生物分离工程计算

三、问答题

1、什么是生物技术下游加工过程？

从发酵液或酶反应液或动植物细胞培养液中提取、分离、纯化、富集生物产品的过程。

2、针对分离对象而言，生物分离过程有何特点

（1）发酵液或培养液是产物浓度很低的水溶液：发酵液中生物产品的浓度很低，而杂质含量却很高，如发酵液 (0.1-10g/L) 或培养液(5-50mg/L)，青霉素（4.2%）、庆大霉素（0.2%）、干扰素（<50ug/ml，0.005%）胰岛素0.002%。这使分离所需能量以及产品价格大大提高。

（2）培养液是多组分的混合物：培养液是一个复杂的多相体系，含有菌体、未消耗尽的固体培养基等固体成分和大量的液相；未消耗完的培养基成分，包括各种无机盐和有机物；除所需产物外，还含有其他副产物以及色素等杂质，有些杂质的性质与产物很接近。很难通过单一手段将产物分离和纯化。

（3）生化产品的稳定性差：许多发酵产品具有生理活性，很容易变性失活，如原料液中常存在降解目标产物的蛋白酶、菌体也可能自溶、容易被杂菌污染：遇热、极端pH 值、有机溶剂会引起失活或分解，特别是蛋白质的生物活性与一些辅因子、金属离子的存在和分子的空间构型有关。甚至剪切力也会影响空间构型和使分子降解，对蛋白质的活性有很大影响，因此，分离过程中的pH值、温度和搅拌等条件必须特别注意。发酵液放罐后，应及时快速操作，要求采用快速的分离纯化方法除去影响目标产物稳定性的杂质。

（4）对最终产品的质量要求高：对产物的要求：保持生物产物的活性、纯度要求高，当生物技术产品是食品或药物时，要求无污染物、无对映体、无病毒、无热原、无致敏原等。

3、生物分离工程的一般步骤是什么？各步骤中的单元操作主要有哪些？

一般包含四个步骤，如图所示。

预处理中有加热、调pH、絮凝等单元操作；细胞分

离中有沉降、离心、过滤、错流过滤等操作步骤；细胞破

碎中有均质化、研磨、溶胞等单元操作；细胞碎片分离中

有离心、萃取、过滤、错流过滤等单元操作；初步纯化中

有沉淀、吸附、萃取、超滤等单元操作；高度纯化中有层

析、离子交换、亲和、疏水、吸附、电泳等单元操作；成

品加工中有无菌过滤、超滤、冷冻干燥、喷雾干燥、结晶等单元操作。

4、生物分离过程的选择准则是什么？

（1）采用步骤数最少；（2）次序要相对合理：避免相同原理的分离技术多次重复出现。尽量减少新化合物进入待分离的溶液。合理的分离步骤次序。原则是：先低选择性，后高选择性；先高通量，后低通量；先粗分，后精分；先低成本，后高成本。（3）适应产品的技术规格。（4）生产规模：在分离过程的第一个步骤（发酵液的预处理和固液分离）中，使用的离心和过滤等方法能够适应很宽的规模范围，因此对于不同规模的产物分离影响不大。但在后续步骤中，技术方法的选择和生产规模关系密切。从技术的成本和产品的价值方面综合考虑。（5）进料组成：从目的产物的浓度高低、物料中的与目的产物相近物质组成的物理化学性质、目的产物的定位、菌种的种类和形态、微生物的含量和发酵液的黏度等方面综合考虑。（6）产品形式：产物的用途（医药、食品或化工品等）、形式（液体、结晶或无定性）以及最低纯度标准确定了纯化过程的最后要求，也是确定分离过程方案的主要依据。（7）产品的稳定性。（8）物性：根据产物的溶解度可以考察各种方法中pH、温度等条件对沉淀过程或萃取过程的影响；根据分子带电性质可以采用何种离子交换介质进行分离；根据分子大小的不同可以采用膜过滤或凝胶过滤层析将产物与杂质进行分离。（9）环保和安全要求：离心产生的气溶胶、发酵产生的废气、干燥产生的粉尘等；目的产物本身的危害性；试剂危害；微生物的危害等。（10）生产方式。

5、通过本课程的学习，谈谈你对生物技术下游加工过程今后发展动向的理解。

（1）加强基础理论研究

研究非理想溶液中溶质与添加物料之间的选择性机制、影响因素；研究界面的结构、动力学和传质机制，以及影响因素；下游加工过程的数学模型的建立和计算机模拟。

（2）传统分离技术的提高和完善

蒸馏、蒸发、过滤、离心、结晶和离子交换等传统技术由于应用面广且相对成熟，对它们的提高和完善将会推动大范围的技术进步。适合于大规模工业化生产的传统技术经过改造提高后，适应面会更宽，效率会更高，仍然显示出强劲的生命力。

（3）新技术的研究与开发

随着生物技术的发展，出现了许多新产品，获得了过去无法得到的、分子结构复杂的大分子物质，为了适应于新产品后处理过程的需要，出现了许多新的物化分离方法。双水相萃取、反胶团萃取、膜分离、色谱、亲和分离、电泳等都是在生物分离过程研究开发中十分活跃的领域。如：

新型分离介质的研究开发

子代分离技术：各种分离纯化技术相互结合、交叉、渗透，形成形成了所谓融合技术或子代分离技术。如膜技术和萃取、蒸馏、蒸发技术相结合形成了膜萃取技术、膜蒸馏及

渗透蒸发技术；又如膜分离过程与亲和配基相结合，形成了亲和膜分离过程；离心分离与膜分离过程相结合，形成了膜离心分离过程等等。

新兴下游技术：超临界流体萃取、反胶团萃取、液膜分离、磁性亲和分离、聚焦色谱、高速逆流色谱、径向流色谱、连续环状色谱、拟移动床色谱等。

（4）生物技术下游工程与上游工程相结合

这是当今生物技术领域里的热点之一。

利用基因工程对产物进行了改造以使下游分离过程大大简化。

发酵和分离耦合：该研究早在20世纪70年代就已开始进行，人们将这个思路用于厌氧发酵生产乙醇，取得了令人满意的效果，近年来又逐渐发展到用于好氧发酵过程中来，如发酵－吸附分离、发酵－膜分离、发酵－萃取分离等，既可减少产物的反馈抑制效应，提高转化率，同时可简化产物提取过程，缩短生产周期，增加产率。

培养基和发酵条件：直接决定着输送给下游的发酵液质量，如采用液体培养基，不用酵母膏、玉米浆等有色物质和杂蛋白等为原料，控制比生长速率、消沫剂用量，放罐时间等发酵条件，可使分离过程方便、经济。

代谢工程：菌种选育和工程菌构建一般以提高目的产物量为目标，现在应该转变观念，从整体出发，除了达到以上目标外，还应设法增加产物的胞外分泌量，减少非目的产物的分泌（如色素、毒素、降解酶及其他干扰性杂质等）以及赋于菌种或产物以某种有益的性质以改善产物的分离特性，从而简化下游加工过程。

（5）强化物理化学作用的影响

物理作用：将微波、超声波、电磁等应用于分离：微波萃取、微波蒸馏、超声波萃取、磁性亲和分离

化学作用：选择适当的分离剂，增大分离因子，增加对目的组分的选择性；向分离体系投入附加组分，改变原来体系的化学位，从而增大分离因子。强化化学作用对相界面传质速率的影响：利用一些相转移促进剂来增大相间的传质速率。若把这类相转移促进剂结合在固相的界面上，便形成各类“亲和”分离过程，如亲和色谱、亲和萃取、亲和错流过滤、亲和膜分离等，这是强化分离过程的一个前沿研究方向。

（6）生物分离过程的高效集成化

生物分离过程的高效集成化的含义在于利用已有的和新近开发的生化分离技术，将下游过程中的有关单元进行有效组合 (集成 )，或者把两种以上的分离技术合成为一种更有效的分离技术，达到提高产品收率、降低过程能耗和增加生产效益的目标。按此定义，生物分离过程的高效集成化技术包括生化分离技术的集成化和生物分离过程的集成化两方