生物分离工程

绪论

1、生物分离工程的定义：从发酵液或酶反应液或动植物细胞培养液中分离、纯化生物

产品的过程。

2、生物分离工程特点：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。

3、生物分离工程可分为几大部分，分别包括哪些单元操作？

答：1、发酵液的预处理与固液分离，过滤(filtration) 、离心(centrifugation) 2、初步纯化，沉淀(precipitation) 、萃取(extraction) 、吸附( adsorption )、膜分离(membrane

separation) 3 、高度纯化，色谱 ( chromatography )、电泳(electrophoresis) 4、成品加工，结晶(crystallization) 、干燥(drying) 。

4、在设计下游分离过程前，必须考虑哪些问题方能确保我们所设计的工艺过程最为经济、可靠？

答：1、产品价值2、产品质量3、产物在生产过程中出现的位置4、杂质在生产过程中

出现的位置。5、产品和主要杂质独特的物化性质6、不同分离方法的技术经济比较。

5、阐述生物分离工程的发展动向。

答、1、基础理论研究2、提高分离过程的选择性3、开发分离介质4、提高分离纯化技术5、清洁生产

6 、规模化、工程化研究

6、分离效率的评价：目标产物的浓缩程度、分离纯化程度、回收率

第二章细胞分离与破碎Cell isolation and disruption

1 如何预处理发酵液?

答：1. 高价无机离子的去除方法去除钙离子：通常使用草酸。去除镁离子：加入三聚磷酸钠，与镁离子形成络合物。用磷酸盐处理，也能大大降低钙离子和镁离子的浓度。去除铁离子: 加入黄血盐，使其形成普鲁士蓝沉淀而除去。2、杂蛋白质的除去：沉淀、

吸附法、变性法、凝聚Coagulation 和絮凝flocculation 3. 有色物质的去除及其他：使用吸附剂去除有色物质(离子交换剂、离子交换纤维、活性炭等) 、用工业酶制剂可净化发酵产物，除去干扰性浑浊物、使用惰性助滤剂、加入反应剂

2 凝聚和絮凝的区别

答：凝聚：向胶体悬浮液中加入电解质，由于双电层电位降低，使胶体体系不稳定，胶体粒子间因相互碰撞而产生凝集( 1mm 左右)的现象。絮凝：指在某些高分子絮凝剂存在下，在悬浮粒子之间发生架桥作用而使胶粒形成粗大( 10mm)的絮凝团的过程。

絮凝剂可分为非离子型、阴离子型和阳离子型三类。

3 滤饼的重量比阻rB ：滤饼的重量比阻rB：表示单位滤饼厚度的阻力系数，是衡量过滤特性的主要指

标。对于不可压缩滤饼，比阻值为常数，但对于可压缩滤饼，rB = f(p)。

4 常用固- 液分离方法、设备及其特点

答：固-液分离设备：板框式压滤机优点：结构简单、价格低廉、过滤面积大。缺点：不能连续操作、劳动强度大、滤液澄清度不高。2. 鼓式真空过滤机主要用于霉菌发酵液的过滤优点：能连续操作，实现自动化控制，适用于处理量大而固体含量较多的滤浆。缺点：压差较小，不适用于滤饼阻力较大的物料。

3、错流过滤是一种新的过滤方式，

与常规过滤的区别在于它的固体悬浮液流动方向与过滤介质平行。优点：过滤速度快。缺点：固液相的分离不太完全4. 离心分离设备1）差速离心生化工业最常用的方法2）区带离心生化研究分为差速区带离心（沉降系数）和平衡区带离心（密度）用于核酸、蛋白质的分离纯化。设备管式离心机、碟片式离心机、三相倾斜式离心机、含固量较多的发酵液。

5 常用的细胞破碎方法, 了解机械破碎法所用设备

答：方法：机械、物理、化学1. 机械破碎高压匀浆器、水平密闭型珠磨器、喷雾撞击破碎器、超声波仪

第三章初级分离

1 常用的蛋白质沉淀方法有哪些？答：盐析沉淀、等电点沉淀、有机溶剂沉淀、其他沉淀法（热沉淀、特殊沉淀剂法、聚电解质、某些多价金属离子）

2 比较Ks 盐析法和β盐析法

答：β—盐浓度为0时，蛋白质溶解度的对数值。与蛋白质种类、温度、pH 值有关，

与盐无关。Ks—盐析常数，与蛋白质和无机盐的种类有关，与温度、pH值无关。Ks盐

析法：在一定pH 和温度下，改变体系离子强度进行盐析的方法；β盐析法：在一定离子强度下，改变pH 和温度进行盐析的方法。Ks 盐析法由于蛋白质对离子强度的变化非常敏感，易产生共沉淀现象，因此常用于提取液的前处理。β盐析法由于溶质溶解度变化缓慢，且变化幅度小，因此分辨率更高，常用于初步的纯化。

3 影响盐析的主要因素有哪些？答：1、无机盐种类离子半径小﹑电荷较多的阴离子盐析效果较好。2、

温度和pH 值。3、

蛋白质浓度

4 用乙醇沉淀蛋白质时应注意哪些事项？

答：⑴ 温度：温度越低，沉淀越完全。－10℃。⑵ 乙醇浓度：乙醇浓度上升，蛋白质溶解度下降。⑶ pH 值：pI。⑷蛋白质浓度：0.5%～2%稀：溶剂用量大，回收率低，但共沉作用小；浓：节省溶剂用量，共沉作用强，分辨率低。

6 泡沫分离定义、原理和操作过程影响因素

答：定义：泡沫分离是以气泡为介质，利用组分的表面活性差进行分离的一种方法。原理：利用待分离物质本身具有表面活性或能与表面活性剂结合，在泡沫柱中被吸附在气泡表面，

得以富集，气泡上升带出溶剂主体，达到净化主体液、浓缩待分离物质的目的。（泡沫柱和消泡器）影响因素：A、料液性质溶液的pH 值、离子强度和其他添加剂. B 、表面活性剂浓度不宜超过临界胶束浓度。C、操作条件温度应达到表面活性剂的起泡温度气体流速 D 、泡沫柱

第四章膜分离

1 何谓膜分离？主要有哪几种膜分离方法？

答：膜分离的定义：利用具有一定选择性透过特性的过滤介质进行物质的分离纯化。微滤、超滤、反渗透、透析、电渗析、渗透汽化。

2 膜分离技术有何优缺点？

答：优点：1 易于操作。常温下可连续使用,可直接放大，易于自动化。2、成本低，寿命长。维护方便，能耗少。3、效率高，特别适宜于热敏感物质分离浓缩。4、无相转变，分

离精度高，没有二次污染。缺点：价格高、易污染、应用受限制。

3 分析比较微滤、超滤和反渗透的异同点。

答：

反渗透不对称膜、复合膜﹤

1nm

水压力1-10mpa溶解或悬浮物质

超滤不对称微孔膜

1-50nm 水和盐0.1-1Mpa生物大分子

胶体物质

微滤对称微孔膜，

0. 1-10μ m 水和溶解物质

0.05-0.5Mpa

悬浮物质

反渗透：定义：在溶质浓度高的一侧施加超过渗透压的压力，使溶剂透过膜的操作。RO 膜无明显的孔道结构，透过机理尚不十分清楚。UF 膜和MF 膜有明显的孔道结构，主要用于截留高分子溶质或固体微粒。超滤膜孔径比MF 膜小，用于处理不含固形成分料液，根据高分子溶质间或高分子溶质与小分子溶质间分子量差别进行分离；膜两侧渗透压差较小，操作压力较低。微滤膜孔径大，用于悬浮液过滤，广泛用于菌体分离与浓缩；膜两侧渗透压可忽略，甚至可在常压下操作。

4 理解概念：膜，水通量，截留分子量，截留曲线，浓差极化，凝胶极化答：水通量：定义：在一定条件下（一般压力为0.1MPa，温度为20℃ ），单位时间透过单位膜面积的纯水体积。浓度极化：定义：膜分离操作中，不能完全透过膜的溶质受到膜的截留作用，在膜表面附近浓度升高，高于料液主体浓度的现象。影响：膜两侧渗透压差增大，透过通量降低。凝胶极化：定义：当膜表面附近的浓度超过溶质的溶解度时，溶质会析出，形成凝胶层。影响：产生附加的传质阻力，透过通量降低。截留曲线：膜的截留率与溶质分子量之间关系的曲线。一般将在截留曲线上截留率为0.90 的溶质分子量定义为膜的截留分子量。膜的定义：在一种流体相间有一薄层凝聚相物质，把流体相分隔开来成为两部分，这一薄层物质称为膜。膜生物反应器定义：膜分离过程与生物反应过程耦合的生物反应装置。

5 影响截留率、膜分离速度的因素有哪些？答：（一）截留率：1、溶质分子量2、分子特性不同分子截留率大小顺序：球形＞带支链＞线性；对于荷电膜，与膜相反电荷的分子截留率较低；若膜对溶质有吸附作用，截留率增大。其他高分子溶质的影响其他高分子溶质的存在使溶质截留率增大。操作条件温度升高，膜表面流速增大，截留率降低；pH=pI 时，蛋白质的截留率高于其他pH 下的截留率。（二）膜分离速度的因素：1、操作方式传统过滤操作：采用终端过滤（Dead-end filtration）形式，即料液流向与膜面垂直。膜表面滤饼阻力大，透过通量很低。超滤和微滤操作：采用错流过滤可大大减轻浓度极化现象，使透过通量维持在