生物分离工程部分习题和答案

第一章导论一解释名词生物下游加工过程（生物分离工程），生物加工过程1、生物下游加工过程（生物分离工程）：从发酵液、酶反应液或动/植物细胞培养液中将目标产物提取、浓缩、分离、纯化和成品化的过程。（ppt第一章、课本page1）2、生物加工过程：一般将生物产品的生产过程叫生物加工过程，包括优良生物物种的选育、基因工程、细胞工程、生物反应工程及目标产物的分离纯化过程。（课本page1）二简答题1生物产品与普通化工产品分离过程有何不同？（生物下游加工过程特点是什么？）答：生物下游加工过程特点：1：发酵液组成复杂，固液分离困难——这是生物分离过程中的薄弱环节2：原料中目标产物含量低，有时甚至是极微量——从酒精的1/10到抗菌素1/100，酶1/100万左右，成本高。3：原料液中常伴有降解目标产物的杂质——各种蛋白酶降解基因工程蛋白产物，应快速分离。4：原料液中常伴有与目标产物性质非常相近的杂质——高效纯化技术进行分离。5：生物产品稳定性差——严格限制操作条件，保证产物活性。6：分离过程常需要多步骤操作，收率低，分离成本高——提高每一步的产物收得率，尽可能减少操作步骤。7：各批次反应液性质有所差异——分离技术具有一定的弹性。2生物分离工程在生物技术中的地位？答：生物技术的主要目标产物是生物物质的高效生产，而分离纯化是生物产品工程的重要环节，而且分离工程的质量往往决定整个生物加工过程的成败，因此，生物分离纯化过程在生物技术中极为重要。3分离效率评价的主要标准有哪些？各有什么意义？（ppt）答：根据分离目的的不同，评价分离效率主要有3个标准：以浓缩为目的：目标产物浓缩程度（浓缩率m）以纯度为目的：目标产物最终纯度（分离因子a）以收率为目的：产品收得率（%）4生物分离工程可分为几大部分，分别包括哪些单元操作？（简述或图示分离工程一般流程及基本操作单元）答：生物分离工程分四大部分：1、发酵液预处理与液固分离。基本操作单元：过滤、离心2、初步纯化。基本操作单元：根据产品性质而定3、高度纯化。基本操作单元：根据产品性质而定，技术要有高度选择性4、成品加工。基本操作单元：结晶、干燥5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？(ppt)答：1、目标产物性质及其共存杂质的特性2、充分考虑目标产物商业价值3、考虑生物加工过程自身规模4、采用步骤次序相对合理5、尽可能采用最少步骤6、产品稳定性与物性7、产品规格与型式8、生产过程中废水等排放6下游加工过程的发展趋势有哪些方面？（ppt）答：成本控制和质量控制7纯化生物产品的得率是如何计算的？若每一步纯化产物得率为90%，共6步纯化得到符合要求产品，其总收率是多少？答：得率=产品中目标产物总量/原料中目标产物总量总收率=（90%）6=53.1441%第二章发酵液预处理一解释名词凝聚：在中性盐作用下，由于双电层排斥电位降低使胶体体系不稳定的现象。絮凝：在絮凝剂高分子聚合分子的作用下，基于架桥作用，胶体颗粒和聚合物交连成网，形成10mm大小的絮凝团过程。是一种以物理集合为主的过程。凝聚剂：让不稳定的胶体微粒（或者凝结过程中形成的微粒）聚合在一起形成集合体的过程中所投加的试剂的统称。过滤：利用多孔介质（如滤布、微孔膜、致密膜）截流悬浮液中的固体粒子，进行液固分离的过程。离心：在离心力作用下，利用固体和液体之间的密度差达到沉降分离目的。细胞破碎：利用外力破坏细胞膜和细胞壁，使细胞内容物包括目的产物成分释放出来的技术包含体：指细胞或细菌中高表达的蛋白质(也可以汇同其他细胞成分)聚集而成的不溶性颗粒。二简答题1为什么要进行发酵液的预处理？常用处理方法有哪几种？答：提高过滤速度与过滤质量改变发酵液性质(黏度↓、颗粒、颗粒稳定性↓)去除部分杂质使产物转入到易处理的相中（通常是液相）方法：加热、调节、pH凝聚、絮凝2凝集与絮凝过程有何区别？如何将两者结合使用？常用的絮凝剂有哪些？答：凝集：在中性盐作用下，由于双电层排斥电位降低使胶体体系不稳定的现象。机制：破坏双电层、水化层解体胶体吸附、氢键结合等。絮凝剂种类：A、阳离子类：如聚丙烯酰胺(+)、聚苯烯酸二烷基胺乙酯、聚二烯丙基四胺；B、阴离子类：如聚丙烯酸钠、聚苯乙烯磺酸、聚丙烯酰胺(-)；C、非离子类：如聚丙烯酰胺(0)、环氧化乙烯。3发酵液预处理中凝聚剂主要起什么作用？絮凝机理是什么？答：絮凝剂主要起中和电荷、架桥和网络作用（范德华力、氢键）。在絮凝剂高分子聚合分子的作用下，基于架桥作用，胶体颗粒和聚合物交连成网，形成10mm大小的絮凝团过程。是一种以物理集合为主的过程。4细胞破碎的方法包括哪几类？工业上常用的方法有哪些？为什么？答：机械法：固体剪切法(珠磨法、压榨法、撞击法)液体剪切法（高压匀浆法、超声波破碎）非机械法：酶溶胞作用、化学溶胞作用（酸碱法、表面活性剂法、抗生素）、物理溶胞作用（有机溶剂膨胀法、渗透冲击、冻融、激光、高速切相流撞击、冷冻喷射）、干燥处理工业常用方法：高压匀浆法、高速珠磨法5沉降与离心的异同？答：沉降：溶液中的颗粒或溶质在重力或离心力作用下发生沉淀的现象。沉降的结果使分散体系发生相分离。可利用悬浮在流体(气体或液体)中的固体颗粒下沉而与流体分离。利用悬浮的固体颗粒本身的重力而获得分离的称做重力沉降。利用悬浮的固体颗粒的离心力作用而获得分离的称做离心沉降。离心：在离心力作用下，利用固体和液体之间的密度差达到沉降分离目的。离心力（rω2）大小对固液分离度很有影响，细胞悬浮液和其他颗粒尺寸多不大，并且液体黏度通常较大，因此要通过增大离心力来提高分离效果。6离心设备可分为哪两大类？按分离因子Fr不同，离心机一般分为哪几类？答：管式离心机（最简单，可供较大离心力；可用冷却水冷却；悬浮液由管底进，澄清液由管口出），蝶片式离心机（流速与碟片数、微粒与转鼓轴间距离有关）按分离因子不同，可分：1)、常速离心机2)、高速离心机3)、超速离心机7常用的离心沉降设备有哪些？常用的过滤设备有哪些？答：离心沉降设备：管式离心机、多室离心机（管式离心机的变形）、碟式离心机（人工排渣式、喷嘴排渣式、活塞排渣式等）、螺旋卸料沉降离心机、离心过滤机、三足式离心机过滤设备可分：加压过滤设备（板框过滤机、加压叶滤机）减压过滤设备（转鼓真空过滤器、圆盘真空过滤器、带式真空过滤器）重力过滤设备（离心过滤机）8固-液分离主要包括哪些方法和设备？答：1、过滤(重力过滤、加压过滤、减压过滤)2、离心沉降（各种离心机）3、重力沉降4、气悬浮过滤设备类型：加压过滤设备：板框过滤机、加压叶滤机减压过滤设备：转鼓真空过滤器、圆盘真空过滤器、带式真空过滤器重力过滤设备：离心过滤机离心设备：生物工业所用的离心机多为高速离心机。离心机主要包括以下几类：管式离心机：多室离心机（管式离心机的变形）碟式离心机：（人工排渣式、喷嘴排渣式、活塞排渣式等）螺旋卸料沉降离心机离心过滤机三足式离心机9试比较固液分离中过滤和离心分离技术的特点。答：过滤在结晶体类、颗粒相对较大时（非粘性物料）的处理时较好用。离心在颗粒细微（最小可达到纳米级别），或是粘性物料处理时比较合适。10高压匀浆与高速珠磨破碎法各有哪些优缺点？答：高压匀浆：优点是细胞经历了高速造成的剪切、碰撞、高压到常压的变化，从而造成细胞破碎。缺点是较容易造成堵塞的丝状真菌、放线菌以及较小的G+菌不适合用本法。•能耗：蛋白质与酶的失活主要是由于匀浆过程中产生热所至。将温度控制在35˚C以下，损失可以忽略不计。•高压匀浆一般需多级循环操作，每次循环前需要进行级间冷却。•压力可提高细胞破碎效果，但同时需要增加能耗和带走热量付出的代价。•主要能耗是高压和维持低温操作能量消耗。高速珠磨破碎法：破碎率与能耗成正比。增加装珠量或延长破碎时间或增加转速均可提高破碎率，但同时能量消耗和产热增加，提高了制冷费和总能源消耗量。当破碎率≥80%，能耗急剧增加。11比较工业常用的过滤设备优缺点。离心与过滤各有什么优缺点？答：板框过滤机的优点是过滤面积大、过滤压力可较大幅度调整和耐受较高压力差，应用范围广；结构简单，价廉，动力消耗少；缺点是不能连续操作，劳动强度大，卫生条件差，非生产周期长。加压叶滤机：在密闭条件下操作，适应无菌过滤；机械装卸简单，清洗容易；价高，更换过滤介质困难。转鼓真空过滤机：能连续操作和自动化生产；压差小，主要适应于霉菌发酵液。离心法分离液体和固体的优点是技术容易掌握，分离结果重复性好，通过增加转速和延长离心时间可以使得一些难以过滤的物质（细胞碎片等）沉降下来，但缺点是难以除去一些密度较小的物质。生产投资较高，噪声较大等。过滤技术难以掌握，影响因素很多，常出现颗粒泄漏和膜堵塞等问题，生产中稳定性不如离心好，常需要有经验的工人从事操作。但如果分离介质选择恰当和掌握好技术，对于一些密度差小离心难以分离的颗粒物质常可全部除去。第三章沉淀与结晶一解释名词沉淀:由于物理环境变化（加入试剂、加热等），改变溶剂和溶质的能量平衡来降低溶质溶解度，使溶质生成固体颗粒沉降析出的现象。结晶:从均匀液相或气相形成一定形状、大小的分子、原子或离子有规则排列的固体颗粒的过程。（工业结晶一般以液相为主）盐析:蛋白质在高离子强度溶液中溶解度降低产生沉淀的现象。盐溶:低盐离子强度下，随着离子强度增加蛋白质溶解度升高的现象。盐析结晶:在高离子强度溶液中,蛋白质形成一定形状、大小的分子、原子或离子有规则排列的固体颗粒的过程。盐析沉淀:由于溶液中离子的加入试剂，改变溶剂和溶质的能量平衡来降低溶质溶解度，使溶质生成固体颗粒沉降析出的现象。硫酸铵饱和度:指在100g硫酸铵溶液中硫酸铵在溶液中所占质量分数。晶种:在结晶法中，通过加入不溶的添加物即晶种，形成晶核，加快或促进与之晶型或立体构型相同的对映异构体结晶的生长。晶核：晶体的生长中心。晶型：饱和溶液：如果向溶剂中加入足够量的固体溶质，一定时间后溶剂中的溶质浓度不再升高，溶质在固液之间达到平衡，此时溶液中的浓度称为溶解度或饱和浓度；该溶液称为饱和溶液。过饱和溶液：一定温度、压力下，当溶液中溶质的浓度已超过该温度、压力下溶质的溶解度，而溶质仍不析出的现象叫过饱和现象，此时的溶液称为过饱和溶液。饱和度：某种溶液的饱和度是指在100g该溶液中溶质在溶液中所占质量分数。二简答题1根据加入沉淀剂的不同沉淀分离主要包括哪几类？答：沉淀分离的主要方法：1）盐析沉淀法2）有机溶剂沉淀法3）|pH水–pI|Value调节法4）亲水聚合物沉淀法5）聚电解质絮凝法6）高价金属离子沉淀法7）亲和沉淀法2常用的蛋白质沉淀方法有哪些？有机溶剂沉淀蛋白质的机理什么？用乙醇沉淀蛋白质时应注意哪些事项？答：①常用的蛋白质沉淀方法有：蛋白质盐析沉淀、蛋白质等电点沉淀、有机溶剂沉淀法及运用沉淀动力学沉淀法等。②有机溶剂沉淀蛋白质的机理是：向蛋白质溶液中加入有机溶剂，水的活度降低。随着有机溶剂溶度的增大，水对蛋白质分子表面荷电基团的水化程度降低，液体的介电常数下降，蛋白质分子间的静电引力增大，从而凝聚和沉淀。③用乙醇沉淀蛋白质时应注意的事项：1、低温条件下操作可以提高收率和减少蛋白质失活变性（加入有机溶剂为放热反应）；2、采用的有机溶剂必须与水互溶，与蛋白质不发生作用；3、蛋白质分子量越大，需要加入的溶剂量越少；4、一种蛋白质的溶解度常会因为另一种蛋白质存在而降低；5、沉淀的蛋白如果不能再被溶解，可能已经变性；6、很多酶和蛋白质在20-50%（V/V）就能产生沉淀；当溶剂量达到50%时，通常只有分子量≤1500的蛋白留在溶液中；7、PH=PI时，需要加入的溶剂量减少；8、盐析法沉淀的蛋白质采用有机溶剂精制时必须与先进行透析。3影响盐析的主要因素有哪些？在工艺设计中如何应用？答：用Cohn经验公式来看lgS=-β--KsI影响盐析的主要因素有:β：与蛋白质种类、温度、pH有关，与无机盐种类无关Ks：与无机盐种类、蛋白质种类（不同蛋白之间溶解度相差不超过1倍）有关，与温度、pH无关