生物分离工程考试重点

一、名词解释：生物分离工程：是从微生物、动植物细胞及其生物化学产物中提取有用物质的技术。过滤：是指在某一种支撑物上放置过滤介质，注入含固体颗粒的溶液，是液体通过固体颗粒留下，是固液分离的常用方法之一。凝集：是指在某些电解质作用下，使扩散双电层的排斥电位降低，破坏胶体系统的分散状态，而使胶体粒子聚集的过程。絮凝：是指在某些高分子絮凝剂存在下，在悬浮粒子之间产生架桥作用而使胶粒形成粗大的絮凝团的过程。离心分离：离心分离是基于固体颗粒和周围液体密度存在差异，在离心场中使不同密度的固体颗粒加速沉降的分离过程，当静置悬浮液时，密度较大的固体颗粒在重力作用下逐渐下沉，这一过程也称为沉降。离心过滤：是将料液送入有孔的转鼓并利用离心力场进行过滤的过程，以离心力为推动力完成过滤作业，兼有离心和过滤的双重作用。萃取：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。至少有一相为液相。吸附：一种物质从一相移动到另外一相的现象称为吸附。如果吸附仅仅发生在表面上，就称为表面吸附；如果被吸附的物质遍及整个相中，则称为吸收。吸附等温线：固体吸附剂从溶液中吸附溶质达到平衡时，其吸附量与溶质浓度和温度有关。当温度一定时，吸附量与浓度之间的函数关系。膜：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。膜本身是均一的一相或由两相以上凝聚物构成的复合体。膜污染：原料液中的微粒或大分子与膜有理、化或机械作用而引起的在膜表面或孔内吸附、沉积造成膜孔径变小甚至堵塞的不可逆现象。浓差极化：膜表面的浓度高于主体浓度的现象。（是可逆的）蒸发：使含有不挥发性溶质的溶液沸腾汽化并移出蒸气，从而使溶液中溶质浓度提高的单元操作称为蒸发。结晶：是从液相或气相生成形状一定、分子（或原子、离子）有规则排列的晶体的现象。是新相生成的过程；是利用溶质之间溶解度的差别进行的一种分离操作。重结晶：利用杂质和结晶物质在不同溶剂和不同温度下的溶解度不同，将晶体用合适得溶剂溶解再次结晶，从而使其纯度提高。二、知识重点问答：生物分离过程的特点：1、产品丰富、种类多，导致分离方法的多样性。2、绝大多数分离方法来源于化学分离。3、生物分离一般比化学分离难度大，成本更高。（这是由于：①成分复杂。②悬液中的目标产物浓度低。③生物活性、条件相对温和。④生物产品要求质量高。⑤获得高纯度的干燥产品。⑥卫生安全。）生物分离技术的发展趋势：1、提高分离过程的选择性。2、强化传质过程。3、生物分离过程的优化。4、清洁卫生（下游过程，可持续发展）。过滤预处理：1.加热，是液体黏度降低，加快过滤速率。2、凝集与絮凝（明矾、三氯化铁），细胞碎片、蛋白质胶体的去除。3、助滤剂剂上的吸附（硅藻土、珍珠岩）。过滤的一般理论：1.不可压缩滤饼：颗粒是不易变形的固体。2.可压缩滤饼：某些胶体物质构成，滤饼两侧压力增大，颗粒形状及空隙有明显变化。滤饼可压缩，过滤速率较低，能耗增大。步骤：1、滤饼的形成。2、洗涤滤饼，除去无价值或不需要的溶质。3、滤饼的清除。离心设备：离心沉降设备：1.管式离心机：优点：最简单，可提供较大离心力；管状离心机可以冷却，蛋白质生产中有利；悬浮液由管底进，澄清液由管口流出。缺点：管壁上有浓浆沉积物，须定时拆卸、清洗。流出物固体损失使离心不能正常进行。体积庞大、分离效率低。2.碟片式离心机：可连续操作但结构复杂，价格昂贵。料液由管顶进，清液从加料口附近环行裂口流出（溢流）。离心过滤设备：1、三足式离心机。2、我时刻刮刀卸料离心机。3、螺旋卸料离心机。细胞破碎的方法：1.化学破碎法：渗透冲击法、增容法、脂溶法通过改变细胞壁或膜的通透性，从而使内含物有选择地渗透出来，这种处理方法称为渗透法。2.机械破碎法：匀浆法、研磨法、超声波法、珠磨破碎法。（机械破碎处理量大、破碎效率高、速度快）3.其他破碎法：干燥法、自溶法、冻结-融化法物理破碎法缺点：A、高能、高温、高噪音、高剪切力，易使产品变性失活；B、非专一性，胞内产物均释放，分离纯化困难；C、细胞碎片大小不一，难分离。化学破碎法缺点：A、费用高；B、引起新的污染，尤其是其他化学方法；C、一般只有有限的破碎，常需与其他物理法连用。萃取：萃取机理：1.物理过程：利用溶剂对需要分离的组分有较高的溶解能力。2.化学过程：溶剂首先有选择性的与溶质化合或络合，在两相中重新分配。萃取方式：1、单级萃取（混合－澄清，分液漏斗）2、多级逆流萃取（多个混合－澄清萃取单元串联，原料液与溶剂分别从两端加入，萃取相与萃余相逆向流动。）3、双水相萃取：又称为水溶液两相分配技术。某些亲水性的高分子聚合物的水溶液超过一定浓度后可以形成两相，并且在两相中水分占据了极大的比例，这称为双水相系统。形成：需有两种亲水成分的非互溶性。在水相中，由于各自分子结构的不同，聚合物分子倾向于在其周围有相同形状、大小和极性的分子，同时，不同类型分子间的排斥力＞与亲水性有关的吸引力，故聚合物发生分离，形成两相，即聚合物的不相溶性。分配平衡（分配系数）：（1）静电作用（2）疏水作用，分配系数一般随着聚合物的分子量、浓度及盐的浓度的增大而增大。影响因素：（1）成相聚合物分子量及浓度（2）盐浓度和种类（3）pH：改变蛋白的净电荷。（4）温度4、反胶团萃取，反胶团：向非极性有机溶剂中加入表面活性剂，当浓度＞一定浓度后，形成反胶团。反胶束溶液是透明的、热力学稳定的系统。表面活性剂是反胶束溶液形成的关键。“水池”：在疏水环境中具有使亲水性的大分子（蛋白质）保持活性。反胶团萃取蛋白步骤：1.蛋白质从水溶液主体扩散到界面；2.在界面形成包容蛋白质的反胶束；3.含有蛋白质的反胶束在有机相中扩散离开界面。影响分配平衡的因素：（1）有机相助溶剂（2）表活和助表活（表活：增大浓度可增加反胶团的量，从而增大对蛋白的溶解能力。助表活：是为了增加反胶团的含水量）（3）盐的种类（影响蛋白的分配）。特点：（1）有很高的萃取率和反应萃取率，具有选择性；（2）分离、浓缩可同时进行，过程简单；（3）成本低、溶剂可反复使用；（4）可解决蛋白质的失活；（5）可直接提取（从细胞中）。5、超临界流体萃取（SCF），依据：一种溶剂对固体和液体的萃取能力和选择性较之在常温常压条件下有极大的提高。流体特点：临界温度，临界压力。密度接近液体－－萃取能力强；粘度接近气体－－传质性能好。常用CO2特点：1.萃取能力容易控制；2.萃取效率高；3.回收溶剂简单；4.对CO2，近常温下操作、廉价、无污染等，是一种“绿色工艺”。吸附吸附类型：1.物理吸附：范氏引力，无选择性，可逆的，与吸附剂的表面积、孔孔分布和温度等因素密切相关。2.化学吸附：吸附剂与溶质间产生化学键。选择性较强。吸附后较稳定。3.离子交换吸附：吸附剂表面由离子组成。离子所带电荷越多，吸附力就越强，电荷相同的离子，其水化半径越小，越易被吸附。亲和吸附：在一种作为载体的固相介质上，偶联对目标物有专一性亲和的配基，形成亲和吸附剂，从混合液中吸附目标物。亲和吸附特点：1效率高：利用亲和吸附可以从粗提液中一次性分离得到高纯度的活性物质。2分离精度高：可用于分离含量极低，结构相近的化合物。3通用性较差，洗脱条件苛刻。亲和吸附影响因素：1配基浓度：配基浓度高有利；2空间位阻：加入“手臂链”以降低空间位阻的影响；3配基与载体的结合位点4载体孔径：孔道大小；5微环境：载体或“手臂链”的极性、电性。离子交换吸附：离子交换树脂作为吸附剂，将溶液中的待分离组分，依据其电荷差异，依靠库仑力吸附在树脂上，然后利用合适的洗脱剂将吸附质从树脂上洗脱下来，达到分离的目的。离子交换介质：（1）阳离子交换剂：活性基团为酸性；（2）阴离子交换剂：活性基团为碱性。离子交换树脂：载体+功能基团+平衡离子分类：1、阳离子交换树脂，2、阴离子交换树脂，3、两性树脂，4、螯合树脂，5、均孔型离子交换树脂影响交换速度的因素：1、颗粒大小，2、交联度，3、温度，4、离子的化合价，5、离子的大小，6、搅拌速度，7、溶液浓度影响交离子换选择性的因素：1离子水合半径2离子价3离子强度4溶液的酸碱度5交联度6活性基团的分布和性质7载体骨架一般步骤：1平衡，使分离柱稳定2吸附，目标物吸附，反离子释放3洗脱目标物洗脱下来4再生，使树脂重新获得吸附能力。色谱分离原理：被分离的样品通过固定相时，样品组分在固定相和流动相中的分配比例（各种作用力）不同，随流动相带走时不同程度地受到阻滞而实现分离。将溶质组分达到一次分配平衡的色谱柱段称为一个理论（塔）板。塔板理论：柱长的塔板数越多，表明柱效越高。分离度：色谱分析中，色谱峰相互分离的程度。分配系数Kd：当溶质浓度较低时，固定相浓度和流动相浓度都成线形的平衡关系，两者之比即为分配系数。阻滞因子Rf：是在色谱系统中溶质的移动速度和一理想标准物质的移动速度之比。洗脱溶积Ve：在柱色谱法中，是溶质从柱中流出时所通过的流动相体积。吸附色谱法的基本原理：当溶液中某组分的分子在运动中碰到一个固体表面时，分子会贴在固体表面上，发生吸附作用。固体内部质点间的相互作用力是对称的，其力场相互抵消。而处在固体表面的质点，受力不对称，其向内的一面受到固体内部质点的作用力大，而表面层所受作用力小，于是产生固体表面的剩余作用力吸附溶液组分分子。凝胶色谱法原理：样品混合物通过一定孔径的凝胶固定相，由于流经体积的差异，使不同分子量的组分得以分离的色谱方法。凝胶固定相的网状结构，流动相的小分子物质进入凝胶内，流动速度减慢，而溶液中的大分子物质被完全排阻，很快的流出色谱柱，从而达到分离不同分子量的物质。特点：1操作简单，设备简单2分离效果好，重复性高3分离条件缓和4应用广泛5分辨率不高，分离操作缓慢。纸色谱法：以滤纸为载体的分配色谱法。将试样溶于适当溶剂，点样于滤纸一端，另用一适当溶剂系统，借毛细现象从点样的一端流动（展开），展开的滤纸取出晾干，用适当的方法显迹。滤纸质地必须均匀，纹路要细，杂质含量少，具一定机械强度。薄层色谱法：将固定相在固体上铺成薄层进行层析的方法。与纸色谱法相同，只是载体不同。沉析（蛋白质沉淀）蛋白质溶液稳定的原因：（1）水化层：蛋白是胶体溶液；2）静电斥力：溶液PH不等于PI，蛋白带电（通常负电多），静电引力使溶液中带相反电荷的粒子吸附在周围，成双电层，产生电压＞吸引力时，蛋白处于稳定态。等电点沉析：溶液PH为某一值时，蛋白不带电，此时PH为等电点（PI）。蛋白在PI时，溶解度最小。调节溶液的PH值，使两性溶质溶解度下降，析出沉淀。有机溶剂沉淀：同盐析类似，有机溶剂浓度升高，蛋白溶解度下降。优点：（1）较盐析好，不用脱盐；（2）溶剂沸点低，回收方便。缺点：（1）使蛋白变性失活；（2）需要低温操作（挥发）。膜分离概念：利用膜的选择性（孔径大小），以膜的两侧存在的能量差（浓度、压力、电位等）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。是利用半透膜作为选择障碍层，从而达到分离目的。以压力差为推动力的膜分离：1微滤(MF)用于菌体的分离和浓缩。2超滤(UF)蛋白质、多糖、抗生素等分离。3反渗透(RO)乙醇、丁醇和丙酮以及浓缩抗生素、氨基酸等分离。以蒸气分压差为推动力:渗透气化，微孔疏水膜。一侧通原料，另一侧抽真空或通入惰性气体，膜两侧产生溶质的分压差，在此作用下，溶质溶解于膜内，通过膜，在透过侧发生气化，可冷凝回收。溶质发生相变。以浓度差为推动力的过程：透析。透析膜具有一定孔径大小、高分子溶质不能透过。以电位差为推动力的过程：电渗析（离子交换膜）。利用分子的荷电性质和分子大小的差别进行分离的膜分离法影响膜分离的因素：1.操作形式2.压力3.料液浓度4.流速：影响透过量5.温度结晶晶体的性质：1自范性：晶体具有自发地生长成为结晶多面体的可能性。2各向异性：晶体的几何特性及物理效应常随方向的不同而表现出数量上的差异。3均匀性：晶体中每一宏观质点的物理性质和化学组成都相同。工业起晶方法：1自然起晶：指澄清的过饱和溶液达到一定的过饱和度（不稳区）时，自发成核的过程。2刺激起晶：过饱和溶