生物分离工程总结 课后思考题

适用对象
适合胞内酶和蛋白质的提 常用于有机酸、氨基酸和抗生 起 素等弱酸或弱碱性电解质的萃 取 双水相的形成→溶质在双 水相中的分配→双水相的 分离，实际操作中讲固体 （或浓缩的）聚合物和盐 直接加入到细胞匀浆液 中，同时进行机械搅拌使 成相物质溶解，形成双水 相，溶质在两相中发生物 质传递达到分配平衡 搅拌混合器、离心机 工业萃取一般包括三个步骤： 1、混合 料液与萃取剂充分混 合，形成乳浊液，产物自料液 转入萃取剂中 2、分离 将乳浊液分离成萃取 相和萃余相 3、溶剂回收 从萃取相中分离 出有机溶剂并加以回收 混合澄清器、蒸馏塔
生物分离工程思考题 第一章 一、凝聚、絮凝的概念 凝聚作用：向胶体悬浮液中加某种电解质，使胶粒双电层电位降低，排 斥作用降低，使胶体体系不稳定，胶体间相互碰撞产生凝聚的现象。特 点是凝聚体的颗粒比较小 絮凝作用：当一个高分子聚合物的许多链节分别吸附在不同的胶体表面 上，产生架桥联接，形成较大絮凝团的过程，特点是可形成粗大的絮凝 体 二、影响过滤速度的因素有哪些？如何提高过滤速度？ 过滤操作一般以压力差为透过推动力，只靠重力很难达到足够大的透过 速度 透过速度: 过滤速度与过滤面积，介质两侧压力差，滤液粘度，介质和滤饼阻力有 关，适当增加过滤面积，提高介质两侧压力差，加入助滤剂均可提高过 滤速度 三、什么是分离因素？据此离心机可以分为哪几类？影响分离速度的 因素还有哪些？ 离心设备所能达到的离心力与重力的比值称为分离因素 分离因素： 根据分离因素可将离心机分为低速离心机，高速离心机和超高速离心机 三类 分离速度: 与颗粒直径、颗粒密度、液体密度和液体粘度有关 密度差越大，分离速度越大；密度差存在时，固体颗粒尺寸越大，越容 易离心；粘度增大时，不容易离心；颗粒密度与液体密度差异小，固体 颗粒不大，粘度很大时，增加离心力能提高离心速率 细胞破碎思考题 一、试述微生物细胞壁的组成和结构特点？ 革兰氏阳性菌的细胞壁主要由肽聚糖层组成，细胞壁较厚，约1550nm，肽聚糖含量占40%-90% 革兰氏阴性菌的细胞壁在肽聚糖层的外侧还有分别有脂蛋白和脂多糖及 磷脂构成的两层外壁层，肽聚糖层约1.5-2.0nm，外壁层约8-10nm，肽 聚糖含量占5%-10%
1、SCF萃取同时具有液相萃取和精馏的特点，SCF萃取过程是由两种因 素，即被分离物质挥发度之间的差异和它们分子间亲和力的大小不同， 同时发生作用而产生相际分离效果，尤其适用于脂溶性，挥发性物质的 提取 2、SCF萃取的独特优点是它的萃取能力取决于流体的密度，而密度很容 易通过调节温度和压力来加Βιβλιοθήκη Baidu控制 3、SCF萃取中的溶剂回收很简便，并能大大节省能源，被萃取物可通过 等温减压或等温升压的办法与萃取剂分离，而萃取剂只需重新压缩便可 循环使用 4、SCF萃取工艺可以不在高温下操作，因此特别适合于热稳定性较差的 物质，同时产品中无其他物质残留 双水相萃取 一、在生物分离中常用的双水相体系有哪些？ 常用的有高聚物/高聚物体系，如聚乙二醇（PEG）/葡聚糖（Dx）体 系，高聚物/无机盐体系，如PEG/磷酸盐体系（KPi） 二、掌握双水相系统相图，理解双节线、系线、系统的总浓度，上下 相组成，杠杆规则等概念 相图中的曲线称为双结点线，双结点线以下的区域为均相区，以上的区 域为两相区 连接双结点线上的直线为系线，在系线上各点处系统总浓度不同，但均 分组成相同而体积不同的两相 杠杆规则：均分组成相同而体积不同的两相，两相体系近似服从杠杆规 则，即 其中，VT，VB分别为上相和下相体积，BM，MT分别为B点和M点与T点 之间的距离 系线长度是衡量两相间相对差别的尺度，系线越长，两相间的性质差别 越大，反之则越小，当系线长度趋向于零时，两相差别消失，任何溶质 在两相中的分配系数均为1，该点称为临界点 系统总浓度：初始浓度 上下相组成：双水相平衡后，上相中的浓度与下相中的浓度 三、为什么说双水相萃取适合胞内酶和蛋白质的萃取 双水相萃取法可选择性地使目标碎片分配于双水相系统的下相，而目标 产物分配于上相，同时实现目标产物的部分纯化和细胞碎片的除去，从
超滤 UF
筛分
压力 推动 力
孔径分布范 适用分离分子量 围为1103-106Da的酶、 50nm 蛋白质、多糖等 生物大分子物 质，实现与小分 子物质的分离
有机酸和动物 疫苗等小分子 生物产物的回 收和热源的去 除 纳滤 NF 筛分 压力 推动 力 孔径分布范 从溶液中分离分 围为1-2nm 子量为300-1000 小分子，在截留 小分子的同时可 以透析除盐，集 浓缩与透析一体 孔径范围＜ 用于从溶液中分 1nm 离出溶剂，由于 分离的溶剂分子 往往很小，不能 忽略渗透压的作 用，故称反渗透 具有一定孔 高分子溶液中的 径大小（5- 小分子物质 10nm）， 高分子溶质 不能透过的 亲水膜 分子量3001000的小分子 分离
二、盐析的原理是什么？影响因素有哪些？ 水溶液中蛋白质溶解度一般在生理离子强度范围内（0.15-0.2mol/kg） 最大，低于或高于此范围溶解度降低，蛋白质在高离子强度的溶液中溶 解度降低发生沉淀的现象称为盐析。 蛋白质的盐析行为随蛋白质的相对分子质量和立体结构而已，不同蛋白 质β值不同，KS值随蛋白质相对分子质量的增大或分子不对称性的增强 而增大，盐析沉淀结构不对称的高相对分子质量蛋白质所需的盐浓度较 低，对特定蛋白质影响蛋白质盐析的主要因素有无机盐的种类，浓度， 温度和pH值 盐的种类影响KS值，离子半径小而带电荷较多的阴离子盐析效果好 温度和pH值影响β，在高离子强度溶液中，温度上升，有利于某些蛋白 质失水，因此温度升高，蛋白质溶解度下降 pH值接近蛋白质等电点有利于提高盐析效果 四、常用的有机溶剂沉淀剂有哪些？ 丙酮和乙醇 第四章 一、分配定律（分配系数概念）及其应用条件是什么？ 在恒温恒压条件下，溶质在互不混溶的两相中达到平衡系数时，其在两 相中的浓度之比为一常数，该常数称为分配系数，即 上式应用条件：（1）稀溶液；（2）溶质对溶剂之间的互溶度没有影 响；（3）溶质之间不发生缔合或解离 二、弱电解质在溶剂萃取两相中的分配平衡有何特点，pH值如何影响 弱酸、弱碱的萃取 弱电解质在水相中发生不完全解离，仅仅是游离酸或游离碱在两相产生 分配平衡，而酸根或碱基不能进入有机相，所以萃取达到平衡状态时， 一方面弱电解质在水相中达到解离平衡，另一方面，未解离的游离电解 质在两相中达到分配平衡。对酸来说，越酸萃取效果越好，对碱来说越 碱效果越好 三、化学萃取及其应用领域 化学萃取是利用脂溶性萃取剂与溶质之间的化学反应生成脂溶性复合分 子实现水溶性溶质向有机相的分配，主要用于一些氨基酸和极性较大的 抗生素的萃取
萃取过程
所需设备
膜分离
一、试述常见的7种膜分离方法的分离原理、推动力、膜的结构、分离 对象和应用领域 膜分 分离 推动 膜的结构 分离对象 应用领域 离法 原理 力 微滤 MF 筛分 压力 推动 力 孔径分布范 不溶性细小颗粒 围为0.05物质的分离 10μm之间 用于溶液除 菌、收集细 胞、水中颗粒 物去除等。如 检验有形微细 杂质、灭菌液 体的生产、反 渗透及超滤的 前处理等 用于蛋白质、 多肽、多糖的 回收和浓缩和 小分子物质的 去处，氨基 酸、抗生素、
四、试简述单机萃取的过程，并推导回收率公式 回收溶剂 料液——萃取器——分离器——回收器——产物 回收率：， 其中 一、何谓超临界流体（SCF）？SCF有哪些特征？ 物质均有其固定的临界温度和临界压力，在P-T相同上称为临界点，在 临界点以上物质处于既非液体也非气体的超临界状态，称为SCF，SCF特 征如下： （1）、SCF的密度接近液体，因此具有与液体相近的溶解能力 （2）、由于SCF粘度小（比液体小10-100倍），自扩散系数大（比液 体高10-100倍），所以可以迅速渗透到物体的内部溶解目标物质，快速 达到萃取平衡 （3）、在临界点附近流体的物理化学性质随温度和压力的变化及其敏 感，在不改变化学组成的条件下，即可通过温度和压力调节流体的性质 这是SCF作为萃取剂优于液体的主要优点，这一特点在提取固体内有用 成分时尤为重要 二、CO2的临界温度和临界压力是多少？采用超临界CO2作为萃取流体 的有点有哪些？ CO2的临界温度为31.3℃，临界压力为73.8×105Pa CO2的临界点较低，特别是临界温度接近常温，并且无毒，化学稳定性 高，价格低廉，是最常用的超临界流体萃取剂 三、根据萃取过程中超临界流体与溶质分离方式的不同，超临界流体 萃取可分为哪几种？ （1）、等温法 萃取与分离在等温条件下操作，在分离槽减压，使SCF 变成普通气体与被萃取物质分离 （2）、等压法 萃取与分离在等压条件下操作，在分离槽升温，使SCF 变成普通气体与被萃取物质分离 （3）、吸附法 温度压力均不变，吸附被萃取物质，超临界流体循环使 用 四、试列举四条以上超临界流体萃取的优点
酵母的细胞壁由葡聚糖（30%-40%），甘露聚糖（30%）和蛋白质组 成，比革兰氏阳性菌的细胞壁厚 霉菌由多聚糖（几丁质+葡聚糖）（80%-90%）构成 破碎难度 霉菌＞酵母＞革兰氏阳性菌＞革兰氏阴性菌 二、常用微生物细胞破碎的方法有哪些？ 机械法：珠磨法、X-Press法、超声破碎法和高压匀浆法 非机械法：溶酶法、化学法、渗透压法和冻结融化法 三、选择细胞破碎法的原则 一般原则 （1）、仅破坏或破碎目标产物的位置周围，当目标产物存在于细胞膜 附近时，可采用较温和的方法，如酶溶法（包括自溶法），渗透压冲击 法和冻结融化发等，当目标产物存在于细胞质内时，则需采用强烈的机 械破碎法 （2）、选择性溶解目标产物，当目标产物处于与细胞膜或细胞壁结合 的状态时，调节溶液pH值，离子强度或添加与目标产物具有亲和性的 试剂如螯合剂，表面活性剂等，使目标产物容易溶解释放，同时，溶液 性质应使其他杂质不易溶出，另外，机械法和化学法并用可使操作条件 更温和，在相同的目标产物释放率的情况下，降低细胞的破碎程度。 四、包含体概念，包含体分离和蛋白质复性常用工艺路线 包含体：外源基因表达的产物不能分泌到细胞外，而在细胞内凝聚成没 有活性的固体颗粒，主要由蛋白质组成，一级结构正确，立体构型错 误，没有活性 常用工艺路线： 细胞破碎——分离出包含体——溶解包含体——目标产物复原和复性 ——目标产物纯化——产品 包含体的分离可以由机械法和非机械法得到，通过机械破碎离心提取包 含体加变性剂溶解包含体，最后除去变性剂复性，也可通过化学破碎溶 解包含体，离心除去变性剂，使包含体复性 沉淀思考题 一、蛋白质沉淀的方法有哪些？ 蛋白质沉淀常用的方法有：盐析沉淀、等电点沉淀、有机溶剂沉淀及热 沉淀法
而节省利用离心或膜分离除碎片的操作工程，因此，双水相萃取应用于 胞内蛋白质的分离纯化是非常有利的 四、影响蛋白质在双水相体系中分配平衡的因素有哪些？如何影响？ 1、成相聚合物及其浓度 若降低聚合物的相对分子量，则蛋白质易于分配于富含该聚合物的相 中，适用于任何成相聚合物和生物大分子溶液 成相体系总浓度上升，系线远离临界点，系线长度增加，两相性质差别 增大，蛋白越容易分配于其中某一相中 2、无机盐离子的影响 对相间电位的影响：在体系中加入适当盐类，会大大促进带相反电荷的 两种蛋白质的分离 对蛋白质疏水性的影响：无机盐的种类和浓度影响蛋白质表面疏水性增 量，从而影响蛋白质的分配系数 对双水相系统组成的影响：改变成相物质的组成和体积比，这种相组成 即相性质的改变直接影响蛋白质的分配系数 3、pH的影响 由于pH值影响蛋白质的解离度，调节pH值可改变蛋白质的表面电荷 数，因而改变分配系数。因此。pH值与蛋白质的分配系数存在一定的 关系 4、温度的影响 温度影响双水相系统的相图，因而影响蛋白质的分配系数，但一般来 说，当双水相系统离临界点足够远时，温度的影响很小，1-2℃的温度 改变不影响目标产物的萃取分离 五、试列举1-2种回收目标蛋白和PEG溶液的方法 1、蛋白质在富含PEG的上相中，上相加盐，形成新的双水相体系，适 当条件下，蛋白质被重萃进入盐相，PEG回收，盐相少量PEG超滤或透 析除去 2、膜分离 选择性孔径大小的半透膜，截留蛋白质，同时除去PEG进行 回收 3、使用离子交换和吸附 通过蛋白质与基质的选择性相互作用进行的 六、双水相萃取与有机溶剂萃取有何不同？ 双水相萃取 有机溶剂萃取 萃取系统 高聚物/高聚物体系或高 聚物/无机盐体系 有机溶剂相/水相体系