1生物分离工程的特点；

1、生物分离工程的特点；①成分复杂，固液分离困难；②浓度低，分离能耗大③收率低；④易失活；⑤不稳定性。2、精制产品分离纯化一般流程1．胞外产品：发酵液→预处理→目的产物尽量进液相→→固液分离→收集液相后→提取与精制2．胞内产品：发酵液→预处理→除杂、改变液相性质→固－液分离→收集细胞或菌体→细胞破碎→目的产物进液相→固－液分离→收集液相→后提取与精制3、生物悬浮液的特性：①悬浮物颗粒小，比重与液相相差不大；②固体粒子可压缩性大；③粘度大，含有蛋白质、多糖等胶体物质，大多为非牛顿型流体。改性的目的：降低滤饼比阻，提高过滤与分离的速率。4、凝聚：指在电解质作用下，由于胶粒间双电层排斥电位的降低，而使胶体体系不稳定的现象。凝聚作用机理：加入电解质→电解质中的高价阳离子→对胶体周围离子的影响→双电层电位↓→胶体稳定性↓→发生凝聚5、阳离子对带负电荷的发酵液胶体粒子凝聚能力的次序为：Al3+Fe3+H+Ca2+Mg2+K+Na+Li+6、絮凝：指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。7、错流过滤（Cross-FlowFiltration)又称切向流过滤，是一种维持恒压下高速过滤的技术。其操作特点是使悬浮液在过滤介质表面作切向流动，利用流动的剪切作用将过滤介质表面的固体（滤饼）移走。8、珠磨法细胞破碎率可用一级反应动力学表示：间歇操作：ln[1/(1-R)]=Kt连续操作：ln[1/(1-R)]=Kτ其中τ=V/F式中：R—破碎率（g/g）K—反应速率常数(1/s)t—破碎时间(s)τ—平均停留时间(s)V—破碎室悬浮液体积（L）F—进料速率(L/s)9、高压匀浆法破碎的动力学方程KT—与温度等有关的破碎常数。N—悬浮液通过匀浆器的次数。P—操作压力。a—微生物种类常数，对于酵母菌a值可取2.210、简述采用多种破碎方法相结合提高破碎率的原理化学法与酶法取决于细胞壁膜的化学组成，机械法取决于细胞结构的机械强度，而化学组成又决定了结构的机械强度，组成的变化必然影响到强度的差异，这就是化学法与机械法相结合的原理。11.沉淀的作用一是浓缩，通过沉淀目的产物由液相变成固相，浓缩倍数可达几十倍至数百倍；二是纯化，通过沉淀固液分相后，除去留在液相（如果目的产物是固相）或沉积在固相中（目的产物留在液相）的杂质。12、盐析法具有如下特点：（1）成本低，不需要什么特别昂贵的设备；（2）操作简单、安全；（3）对许多生物活性物质具有稳定作用。（4）存在产品与杂质的共沉作用，因而它只能作为初步纯化。13、盐析原理。aTNPKR)]1/(1ln[蛋白质在高盐浓度下发生盐析，这是因为当中性盐浓度增加至一定程度时，蛋白质表面电荷被大量中和（亲水基团被大量中性盐离子所包围），水分子离开蛋白质的周围，暴露出疏水区域，疏水区域间的相互作用，使蛋白质分子相互聚集而沉淀。14、Cohn方程式S—蛋白质的溶解度（g/L）I—离子强度mi—i离子的摩尔浓度（mol/L）Zi—i离子所带的电荷数（即离子的价数）β—盐析常数，与盐的种类无关KS—盐析常数，与温度和pH无关15、KS与盐种类的关系对于阴离子，含高价阴离子的盐，效果比低价的好。常用阴离子的盐析效果排列如下：柠檬酸盐＞PO43-＞SO42-＞CH3COO-＞Cl-＞NO3-＞SCN-。对于阳离子，一般地高价阳离子（如Mg2+、Ca2+）不如低价阳离子，常用一价阳离子的盐析效果排列如下：NH4+＞K+＞Na+。而常用盐析剂盐析效果的排列顺序为：NaH2PO4＞(NH4)2SO4＞Na2SO4＞MgSO4＞NaCl16、有机溶剂法沉淀原理一般水溶液加入有机溶剂水溶液的介电常数↓→溶质分子（蛋白质）之间静电引力↑→溶质的溶解度↓。有机溶剂沉淀法具有如下特点：①不同溶质的沉淀所要求的有机溶剂浓度不同，这是有机溶剂分步沉淀的基础。其分辨能力比盐析法高。②溶剂容易蒸发除去，因此适合于制备食品用蛋白质。③有机溶剂密度低，与沉淀物密度差大，过滤和离心分离都较容易。④容易使某些生物大分子变性失活。⑤有机溶剂易燃易爆，操作常需在低温下进行。17、非离子多聚物沉淀法原理.沉淀作用是多聚物与大分子发生共沉作用的结果。与有机溶剂相似，使大分子的水化度降低，促使大分子沉淀多聚物与大分子之间以氢键相结合形成复合物.PEG沉淀法特点（1）操作条件温和，变性失活少。（2）具有极高的沉淀效果，用量较少，PEG浓度一般为10%左右。（3）沉淀后多聚物较易除去，对后继分离影响较小。18、膜分离技术的特点1）处理效率高，设备易放大；（2）适合于热敏物质分离；（3）失活较少；（4）无相变过程，省能；（5）在分离、浓缩的同时可达到部分纯化；（6）可达较高回收率；（7）系统可密闭，避免外来污染；（8）不外加化学物质，减少环境污染；（9）不适合于分子量相近物质的分离，一般地分子量需相差10倍以上才能获得较好的分离。19、常见膜分离过程简介：（1）微过滤（Micro-Filtration）——截留0.002~10μm的悬浮物，使悬浮液澄清（2）超过滤（Ultra-Filtration——截留1~20nm的大分子溶质，可对含有大分子溶质的溶液进行浓缩、提纯和分级，（3）反渗透可截留0.1~1nm的溶质，可分离小分子有机物和无机盐，广泛应用于制造超纯水、海水淡化和污水处理等，（4）透析从大分子溶液中透析除去中小分子、无机盐或更换溶剂。5）纳滤（5）纳滤是间于超滤与反渗透之间的一种膜过滤，20、膜的基本要求：（1）透过速度快（孔穴密、厚度小）；（2）选择性好（孔径分布集中）；IKSslg221iiZmI（3）机械强度好；（4）耐热、耐酸碱，化学惰性；（5）不易被污染，易于清洗和再生；（6）价格低廉，易于制造。21、影响截留率的主要因素除溶质的分子大小外，截留率还与下列因素有关：（1）分子形状：线性分子的R值低于球形分子。（2）吸附作用：膜对溶质的吸附作用使R值上升。（3）桥架作用：两种或两种以上高分子溶质的存在，其R值比单一高分子时会有所提高。（4）温度升高，粘度降低，吸附作用减少，R值下降。（5）进料速度加大，切向流的剪切作用增大，浓差极化减少，R值下降。（6）pH、离子强度等会影响生物大分子的构象和形状，因而影响R值。22、萃取——是利用物质溶解于某种液体的一种提取方法，它基于混合物中各组分在同种溶剂中的溶解度不同而使所需组分得以分离和浓缩。23、萃取过程中发酵液预处理目的过滤或离心——除去细胞及其他悬浮颗粒；絮凝、沉淀等——除蛋白质等高分子化合物；沉淀、络合——除高价无机离子；膜过滤、蒸发等——浓缩以减少萃取剂用量24、萃取原理分配系数如溶质分子在萃取剂中有缔合现象，则分配定律可改写为：K=C1/C2n其中n=M1/M2n为溶质在溶剂中缔合分子量变化的数目，其值等于溶质在上下相中分子量之比。25、色谱分离种物理的分离方法当多组分混合物随流动相流经固定相时，由于各组分物理化学性质的差别，使各组分以不同的速度随流动相移动，使之分离。色层分离的特点1）分离效率高（2）应用范围广——适合于各种原理（3）操作参数多——选择性强4）高灵敏度的在线检测5）快速分离6）过程自动化操作26、按分离机理不同分类1）吸附色谱，由于固定相对不同物质的吸附力不同而使混合物分离的方法2）分配色谱利用混合物中各物质在两液相中的分配系数不同而分离。3）离子交换色谱基于离子交换树脂上可电离的离子与流动相中具有相同电荷的溶质离子进行可逆交换，由于混合物中不同溶质对交换剂具有不同的亲和力而将它们分离。4）凝胶色根据各物质分子大小不同而进行分离的色谱技术，5）亲和色谱系利用生物分子间所具有的专一亲和力而分离。27、亲和色谱亲和色谱（AffinityChromatography,AFC）是专门用于纯化生物大分子的色谱分离技术，它是基于固定相的配基与生物分子间的特殊生物亲和能力的不同来进行相互分离的。亲和色谱特点：（1）具有其他分离技术所不能比拟的高选择性；（2）操作条件温和，能有效地保持生物大分子高级结构的稳定性；（3）对活性样品的回收率较高。28、简述聚合物分子量和聚合物浓度对双水相萃取的影响：1）聚合物的分子量的影响：蛋白质易分配于聚合物分子量较小的相。对于PEG/Dx系统：PEG分子量↑→蛋白质的分配系数K↓Dx分子量↑→蛋白质的分配系数K↑通过改变PEG的分子量可使蛋白质分配在不同的相。通过选择不同分子量的PEG可分离不同分子量的蛋白质。由于细胞碎片的分子量较大，所以增加PEG的分子量更易使细胞碎片趋于下相。2）聚合物浓度的影响：（1）对于双水相系统，在增加某一聚合物的含量时，双水相形成后其所占的体积也大。于是PEG浓度↑→上相体积V1↑→上、下相体积比R↑→溶质收率Y↑（2）增加聚合物浓度，使上、下相热力学特性差异增大，不同物质间的K值差别也会增大，有利于杂质的分离。（3）聚合物浓度增大，粘度上升，不利于两相分离。29、简述改变发酵液过滤特性的主要方法及其机理：（1）降低液相黏度：加水稀释法，虽能降低液相粘度，但会增加悬浮液的体积，加大后继过程的处理能耗；加热可有效降低液相黏度，改善过滤性能，但目的产物活性可能下降。（2）调整PH：调整pH→改变某些物质的电荷性质与强度→发生絮凝→便于分离。（3）凝聚与絮凝：1、凝聚：指在电解质作用下，由于胶粒间双电层排斥电位的降低，而使胶体体系不稳定的现象。作用机理：加入电解质→电解质中的高价阳离子对胶体周围离子的影响→双电层电位下降→胶体稳定性下降，发生凝聚2、絮凝：指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。机理：胶体粒子＋高分子絮凝剂（静电引力、范德华力、氢键作用）→相互吸附作用→形成絮团3、混凝：胶体悬浮液（加入电解质）→粒子间的排斥作用降低、脱稳、凝聚成微粒（加入絮凝剂）→絮凝成较大的颗粒（4）助滤剂的使用：悬浮液（加入助滤剂）→悬浮液中的细微胶体粒子被吸附到助滤剂的表面上→滤饼的结构改变，可压缩性下降→过滤阻力降低，过滤速率提高（5）加入反应剂：生成不溶性沉淀；分解大分子物质。30、发酵液预处理时调整PH的主要作用：（1）对于氨基酸、蛋白质等两性物质，调pH至等电点，在等电点下溶解度最小，此即为等电点沉淀。（2）细胞(碎片)及某些胶体物质在某个pH值下也可能趋于絮凝而成为较大颗粒，有利于过滤的进行。（3）在极端pH值下，蛋白质发生凝固，使之分离。31、膜过滤的基本特征—切向流过滤是一种维持恒压下高速过滤的技术。其操作特点是使悬浮液过滤介质表面作切向流动，利用流体的剪切作用将过滤介质表面沉积的固体移走。水通量的大小主要取决于溶质分子在膜表面上的沉积和溶液的性质。实际的透过速度变化1.生物分离工程在生物技术中的地位（1）对于生物新产品，分离工程所占成本最大。A类：液体或固体混合物产品。下游加工占总成本10~20%B类：小分子生物产品、非活性大分子产品和细胞产品（即传统发酵工厂产品）。下游过程成本占30%左右。C类：生物活性物质产品。下游过程成本占80~95%（2）分离工程的落后阻碍生物技术的发展。许多生物工程上游技术的新成果由于没有合适的提取与精制方法而不能转化为生产力；由于提取和精制方法的落后，使某些生物产品收率低、成本高，缺乏竟争力。2.生物分离工程的发展方向①新型分离方法的研究与开发。膜分离技术完善与推广应用、亲和技术、色谱分离技术、吸附技术、新型萃取技术、复合（集成）分离技术的研究。②上游技术对下游过程的影响。将胞内产物变为胞外产物；选择便于产品分离的培养基；通过代谢工程和基因工程的方法，减少影响目标产物分离的副产物的形成。③原位分离技术研究——发酵培养与产品分离耦合技术。避免或减少产物反馈抑制作用；减少生物活性物质产品的失活损失3.简述采用多种破碎方法相结合提高破碎率的机理：化学法与酶法取决于细胞壁膜的化学组成，机械法取决于细胞结构的机械强度，而化学组成又决定了结构的机械强度，组成的变化必然影响到强度的差异，这就是化学法与机械法相结合的原理。细胞（酶法或