生物分离工程

名词解释
1.凝聚:气体由稀变浓或变成液体
2.絮凝:是指水或液体中悬浮微粒集聚变大，或形成絮团，从而加快粒子的聚沉，达到固液分离的目的。

3.扩散双电层:胶核由于吸附或电离作用，并为带电的胶核，由于静电引力，吸引介质中持相反电荷的离子，形成双电层，由于静电作用与扩散作用两种作用同时存在，两种作用达到平衡后，双电层的返离子不是整齐的排在胶核表面，而是呈一个扩散状态分布在溶液中，这样的双电层称为扩散双电层。

4.凝聚价或凝聚值:电解质的凝聚能力，可用凝聚值来表示使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度(毫摩尔每升)称为凝聚值。

5.过滤:过滤就是用机械方法使某一液体穿过多孔物质，使该液体的固相部分与液相部分分开。

6.滤饼过滤:滤饼过滤是使用织物、多孔材料或膜作为过滤介质只是起着支撑滤饼的作用，过滤介质的孔径不一定要小于最小颗粒的粒径。

7.深层过滤:深层过滤是指当颗粒尺寸小于介质孔道直径时，不能在过滤介质表面形成滤饼，这些颗粒便进入介质内部，借惯性和扩散作用趋近孔道壁面，并在静电和表面力的作用下沉积下来，从而与流体分离。

8.错流过滤:是在泵的推动下，料液平行于膜面流动。

9.离心分离:借助于离心力，使比重不同的物质进行分离的方法。

10.离心分离因数:离心分离机所转鼓内的悬浮液或乳浊液在离心力场中所受的离心力与其重力的比值，即离心加速度与重力加速度的比值。

11.沉降系数:用离心法时，大分子沉降速度的量度，等于每单位离心场的速度。

12.离心过滤:以离心力作为推动力，在具有过滤介质的有孔转鼓中加入悬浮液，固体粒子截留在过滤介质上，液体穿过滤饼层而流出，最后完成滤液和滤饼分离的过滤操作。

13.差速离心:根据颗粒大小和密度的不同，存在的沉降速度差别，分级增加离心力，从试样中依次分离出不同组分的方法。

14.密度梯度区带离心法(区带离心法):是将样品加在惰性梯度介质中进行离心沉降或沉降平衡，在一定的离心力下把颗粒分配到梯度中某些特定位置上，形成不同区带的分离方法。

15.等密度区带离心法:当不同颗粒存在浮力密度差时，在离心力场下，颗粒或向下沉降，或向上浮起，一直沿梯度移动到它们密度恰好相等的位置上，形成区带，称为等密度离心法。

16.差速区带离心法:将样品置于平缓的预先制好的密度梯度介质上，进行离心，较大的颗粒
将比较小的颗粒更快地沉降。

通过梯度介质，形成几个明显的区带。

17.沉淀:将溶液中的目的产物或主要杂质以无定形固相形式析出，再进行分离的单元操作。

18.盐析:是指在蛋白质水溶液中加入中性盐，随着盐浓度增大而使蛋白质沉淀出来的现象。

19.盐溶:在蛋白质水溶液中加入少量的中性盐，如硫酸钠、氯化钠等，会增加蛋白质分子表面的电荷，增强蛋白质分子与水分子的作用，从而使蛋白质质在水溶液中的溶解度增大。

20.有机溶剂沉淀法:利用水与互溶的有机溶剂(如甲醇，乙醇，丙酮等)能使蛋白质在水中的溶解度显著降低，而沉淀的方法。

21.等电点沉淀法:是利用蛋白质在等电点时溶解度最低，而各种蛋白质又具有不同等电点的
特点，进行分离的方法。

22.热沉淀:利用热化学溶液在空气中遇冷沉淀来降低高渗透率，低含油饱和度区的渗透率。

23.膜分离:以天然或人工合成的薄膜为介质，以外界能量或化学为差为推动力，对双组分或多组分的组分溶质和溶剂进行分离、提纯和浓缩的方法。

24.浓差极化: 是指分离过程中料液中的溶液在压力驱动下透过膜，溶质被截留，在膜与本
体溶液界面或临近膜界面区域浓度越来越高；在浓度梯度作用下，溶质又会由膜面向本体溶液扩散，形成边界层，使流体阻力与局部渗透压增加，从而导致溶剂透过通量下降。

25.膜组件:由膜、固定膜的支撑体、间隔物以及收纳这些部件的容器构成的一个单元称为膜组件或膜装置。

26.膜污染:在膜过滤过程中，水中的微粒、胶体粒子或溶质大分子由于与膜存在物理化学相互作用或机械作用而引起的在膜表面膜孔内吸附、沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生透过流量与分离特性的不可逆变化现象。

27.萃取:是利用系统中组分在溶剂中有不同的溶解度来分离混合物的单元操作。

28.反萃取:与萃取过程相反，被萃取物从有机向返回水相的过程。

29.固体浸取:(固相萃取)利用固体吸附剂将液体样品中的目标化合物吸附，与样品的基体和干扰化合物分离，然后再用洗脱液洗脱或加热解吸附达到分离和富集目标化合物的目的。

30.双水相萃取: 双水象萃取是利用物质在互不相溶的两水相间分配系数的差异来进行萃取的方法。

31.液液萃取:又称溶剂萃取或抽提。

指用溶剂分离和提取液体混合物中的组分的过程。

32.超临界流体:是温度、压力都高于其临界状态的流体。

33.吸附: 一种物质的分子、原子或离子能自动地附着在某固体表面上的现象。

34.物理吸附:也称范德华吸附，是通过物理方法将酶直接吸附在水不溶性载体表面上而使酶固定的方法。

35.化学吸附:吸附质分子与固体表面原子发生电子的转移、交换或共有，形成吸附化学键的吸附。

36.离子交换:借助于固体离子交换剂中的离子与稀溶液中的离子进行交换，以达到提取或去除溶液中某些离子的目的，是一种属于传质分离过程的单元操作。

37.吸附平衡:在一定的温度和压力下，吸附剂与吸附质充分接触，最后吸附质在两相中的平分布达到平衡的过程。

38.吸附等温线:在一定温度下，溶质分子在两相界面上进行的吸附过程达到平衡时，他们在两相中浓度之间的关系曲线。

填空题
1、凝聚的机理是，中和粒子表面电荷，消除双电层结构，絮凝的机理是，架桥作用
2、扩散双电层是指发酵液中细胞或菌体带有负电荷，由于静电引力的作用使溶液中带有相反电荷的粒子被吸附在其周围，在界面上形成了双电层即吸附层和扩散层
3、细胞絮凝的方法，按有自身絮凝絮凝剂絮凝
4、絮凝技术应用在，污水处理上的应用，连续发酵中的应用，生物产品分离中的应用
4、细胞破碎是分离胞内物质的基础与细胞种类，生理状态，目标产品性质，破碎的规模，方法、费用、程度等有关
5、细胞破碎阻力主要来自细胞壁就最大破碎阻力成分而言，细菌细胞来自肽聚糖，使得格兰氏阳性菌比革兰氏阴性菌坚固，酵母均来自葡萄糖层和甘露聚糖层，霉菌细胞来自几丁质和葡聚糖
6、机械破碎中，细胞大小和形状以及壁厚度和聚合物的交联程度是影响破碎难易程度的重要因素，个体小球型壁厚聚合物胶粘程度高的细胞最难破碎
7、细胞破碎方法可分成三大类，机械法，非机械法，两者结合
8、机械破碎常用方法，珠磨法，高压均质法，超声破碎法，撞击破碎法——喷雾撞击法
9、非机械法的常用方法，酶溶法，化学渗透法渗透压法冻结融化法干燥法
10、酶溶法细胞破碎可分为外加酶法和自溶法两种
11、微生物细胞的自溶法，常采用加热法或干燥法
12、化学渗透法中，某些化学试剂（表面活性剂、有机溶剂、变性剂、抗生素、金属整合剂等）可改变细胞壁或膜的通透性，而使细胞内物质有选择的渗透出来
13、珠磨法的破碎时，延长研磨时间 增加珠体装量，提高转速和温度等都可有效的提高细胞破碎率
14、常用过滤方法，传统过滤 板框过滤 和 转股是真空过滤
15、对于一定的细胞存在适宜的微珠粒径 使细胞破碎率最高，通常选用的微珠粒径与目标细胞直径比在 30~100 之间
16、高压均质中影响细胞破碎的因素有压力，循环操作次数和温度
17、破碎细胞的目的是要得到目标产物 在细胞内存在的许多物质中选择性释放目标产物， 使其他物质尽量少的释放出来，并尽量降低细胞的破碎程度 对下游分离纯化操作的顺利实施非常重要
18、超声波热学机理，超声波机械机制和超声波空化作用，是超声波协助浸取的三大理论依据
19、超临界流体密度接近液体 粘度接近气体 比液体小的多，扩散系数接近气体和液体之间
20、在临界点附近，压力和温度的变化可引起超临界流体密度急剧变化，相应的使溶质在超临界流体中的溶解度发生急剧变化，因而可利用压力与温度的改变来实现萃取和分离
21、一超临界流体萃取过程的特殊性来分类可分为 常规萃取 夹带剂萃取 喷射萃取等 2
2、
依
超
临界流体
萃
取
过
程
的解析方式的不
同，可分为等
温
1. 生物产品的分离包括 不溶物的去除，产物分离，纯化和精制。

2. 发酵液常用的固液分离方法有 离心 和 过滤 等。

3. 离心设备从形式上可分为 管式，套筒式，碟片式 等型式。

4. 膜分离过程中所使用的膜，依据其膜特性（孔径）不同可分为 微滤膜，超滤膜，纳滤膜和 反渗透膜；
5. 多糖基离子交换剂包括 葡聚糖离子交换剂 和 离子交换纤维素 两大类。

6. 工业上常用的超滤装置有 板式，管式，螺旋卷式 和 中空纤维式
7. 影响吸附的主要因素有 吸附剂的性质，吸附质的性质，温度，溶液 pH 值，盐浓度 ，吸附物浓度 和 吸附剂用量
8. 离子交换树脂由 载体，活性基团 和 可交换离子 组成。

9. 电泳用凝胶制备时，过硫酸铵的作用是 引发剂；甲叉双丙烯酰胺的作用是 交联剂； TEMED 的作用是 增速剂； 10. 影响盐析的因素有 溶质种类，溶质浓度，pH 值 和 温度； 11. 在结晶操作中，工业上常用的起晶方法有 自然起晶法，刺激起晶法 和 晶种起晶法； 12. 简单地说，离子交换过程实际上只有 外部扩散，内部扩散 和 化学交换反应 三个步骤； 13. 在生物制品进行吸附或离子交换分离时，通常遵循 Langmuir 吸附方程，其形式为 Q ＝ q 0C /(k +C )
14. 反相高效液相色谱的固定相是 非极性 的，而流动相是 极性 的；
常用的固定相有 C 18 和 C 8；常用的流动相有 甲醇 和 乙睛； 15. 超临界流体的特点是与气体有相似的 粘度（扩散系数） ，与液体有相似的 密度； 16. 离子交换树脂的合成方法有 共聚（加聚） 和 均聚（缩聚）两大类；
17. 常用的化学细胞破碎方法有 渗透压冲击，增溶法，脂溶法，酶消化法 和 碱处理法； 18. 等电聚焦电泳法分离不同蛋白质的原理是依据其等 电点（pI ）的不同；
19. 离子交换分离操作中，常用的洗脱方法有 pH 梯度 和 离子强度（盐）梯度；
20. 晶体质量主要指 晶体大小，晶体性状 和 晶体纯度 三个方面；
4. 亲和吸附原理包括 吸附介质的制备，吸附 和 洗脱 三步。

11. 根据分离机理的不同，色谱法可分为 吸附色谱，分配色谱，离子交换色谱 和 凝胶色谱。

12. 盐析实验中用于关联溶质溶解度与盐浓度的 Cohn 方程为 lgS ＝β－K s I ；当 保持体系温度、pH 值不变，仅改变溶液离子强度进行的盐析操作 称为 K s 盐析法；当 保持离子强度不变， 改变温度、pH 值进行的盐析操作 称为 β 盐析法。

13. 过饱和溶液的形成方式有：热饱和溶液冷却，蒸发溶剂，真空蒸发冷却，化学反应结晶和 盐析。

14. 蛋白质分离常用的色谱法有 金属螯合色谱 ，共价色谱 ， 离子交换色谱 和 疏水作用色谱。

1
7. S D S P A G E 电
泳制胶时，
加入
十二烷基
磺酸钠（S D
S
）
的
目
的
19. 高效液相色谱分离方法中，液-液色谱是以 液体 作为流动相；以 固定在固相载体表面的液体 作为固定相。

20. 常用的蛋白质沉析方法有 盐析，等电点沉析 和 有机溶剂沉析。

1、滤设备分：重力过滤、加压过滤、真空过滤、离心过滤。

2、常用过滤设备：板框压滤机、垂直叶片式硅藻土过滤机、真空转鼓过滤机。

4、离心设备分两类：离心沉降设备、离心过滤设备。

5、常用的离心沉降设备：管式离心机、碟片式离心机。

6、常用的离心过滤设备：三足式离心机、卧式刮刀卸料离心机、螺旋卸料离心机。

7、常用的细胞破碎方法：（1）化学法：渗透冲击法、增溶法、脂溶法、酶消化法、碱处理法。

（2）机械法：匀浆法（片型、孔型）
、研磨法、超声波法、珠磨破碎法。

8、液－液萃取从机理上分为两类：物理萃取和化学萃取。

9、常见物理萃取体系由构成要素：溶质、萃取剂、原溶剂 10、吸附的类型有：物理吸附、化学吸附、交换吸附。

11、常用的吸附剂种类有：活性炭、活性纤维、球形炭化树脂、大孔网状聚合物吸附剂。

12、常用的吸附单元操作方式：
13、离子交换树脂的分类：阳离子交换树脂、阴离子交换树脂、新型离子交换树脂、两性树脂、螯合树脂、多糖基离子交换树脂。

14、用于蛋白质提取分离的离子交换剂的特殊要求：良好的亲水性、具有较大的均匀网格结构、粒度越小分辨率越高。

骨架种类： 离子交换纤维素、交联葡聚糖、交联琼脂糖、聚乙烯醇类。

15、色谱分离技术的分类：吸附色谱法、分配色谱法、离子交换色谱法、凝胶色谱法。

16、蛋白质分离的常用色谱方法：免疫亲和色谱法、疏水作用色谱法、金属螯合色谱法、共价作用色谱法。

17、对于膜材料的基本要求：耐压、耐高温、耐酸碱、化学相容性、生物相容、成本低。

18、膜分离过程：微滤、超滤、纳滤、反渗透、电渗析。

19、膜的分类按功能分：离子交换膜、渗析膜、超滤膜、渗透气化膜、反渗透膜等。

20、可以构成双水相的体系有：离子型高聚物－非离子型高聚物（分子间斥力）
PEG －DEXTRAN 21、高聚物－相对低分子量化合物（盐析作用）PEG －硫酸铵。

吸附过程通常包括：待分离料液与吸附剂混合、吸附质被吸附到吸附剂表面、料液流出、吸附质解吸回收等四个过程。

生物分离工程思考题
第一章
1.生物分离工程的定义，其主要研究哪些内容？
定义：指从微生物、动植物细胞及其生物化学产品中提取、分离、纯化出有用物质的过程。

也称生物工程下游技术。

研究内容：①新的分离过程和技术的研究与开发；②分离技术的集成化；③生物反应与生物分离过程的耦合；④分离设备的更新和现代化；
2.简述生物分离工程的发展进程
●产业部门利用生物分离技术至今已有几百年的历史。

●从鲜花与香草中提取天然香料
●从牛奶中提取奶酪
●发酵制酒精以及有机酸分离提取
●大规模深层发酵生产抗菌素
●基因工程菌生产人造胰岛素，人与动物疫苗等
3.生物分离工程的特点有哪些？
答：①发酵液或培养液是产物浓度很低的水溶液；
②培养液是多组分的混合物；
③生化产品的稳定性差；
④对最终产品的质量要求高
4.生物分离操作的一般流程是什么？包括哪些单元操作？
6.简述生物分离的效率评价
根据分离目的的不同，评价分离效率主要有 3 个标准:
①以浓缩为目的目标产物浓缩程度(浓缩率 m)
②以纯度为目的:目标产物最终纯度(分离因子 a)
③以收率为目的:产品收得率(%)
7.叙述生物分离技术的原理
答：生物分离的原理有很多，主要是依据离心力、分子大小(筛分)、浓度差、压力差、电荷效应、吸附作用、静电作用、亲和作用、疏水作用、溶解度、平衡分离等原理对原料或产物进行分离、纯化。

第二章
1.常用细胞破碎方法(珠磨法、高压均质法、超声破碎法、酶溶法、化学渗透法) 的原理、特点及适用性。

①珠磨法，工作原理:进入珠磨机的细胞悬浮液与极细的玻璃小珠、石英砂、氧化铝等研磨剂(直径小于 1mm)一起快速搅拌或研磨，研磨剂、珠子与细胞之间相互剪切、碰撞，使细胞破碎，释放出内含物; 特点:一般可以达到较高的破碎率，但同时为控制温度，冷耗能耗较高，成本亦随之增加; 适用范围:微生物(细菌) 与植物细胞。

②高速匀浆法，工作原理:利用高压使细胞悬浮液通过针性阀，由于突然减压和高速冲击撞击环使细胞破裂; 特点:破碎程度较高，而其机械剪切力对生物大分子的破坏较少，处理量大;适用范围:较柔软、易分散的组织细胞。

③超声破碎法，工作原理:声频高于 15-20kHz 的超声波在高强度声能输入下可以进行细胞破碎，破碎机理不详，可能与空化现象引起的冲击波和剪切力有关，空化现象是在强声波作用下，气泡形成、胀大和破碎的现象; 特点:多采用短时多次处理样品，且由于过程产热较多，常在冰浴中进行超声;处理少量样品，操作简便，液量损失少; 适用范围:微生物细胞。

④酶溶法，又分为外加酶和自溶两种，外加酶原理:用生物酶将细胞壁核细胞膜消化溶解; 特点:具有选择性释放产物、核酸泄露少、细胞外形完整，但价格较高、通用性差。

自溶法原理:控制一定条件，诱发微生物细胞产生过剩的溶胞酶或激发溶胞酶活力，使细胞自溶;特点:对不稳定的微生物，易引起所需蛋白质的变性。

⑤化学渗透法，原理:某些有机溶剂、表面活性剂、抗生素等化学药品都可以改变细胞壁或膜的通透性，使内含物有选择的渗透出来; 特点:对产物释放有一定的选择性，细胞外形保持完整，浆液黏度低，但反应时间长，效率低，有毒。

2、选择合适的破碎方法需要考虑下列因素:
①细胞的数量, ②所需要的产物对破碎条件(温度化学试剂、酶等)的敏感性, ③ 要达到的破碎程度及破碎所必要的速度, ④尽可能采用最温和的方法，具有大规模应用潜力的生物产品应选择适合于放大的破碎技术。

3.破碎技术与上、下游过程相结合提高破碎率的机理。

（破碎技术发展方向）答：①与上游过程相结合：发酵培养过程中，培养基、生长期、操作参数等因素都对细胞壁、膜的结构与组成有一定影响。

在生长后期，加入某种能抑制或阻止细胞壁物质合成的抑制剂，继续培养一段时间后，新生成的细胞壁有缺陷，利于破碎，可提高破碎率。

②与下游操作相结合: 细胞破碎和固液分离密切相关，对于可溶性产品而言，碎片必须除净，否则会造成曾吸住超滤膜阻塞，缩短设备使用寿命。

4、影响固液分离的因素
①发酵液中，通常粒子越小，分离难度越大，费用也越高。

②细胞培养液的黏度是另一重要影响因素。

③发酵液PH，温度和加热时间都会影响固液分离。

5、生物分离中杂蛋白的去除方法
①等电点沉淀②溶剂沉淀法③盐析法④加热法⑤吸附法⑥其他方法
盐析法原理：
如果向胶体系统中加人电解质，随着体系的离子强度增大，蛋白质表面的双电层厚度就会降低,静电排斥作用减弱,同时也使得蛋白质某些疏水区的水化层脱落，疏水区域暴露,容易发生凝聚，从而沉淀。

6、过滤前生物物料预处理的目的及方法
目的：①改变发酵液的物理性质，促进从悬浮液中分离固形物的速度，提高固液分离器的效率。

②尽可能使产物转入便于后处理的某一项中（多数为液相）。

③ 去除发酵液中部分杂质，以利于后续各步操作
方法：加热，调节悬浮液的 PH 值，助滤剂上的吸附，凝聚和絮凝，杂蛋白的去
除方法等。

6、细胞的絮凝机理
①胶体理论②高聚物架桥理论③双电层理论
7、影响过滤的因素
①悬浮液的性质：悬浮液的黏度会影响过滤的速率,黏度越大,过滤越困难。

②过滤推动力：有重力、真空、加压及离心力。

③过滤介质与滤饼的性质：过滤介质及滤饼对过滤产生阻力。

过滤介质的性质对
过滤速率的影响很大。

④过滤分离设备和技术：采用不同的过滤技术,其分离效果不同;采用同一过滤技术，选用的设备结构、型号不同，其分离效果也不同。

8、提高过滤速率和效果般可采取以下措施
①对被分离的物料进行适当的预处理，改善料液的性能，如降低黏度、絮凝和凝聚调节 pH、加助滤剂等;②选择合适的过滤介质;③增加过滤的表面积;④适当增加过滤的推动力加压、减压或离心。

9、过滤设备分类
答：重力过滤，加压过滤，真空过滤，离心过滤
10、沉淀技术的种类及其应用特点
11、一般沉淀操作的过程
第四章萃取技术
1、液液萃取的基本原理及一般过程
原理：液液萃取是向液体混合物（稀释剂）中加入某些适当溶剂（萃取剂），两者混合后分成两层，上层为萃取相，下层为料液相。

由于溶质在两相的溶解度不同,料液中的溶质逐渐向萃取相扩散,其浓度不断降低，而萃取相中的溶质浓度不断升高。

在萃取过程中,萃取剂应对溶质有较大溶解能力，但与稀释剂应不互溶或部分互溶。

一般过程：混合，分离，溶剂回收
2、影响有机溶剂萃取的因素
① PH 的影响②温度③乳化和破乳化④盐析作用⑤溶剂的选择
3、溶剂的选择：
选择萃取剂应遵守下列原则:①萃取剂的萃取能力强,分配系数应尽可能大,若分配系数未知,则可根据相似相溶的原则，选择与目的产物结构相近的溶剂;②选择分离因素大于 1 的溶剂;③萃取剂和萃余液的互溶度尽可能小，黏度低，便于两相分离;④萃取剂毒性应低,工业上常用的溶剂为乙酸乙酯,乙酸戊酯和丁醇
等;⑤萃取剂的化学稳定性要高，腐蚀性低，价廉易得,来源方便,便于回收。

3、萃取设备选择考虑的因素：
对于工业装置，在选择萃取设备时,应考虑设备的负荷流量范围、两相流量比变化时设备内的流动情况，以及对污染的敏感度、最大的理论级数、防腐、建筑高度与面积等因素。

4、浸取的影响因素有哪些？工艺过程可分为哪几类?
因素：1、浸取温度 2、浸取时间 3、浓度差 4、溶液的 PH 5、浸取压力、6、浸取溶液的选择（相似相溶原理）
分类：1、单级浸取工艺 2、单级回流浸取工艺 3、单级循环浸取工艺
4、多级浸取工艺
5、半逆流多级浸取工艺
6、连续逆流浸取工艺
5、超临界流体的特性有哪些？
（a）密度接近液体－－萃取能力强
（b）黏度接近气体－－传质性能好
（c）对于工业装置，在选择萃取设备时,应考虑设备的负荷流量范围、两相流量比变化时设备内的流动情况，以及对污染的敏感度、最大的理论级数、防腐、建筑高度与面积等因素。

（d）流体在临界点附近的压力或温度的微小变化都会导致流体密度有相当大的变化，从而使溶质在流体中的溶解度也发生相当大的变化。

5、超临界萃取基本原理：
利用超临界流体的溶解能力与其密度关系，即利用压力和温度对超临界流体溶解能力的影响而进行的。