生物分离工程

1、生物分离工程概念
指回收生物产品分离过程的原理与方法。
2、在设计生物分离过程前，必须考虑哪些问题方能确保所设计的工艺过程最为经济、可靠？
（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）主要杂质独特的理化性质是什么；（6）不同分离方法的技术、经济比较。
3、生物分离工程包括哪些单元操作？
固液分离过程采用过滤、离心、细胞破碎操作；
浓缩阶段采用萃取、吸附、离子交换等操作；
纯化环节用沉淀、色谱、电泳等操作；
精制步骤采用结晶、干燥。
4、生物分离的依据
根据混合物中不同组分间物理、化学和生物学性质的差别。
5、生物分离效率
分离效率从两个角度评价：分离方法和设备；分离过程和产品。
（1）分离方法和设备 评价指标有分离容量、分离速度、分辨率
1）分离容量：单位体积的分离设备（或分离介质）处理物料或目标产物的体积或质量。
2）分离速度：单批次分离所需要的时间，或连续分离的进料速度。
3）分辨率：目标产品的纯化效果或杂质的去除能力。
（2）分离过程和产品 从具体分离过程对目标产品的浓缩程度、纯化程度和回收率来评价。
6、细胞分离方法
重力沉降、离心沉降、过滤。
1）凝聚是指在电解质作用下，由于胶粒之间双电层排斥电位的降低，而使胶体体系不稳定的现象。
2）絮凝是指在某些高分子絮凝剂存在下，基于架桥作用，使细胞聚集形成粗大的絮凝团的过程。
7、细胞破碎方法
机械破碎法、非机械破碎法（物理破碎、化学破碎、酶促破碎法）
8、选择破碎方法的依据
1）细胞处理量；
2）细胞壁强度和结构(高聚物交联程度、种类和壁厚度)；
3）目标产物对破碎条件的敏感性；
4）破碎程度；
5）目标产物的选择性释放。
9、沉淀法基本原理
就是采用适当的措施改变溶液的理化参数，控制溶液中各种成分的溶解度，根据不同物质在溶剂中的溶解度不同而达到分离的目的。
10、沉淀法应用范围
不仅用于实验室中，因其不需专门设备，且易于放大，也广泛用于生产的制备过程，是分离纯化生物大分子，特别是制备蛋白质和酶时最常用的方法。
优点：操作简单、经济、浓缩倍数高。
缺点：针对复杂体系而言，分离度不高、选择性不强。

11、盐析
（1）概念
在高浓度的中性盐存在下，蛋白质（酶）等生物大分子物质在水溶液中的溶解度降低，产生沉淀的过程。
盐析是可逆的，而变性是不可逆的。
（2）盐析机理
1）

破坏水化膜，分子间易碰撞聚集。将大量盐加到蛋白质溶液中，高浓度的盐离子有很强的水化力，于是蛋白质分子周围的水化膜层减弱乃至消失，使蛋白质分子因热运动碰撞聚集。
2）破坏水化膜，暴露出憎水区域。由于憎水区域间作用使蛋白质聚集而沉淀，憎水区域越多，越易沉淀。
3）中和电荷，减少静电斥力。 中性盐加入蛋白质溶液后，蛋白质表面电荷大量被中和，静电斥力降低，导致蛋白溶解度降低，使蛋白质分子之间聚集而沉淀。
（3）盐析用盐的选择原则
1）盐析作用要强；
2）盐析用盐需有较大的溶解度；
3）盐析用盐必须是惰性的；
4）来源丰富、经济。
硫酸铵是最常用的蛋白质盐析沉淀剂
优点：价廉；溶解度大，温度系数小，许多蛋白质可以被盐析出来；硫酸铵分段盐析效果也比其他盐好；不易引起蛋白质变性。
缺点：水解变酸；高pH 释氨，腐蚀；残留对产品有影响。
（4）盐析的影响因素
1）pH 多将溶液pH调到目的蛋白的等电点处，注意在水中或稀盐液中蛋白质的等电点与高盐浓度下所测的结果是不同的；
2）温度 蛋白质对盐析温度无特殊要求，可在室温下进行，只有某些对温度比较敏感的酶要求在0-4℃进行。
3）蛋白质浓度 盐析沉淀蛋白质和蛋白质起始浓度有关。
起始浓度高，可以节约盐的用量；但过高，会发生严重共沉淀作用，除杂蛋白的效果会明显下降。
在低浓度蛋白质溶液中盐析，所用的盐量较多，共沉淀作用比较少，但回收率会降低。
一般认为2.5%～3.0%的蛋白质浓度比较适中。相当于25 mg/mL～30mg/mL。
12、等电点沉淀法
等电点沉淀法单独使用主要用于去除杂蛋白和其它杂质。
用来沉淀目标产物往往不能获得高的回收率，通常与其他沉淀方法结合使用。
13、有机溶剂沉淀
用于许多蛋白质（酶）、核酸、多糖和小分子生化物质。
优点：1）分辨能力比盐析法高；2）沉淀不用脱盐；3）过滤较为容易。
缺点：1）对具有生物活性的大分子容易引起变性失活；2)操作要求在低温下进行;3）成本高。
萃取
指利用化合物在两种互不相溶（或微溶）的溶剂中溶解度或分配系数的不同，使化合物从一种溶剂内转移到另外一种溶剂中的方法。
优点：溶剂萃取法较化学沉淀法分离度高，比离子交换法选择性好，比蒸馏法耗能少。

15、三种萃取方式比较：
单级萃取：流程比较简单，但由于只萃取一次，所以一般萃取效率不高。
多级错流萃取：每级中都加溶剂，故溶剂消耗量大，而得到的萃取物平均浓度较稀，但萃取较完全。
多级逆流萃

取：在逆流萃取中，只在最后一级中加入萃取剂，故和错流萃取相比，萃取剂之消耗量较少，因而萃取液平均浓度较高。
相图
相平衡时物系的组成。相图是研究双水相萃取的基础。
系线
连接双节线上两点的直线。
18、系线反映的信息:
杠杆规则：系线上各点均为组成相同，而体积不同的两相。两相体积近似服从杠杆规则。
性质差异：系线的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。
临界点：当系线长度趋于零时, 两相差别消失,任何溶质在两相中的分配系数均为1。如K点
19、膜分离技术概念
用半透膜作为选择障碍层，利用膜的选择性（孔径大小），以膜的两侧存在的能量差作为推动力，允许某些组分透过而保留混合物中其它组分，从而达到分离目的的技术。
20、膜分离的特点
① 操作在常温下进行；
② 是物理过程，不需加入化学试剂；
③ 不发生相变化，因而能耗较低；
④ 在很多情况下选择性较高；
⑤ 浓缩和纯化可在一个步骤内完成；
⑥ 设备易放大，可以分批或连续操作。
用膜分离技术解释血液透析疗法原理
将患者的血液和透析液同时引进透析器（两者的流动方向相反），利用透析器（人工肾）的半透膜，将血中蓄积的过多毒素和过多的水分清出体外，并补充碱基以纠正酸中毒，调整电解质紊乱，替代肾脏的排泄功能。
22、膜材料的特性
1）耐压：膜孔径小，要保持高通量就必须施加较高的压力，一般膜操作的压力范围在0.1～0.5MPa，反渗透膜的压力更高，约为1～10MPa；
2）耐高温:以满足高通量带来的温度升高和清洗的需要；
3）耐酸碱：防止分离过程中，以及清洗过程中的水解；
4）化学相容性：保持膜的稳定性；
5）生物相容性：防止生物大分子的变性；
6）成本低。
23、如何认识膜性能表征参数“水通量Jw”？
纯水在一定压力、温度(0.35MPa，25℃)下，单位时间透过单位面积膜的量(L / h?m2)。
水通量Jw不能代表处理大分子料液的透过速度，因为大分子溶质会沉积在膜表面，使滤速下降（约为纯水通量的10%）。但由Jw的数值可了解膜是否污染和清洗是否彻底。
24、如何理解“浓差极化”，它与“膜污染”有何异同？
在分离过程中，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?。
于是在膜表面与临近膜面区域浓度越来越高，产生膜面到主体溶液之间的浓度梯度，形成边界层，使流体阻力与局部渗透压增加，从而导致溶液透过

流量下降，同时这种浓度差导致溶质自膜反扩散到主体溶液中，这种膜面浓度高于主体浓度的现象称为浓差极化。
膜污染是指处理物料中的微粒、胶体或溶质大分子与膜存在物理化学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。
膜污染与浓差极化在概念上不同， 浓差极化加重了污染，但浓差极化是可逆的，即变更操作条件可使之消除；而膜污染是不可逆的，必须通过清洗的办法，才能消除。
25、如何判断膜污染？
膜污染的表现一是膜通量下降；二是通过膜的压力和膜两侧的压差逐渐增大；三是膜对生物分子的截留性能改变。
26、大网格树脂吸附法与离子交换法的比较：
相同：① 操作方法：静态法、动态法；
② 骨架结构：树脂均有溶胀孔隙和永久孔隙的大网格骨架结构。
区别：
介质不同：
离交法－离交树脂，骨架上接有离子交换基团，利用表面层和孔隙中离子基团起作用；
吸附法－吸附树脂，无离交基团，利用外表面和孔隙内表面分子起作用。
机理不同：
离交法－离子间静电引力吸附，要求树脂和物质的电离度α↑
吸附法－分子间范德华引力吸附，要求物质的电离度α↓
27、大网格树脂吸附中如何选择pH？
对弱酸性物质：pH对弱碱性物质：pH>pK （呈分子状态）
中性物质：pH无影响（不会电离）。
28、离子交换树脂结构的构成
（1）树脂骨架 呈不溶性的三维空间网状结构，使树脂具有化学稳定性和机械强度；
（2）功能基团 连接在骨架上，可与相反离子结合
（3）活性离子 与功能基团带相反电荷的可移动的离子。
29、离子交换的机理
离子交换主要依赖电荷间的相互作用，利用带电分子中电荷的微小差异而进行分离。
选择适当条件可使一些溶质分子变成离子态，通过静电作用结合到离子交换剂上，而另一些物质不能被交换，这两种物质就可被分离。
带同种电荷的不同离子虽都可以结合到同一介质上，但由于带电量不同，与介质的结合牢固度不同，改变洗脱条件可依次被洗脱而达到分离的目的。
30、强酸性阳离子交换树脂和弱酸性阳离子交换树脂使用时有何区别？
由于是强酸性基团，其电离程度不随外界溶液的pH而变化，所以使用时的pH一般没有限制。而弱酸阳树脂的电离程度小，其交换性能和溶液的pH有很大关系。在酸性溶液中，这类树脂几乎不能发生交换反应，交换能力随溶液的pH增加而提高。
31、离子交换法中如何选择树脂？
1）强碱物

质? 选弱酸盐型树脂，因为洗脱容易；盐型树脂电离度大，H型和OH型解离度小。
2）弱碱物质? 选强酸树脂，不能用弱酸树脂，因为弱酸树脂所成的盐易水解，吸附困难； H型、盐型均可，但应考虑物料稳定性。
3）中等碱性物质?强/弱酸树脂都可以，根据交换容量选择。
32、离子交换吸附条件的选择
1）?料液pH
应满足下列条件：α树↑；α物↑ ；生化物质稳定性。
采用弱酸树脂(碱性物质)： pK树采用弱碱树脂(酸性物质)： pK物采用强酸、强碱树脂：满足α物↑，稳定性好
2?）料液浓度
Z1>Z2(高价离子取代低价离子)：料液浓度Co↓
Z13）流速(柱操作)： 控制1/25~1/50（树脂床层体积的倍数 / 分）
流速太快会造成吸附时交换液来不及达平衡就流出；交换带变宽；漏出点提早；柱效率下降。
33、结晶
结晶是指溶液中的溶质在一定条件下，因分子有规则的排列而结合成的晶体。
34、晶核
是在过饱和溶液中最先析出的微小颗粒，是以后结晶的中心。
35、结晶是制备纯物质的有效方法，为什么？
由于只有同类分子或离子才能排列成晶体，所以通过结晶，溶液中的大部分杂质会留在母液中，使产品得到纯化。因此，结晶是制备纯物质的有效方法。
36、过饱和溶液的形成方法
（1）冷却（适合溶解度随温度降低而显著减小的溶液）；
（2）溶剂蒸发（溶解度随温度的降低变化不大的场合或溶解度随温度升高而降低的情况）；
（3）改变溶剂性质；
（4）化学反应产生低溶解度物质。
37、晶核形成速度和晶体生长速度如何影响晶体？
如果晶核形成速度大大超过晶体生长速度，则过饱和度主要用来生成新的晶核，因而得到细小的晶体，甚至无定形；反之，如果晶体生长速度超过晶核形成速度，则得到粗大而均匀的晶体。