分离工程复习提纲

分离工程复习提纲

第一、二、三章分离工程概述、预处理与细胞破碎1、分离工程的概念及其一般步骤。

答：概念：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，常称为生物工程下游技术。

生物分离一般分四步：不溶物的去除、产物分离、产物纯化、产品精制。

2、发酵液预处理的目的及其方法。

答：目的：①改变发酵液的物理性质，促进从发酵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相中；③去除发酵液中部分杂质，以利于后续各步操作。

方法：（1）发酵液过滤特性的改变：调节黏度、调节pH值、凝聚和絮凝、助滤剂、反应剂；（2）发酵液的相对纯化：高价无机离子的去除、杂蛋白的去除

3、差速离心和区带离心的原理。

答：差速离心：根据悬浮液的特性、分离的目的和所需分离的程度，选择适当的操作条件（离心转速和时间），可使料液中的不同组分得到分级分离。

区带离心：给予不同的密度环境，在同样的离心力下沉降，不同的物质停止在不同的密度层次上，这样就可以分离到不同密度的物质。

4、P33、1

5、P33、5

6、常用的两种机械破碎细胞法原理及其适用性，各种不同化学渗透法及其特点。

答：（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、氧化铝等研磨剂相互搅动，研磨剂、珠子、细胞间的剪切、碰撞，使细胞破碎，释放出内含物。

适用于绝大多数微生物细胞的破碎。

（2）高压匀浆法

原理：它利用高压使细胞悬浮液通过针形阀，由于突然减压和高速冲击撞击环使细胞破裂。

不宜采用此法破碎的微生物细胞有：1）易造成堵塞的团状或丝状真菌以及较小的阳性菌；2）有些亚细胞器如包含体，质地坚硬，容易损伤匀浆阀。

（3）化学渗透法：A、酸、碱用来调节溶液的pH，改变细胞所处的环境，从而改变细胞壁中蛋白质的电荷性质，使蛋白质之间或蛋白质与其他物质之间的作用力降低而易于溶解。B、有机溶剂能分解细胞壁中的类脂，它被细胞壁脂质层吸收后导致胞壁膨胀，最后导致细胞壁的破裂。

C、变性剂能破坏氢键作用，削弱溶质分子间的相互作用，从而使之易溶于水溶液。

7、细胞破碎技术的研究方向。

答：1）多种破碎方法相结合；2）与上游过程相结合；3）与下游工程相结合；4）目标产物的选择性释放。

8、盐析、有机溶剂沉淀法和等电点沉淀法的原理、操作注意事项及常用的沉淀剂。

答：（1）盐析

原理：1）破坏水化膜，分子间易碰撞聚集；2）破坏水化膜，暴露出憎水区域；3）中和电荷，减少静电斥力。

盐析中常用的盐：硫酸铵、硫酸钠、磷酸钾、磷酸钠

（2）有机溶剂沉淀

原理：1）当将亲水性有机溶剂加入溶液中时，介质的介电常数(极性)降低，那么溶质分子之间的静电引力增加，聚集形成沉淀。2）水溶性有机溶剂本身的水合作用降低了自由水的浓度，压缩了亲水溶质分子表面原有水化层的厚度，降低了它的亲水性，导致脱水凝集。

常用有机溶剂：乙醇、丙酮、甲醇。

操作注意事项：a、必须在低温下进行；b、pH多控制在待沉蛋白质的等电点附近；c、蛋白质的初浓度以0.5～2％为好，粘多糖则以1～2％较合适；d、分子量越大，越容易沉淀；e、较低浓度的中性盐存在有利于沉淀作用，减少蛋白质变性。一般中性盐浓度以0.01～0.05mol/L为好。

（3）等电点沉淀

原理：利用两性物质在pH为等电点的溶液中，分子表面净电荷为零，导致赖以稳定的双电层结构的削弱或破坏，分子间引力增加，溶解度降低。

操作注意事项：a、适用于憎水性较强的蛋白质；b、生物高分子的等电点易受盐离子的影响发生变化，中性盐浓度增大时，等电点向偏酸方向移动，同时最低溶解度会有所增大，应该控制离子强度；c、要考虑目的物的稳定性；d、通常与盐析、有机溶剂沉淀法联合使用。

9、P53、1

10、P53、2

第四章膜分离技术

1、膜分离的特点和存在的问题。

答：特点：

1）膜分离是一个高效分离过程，有相当好的选择性，可在分离、浓缩的同时达到部分纯化的目的；2）大多数膜分离过程中不发生相变化，因此能量消耗较低；

3）化学与机械强度小，减小了生化物质的失活；4）膜分离通常在常温下进行，特别适合处理热敏性物料；

5）膜分离设备本身没有运动的部件，可靠性高，操作、维护都十分方便；

6）不加化学物，透过液（酸、碱或盐溶液）可循环使用，降低了成本，并减少了对环境的污染。

存在的问题：

①在操作中膜面会发生污染，使膜性能降低；

②膜的耐药性、耐热性、耐溶剂能力有限；

③单独采用膜分离技术效果有限，因此往往都将膜分离工艺与其他分离工艺组合起来使用。

2、各种膜分离的推动力及原理。

答：（一）微滤和超滤的分离机理：是简单的筛分过程，大于膜表面毛细孔的分子被截留，相反，较小的分子则能透过膜。（压力差）

（二）纳米过滤：纳米过滤是介于反渗透和超滤之间的一种以压力为驱动力的新型膜分离过程，能截留透过超滤膜的那部分有机小分子，而透过无机盐和水。（压力差）

（三）反渗透：（1）溶解－扩散模型（无孔学说）：认为膜是均匀的，无孔，水和溶质分两步通过膜：:第一步：首先吸附溶解到膜材质表面上；第二步：在膜中扩散传递(推动力为化学位梯度)。（2）优先吸附-毛细孔流动模型（有孔学说）：优先被吸附的组分在膜面上形成一层吸附层，吸附力弱的组分在膜上浓度急骤下降，在外压作用下，优先被吸附的组分通过膜毛细孔而透过膜。（压力差）

（四）透析：利用具有一定孔径大小、高分子溶质不能透过的亲水膜将含有高分子溶质和其他小分子溶质的溶液与纯水或缓冲液分隔。由于膜两侧的溶质浓度不同，在浓差的作用下，高分子溶液中的小分子溶质如无机盐透向纯水或缓冲液一侧，纯水或缓冲液透向高分子溶液一侧。（浓度差）

（五）渗透气化：利用膜与被分离有机液体混合物中各组分的亲合力不同，而有选择性地优先吸附溶液某一组分，及各组分在膜中扩散速度不同，来达到分离的目的。（浓度差、分压差）

（六）电渗析：利用分子的带电性质和分子大小的差别进行分离的膜分离法，可用于小分子电解质的分离和溶液的脱盐。（电位差）

（七）气体分离：气体膜分离是在膜两侧压力差的作用下，利用气体混合物中各组分在膜中渗透速率的差异而实现分离的过程，其中渗透快的组分在渗透侧富集，相应渗透慢的组分则在原料侧富集。（压力差）

3、不同膜材料优缺点。

答：（1）高分子聚合物膜聚酰(亚)胺类：1）耐热；2）pH 范围广；3）寿命较长；4）不耐氯；5)典型的反渗透膜材料聚砜类：1）温度范围广；2）pH 范围广；3）耐氯能力强；4）孔径范围宽；5 ) 操作压力低；6）适合作超滤膜纤维素酯类：1）透过速度大；2）截留盐的能力强；3）易于制备；4）来源丰富；5）不耐温（30℃）；6）pH 范围窄，清洗困难；7）与氯作用，寿命降低；8）微生物侵袭；9）适合作反渗透膜

（2）无机分离膜优点：1）孔径比较均匀，过滤效果好；2）耐蒸汽灭菌，耐酸碱和有机溶剂；3）坚固耐用，使用寿命长、适合工业生产的需要；4）可以反向加压清洗过滤形成的滤饼层。缺点：造价比有机膜高，制成膜滤器后过滤面积与滤器体积之比小于有机膜，有时也表现出对蛋白质的吸附，它在生化分离中的应用还有待于研究与开发。

4、水通量、截留率、截留分子量

答：水通量：也叫透过速率或透水率，纯水在一定压力，温度(0.35MPa，25℃)下试验，透过水的速度（L / h m2）。表征膜透过性能的参数。

截留率：膜对溶质的截留能力。

截留分子量：截留率为90%或95%时所对应的分子量。

5、浓差极化与膜污染原因，膜污染的控制与处理。答：浓差极化：料液中溶剂在压力驱动下透过膜，大分子溶质被带到膜表面，但不能透过，被截留在膜的高压侧表面上，造成膜面浓度上升，这种膜面浓度高于主体浓度的现象称为浓差极化。

膜污染的原因：处理物料中的微粒、胶体离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或膜孔内吸附、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。

膜污染的控制与处理：A、料液的有效处理；B、改善膜的性质；C、改变操作条件；D、定期对膜进行反冲、清洗。

6、影响膜分离速度的因素（凝胶极化模型）

答：1）操作形式；2）流速；3）压力；4）料液浓