工业下游技术思考题答案

第一章1、请谈谈你对学习生物工业下游技术的重要性的认识。1)下游技术是生物技术产品产业化的必经之路。2)由于生物原料和制品的多样性，越来越多的产品明显带有生物物质的特征(如活性和热敏性)，它们的生产工艺已不能简单套用化工单元操作技术3)工业生物技术产品，包括现代发酵工业产品，其质量的优劣，成本的高低，竞争力的大小，往往与下游技术直接相关。某些基因工程产品，其提取精制成本甚至占总成本的70－90％。4)下游技术还与许多新产品的开发以及环境保护密切相关。2、生物工业下游技术包含哪两层含义？请举例说明。1)物质分离；2)产品深加工；举例见书3、生物工业下游技术的发展可划分为几个阶段？各有哪些基本特征？1）古代酿造业：人类仅仅是利用自然现象。2）第一代生物技术：a认识到发酵的本质是微生物的作用。b掌握了纯种分离、纯种培养技术。c发酵法生产酒精、丙酮、丁醇等相对简单的发酵工业产品（厌氧发酵）形成工业化。d开始引入化学工程中成熟的近代分离技术，如过滤，蒸馏，精馏等。3）第二代生物技术：第二代生物技术以40年代出现的青霉素产品为代表。a:由于无菌空气制备技术和大型好氧发酵装置的开发成功，使微生物发酵工业迅速壮大，一大批通风发酵技术产品相继投入了工业生产。b:生物产品的多样性，从初级代谢产物到次级代谢产物；从小分子的物质到具有生命活性的大分子物质。c:借鉴和引收了大量的近代化学工业的分离技术。4）第三代生物技术：第三代生物技术一般认为以70年代末掘起的DNA重组技术及细胞融合技术为代表。a:基因工程、酶工程和细胞工程产品开始造福人类。b:对生物工业的研究已进入分子水平。c:研究发现了一大批生理功能性物质，如属低聚糖类的活性糖质、活性肽、高度不饱和脂肪酸等。4、如何理解生物工业中，原料和产品的特性决定着下游技术？1）粗原料中带入大量的不参与发酵过程的可溶性杂质和不溶性悬浮物给下游过程的分离提取带来了不小的困难，增加了下游操作成本，包括发酵废液的处理成本。随着环境保护工作力度的加强，清液（精料）发酵将是一个方向。2）生物产品往往具有活性，需要技术的适应面宽，操作弹性大。对某一具体产品，分离提取时应考虑下列情况：是胞内产物还是胞外产物；原料中产物和主要杂质浓度；产物和主要杂质的物理化学特性及差异；产品用途和质量标准；产品的市场价格；废液的处理方法等。5、请画出生物工业下游技术的一般工艺流程，并说明各阶段的工作重点是什么。流程见第一章课件（图片格式）预处理和固液分离：目的是除去发酵液中的菌体细胞和不溶性固体杂质。初步分离：目的是除去与产物性质差异较大的杂质，为后道精制工序创造有利条件高度纯化：去除与产物的物理化学性质比较接近的杂质。成品制作：成品形式由产品的最终用途决定。6、什么叫清洁生产？以味精、酒精等发酵工业产品为例，请谈谈你对清洁生产的认识。答案见书P15第二章下游技术的理论基础1、物理学、化学、生物学三种物质分离过程各有什么特点？2、拟平衡分离过程和平衡分离过程的区别是什么？3、影响生物特异性相互作用的因素有哪些？1)热：最普通的影响蛋白质构象的因素2)温度：温度的上升，使离子间的相互作用、氢键、金属原子配位作用等变弱，相反，疏水性的相互作用因温度上升而加强；3）pH：pH对离子间的作用影响很大4）静电性的环境变化：溶液离子强度增加，离子间相互作用变弱，氢键也受到同样影响；5）试剂：4、什么叫亲和色谱？选择色谱载体材料时应注意哪些因素？亲和色谱是利用了生物物质间的特异性相互作用，或者说是利用了某些生物物质之间特异的亲和力进行选择性分离的一种色谱分离技术。选择用于亲和色谱的载体时，希望满足下面的条件：(1)具有亲水性，高分子量的分离目的物质很多，为防止变性，且亲水性和内部扩散阻力小，吸附容量大的多孔性结构。(2)具有载体固定化时能利用的适当的官能团。对pH、离子强度变化不敏感，不会造成配体漏失。(3)目标物质以外的非特异性吸附很少。(4)有一定机械强度，装柱时能获得合适的供料流速。5、图2—7中，V0、Ve、阴影面积各表示什么？见书35V0为未固定配体而尺度相同的载体柱中分离目的物质的流出流量；VE为达到目的物质初浓度CO的1/2时的洗脱液量；阴影面积白哦是柱子的吸附容量第三章发酵液预处理1、发酵液预处理的目的是什么？预处理中应注意哪些方面？目的是分离除去菌体和其他悬浮颗粒，同时除去一部分可溶性杂质，改变滤液的性质，为提取和精制等后道工序创造有利条件。1）对于胞外产物，预处理时应尽可能使产物转移到液相，然后用固液分离除去固相。2）对于胞内产物，则应先收集菌体或细胞，经细胞破碎后，使产物转移到液相，再用固液分离除去细胞碎片。2、工业上降低料液黏度的常用方法是加水稀释和加热，两者各有什么优缺点？1）加水稀释法虽能降低液体粘度，但会增加悬浮液的体积，加大后继过程的处理任务。而且，单从过滤操作看，稀释后过滤速率提高的百分比必须大于加水比才能认为有效，即若加水一倍，则稀释后液体的黏度必须下降50%以上才能有效提高过滤速率；2）升高温度可有效降低液体粘度，提高过滤速率。同时，在适当温度和受热时间下可使蛋白质凝聚，形成较大颗粒的凝聚物，进一步改善了发酵液的过滤特性。但使用加热法时必须严格控制加热温度与时间。首先，加热的温度必须控制在不影响目的产物活性变质的范围内；其次，温度过高或时间过长，会使细胞溶解，胞外物质外溢，增加发酵液的复杂性，影响其后的产物分离与纯化。3、凝聚和絮凝有什么区别？凝聚：在电解质的作用下，由于双电层排斥电位的降低，而使胶体体系不稳定的现象。絮凝：指在某些高分子絮凝剂存在下，基于架桥作用，使胶粒形成粗大的絮凝团的过程，是一种以物理的集合为主的过程。4、对絮凝剂的化学结构有什么要求？为什么？絮凝剂的结构特性：一方面要求其分子必须含有较多的活性官能团，使之能和胶体粒子结合；另一方面要求有长链的线性结构，以便同时和多个胶体粒子结合。5、影响絮凝效果的因素有哪些？请简要说明理由。（理由见书P43）1）絮凝剂的加量2）絮凝剂的分子量和类型3）溶液的pH值4）搅拌速度和时间6、选择助滤剂时要注意哪些要点？1）根据目的产物选择助滤剂品种。2）根据过滤介质和过滤情况选择助滤剂品种。3）助滤剂粒度的选择。4）助滤剂使用量的选择。7、变性法去除杂蛋白有哪些局限性？蛋白质从有规则的排列变成不规则结构的过程称为变性。变性蛋白质溶解度较小。不足之处：a加热法只适合于对热较稳定的目的产物；b极端pH值也会导致某些目的产物失活，且要消耗大量酸碱；c有机溶剂法通常只适用于所处理的液体数量较少的场合。8..澄清过滤和滤饼过滤有什么区别？澄清过滤：借助硅藻土、活性碳以及金属、非金属烧结材料等过滤介质，形成过滤层，当悬浮液通过过滤层时，固体颗粒被阻拦或吸附在过滤介质上，使滤液澄清。滤饼过滤：以滤布为过滤介质，当悬浮液通过滤布时，固体颗粒被滤布阻拦而逐渐形成滤饼，当滤饼达到一定厚度时，即可获得澄清的滤液。第四章细胞破碎1、革兰氏阳性细菌和阴性细菌的细胞壁有哪些不同？见书P62表格2、机械法细胞破碎和非机械法比较各有哪些优缺点？见第四章课件（表格）3、细胞破碎的难易程度由什么决定？为什么？细胞破碎的主要阻力来自于细胞壁；微生物细胞的外围通常包括细胞壁和细胞膜，它们起着支撑细胞的作用。其中细胞壁为外壁，具有固定细胞外形和保护细胞免受机械损伤或渗透压破坏的功能。细胞膜为内壁，是一层具有高度选择性的半透膜，控制细胞内外一些物质的交换渗透作用。细胞膜较薄，强度比较差，易受渗透压冲击而破碎，而细胞壁坚韧而略具弹性。不同类型的微生物、处于不同生长时期的同一种微生物，细胞壁的结构特性是不同的。4、根据图4—2，试分析珠磨法破碎细胞时应怎样选择进料量、浓度等操作参数。见书P675、请分析珠磨法、高压匀浆法两种细胞破碎方法的优劣。1)高压匀浆法适合小批量，每次最少可处理20ml，珠磨法最少需85ml，只能得到50ml浆液。2)珠磨法兼具破碎和冷却，而高压匀浆法只能间接冷却。3)珠磨法一次破碎效率高，高压匀浆法需循环2-4次。4)珠磨法适用范围广，几乎所有的微生物细胞都适用。6、请分析化学渗透法破碎细胞的优缺点。工作原理：利用一些化学试剂，如有机溶剂、变性剂、表面活性剂、抗生素、金属螯合剂等，以改变细胞壁或膜的通透性（渗透性），从而使胞内物质有选择的渗透出来。优点：1）对产物释放具有一定的选择性。可使一些较小分子量的溶质如多肽和小分子的酶蛋白透过，而核酸等大分子量的物质仍滞留在胞内。控制条件可以有选择性地释放出位于细胞内不同部位的产物。2）细胞外形保持完整，碎片少，浆液黏度低，易于固液分离和进一步提取。缺点：1）通用性差，某种试剂只能作用于某些特定类型的细胞。2）时间长，效率低，一般胞内物质释放率不超过50%。3）有些化学试剂有毒性，在其后的产物提取精制过程中，需设法分离除去。7、针对某一种细胞破碎方法，为提高细胞破碎率，你认为还有哪些方法？1、1）低温玻璃化破碎技术：将样品以尽可能快的速度直接投入液氮进行超快速冻结，使其发生严重低温断裂现象，使细胞破碎。2、噬菌体破碎技术：将噬菌体感染宿主细胞，并和细胞的染色体一起复制、传代，当需要细胞裂解时，可通过改变环境条件如紫外照射、提高环境温度等，使之裂解细胞。3）超高压细胞破碎：将细胞悬浮液置于密闭的超高压容器中，第九章膜过滤1、什么叫微滤、超滤和反渗透？三者之间有哪些区别？如果在渗透试验装置的膜两侧造成一个压力差，并使其大于渗透压，就会发生溶剂倒流，使得浓度较高的溶液进一步浓缩，这一现象就叫反渗透。如果膜只阻挡大分子，而大分子的渗透压是不明显的，这种情况就叫做超滤。因此，超滤和反渗透及微过滤都是以压力差为推动力。1）以多孔细小薄膜为过滤介质，使不溶物浓缩过滤的操作为微过滤。2）按粒径选择分离溶液中所含的微粒和大分子的膜分离操作为超滤。3）从溶液中分离出溶剂的膜分离操作作为反渗透。2、什么叫膜的浓差极化？如何防止浓差极化？浓差极化：膜分离过程中的一种现象，会降低透水率，是一个可逆过程。是指在超滤过程中，由于水透过膜而使膜表面的溶质浓度增加，在浓度梯度作用下，溶质与水以相反方向向本体溶液扩散，在达到平衡状态时，膜表面形成一溶质浓度分布边界层，它对水的透过起着阻碍作用。3、什么叫膜污染？有哪些措施可减轻膜污染？膜污染:当用膜对溶质和水进行分离时，进料液中的悬浮性固体、胶体、和可溶性高分子聚集在膜表面。根据其具体原因采用某种清洗方法，可以使膜性能得以恢复。减轻膜污染的方法：1)料液的有效处理，对料液采取有效的预处理，以达到膜组件进水的水质指标；或采用加某类絮凝剂进行预絮凝、预过滤，除去易形成污染的蛋白质等；或改变溶液PH等方法，以脱除一些能与膜相互作用的盐等溶质。2）改变膜的性质，改善膜的表面性质如表面极性和电荷性，以减轻污染；或改变膜的流体力学条件。3）改变操作条件，适当提高水温加速分子扩散，增大滤速；或降低膜两侧的压差或料液浓度；调节料液的PH，远离引起蛋白质沉淀吸附的等电点等，使吸附作用减弱。4、膜分离具有生物活性的生物大分子，有哪些优点？第十章液膜分离1、什么叫液膜分离？在液膜分离过程中，在膜的原料一侧（外相侧）界面上，欲提取的目标物质进入膜相，而在膜的接收相一侧（内相侧）同时释放出该物质，达到与原料中其它成分相分离的目的。因此液膜分离法是在膜的两侧同时进行萃取和反萃取（或吸收与解吸）的操作。2、液膜分离能提取生物活性分子吗？请说明理由。不能。液膜与生物膜在结构上有许多相似之处。含有表面活性剂的膜溶剂相当于生物膜的类脂体，而液膜中的流动载体即相当于生物膜中的蛋白质载体。3、以提取苯丙氨酸为例，液膜分离和反胶团萃取有何异同点？见书P209（1）传质机理的不同：（2）操作过程的不同：（3）萃取收率：第十一章离子交换1、什么叫离子交换剂？它的结构由哪几部分组成？离子交换剂是一类能与其它物质发生离子交换的物质。离子交换树脂的结构：1）不溶于酸碱有机溶剂固态高分子材料，化学稳定性好，具有一定的孔隙度。对于生物大分子的分离，孔隙度的大小更重要。2