_ 等；3. 离心设备从形式上可分为_ ，_ ， 等型式；4. 膜分离过程中所使用的膜，依据其膜特性（孔径）不同可分为_ ，_ ，_ 和 _；5. 多糖基离子交换剂包括_ 和_ 两大类；6. 工业上常用的超滤装置有_ ，_ ，_ 和_ ；7. 影响吸附的主要因素有_ ，_ ，_ ，_ ，_ 和 _；8. 离子交换树脂由 _，_ 和_ 组成。9. 电泳用凝胶制备时，过硫酸铵的作用是 _；甲叉双丙烯酰胺的作用是_ ；TEMED的作用是_ ；10 影响盐析的因素有_ ，_ ，_ 和_ ；11.在结晶操作中，工业上常用的起晶方法有_ ，_ 和_ ；12.简单地说，离子交换过程实际上只有 _， _和_ 三步；13.在生物制品进行吸附或离子交换分离时，通常遵循Langmuir吸附方程，其形式为_ ；14.反相高效液相色谱的固定相是 _的，而流动相是_ 的；常用的固定相有 _和 _；常用的流动相有_ 和_ ；15.超临界流体的特点是与气体有相似的_ ，与液体有相似的_ ； 16.离子交换树脂的合成方法有_ 和_ 两大类； 17.常用的化学细胞破碎方法有 _，_ ，_ ，_ ，_ 和_ ； 18.等电聚焦电泳法分离不同蛋白质的原理是依据其 _的不同；19.离子交换分离操作中，常用的洗脱方法有_ 和_ ；20.晶体质量主要指 _，_ 和_ 三个方面；21.亲和吸附原理包括_ ，_ 和_ 三步；22.根据分离机理的不同，色谱法可分为 _，_ ，_ 和_ ；23.盐析实验中用于关联溶质溶解度与盐浓度的Cohn方程为_ ；当_ 称为Ks盐析法；当_ 称为盐析法；24.蛋白质分离常用的色谱法有 _，_ ，_ 和_ ；25.SDS PAGE电泳制胶时，加入十二烷基磺酸钠（SDS）的目的是消除各种待分离蛋白的_和_ 差异，而将_ 作为分离的依据；26.常用的蛋白质沉析方法有_ ，_ 和 _；27.常用的工业絮凝剂有_和_两大类；28.典型的工业过滤设备有_ 、_ 和_ ；29.常用离心设备可分为_ 和 _两大类；30.根据物化理论，萃取达到平衡时，溶质在萃取相和萃余相中的_ 相等；31.根据吸附剂与吸附质之间存在的吸附力性质的不同，可将吸附分为_ 、_ 、 和_ 吸附；32.影响亲和吸附的因素有_ 、_ 、_ 、_ 和_ ；33.阳离子交换树脂按照活性基团分类，可分为_ 、_ 和_ ；其典型的活性基团分别有_ 、_ 、_ ；34.阴离子交换树脂按照活性基团分类，可分为_ 、_ 和_ ；其典型的活性基团分别有_ 、_ 、_ ；35.DEAE Sepharose是_ 离子交换树脂，其活性基团是 _；36.CM Sepharose是 _离子交换树脂，其活性基团是_ ；37.影响离子交换选择性的因素有_ 、_ 、_ 、_ 、_ 、_和_ ；38.离子交换操作一般分为_ 和_ 两种；39.蛋白质等生物大分子，在溶液中呈稳定的分散状态，其原因是由于_ 和_；40.盐析用盐的选择需考虑 _、_ 、_ 、_ 等几个方面的因素；41.影响有机溶剂沉淀的因素有 _、_ 、_ 、_ 和_ ；42.常用的超滤装置有_ 、_ 、_ 和_ ；43.依据电泳原理，现有电泳分离系统可分为_ 、_ 和_ ；44.依据建立pH梯度的原理不同，等电聚焦（IEF）可分为_ 和_ ；45.双相电泳中，第一相是_ ；第二相是_ ；46.结晶包括三个过程_ 、_ 和_ ；47.过饱和溶液的形成方法有_ 、_ 、_ 、_ 和_ ；48.晶核自动形成时，体系