生物分离工程总复习题

第一章绪论复习题1.生物分离工程在生物技术中的地位？在生物技术领域，一般将生物产品的生产过程称为生物加工过程，包括优良生物物种的选育、基因工程、细胞工程、生物反应过程（酶反应、微生物发酵、动植物细胞培养等）及目标产物的分离纯化过程，后者又称为下游加工过程。生物产物的特殊性、复杂性和对生物产品要求的严格性。因此导致下游加工过程的成本往往占整个生物加工过程成本的大部分。生物分离工程研究的根本任务：设计和优化分离过程，提高分离效率，减少分离过程步骤，缩短分离操作时间，达到提高海口收率与活性、降低生产成本的目的。生物分离工程的特点是什么？1．产品丰富产品的多样性导致分离方法的多样性2．绝大多数生物分离方法来源于化学分离3．生物分离一般比化工分离难度大3.生物分离工程可分为几大部分，分别包括哪些单元操作？生物分离过程一般分四步：1.固-液分离（不溶物的去除）离心、过滤、细胞破碎目的是提高产物浓度和质量2.浓缩（杂质粗分）离子交换吸附、萃取、溶剂萃取、反胶团萃取、超临界流体萃取、双水相萃取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。3．纯化色谱、电泳、沉淀以上技术具有产物的高选择性和杂质的去除性。4．精制结晶、干燥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？（1）产品价值（2）产品质量（3）产物在生产过程中出现的位置（4）杂质在生产过程中出现的位置（5）主要杂质独特的物化性质是什么？（6）不同分离方法的技术经济比较上述问题的考虑将有助于优质、高效产物分离过程的优化。5.生物分离效率有哪些评价指标？目标产品的浓缩程度——浓缩率m2．目标产物的分离纯化程度——分离因子或分离系数α3．回收率REC第二章细胞分离与破碎复习题1．简述细胞破碎的意义一、细胞破碎的目的由于有许多生化物质存在于细胞内部，必须在纯化以前将细胞破碎，使细胞壁和细胞膜受到不同程度的破坏（增大通透性）或破碎，释放其中的目标产物，然后方可进行提取。细胞破碎方法的大致分类破碎方法可归纳为机械破碎法和非机械破碎法两大类，非机械破碎法又可分为化学（和生物化学）破碎法和物理破碎法。1．机械破碎处理量大、破碎效率高速度快，是工业规模细胞破碎的主要手段。细胞的机械破碎主要有高压匀浆、研磨、珠磨、喷雾撞击破碎和超声波破碎等。2．化学（和生物化学）渗透破碎法（1）渗透压冲击法（休克法）（2）增溶法（3）脂溶法（4）碱处理（5）酶溶（酶消化）法3．物理破碎法1）冻结－融化法（亦称冻融法）（2）干燥法空气干燥法真空干燥法冷冻干燥法喷雾干燥法化学渗透法和机械破碎法相比有哪些优缺点？化学渗透破碎法与机械破碎法相比优点：化学渗透破碎法比机械破碎法的选择性高，胞内产物的总释放率低，特别是可有效地抑制核酸的释放，料液的粘度小，有利于后处理过程。化学渗透破碎法与机械破碎法相比缺点：化学渗透破碎法比机械破碎法速度低，效率差，并且化学或生化试剂的添加形成新的污染，给进一步的分离纯化增添麻烦。第三章初级分离复习题1．常用的蛋白质沉淀方法有哪些？盐析沉淀,等电点沉淀,有机溶剂沉淀,热沉淀影响盐析的主要因素有哪些？1）离子强度：Ks和β值,强度越大,蛋白质溶解度越小；（2）蛋白质的性质:因相对分子质量和立体结构而异,结构不对称、相对分子质量大的蛋白质易于盐析；（3）蛋白质的浓度：蛋白质浓度大，盐的用量小，共沉作用明显，分辨率低；蛋白质浓度小，盐的用量大，分辨率高；2.5%～3.0%时最适合；（4）pH值：通常调整到pI附近，盐浓度较大会对等电点产生较大影响，pH对不同蛋白质的共沉影响；（5）温度：低盐浓度下，温度升高蛋白质溶解度升高；高盐浓度下，温度升高，多数蛋白质和肽溶解度反而下降。对于特定的蛋白质，影响蛋白质盐析的主要因素是：无机盐的种类、浓度、温度和pH值。何谓中性盐的饱和度？硫酸铵的饱和度是指饱和硫酸铵溶液的体积占混合后溶液总体积的百分数。盐析操作中，中性盐的用量（40%硫酸铵饱和度）如何计算？要达到某一饱和度所需加入饱和硫酸铵溶液的体积可按下式计算：V=V0(S2－S1)/(1－S2)V—所需加入饱和硫酸铵溶液的体积；V0——待盐析溶液的体积；S1——待盐析溶液的原始饱和度；S2—所需达到的硫酸铵的饱和度。简述盐析的原理。水溶液中蛋白质的溶解度一般在生理离子强度范围内（0.15~0.2mol/Kg）最大，而低于或高于此范围时溶解度均降低。蛋白质（酶）等生物大分子物质在高离子强度的溶液中溶解度降低，产生沉淀的现象称为盐析(盐析是在高浓度的中性盐存在下，蛋白质（酶）等生物大分子物质在水溶液中的溶解度降低，产生沉淀的过程。)简述有机溶剂沉析的原理。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。乙醇：沉析作用强，挥发性适中，无毒常用于蛋白质、核酸、多糖等生物大分子的沉析；丙酮：沉析作用更强，用量省，但毒性大，应用范围不广；特点：（1）介电常数小，60%乙醇的介电常数是48，丙酮的介电常数是22（2）容易获取简述等电点沉析的原理。蛋白质是两性电解质，当溶液pH值处于等电点时，分子表面净电荷为0，双电层和水化膜结构被破坏，由于分子间引力，形成蛋白质聚集体，进而产生沉淀。第四章膜分离复习题1．膜分离技术的概念利用膜的选择性（孔径大小），以膜的两侧存在的能量差作为推动力，由于溶液中各组分透过膜的迁移率不同而实现分离的一种技术膜的概念在一种流体相间有一层薄的凝聚相物质，把流体相分隔开来成为两部分，这一薄层物质称为膜。1．膜本身是均一的一相或由两相以上凝聚物构成的复合体。可是固态或液态或气态。2．被膜分开的流体相物质是液体或气体。3．膜的厚度应在0.5mm以下，否则不能称其为膜。根据膜孔径大小，膜分离技术的分类在生物分离领域应用的膜分离法包括微滤(Microfiltration，MF)、超滤(U1trafiltration，UF)、反渗透(Reverrseosmosis，RO)、纳滤（Nanofiltration,NF）、透析(Dialysis，DS)、电渗析(E1ectrodialysis，KD)和渗透气化(Pervaporation，PV)基本的膜材料有哪些？1．天然高分子材料膜2．合成高分子材料膜3．无机（多孔）材料膜5．常用的膜组件有哪些？要有管式、平板式、螺旋卷式和中空纤维(毛细管)式等四种何谓反渗透？实现反渗透分离的条件是什么？其特点有哪些？二、超滤和反渗透目的：将溶质通过一层具有选择性的薄膜，从溶液中分离出来。分离时的推动力都是压差，由于被分离物质的分子量和直径大小差别及膜孔结构不同，其采用的压力大小不同。反渗透膜的操作压力高达10MPa1．超滤和反渗透操作中的渗透压由于超滤和反渗透过程都是用一种半透膜把两种不同浓度的溶液隔开（淡水或盐水），因此都存在渗透压。渗透压的大小取决于溶液的种类、浓度和温度；一般说来，无机小分子的渗透压要比有机大分子溶质的渗透压高得多。2．实现超滤和反渗透的条件超滤：需要增加流体的静压力，改变天然过程的方向，才可能发生含有低分子量化合物的溶剂流通过膜，此时的推动力是流体静压力与渗透压的压差；atmpppp0pp——操作压p0——渗透压patm——大气压反渗透：过程类似于超滤，只是纯溶剂通过膜，而低分子量的化合物被截留。因此，操作压力比超滤大得多。atmpppp0因此，超滤和反渗透通常又被称之为“强制膜分离过程”强制膜分离的概念？超滤和反渗透通常又被称之为“强制膜分离过程”电渗析的工作原理？电渗析操作所用的膜材料为离子交换膜，即在膜表面和孔内共价键合有离子交换基团，如磺酸基（—SO3H）等酸性阳离子交换基和季铵基（—N+R3）等碱性阴离子交换基团。键合阳离子交换基的膜称作阳离子交换膜，在电场作用下，选择性透过阳离子；键合阴离子交换基的膜称作阴离子交换膜，在电场作用下，选择性透过阴离子。膜污染的主要原因是什么？常用的清洗剂有哪些？如何选择？1．凝胶极化引起的凝胶层，阻力为Rg2．溶质在膜表面的吸附层，阻力为Ras3．膜孔堵塞，阻力为Rp；4．膜孔内的溶质吸附，阻力为Rap膜的清洗一般选用水、盐溶液、稀酸、稀碱、表面活性剂、络合剂、氧化剂和酶溶液等为清洗剂具体采用何种清洗剂要根据膜的性质(耐化学试剂的特性)和污染物的性质而定，即使用的清洗剂要具有良好的去污能力，同时又不能损害膜的过滤性能。膜分离在生物产物的回收和纯化方面的应用有哪些方面？（1）细胞培养基的除菌；（2）发酵或培养液中细胞的收集或除去；（3）细胞破碎后碎片的除去；（4）目标产物部分纯化后的浓缩或洗滤除去小分子溶质；（5）最终产品的浓缩和洗滤除盐；（6）制备用于调制生物产品和清洗产品容器的无热原水。第五章萃取复习题1.什么是萃取过程？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得到纯化或浓缩的方法称为萃取。萃取是利用液体或超临界流体为溶剂提取原料中目标产物的分离纯化操作。液－液萃取从机理上分析可分为哪两类？有机溶剂萃取（溶剂萃取）、双水相萃取、液膜萃取和反胶团萃取。常见物理萃取体系由那些构成要素？溶质：被萃取的物质原溶剂：原先溶解溶质的溶剂萃取剂：加入的第三组分何谓萃取的分配系数？其影响因素有哪些？溶质在两相中的总浓度之比表示溶质的分配平衡pH（2）温度（3）无机盐何谓超临界流体萃取？其特点有哪些？有哪几种方法？超临界流体（SupercriticalFluid,简称SCF或SF）：当一种流体处于其临界点的温度和压力之下，称为超临界流体。超临界流体萃取（SCFextraction）：利用超临界流体作为萃取剂的萃取操作。FHV超临界流体的特点：（a）密度接近液体－－萃取能力强（b）黏度接近气体－－传质性能好等温变压法、等压变温法以及吸附法何谓双水相萃取?常见的双水相构成体系有哪些？双水相萃取又称双水相分配法：利用物质在不相溶的、两水相间分配系数的差异进行萃取的方法。1．高聚物－高聚物两水相。2．高聚物－盐两水相3．非离子表面活性剂水胶束两水相体系。4．阴阳离子表面活性剂两水相体系5．醇盐两水相体系7.反胶团的构成以及反胶团萃取的基本原理表面活性剂的极性头朝内，疏水的尾部向外，中间形成极性的“核”（亲水空腔）利用表面活性剂在有机溶剂中形成的反胶团，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溶解在有机相中或在有机相中发生不可逆变性的现象。第六章吸附分离技术和理论复习题吸附、吸附过程、离子交换吸附：吸附是利用吸附剂对液体或气体中某一组分具有选择性吸附的能力，使其富集在吸附剂表面的过程。或是溶质从液相或气相转移到固相的现象。吸附过程通常包括：待分离料液与吸附剂混合、吸附质被吸附到吸附剂表面、料液流出、吸附质解吸回收等四个过程。离子交换：离子交换吸附简称离子交换。吸附作用力为静电引力，所用吸附剂为离子交换剂，离子交换剂表面含有离子基团或可离子化的基团，通过静电引力吸附带有相反电荷的离子，吸附过程发生电荷转移。通过调节pH或提高离子强度的方法洗脱。吸附的类型有哪些？它们是如何划分的？吸附剂对溶质的吸附作用按吸附作用力区分主要有三类，即物理吸附、化学吸附和离子交换。常用的吸附剂种类有哪些？活性炭，硅胶，大孔网状吸附剂以县浮聚合法为例说明多孔高分子微球吸附剂的制备方法。在机械搅拌作用下，有机反应物溶液在水分散相中分散成微小的液滴，逐渐升高反应温度至85℃即可引以聚合反应，制而微球型高分子介质pGTD。以乙醇抽提除去其中的惰性致孔剂后，再对GMA分子上的活性环氧基团进行化学修饰，可制备各种类型的吸附剂。什么是吸附等温线？其意义何在？当温度一定时，吸附量与浓度之间的函数关系称为吸附等温线。影响吸附过程的因素有哪些？1．吸附剂的性质：比表面积、粒度大小、极性2．吸附质的性质：对表面张力的影响，溶解度，极性，相对分子量3．温度：吸附是放热过程