生物分離工程復(fù)習(xí)綱要

1、第一章：緒論1、 生物分離工程概念回收生物產(chǎn)品分離過程的原理與方法，即從發(fā)酵液、酶反應(yīng)液、動植物細(xì)胞培養(yǎng)液中分離、純化生物產(chǎn)品的過程。2、 生物分離工程研究的內(nèi)容目標(biāo)產(chǎn)品及其基質(zhì)的性質(zhì)。根據(jù)產(chǎn)品及基質(zhì)選擇適宜的分離純化技術(shù)(基本技術(shù)原理；基本方法；基本設(shè)備)。第二章：發(fā)酵液預(yù)處理1、 發(fā)酵液預(yù)處理的目的除去部分可溶性雜質(zhì)和改變?yōu)V液的性質(zhì)，以利于后繼各步操作；改變發(fā)酵液的物理性質(zhì)和降低溶液的粘度；盡可能使產(chǎn)物轉(zhuǎn)入便于以后處理的相中。（除去懸浮顆粒、改善濾液的性狀、方便后續(xù)步驟）2、 凝集與絮凝凝集(coagulation)作用是在某些電解質(zhì)作用下，如中性鹽作用下，使擴(kuò)散雙電層的排斥電位降低，破壞

2、膠體系統(tǒng)的分散狀態(tài)，而使膠體粒子聚集的過程。（機(jī)理：中和粒子表面電荷；消除雙電層結(jié)構(gòu)；破壞水化膜）（通過電解質(zhì)破壞膠體分散狀態(tài)）絮凝(flocculation)：指在某些高分子絮凝劑存在下，在懸浮粒子之間產(chǎn)生架橋作用，而使膠粒形成粗大的絮凝團(tuán)的過程。（物理高分子物質(zhì)的橋聯(lián)作用）3、 高價態(tài)無機(jī)離子的去除Ca2+去除：一般用草酸的鈉鹽生成草酸鈣；Mg2+去除：加入三聚磷酸鈉，從而形成三聚磷酸鈉鎂絡(luò)合物；Fe3+去除：加入黃血鹽(亞鐵氰化鉀) 。4、 固液分離的主要方法a) 過濾（垂直過濾（死過濾）；錯流過濾）b) 離心第三章：細(xì)胞分離技術(shù)1、 細(xì)胞破碎的方法（了解原理）機(jī)械法：主要利用高壓、研磨

3、、超聲波等方法產(chǎn)生剪切力達(dá)到破碎細(xì)胞壁的目的。熱量的產(chǎn)生是該法的一個缺點(diǎn)。高壓勻漿的原理：從高壓室（幾百個大氣壓）壓出的細(xì)胞懸浮液速度可達(dá)幾百米每秒，高速噴出的漿液噴射到靜止的撞擊環(huán)上，細(xì)胞在高速造成的剪切力，碰撞力和高壓到常壓的變化等作用下，造成細(xì)胞破碎。珠磨法的原理：細(xì)胞懸浮液與極細(xì)的玻璃小珠、石英砂、氧化鋁等研磨劑一起快速攪拌或研磨，研磨劑、珠子與細(xì)胞之間的互相剪切、碰撞，使細(xì)胞破碎。超聲波破碎法的原理：液體中局部空穴的形成、增大和閉合產(chǎn)生極大的沖擊波和剪切力，引起的粘滯性旋渦在細(xì)胞上造成了剪切力，使細(xì)胞內(nèi)液體發(fā)生流動，從而使細(xì)胞破碎。非機(jī)械法：主要通過酶反應(yīng)，化學(xué)溶胞，改變滲透壓等方法

4、破壞細(xì)胞壁和細(xì)胞膜達(dá)到細(xì)胞破碎的目的。酶解法：利用酶促反應(yīng)，分解破壞細(xì)胞壁上特殊的鍵，從而達(dá)到破壁的目的。滲透壓沖擊法：介質(zhì)被突然稀釋，或者將細(xì)胞轉(zhuǎn)入水或緩沖液中，由于滲透壓的突然變化，水迅速進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，引起細(xì)胞壁的破裂。凍結(jié)-融化：將細(xì)胞放在低溫下突然冷凍和室溫下融化，反復(fù)多次而達(dá)到破壁作用?；瘜W(xué)法：用酸堿及表面活性劑處理，可以使蛋白質(zhì)水解，細(xì)胞溶解或使某些組分從細(xì)胞內(nèi)滲漏出來。2、 包涵體形成的可能原因包涵體的形成主要因為在重組蛋白的表達(dá)過程中缺乏某些蛋白質(zhì)折疊的輔助因子，或環(huán)境不適，無法形成正確的次級鍵等原因形成的 。（1）表達(dá)量高：原因可能是合成速度太快，以至于沒有足夠的時間進(jìn)行折疊，

5、二硫鍵不能正確的配對，過多的蛋白間的非特異性結(jié)合，蛋白質(zhì)無法達(dá)到足夠的溶解度等。 （2）氨基酸含硫過高：重組蛋白的氨基酸組成：一般說含硫氨基酸越多越易形成包涵體，而脯氨酸的含量明顯與包涵體的形成呈正相關(guān)。（3）環(huán)境不適合：重組蛋白所處的環(huán)境：發(fā)酵溫度高或胞內(nèi)pH接近蛋白的等電點(diǎn)時容易形成包涵體。 （4）異源蛋白：由于缺乏真核生物中翻譯后修飾所需酶類，致使中間體大量積累，容易形成包涵體沉淀。第四章：沉淀技術(shù)1、 維持蛋白質(zhì)膠體穩(wěn)定的因素蛋白質(zhì)分子表面的水化層；蛋白質(zhì)分子間的靜電斥力2、 鹽析的原理，鹽析與變性的關(guān)系原理：親水性大于蛋白質(zhì)破壞水化層；帶電離子中和蛋白質(zhì)表面電荷鹽析與變性的關(guān)系：鹽析

6、是可逆的，變性是不可逆的3、 低鹽濃度下，蛋白質(zhì)溶解度與離子強(qiáng)度的關(guān)系向蛋白質(zhì)的純水溶液中加入電介質(zhì)后，蛋白質(zhì)將吸附鹽離子，而形成擴(kuò)散雙電層，導(dǎo)致蛋白質(zhì)的溶解度增大，發(fā)生鹽溶。4、 高濃度鹽溶液中，蛋白質(zhì)溶解度與離子強(qiáng)度的關(guān)系。由于鹽的水化作用，其將爭奪蛋白質(zhì)水化層中的水分子，使蛋白質(zhì)表面疏水區(qū)脫水而暴露，增大它們之間的疏水性作用。蛋白質(zhì)溶解度與鹽濃度的關(guān)系（1）cohn經(jīng)驗式 ： S蛋白質(zhì)溶解度，mol/L；I離子強(qiáng)度（c:離子濃度；Z:離子化合價）含義：鹽濃度為0時（純水中溶解度），蛋白質(zhì)溶解度的對數(shù)值。（與蛋白質(zhì)種類、溫度、pH值有關(guān)，與鹽無關(guān)）Ks含義： Ks鹽析常數(shù)（與蛋白質(zhì)和無機(jī)鹽

7、的種類有關(guān)，與溫度、pH值無關(guān)）。鹽析公式局限性：雖然Cohn公式能夠描述鹽析狀態(tài)下蛋白質(zhì)的溶解度，但它不能體現(xiàn)低鹽濃度（鹽溶狀態(tài)）下蛋白質(zhì)的溶解度。5、 鹽析法分離蛋白質(zhì)的兩個步驟 分級，Ks分級Ks鹽析法：在一定pH和溫度下，改變體系離子強(qiáng)度進(jìn)行鹽析的方法；Ks鹽析法由于蛋白質(zhì)對離子強(qiáng)度的變化非常敏感，易產(chǎn)生共沉淀現(xiàn)象，因此常用于提取液的前處理。鹽析法：在一定離子強(qiáng)度下，改變pH和溫度進(jìn)行鹽析；鹽析法由于溶質(zhì)溶解度變化緩慢，且變化幅度小，因此分辨率更高，常用于初步的純化。6、 有機(jī)溶劑沉淀的原理降低了溶質(zhì)的介電常數(shù)（削弱了溶劑分子與蛋白質(zhì)分子間的相互作用力，增加了酶、蛋白質(zhì)、核酸等帶電粒子

8、之間的作用力，因相互吸引而聚合沉淀）；破壞水化膜（由于使用的有機(jī)溶劑與水互溶，它們在溶解于水的同時從蛋白質(zhì)分子周圍的水化層中奪走了水分子，破壞水化層，使蛋白質(zhì)沉淀）。7、 常用于沉淀蛋白質(zhì)的有機(jī)溶劑乙醇：沉析作用強(qiáng)，揮發(fā)性適中，無毒常用于蛋白質(zhì)、核酸、多糖等生物大分子的沉析；丙酮：沉析作用更強(qiáng)，用量省，但毒性大，應(yīng)用范圍不廣。8、 等電點(diǎn)沉淀原理在低離子強(qiáng)度下，調(diào)節(jié)pH值至等電點(diǎn)，蛋白質(zhì)是兩性電解質(zhì)，當(dāng)溶液pH值處于等電點(diǎn)時，分子表面凈電荷為0，雙電層和水化膜結(jié)構(gòu)被破壞，由于分子間引力，形成蛋白質(zhì)聚集體，進(jìn)而產(chǎn)生沉淀。第五章：萃取技術(shù)1、 概念理解萃取相：大部分溶質(zhì)轉(zhuǎn)移到萃取劑中，得到的溶液。

9、萃余相：被萃取出溶質(zhì)后的料液。分配常數(shù)：一定T、P下，溶質(zhì)在兩個互不相溶的溶劑中分配，平衡時，溶質(zhì)在兩相中濃度之比為常數(shù)，該常數(shù)稱為分配常數(shù)?；疃龋罕硎净瘜W(xué)反應(yīng)速度的物理量。分配系數(shù)：萃取過程中常用溶質(zhì)在兩相中的總濃度之比表示溶質(zhì)的分配平衡，該比值稱為分配系數(shù)。萃取因素：萃取分率：萃取相中溶質(zhì)與總?cè)苜|(zhì)的質(zhì)量比：萃余分率：萃余相中溶質(zhì)與總?cè)苜|(zhì)的質(zhì)量比：2、 pH與弱電解質(zhì)在有機(jī)相和水相中的分配系數(shù)之間的關(guān)系，從中能得到哪些與弱電解質(zhì)萃取操作相關(guān)的結(jié)論弱酸性溶質(zhì)分配平衡：有機(jī)相中溶質(zhì)濃度與水相中總?cè)苜|(zhì)濃度及pH之間的關(guān)系：表觀分配系數(shù)與溶劑和水相及pH之間的關(guān)系：例：用醋酸丁酯從pH為2.5的發(fā)酵

10、液中萃取芐基青霉素，在0，pH2.5時測得K=30，Kp=10-2.75。求兩相中濃度相等時的pH值。解：根據(jù)公式得K0=30（1+102.5-2.75）=47當(dāng)芐基青霉素在兩相中濃度相等即K表=1時，pH4.4時，芐基青霉轉(zhuǎn)移到丁酯相稱為萃取；pH4.4時，芐基青霉素又從丁酯相轉(zhuǎn)移到水相,稱為反萃取。表觀分配系數(shù)=1即芐基霉素在醋酸丁酯相與水相中的濃度相等，其pH=4.4。 弱堿性溶質(zhì)分配平衡：對于弱堿性電解質(zhì)，有機(jī)相中溶質(zhì)濃度與水相中總?cè)苜|(zhì)濃度及pH之間的關(guān)系。K0/(110pKpH )3、 多級錯流與多級逆流萃取的計算（計算題）利用乙酸乙酯萃取發(fā)酵液中的放線菌素D，pH=3.5時，k=5

11、7，料液流速450L/h，萃取劑流量39L/h，計算采用三級錯流萃取和三級逆流萃取的萃取因素E和理論收率各為多少？ 單級萃取的萃取因子：E = 57*39/450 = 4.94多級錯流萃取：多級逆流萃?。耗硰S青霉素提取工藝采用兩級逆流萃取。已知濃縮倍數(shù)為1.5，萃取時溶液的pH為2，假定各級萃取的效率為90，試求理論得率4、 超臨界萃取原理利用超臨界流體的溶解能力與其密度的關(guān)系，即利用壓力和溫度對超臨界流體溶解能力的影響而進(jìn)行的。在超臨界狀態(tài)下，將超臨界流體與待分離的物質(zhì)接觸，使其有選擇性地把極性大小、沸點(diǎn)高低和分子量大小的成分依次萃取出來。（超臨界流體萃取是利用超臨界流體具有的類似氣體的擴(kuò)散

12、系數(shù)，以及類似液體的密度（溶解能力強(qiáng)）的特點(diǎn)，利用超臨界流體為萃取劑進(jìn)行的萃取單元操作）5、 超臨界流體的特點(diǎn)介于液體與氣體之間，溶解能力與液體接近，擴(kuò)散系數(shù)接近于氣體。密度隨壓力微小變化而顯著變化，相應(yīng)的溶解性質(zhì)發(fā)生變化。分離物質(zhì)多于一種時，可以逐步降壓而使物質(zhì)分步析出。第六章：膜分離過程1、 膜形態(tài)結(jié)構(gòu)按孔徑大?。何V膜、超濾膜、反滲透膜、納濾膜按膜結(jié)構(gòu)：對稱性膜、不對稱膜、復(fù)合膜按材料分：合成有機(jī)聚合物膜、無機(jī)材料膜、金屬膜2、 滲透與反滲透滲透：膜兩側(cè)壓力相等，在濃差的作用下作為溶劑的水分子由濃度低的一側(cè)向濃度高的一側(cè)透過，這種現(xiàn)象稱為滲透。反滲透：利用反滲透膜選擇性只能通過溶劑（通常

13、是水）而截留離子物質(zhì)的性質(zhì)。以膜兩側(cè)靜壓差為推動力，克服滲透壓，使溶劑通過反滲透膜實現(xiàn)對液體混合物進(jìn)行分離的過程，操作壓差一般為1.510.5MPa，截留組分為小分子物質(zhì)。3、 微濾，超濾，納濾以及反滲透四種膜分離過程的特點(diǎn)，應(yīng)用（1）微濾（MF）：概念：以多孔細(xì)小薄膜為過濾介質(zhì)，壓力差為推動力，使不溶性物質(zhì)得以分離的操作。特點(diǎn)：孔徑分布范圍在0.0510m之間；操作壓力0.05-0.5MPa。應(yīng)用：除去水/溶液中的細(xì)菌和其它微粒；除去組織液、抗菌素、血清、血漿蛋白質(zhì)等多種溶液中的菌體；除去飲料、酒類、醬油、醋等食品中的懸濁物、微生物和異味雜質(zhì)。（2）超濾（UF）：概念：以多孔細(xì)小薄膜為過濾介

14、質(zhì)，但孔徑更小，為0.0050.05m，分離推動力仍為壓力差的膜分離過程。特點(diǎn)：適合于分離酶、蛋白質(zhì)等生物大分子物質(zhì)；截斷分子量一般為6000到50萬，操作壓0.2-0.6MPa。 應(yīng)用：蛋白、酶、DNA的濃縮；脫鹽/純化；清洗細(xì)胞、純化病毒；除病毒、熱源。（3）納濾（NF）：概念：是一種介于反滲透和超濾之間的壓力驅(qū)動膜分離過程。特點(diǎn)：納濾膜的截留率大于95%的最小分子約為nm，故稱之為納濾膜。從結(jié)構(gòu)上看納濾膜大多是復(fù)合膜，即膜的表面分離層和它的支撐層的化學(xué)組成不同。其表面分離層由聚電解質(zhì)構(gòu)成。應(yīng)用：小分子量的有機(jī)物質(zhì)的分離；有機(jī)物與小分子無機(jī)物的分離；溶液中一價鹽類與二價或多價鹽類的分離；鹽

15、與其對應(yīng)酸的分離。（4）反滲透（RO）：原理：利用反滲透膜選擇性只能通過溶劑（通常是水）而截留離子物質(zhì)的性質(zhì)。以膜兩側(cè)靜壓差為推動力，克服滲透壓，使溶劑通過反滲透膜實現(xiàn)對液體混合物進(jìn)行分離的過程。概念：當(dāng)對水溶液施加一個大于其滲透壓的外界壓力時，水將通過反滲透膜流向膜的另一側(cè)。特點(diǎn)：操作壓差一般為1.510.5MPa，截留組分為小分子物質(zhì)。應(yīng)用：海水和苦咸水脫鹽制飲用水；制備醫(yī)藥、化學(xué)工業(yè)中所需的超純水；用于處理重金屬廢水；用于濃縮過程，不會破壞生物活性，不會改變風(fēng)味、香味。第七章：吸附與離子交換1、 吸附類型及作用力物理吸附: 分子間引力（吸附劑和吸附物通過分子力（范德華力）產(chǎn)生吸附。分子被

16、吸附后一般動能降低,故吸附是放熱過程。物理吸附是可逆的，沒有嚴(yán)格的選擇性。）化學(xué)吸附: 化學(xué)鍵合力(吸附劑和吸附物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而進(jìn)行吸附。反應(yīng)放出大量的熱量，選擇性強(qiáng)，吸附后較穩(wěn)定，不易解吸。)離子交換吸附:庫侖力(利用離子交換樹脂作為吸附劑，將溶液中的待分離組分，依據(jù)其電荷差異，依靠庫侖力吸附在樹脂上，然后利用合適的洗脫劑將吸附質(zhì)從樹脂上洗脫下來，從而達(dá)到分離的目的。離子交換反應(yīng)是可逆的。)2、 離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)離子交換樹脂是一種不溶于酸、堿和有機(jī)溶劑的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高分子化合物，非常穩(wěn)定。其由三部分構(gòu)成：具有三維空間立體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)骨架（R）；聯(lián)接在骨架上的活性基團(tuán)；活性基團(tuán)所帶的相反電荷的活

17、性離子（可交換離子）【網(wǎng)絡(luò)骨架、功能基團(tuán)、活性離子】3、 離子交換樹脂的分類合成材料和方式：按樹脂骨架的主要成分：聚苯乙烯型、聚丙烯酸型等；按聚合的化學(xué)反應(yīng)：共聚型、縮聚型活性基團(tuán)：陽離子交換樹脂(cation exchange)（含酸性基團(tuán)）；陰離子交換樹脂(anion exchange)（含堿性基團(tuán)）4、 離子交換樹脂的選擇a）強(qiáng)堿物質(zhì)¾ 選弱酸樹脂 洗脫容易 弱堿物質(zhì)¾ 選強(qiáng)酸樹脂，不能用弱酸樹脂 弱酸樹脂所成的鹽易水解，吸附困難。中等堿性物質(zhì)¾強(qiáng)/弱酸樹脂都可以，根據(jù)交換容量選擇。b）* 弱酸或弱堿樹脂 ¾ 選鹽型樹脂較好。 鹽型樹脂電離度大，H

18、型和OH型解離度小。 * 強(qiáng)酸、強(qiáng)堿樹脂 ¾ 都可以，但應(yīng)考慮生化物質(zhì)穩(wěn)定性。第八章：色譜分離技術(shù)1、 色譜分離原理當(dāng)流動相流過固定相時，由于物質(zhì)在兩相間的分配情況不同，（吸附-解吸-吸附-解吸），經(jīng)過多次差別分配而達(dá)到分離，或者說，易分配于固定相的物質(zhì)移動速度慢，易分配于流動相中的物質(zhì)移動速度快，因而得到逐步分離。2、 色譜分離方法分類按溶質(zhì)分子與固定相相互作用機(jī)理：吸附層析（范德華力，氫鍵，靜電力，共價力）；分配層析（溶質(zhì)在兩相間分配系數(shù)不同）；凝膠過濾（分子大小與形狀）根據(jù)固定相形狀分類：柱層析：將基質(zhì)填裝在管中形成柱形，在柱中進(jìn)行色譜分離；薄層層析：將基質(zhì)在玻璃或塑料等光滑表

19、面鋪成一薄層，在薄層上進(jìn)行色譜過程；紙層析：以濾紙作為基質(zhì)。根據(jù)流動相分類：氣相色譜；液相色譜；超臨界流體色譜根據(jù)色譜原理：吸附、親和、離子交換、分配、凝膠過濾、疏水等3、 吸附色譜分離技術(shù)的原理根據(jù)物料中各組分對固定相(吸附劑) 的吸附程度不同，以及其在相應(yīng)的流動相(溶劑)中溶解度的差異來實現(xiàn)。經(jīng)反復(fù)的吸附解吸再吸附再解吸的過程，達(dá)到分離目的。無化學(xué)鍵引入，只存在相對較弱的氫鍵力、范德華力和偶極力相互作用。4、 凝膠過濾色譜原理凝膠色譜又稱分子篩過濾、排阻層析等，依據(jù)是多孔的載體對不同體積和不同形狀分子的排阻能力的不同，從而對混合物進(jìn)行分離。凝膠是一種多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，每個顆粒的細(xì)微結(jié)構(gòu)及

20、篩孔的直徑均勻一致。大分子：物質(zhì)沿凝膠顆粒間隙隨洗脫液移動，流程短，移動速率快，先被洗出。小分子：物質(zhì)可通過凝膠網(wǎng)孔進(jìn)入顆粒內(nèi)部，然后再擴(kuò)散出來，故流程長，移動速度慢，最后被洗出層析柱。5、 親和層析原理利用生物體內(nèi)存在的特異性相互作用的分子對而設(shè)計的層析方法。生物體內(nèi)相互作用的分子對：（1）酶底物或抑制劑；（2）抗原抗體；（3）激素受體；（4）糖蛋白與凝集素；（5）生物素生物素結(jié)合蛋白等。6、 離子交換色譜中洗脫采用的方法與原理方法：改變洗脫液的pH；改變離子強(qiáng)度；當(dāng)被分離物組分復(fù)雜用一種方法往往分離效果不理想時，可同時改變pH及離子強(qiáng)度。原理：利用物質(zhì)的電荷和層析載體的電荷間的相互作用，進(jìn)

21、而達(dá)到分離純化的目的。7、 軟水和無鹽水的制備軟水的制備：利用鈉型磺酸樹脂除去水中的鈣離子和鎂離子等堿金屬后即可制得軟水。無鹽水的制備：將原水通過氫型強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂和羥型強(qiáng)堿或弱堿性陰離子交換樹脂的組合，經(jīng)過離子交換反應(yīng)，將水中所有的陰、陽離子除去，從而制得純度很高的無鹽純水。第九章：離心技術(shù)1、 離心力與相對離心力離心力：在一定角度速度下作圓周運(yùn)動的任何物體都受到一個向外的離心力，其大小等于離心加速度2r 與顆粒質(zhì)量m的乘積。F=ma=m2r相對離心力（RCF） ：實際離心力轉(zhuǎn)化為重力加速度的倍數(shù)。RCF=F離心力/F重力 =m2r/mg=2r/g 2、 RCF與轉(zhuǎn)速和離心半徑的關(guān)系（

22、計算）已知某一離心機(jī)的轉(zhuǎn)子半徑為25cm，轉(zhuǎn)速為1200rpm時，相對離心力為多大。某發(fā)酵生產(chǎn)分離用的離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓直徑為0.9m，轉(zhuǎn)速為1800rpm，現(xiàn)用一臺轉(zhuǎn)鼓直徑為0.15m的實驗離心機(jī)模擬上述分離操作，其轉(zhuǎn)速應(yīng)取多大。3、 三種超離心方法（了解各自應(yīng)用）（1）差速離心法：它利用不同的粒子在離心力場中沉降的差別，在同一離心條件下，沉降速度不同。通過不斷增加相對離心力，使一個非均勻混合液內(nèi)的大小、形狀不同的粒子分部沉淀。（2）速率區(qū)帶離心法：物質(zhì)大小差別較大，密度相近。是一種不完全的沉降，沉降受物質(zhì)本身大小的影響較大，一般是應(yīng)用在物質(zhì)大小相異而密度相同的情況。梯度液在取樣時起著支持介質(zhì)和穩(wěn)定劑的作用，避免因機(jī)