生物物质分离工程考试重点

题型：问答简答综合内容1.固液分离（沉降、离心、过滤、膜分离）比较，适用对象2.液-液传质分离（萃取、双水相、反胶束、超临界、泡沫分离）3.如何减少，避免失活问题双水相反胶束4.分离原理适用对象特点5.细胞破碎特点3.发酵液的预处理和菌体的回收（为什么进行预处理；预处理方法；过滤器的主要特点）3.2悬浮液的预处理（原因）原因：1.产品在培养液或菌体中浓度低2.产品与许多杂质混在一起3.非牛顿型流体目的：1.改变发酵液的物理性质，提高从悬浮液中分离固形物的速率，提高固液分离器的效率。2.尽可能使产物转入便于后处理的某一相中（多数是液相）。3.去除发酵液中部分杂质，以利于后续各步操作。方法：1.加热法：①降低粘度②提供能量，促进细胞聚集③破坏凝胶结构——利于细胞聚集2.调节pH：①细胞聚集与pH值有关②简便，降低粘度③如何保持pH局部值不过高/低3.凝聚：（无机类电解质或高分子物质）表面电荷的简单中和，消除双电层，产生氢键结合。4.絮凝：使用絮凝剂（天然或者合成的大分子量聚电解质以及生物絮凝剂）将胶体粒子联网，絮凝剂起架桥作用。5.使用惰性助滤剂：一种颗粒均匀质地坚硬不可压缩的粒状物质，用于扩大过滤表面的适用范围。3.4过滤法（主要特点型号）定义：过滤是迫使液体通过固体支撑物或过滤介质，把固体截留，从而达到固液分离的目的。常用新型过滤器：1.真空过滤器：转鼓（优点：用于大规模生物分离的主要过滤设备，可以分离较难过滤的悬浮固粒，劳动强度小；缺点：表面利用率低，洗涤效果差，滤饼卸料时易剥落；滤布更换困难，不便观察）水平带式（优点：处理量大，操作灵活，洗涤效果好；占地面积大；缺点：有效过滤面积小，投资较高）水平圆盘（大型化，洗涤效果好）水平回转翻盘（大型化，适用于过滤密度大，浓度高的粗颗粒悬浮液）2.压滤器（适用于固含量高难处理的细颗粒料液）：板框压滤器加压叶滤器气压罐式连续压滤器带式压滤器3.错流过滤：料液给过滤介质表面一个平行的大流量的冲刷，则过滤介质表面积累的滤饼就会减少到可以忽略的程度，而通过过滤介质的流速则比较小。特点：过滤收率高，滤液质量好，减少处理步骤，易扩大生产。4.细胞的破碎与分离（为什么要进行细胞破碎；哪些破碎方法；包涵体的复性）细胞破碎的方法：1.固体剪切方法（珠磨）影响因素：转盘外缘速度；细胞浓度；珠粒大小；温度；流量。2.液体剪切方法（压力、机械搅拌、超声波法-空化、碰撞、剪切）3.干燥：空气、真空、冷冻4.溶胞：物理（渗透冲击；压力释放；冻结和融化）化学（表面活性剂；有机溶剂；调pH）生物（溶菌酶）基因工程表达产物后处理的特殊性：高表达蛋白产物往往相互交联在一起，形成不溶性的聚集物，通常称为包涵体。包涵体的回收应该包括四步：①包涵体的分离②用变性剂（尿素或盐酸胍）溶解包涵体中的蛋白③变性蛋白的复性和重新氧化（包括除去过剩的变性剂和还原剂）④以一般纯化技术获取成品蛋白5.离心分离（与之前过滤的区别，适用对象、方式、种类、技术经济性）5.1离心沉降原理：利用固液两相的相对密度差，在离心机无孔转鼓或管子中进行悬浮液的分离操作。浮力等于粘滞力，固体粒子保持匀速运动。离心沉降设备：瓶式离心机（实验室用）管式离心机（适用于低浓度难分离悬浮液，例如蛋白质和微生物菌体的分离）多室式离心机（适用于抗生素液-液萃取分离，果汁和酒类饮料的澄清）碟片式离心机（应用最为广泛，特点为沉降距离极短，分离效果好）人工排渣型碟片式离心机（适用于固相浓度很低的场合，小于1/100-2/100，如抗生素的提取、疫苗的生产、梭状芽孢杆菌的收集以及维生素、生物碱甾类化合物）喷嘴排渣型碟片式离心机（适用于处理颗粒直径为0.1-100um、体积浓度小于25/100的悬浮液，如抗生素、酶、氨基酸和微生物，或单细胞蛋白质、酵母、淀粉、糖蜜）活门排渣型碟片式离心机（适用于处理颗粒直径为0.1-500um、固液密度差大于0.01g/cm3、固相含量小于10/100的悬浮液。对一些难分离物质特别有效，如大肠杆菌之类。此设备应用范围最广。）活门排渣型的喷嘴碟片式离心机（适用于酶制剂、疫苗和胰岛素生产中分离物的澄清，醇生产中细菌的采集以及rDNA采集和澄清。）螺旋卸料沉降离心机（卧式较多，全速旋转、连续进料、分离和卸料的离心机，适用于胰岛素、细胞色素、胰酶的分离和淀粉精制以及废水处理）5.2离心过滤原理：利用离心力使料液通过过滤介质，在有孔转鼓离心机中分离悬浮液的操作，兼有离心和过滤的双重作用。过程：滤饼形成、滤饼压缩、滤饼压干设备：间歇式离心机在减速情况下用刮刀卸料，或停机抽出转鼓套筒或用滤布进行卸料。连续式离心机则用活塞推料和振动卸料两种方法连续沉降—过滤式螺旋卸料离心机5.3离心分离和超离心（属于离心沉降）原理：根据物质的沉降系数、质量和形状不同，应用强大的离心力，将混合物中各组分分离、浓缩、提纯的方法称为超离心法。种类：粒子差速离心：采用逐渐增加离心速率或低速和高速交替进行离心。适用于分离沉降系数相差较大的粒子，如细胞匀浆中细胞器的分离。一般密度梯度离心法（分级区带离心）：把样品铺放在一个连续的液体密度梯度上，然后进行离心，并控制离心分离的时间，使得粒子在完全沉降之前，在液体梯度中移动而形成不连续分离区带。适用于有一定沉降系数差的粒子，与粒子密度无关。大小相同，密度不同的粒子不能用此法分离。等密度离心法：当不同粒子存在密度差时，在离心力的作用下，粒子向下沉降或向上浮起，一直移动到与它们密度恰好相等的位置上（即等密度点）并形成区带。区带形状和位置不受离心时间的影响，体系处于动态平衡。6.膜分离过程（所有种类、原理和适用对象；四类膜组件的特点、单位体积、膜污染、清洗、投资）膜分离特点：不涉及相变，对能量要求低；条件一般较温和，适合热敏性物质；操作方便、结构紧凑、维修费用低、易于自动化6.2膜分离过程的类型①以静压力差为推动力的膜分离过程微滤（适用于微生物、细胞碎片、微细沉淀物、DNA、病毒和其它微米级范围的粒子）超滤（适用于分离纯化和浓缩大分子物质，如蛋白质、多糖、抗生素以及抗原）纳滤（介于反渗透和超滤，膜上常带电荷，适用于低分子量有机物和多价离子，如半咸水脱盐、水软化、生物制药、微污染物脱除以及废水治理；精细切割分离）反渗透（海水脱盐、超纯水制备）过程孔径推动力机制微滤（MF）0.02-10um（0~1）筛分超滤（UF）0.001-0.02um，分子量10^3~10^6（0~1）筛分纳滤（NF）1~10nm，分子量100~1000（1~2.5）溶解-扩散，静电-位阻反渗透(RO)无孔，分子量1000（）溶解-扩散气体分离无孔（）溶解-扩散渗析1~3nm浓度差筛分，扩散电渗析分子量200电位差离子迁移渗透蒸发无孔分压差溶解-扩散②以蒸汽分压为推动力的膜分离过程膜蒸馏：在不同温度下分离两种水溶液的膜过程，运用疏水性微孔膜（适用于高纯水的生产，溶液脱水浓缩和挥发性有机溶剂的分离）渗透蒸发：使用致密无孔膜。液体扩散能否透过膜取决于它们在膜材料中的扩散能力（适用于分离共沸物）③以浓度差为推动力的膜分离过程渗析：从样品中除去无用的低相对分子质量溶质和置换存在于渗透液中的缓冲液。④以电位差为推动力的膜分离过程离子交换膜电渗析（简称电渗析）：离子在电势的驱动下，通过选择性渗透膜，从一种溶液向另一种溶液迁移。6.3膜及其组件膜的定义：在一定流体相中，有一薄层凝聚相物质，把流体相分隔成为两部分，这一薄层物质成为膜。膜本身是均匀的一相或是由两相以上凝聚物质所构成的复合体。厚度小于0.5mm。膜对称性各向同性膜：微滤中使用的膜厚度是对称的，孔的大小全部一样，它们被设计成各向同性。不对称膜或各向异性膜：有一层超薄层（小于等于1um），对纳滤、反渗透、渗透蒸发和渗透萃取来说，超薄层是均相的。超薄层起到膜的专一特性的作用，被置于一层较厚的海绵状多孔性支撑层上。不对称膜很少会堵塞。膜组件优点缺点平板式保留体积小，操作费用小，压力降低，液流稳定，成熟投资费用大，高固含量料液易堵塞，拆卸费时6.5浓差极化概念：在超滤过程中，由于水透过膜，因而在膜表面的溶质浓度增高，形成梯度，在浓度梯度的作用下，溶质与水以相反方向扩散，在达到平衡状态时，膜表面形成以溶质浓度分布边界层，对水的透过起着阻碍作用。该现象可逆。解决方法：提高料液温度，提升料液湍动程度（加大流速或加装搅拌装置），降低压力，降低料液中溶质浓度。6.6膜的污染定义：随着操作时间的增加，膜透过流速的迅速下降，溶质的截留率也明显下降，这一现象被称为膜的污染。其原因为被处理物料中的微粒、胶体粒子和溶质大分子与膜发生物理化学相互作用或机械作用从而引起在膜面或膜孔内吸附、堵塞、，使膜产生透过流量与分离特性的不可逆变化现象，主要是由膜的劣化和水生物（附生）污垢所引起的。预防和控制方法：预处理法：预先除掉使膜性能发生变化的因素开发新型抗污染的膜：最根本的方法加大供给液的流速化学洗涤物理洗涤7.纳米膜过滤技术（膜材料）概念：介于反渗透与超滤之间的一种以压力为驱动力的新型膜分离过程。特点：①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，即集浓缩与渗析为一体。②操作压力低，因为无机盐能通过纳米滤膜而透析，使得纳米过滤的渗透压远比反渗透为低，从而降低了对系统动力的要求和设备的投资费用。③与反渗透相比，纳滤通量大，降低了成本。应用：制药、食品、染料抗生素的回收与精制、各类肽的纯化与浓缩、低聚糖的分离和精制、果汁的高浓度浓缩、牛奶及乳清蛋白的浓缩、农产品的综合利用、水的脱盐、膜生化反应器的开发管式易清洗，单根管子容易掉换，液流易控制投资费用操作费用大，保留体积大，压力降大，单位体积所含过滤面积小螺旋卷式设备投资操作费用很低，单位体积中所含过滤面积大，换新膜容易料液需要预处理，压力降大，易污染，难清洗，液流不易控制毛细管式设备投资操作费用低，单位体积中所含过滤面积大，易清洗，易控制液流操作压力有限，薄膜易堵塞中空纤维膜式保留体积小，单位体积中所含过滤面积大，压力降低，设备投资抵，可逆流操作料液需要预处理，单根纤维损坏时需要调换整个组件，不够成熟动态膜局部混合十分好，渗透流高，酶传递性高单位体积中所含过滤面积小，难放大8.膜亲和过滤8.1亲和膜分离技术定义：制备带有亲和配基的分离膜，直接进行产物分离基本过程和操作方式：分离膜的改性：通过适当的化学反应途径将膜上的某些官能团改性，接上一个大于3个碳原子的间隔臂。亲和膜的制备：选用一个适合的亲和配基，在一定条件下共价结合连接臂亲和配位：将样品混合物缓慢地通过膜，使样品中欲分离的物质与亲和配基产生特异性相互作用，配位生成配基和配位物为一体的复合物。其余不和膜上配基产生亲和作用的物质则随流动相通过膜流走洗脱：改变条件，使复合物解离亲和膜再生：洗涤、再生、平衡8.2亲和-错流膜过滤将水溶性或非水溶性高分子亲和载体与产物进行特异反应，然后用膜进行错流过滤9.渗透蒸发定义：又称渗透气化。渗透蒸发使用一张渗透蒸发膜，将进料液相和透过气相分隔开，并在气相侧抽真空或通以惰性气流吹扫，把渗透组分的蒸汽压控制到接近零，液相中产生的化学位梯度（膜两侧的分压压差）作为传质推动力的膜分离过程。由于料液中各组分的物理化学性质不同，它们在膜中的热力学性质（溶解度）和动力学性质（扩散速率）存在差异，因而料液中各组分渗透通过膜的速率不同，使它们分别富集在膜的两侧，从而实现分离。结论：①在渗透蒸发中，膜的选择性是不同组分透过膜的速率大小的决定因素。只要膜选择得当，甚至可使含量极低的溶质透过膜，而与大量的溶剂分离，从而节省大量的能耗。②渗透蒸发过程的推动力是组分在膜两侧的蒸汽分压差。为提高组分在膜上游侧蒸汽分压，一般采用加热料液的方法，由于液体压力的变化对蒸汽压影响不敏感，故料液侧采用常压操作方式，降低组分在膜下游侧的蒸汽分压可用冷凝法、抽真空法、冷凝加抽真空法、载气吹扫法、溶剂吸收法来实现。特点：①单级选择性好，适合于共沸物的分离和回收低含量溶剂②过程操作简单，易于掌握；但有相变，故能耗较高。③不加压，故不会导致膜的压密；操作过程