生物工程游.docx

第一章 绪论1、对于有生物界自然产生的或由微生物菌体发酵的、动植物细胞组织培养的、酶反应等各种生物工业生产过程获得的生物原料，经提取分离、加工并精制的目的成分，最终使其成为产品的的技术。2、生物工业下游技术一般工艺过程发酵液预处理细胞分离细胞破壁碎片分离提取（初步纯化）精制（高度纯化）成品制作加热调pH絮凝过滤离心膜分离匀浆法研磨法酶解法离心双水相膜分离沉淀吸附萃取超滤结晶（重）结晶离子交换色谱分离膜分离浓缩干燥无菌过滤成型胞外产物胞内产物3、按生产过程可对下游技术作如下归纳：预处理和固液分离 提取（初步分离） 精制（高度纯化） 成品制作第三章 发酵液预处理1、微生物发酵液的特点发酵产物浓度较低，大多为1%10%，悬浮液中大部分是水；悬浮物颗粒小，相对密度与液相相差不大；固体粒子可压缩性大；液相粘度大，大多为非牛顿型流体；性质不稳定，随时间变化。如易受空气氧化、微生物污染等影响。2、对于氨基酸、蛋白质等两性物质，在酸性条件下带正电荷，在碱性条件下带负电荷。3、在生理pH值下，发酵液中的菌体或蛋白质常常有负电荷。4、凝聚：在电解质作用下，由于胶粒之间双电层电排斥作用降低，电位下降。而胶体体系不稳定的现象。5、絮凝：在某些高分子絮凝剂存在下，基于桥架作用，使胶粒形成较大絮凝团的过程。6、凝聚作用：向胶体悬浮液中加入某种电解质，在电解质中异电离子作用下，胶粒的双电层电位降低，使胶体体系不稳定，胶体粒子间因相互碰撞而产生凝集的现象。7、电解质的凝聚能力可用凝聚值来表示，使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度（mmol/L）称为凝聚值。8、凝聚能力次序：AL3+Fe3+H+Ca2+Mg2+K+Na+Li+9、对絮凝剂的化学结构一般有两方面要求：一方面要求其分子必须含有相当多的活性官能团，使之能和胶粒表面相结合；另一方面要求必须具有长链的线性结构，一边同时与多个胶粒吸附形成较大的絮团，但相对分子质量不能超过一定限度，以使其具有良好的溶解性。10、絮凝剂可分为非离子型、阴离子型、阳离子型。11、工业上使用的絮凝剂分为以下三类：有机高分子聚合物（聚丙烯酰胺类衍生物最常用）无机高分子聚合物天然有机高分子絮凝剂12、絮凝效果与絮凝剂的加量、相对分子质量和类型、溶液的pH、搅拌转速和时间等因素有关。13、选择和使用助滤剂的要点如下：根据目的产物选择助滤剂品种 根据过滤介质和过滤情况选择助滤剂品种粒度选择 使用量的选择14、不同性状的发酵液应选择不同的固液分离方法与设备。15、离心机按作用原理不同可分为：沉降式、过滤式、分离式按操作方式：间歇式、半连续式、连续式按结构特点：管式、吊篮式、转鼓式、碟式按用途：分析用、制备用、分析制备用按转速：常速、高速、超高速16、过滤的原理是悬浮液通过过滤介质时，固态颗粒与溶液分离。根据过滤机理的不同，过滤操作可分为澄清过滤和滤饼过滤两种。17、澄清过滤：当悬浮液通过滤层时，固体颗粒被阻拦或吸附在滤层的颗粒上，使滤液得以澄清。18、滤饼过滤：过滤介质为滤布，当悬浮液通过滤布时，固体颗粒被滤布所阻拦而逐渐形成滤饼。19、板框过滤机的优点是：结构简单，装配紧凑，过滤面积大；过滤的推动力能大幅度调整，并能耐受较高的压力差，因而固相含水分低，并能适应不同过滤特性的发酵液的过滤；辅助设备少、方便维修、价格低和动力消耗少。缺点是：设备笨重、间歇操作、劳动强度大、卫生条件差、辅助时间多和生产效率低。20、在一般过滤中，滤液的流动方向与滤饼基本垂直，称为封头过滤。21、切向流过滤：又称错流过滤、交叉过滤和十字流过滤，是一种维持恒压下高速过滤的技术。第五章 溶剂萃取和浸取1、溶剂萃取：利用一种溶质组分在两个互不相溶的液相中竞争性溶解和分配性质上的差异来进行分离操作的。2、溶剂萃取的优点：比化学沉淀法分离程度高；比离子交换法选择性好、传质快；比蒸溜法能耗低。另外他生产能力大、周期短、便于连续操作、容易实现自动化控制等。3、浸出：用某种溶剂把有用物质从固体原料中提取到溶液中的过程称为浸取，也叫浸出。4、萃取是通过溶质在两个液相之间的竞争性溶解而实现的。5、从能量变化角度可将溶解过程分为：溶质B各质点的分离 溶剂A在溶质B的作用下形成可容纳B质点的空位溶质质点B进入溶剂A形成的空位6、溶剂萃取的依据是“相似相溶”原则。7、良好溶剂要满足以下几方面要求：有很大的萃取容量，即单位体积的萃取溶剂能萃取大量的产物；有良好的选择性，理想情况是只萃取产物而不萃取杂质；与被萃取的液相互溶度要小，且粘度低、界面张力小或适中，这样有利于向的分散和两相分离；溶剂的回收和再生容易；化学稳定性好，不易分解，对设备腐蚀性小；经济性好，价廉易得；安全性好，闪点高，对人体无毒性或毒性低。8、在溶剂萃取过程中，将提供提取的溶液称为料液（F）；从料液中提取出来的物质称为溶质；用来萃取产物的溶剂称为萃取剂（S）；溶质转移到萃取剂中与萃取剂形成的溶液称为萃取液（L）；被萃取出溶质后的料液称萃余液（R）。9、溶质分配在两个互不相溶的溶剂中，达到平衡时溶质在两相中的活度之比为一常数，如果是稀溶液，活度可用浓度代替。这一常数称之为分配系数K。既有K=萃取相浓度/萃余相浓度=c1/c210、如果A是产物，B是杂质，分离因数为：=K产/K杂。越大，A、B的分离效果越好，即产物与杂质越容易分离。11、带溶剂：为提高分配系数K，常添加带溶剂。带溶剂是指这样一种物质，他们能和产物形成复合物，使产物更易溶于有机溶剂相中，该复合物在一定条件下又要容易分解。12、工业上萃取操作分为：混合、分离、溶剂回收。13、单级萃取：使用一个混合器和一个分离器的萃取操作。E=KVS/VF=K/m，式中m是浓缩比，即m=VF/VS另未被萃取的体积分数为，则=1/(E+1)，理论收得率为：1-=E/(E+1)14、乳化：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。又分为水包油型（O/W）和油包水型（W/O）。15、生产过程出现的乳浊液是水包油型，还是油包水型，主要由表面活性剂的性质决定。16、破乳化的方法很多：过滤或离心分离破乳法、化学法、物理法、顶替法、转型法。第六章 超临界流体萃取1、超临界流体是状态超过气液共存时的最高压力和最高温度下物质特有的点临界点后的流体。2、超临界流体萃取是在生物工业、食品加工等领域中，利用超临界流体特有的性质，在流体的超临界区域或近临界区域进行物质萃取的一种技术。3、超临界流体萃取的原理：在超临界流体萃取中，主要是溶剂流体密度的大幅度增加导致溶剂对溶质的作用力大幅度增加从而形成了溶解物质的能力，这个特性给溶剂流体的回收、溶剂与萃取物的分离带来方便。在超临界萃取后的分离过程中，可在与萃取温度相同的条件下，降低压力使溶剂的密度下降，引起其溶解物质的能力下降，就可以方便的进行萃取物与溶剂的分离。4、超临界溶剂萃取中萃取溶剂常用CO2，它无毒性，无腐蚀性，不可燃烧，纯度高且价格低。适合于处理某些热敏性生物制品和天然物产品。5、对同一天然产品用不同方法或不同萃取剂提取得到的制品，其组分是不同的。6、30MPa下CO2萃取获得的酒花制品为绿色，而在14MPa下为黄色。7、添加拖带剂及辅助溶剂以增加物质的溶解度和萃取选择性，是实际运行中的常用方法之一。8、超临界流体萃取法和液体溶剂萃取法的比较可选择萃取挥发性小的物质，生成超临界相在要分离的原料中加入溶剂形成二相萃取能力有T、控制，夹带剂研究不多萃取能力由温度及混合溶剂浓度控制，压力无影响在常温、高压下操作，可处理对热不稳定的物质都在常温、常压下进行溶质、溶剂易于分离，改变压力温度即可溶质与溶剂分离常用蒸馏法，存在对热稳定性问题粘度小，扩散系数大，易达到相平衡扩散系数小，有时粘度相当高超临界相溶质粘度小萃取相为液相，溶质浓度一般较高第七章 双水相萃取技术1、有机溶剂难应用于蛋白质分离的原因：许多蛋白质都有极强的亲水性，不溶于有机溶剂；蛋白质在有机溶剂相中易变性失活。2、聚合物的不相容性主要是由于聚合物分子的空间阻碍作用，相互间无法渗透，当聚合物的浓度达到一定值时，就不能形成单一的水相，所以具有强烈的相分离倾向。3、当两种聚合物相互混合时，是分层还是混合取决于两种因素：一为体系熵的增加，二为分子间作用力。4、在生化工程中得到广泛应用的双水相体系有：聚乙二醇（PEG）/葡聚糖（Dex）体系，PEG/盐等体系。5、P130，相图，重点看。6、两相系统中如有盐存在，会对大分子在两相中的分配产生较大的影响，这称为盐效应。7、聚合物的平均分子量和相对分子质量分布，都能影响相的疏水性。8、影响分配平衡的主要参数有：成相聚合物的分子量和浓度、体系的pH、体系中盐的种类和浓度、体系中菌体或细胞的种类和浓度、体系温度等等。9、交错分配法：对一种特定蛋白质，在不同盐系统中，pH和其分配系数之间的关系应不同，而在等电点时，得到的均为不带电时分子的分配系数。对不同的盐系统，其等电点时的分配系数应相等，两条pH和分配系数关系的曲线必交于一点，该点所对应的pH值即为该特定蛋白质的等电点。第八章 反胶团萃取1、反胶团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。是一种自我组织和排列而成的，并举热力学稳定的有序构造。2、表面活性剂的存在是构成反胶团的必要条件，有三类表面活性剂即阴离子型、阳离子型和非离子型表面活性剂。3、使用的最多的是阴离子型表面活性剂琥珀酸二酯磺酸钠（AOT）。4、反胶团萃取中常用的表面活性剂有AOT、CTAB（溴代十六烷基三甲铵）、TOMAC（氯化三辛基甲铵）、PTEA（磷酸酰乙醇胺），其中AOT最常用。常用于反胶团萃取系统的非极性有机溶剂有：环己烷、庚烷、辛烷、异辛烷、乙醇、硅油等。5、临界胶团浓度（CMC）：将表面活性剂在非极性有机溶剂相中能形成反胶团的最小浓度称为临界胶团浓度。6、制备反胶团系统一般有三种方法：注入法、相转移法、溶解法。7、蛋白质向反胶团溶解的几种可能模型第九章 膜分离过程1、膜可以定义为两相之间的不连续区间，因此膜可为气相、液相和固相。2、广义的膜是指分割两相界面，并以特定的性质限制和传递各种化学物质。3、膜可分为下列几种：对称膜、非对称膜、复合膜、荷电膜、液膜、微孔膜、动态膜。4、P170 表9-1 膜分离过程5、制造膜的材料有：改性天然物：醋酸纤维素、丙酮-丁酸纤维素、再生纤维素、硝酸纤维素。合成产物：聚胺、聚苯并咪唑、聚砜、聚丙烯。特殊材料：多孔玻璃、氧化石墨、聚点解络合物、油类。6、膜制作方法：相转变法、烧结法、核径迹法、拉伸法、复合膜的制备。7、膜有三种传质方式：被动传递（最简单的形式）、促进传递、主动传递。（P176有图，细看。）8、物质经过非对称膜的传递示意（P177有图，细看）主流体系区间（I） 边界层区间（I） 表面区间（I） 表皮层区间多孔支撑区间 表面区间（II） 边界层区间（II） 主流体区间（II）9、孔道特征包括孔径、孔径分布和孔隙度，是膜的重要性质。10、水通量：水通量为每单位时间内通过单位膜面积的水体积流量，也叫做透水率，即水透过膜的速率。11、截留率：截留率是指对一定相对分子质量的物质，膜能截留的程度。12、截断分子量（MWCO）：截断分子量定义为相当于一定截留率的相对分子质量。13、压密：在压力作用下，膜的水通量随运行时间的延长而逐渐降低，这表明膜的内部结构发生了变化，内部结构的变化使膜体收缩，随着运行时间的延长，下面的多孔层会逐渐被压密。14、引起压密的主要因素是操作压力和温度，压力越高，压密作用越大。15、膜的寿命受下列因素影响：膜的压密作用、膜的水解作用、膜的浓差极化、膜污染。16、膜的浓差极化容易造成3种情况：提高渗透压，降低水通量 降低膜的截留率 产生结垢现象，造成物理阻塞，使膜逐渐失去透水能力。17、膜污染一种是附着层，另一种是堵塞。18、良好的膜组件应具备下列条件：沿膜面的流动情况好，以利于减少浓差极化；较大的膜面积与压力容器体积比，即单位体积中所含的膜面积较大；组件的价格低；清洗和膜的更新方便；保留体积小，且无死角。19、根据膜的形式或排列方式，可将膜分成：管式、中空纤维式、平板式和螺旋卷绕式。20、反渗透的优点：相态不变，无需加热，设备简单，效率高，占地小，操作方便，能量消耗少。21、反渗透常见的基本流程：一级流程、一级多段流程、二级流程、多级流程。22、超滤与反渗透的区别：一般情况下，反渗透法主要用来截留无机盐类的小分子；而超滤则是从小分子溶质或溶液中，将比较大的溶质分子筛选出来。23、微孔过滤主要用于分离流体中尺寸为0.110m的微生物和微粒子。24、微孔滤膜是检验有形微细杂质的重要工具，主要用于微生物检测、微粒子检测。25、纳米过滤的特点是：在过滤分离过程中，它能截留小分子的有机物，并可同时透析出盐，即集浓缩与透析为一体。操作压力低，因为无机盐能通过纳米滤膜而透析，这样，在保证一定的膜通量的前提下，纳米过滤过程所需的外加压力就比反渗透低很多。26、膜污染的控制膜材料 膜孔径或截留分子量 膜结构选择 组件结构选择 溶液pH控制溶液中盐浓度的影响 溶液温度影响 溶质浓度、料液流速与压力的控制27、膜分离技术优点无相变，能耗低 操作温度低，适于热敏性物质 化学强度与机械损害小性能可调，易于放大 结构紧凑，操作方便，易调控，易维修系统可密闭循环 易于与其他分离过程结合，提高分离效率第十章 液膜分离1、液体膜是从生物膜奇妙的选择性输送功能上得到启发而模仿的一种人工膜。2、液膜可分为：整体液膜、支持液膜、乳化液膜。3、乳化液膜系统由三相组成：膜相、外相和内相。4、膜相能把两个互溶但组成不同的溶液隔开，并通过这层液膜实现物质选择性分离。5、膜溶剂的特点：能保持操作过程中的稳定性。有一定的粘度，又不溶解于内外水相。良好的溶解性。希望它优先溶解欲提取的物质，而对杂质的溶解越少越好。膜溶剂与水相应有一定的相对密度差，以利于操作后期膜相与料液的分离。6、液膜的分离机制可分为：无载体扩散迁移和载体促进传递机制。7、载体促进传递有三种不同的表现形式：载体促进扩散传递 载体促进并流传递 载体促进逆流传递8、载体可根据其螯合性能分为两类：螯合物载体和非螯合物载体。9、载体可根据其载体电离性分为两类：离子型和非离子型。10、乳化液膜的优点：具有选择性 较高的浓缩能力 连续运转的可能性 前处理方便或无需前处理 经济性好11、液膜分离的工艺流程：制备液膜液膜萃取澄清分离破乳回收第十一章 离子交换法1、离子交换剂是一类能与其他物质发生离子交换的物质，分为无机离子交换机和有机离子交换剂。有机离子交换剂是一种合成材料，又称离子交换树脂。2、离子交换法的优点：成本低、工艺操作方便、提炼效率较高、设备结构简单、以及节约大量的有机溶剂等优点。3、离子交换树脂是一种不溶于酸、碱和有机溶剂的固态高分子材料。其可分成两部分：一部分是不能移动的，多价的高分子基团，构成树脂的骨架。另一部分是可移动的离子，称为活性离子。4、离子交换树脂其结构有三部分组成：不溶性的三维空间网状骨架、连接在骨架上的官能团、官能团所带的相反电荷的可交换离子。5、离子交换树脂可分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂。6、离子交换树脂的活性离子如果是阳离子，这种树脂能和阳离子发生交换，就称为阳离子交换树脂；如果是阴离子，则称为阴离子交换树脂。7、阳离子交换树脂是一类骨架上结合有磺酸或羧酸等酸性官能团的聚合物。阴离子交换树脂是一类骨架上结合有季铵基、伯铵基、仲铵基、叔铵基的聚合物。8、根据离子交换树脂官能团的性质，将其分为强酸、弱酸、强碱、弱碱、螯合、两性及氧化还原等7类。9、离子交换树脂的全名由：分类名称、骨架名称、基本名称排列组成。10、树脂产品分类代号树脂骨架分类代号代号分类名称代号骨架名称0强酸性0苯乙烯系1弱酸性1丙烯酸系2强碱性2酚醛系3弱碱性3环氧系4螯合性4乙烯吡啶系5两性5脲醛系6氧化还原性6氯乙烯系11、凝胶型离子交换树脂命名（分类代号）（骨架代号）（顺序号）（交联度数值）12、交联度的大小决定着树脂机械强度以及网状结构的疏密。交联度大，网孔小，结构紧密，树脂机械强度大。13、溶胀性越大的树脂，机械强度也越差。14、交换量：树脂在应用时，希望有较大的交换容量，也即在实际应用中具有多少可以交换离子的能力。15、交换容量：交换容量是表征树脂性能的重要数据，他用单位质量干树脂或单位体积湿树脂所能吸附的1价离子的毫摩尔数来表示。16、漏出点：若将树脂充填在柱中进行操作，即在固定床中操作，当流出液中有价值离子达到所规定的某一浓度，称为漏出点。操作即停止，进行再生。17、离子交换树脂的交换过程溶液中的A离子扩散到树脂表面；A离子从树脂表面再扩散到树脂内部的活性中心；A离子与树脂上B离子发生交换反应；解吸离子B从树脂内部扩散到数值表面；B离子再从树脂表面扩散到溶液中。18、离子交换树脂的工作过程树脂预处理 装柱 上柱交换（正上柱、倒上柱） 洗脱（正吸附、负吸附） 树脂的再生第十二章 色谱分离1、色谱分离：也称为色层分离，在分析检测中常称为色谱分析。它是一种物理的分离方法，利用多组分混合物中各组分物理化学性质的差别，使各组分以不同程度分布在两个相中。其中一个相位固定的，称为固定相；另一个相则流过此固定相，称为流动相。2、色谱分离的特点：分离效率高 应用范围广 选择性强高灵敏度的在线检测 快速分离过程自动化操作3、色谱分离按分离机理分类吸附色谱 分配色谱 离子交换色谱 凝胶色谱 亲和色谱4、凝胶色谱按其流动相又分为两类：一类是水相系统，称为凝胶过滤色谱，所用凝胶是亲水性的。另一类是有机相系统，称为凝胶渗透色谱，其所用凝胶是疏水性的。4、色谱分离按固定形状分为：柱色谱分离、纸上色谱分离、薄层色谱分离。按流动相的物态不同分为：气相色谱分离、液相色谱分离、超临界色谱分离。按操作压力分为：低压色谱分离、中压色谱分离、高压色谱分离。按洗脱操作时展开方式分为：洗脱展开法、前沿分析法、置换展开法。5、色谱分离的规模可分为如下四类：色谱分析10mg、半制备1015mg、制备0.110g、工业生产大于20g/d。6、在色谱分离操作中，加入洗脱剂而使各组份分层的操作称为展开，洗脱是从柱中流出的溶液称为洗脱液，而展开后各组分的分布情况称为色谱。7、在分配色谱中，通常采用一种多孔的固体吸附着一种溶剂构成固定相。这种固体本身对分离不起什么作用，仅起一个支持作用，故又称“支持剂”或“载体”。8、阻滞因数RfRf=溶质（浓度中心）的移动速率流动相在色谱柱中的移动速率=溶质浓度中心的移动距离（r）在同一时间流动相前缘的移动距离（R）9、典型的等温曲线分为：凸型、凹型、S型。P26910、凝胶色谱分离的特点：凝胶为不带电荷的惰性物质，不与溶质分子发生任何作用，因此分离条件温和，蛋白质收率高，重现性好。应用范围广，分离分子量的覆盖面大，可分离从几百到数百万分子量的分子。设备简单，易于操作，周期短，层析剂不需再生即可反复使用。11、层析剂：用于色谱分离技术中的固定相或分离介质，称为层析