生物分离工程部分习题和答案Word下载.docx
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以纯度为目的：
目标产物最终纯度（分离因子a）
以收率为目的：
产品收得率（%）
4生物分离工程可分为几大部分，分别包括哪些单元操作？
（简述或图示分离工程一般流程及基本操作单元）
生物分离工程分四大部分：
<
、发酵液预处理与液固分离。
基本操作单元：
过滤、离心
、初步纯化。
根据产品性质而定
、高度纯化。
根据产品性质而定，技术要有高度选择性
、成品加工。
结晶、干燥
5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？
、目标产物性质及其共存杂质的特性<
、充分考虑目标产物商业价值
、考虑生物加工过程自身规模<
、采用步骤次序相对合理
、尽可能采用最少步骤<
、产品稳定性与物性
、产品规格与型式<
8>
、生产过程中废水等排放
6下游加工过程的发展趋势有哪些方面？
成本控制和质量控制
7纯化生物产品的得率是如何计算的？
若每一步纯化产物得率为90%，共6步纯化得到符合要求产品，其总收率是多少？
得率=产品中目标产物总量/原料中目标产物总量
总收率=（90%）6=53.1441%
第二章发酵液预处理
凝聚：
在中性盐作用下，由于双电层排斥电位降低使胶体体系不稳定的现象。
絮凝：
在絮凝剂高分子聚合分子的作用下，基于架桥作用，胶体颗粒和聚合物交连成网，形成10mm大小的絮凝团过程。
是一种以物理集合为主的过程。
凝聚剂：
让不稳定的胶体微粒（或者凝结过程中形成的微粒）聚合在一起形成集合体的过程中所投加的试剂的统称。
过滤：
利用多孔介质（如滤布、微孔膜、致密膜）截流悬浮液中的固体粒子，进行液固分离的过程。
离心：
在离心力作用下，利用固体和液体之间的密度差达到沉降分离目的。
细胞破碎：
利用外力破坏细胞膜和细胞壁，使细胞内容物包括目的产物成分释放出来的技术
包含体：
指细胞或细菌中高表达的蛋白质（也可以汇同其他细胞成分）聚集而成的不溶性颗粒。
1为什么要进行发酵液的预处理？
常用处理方法有哪几种？
提高过滤速度与过滤质量改变发酵液性质（黏度↓、颗粒↑、颗粒稳定性↓）
去除部分杂质使产物转入到易处理的相中（通常是液相）
方法：
加热、调节、pH凝聚、絮凝
2凝集与絮凝过程有何区别？
如何将两者结合使用？
常用的絮凝剂有哪些？
凝集：
机制：
破坏双电层、水化层解体胶体吸附、氢键结合等。
絮凝剂种类：
A、阳离子类：
如聚丙烯酰胺（+）、聚苯烯酸二烷基胺乙酯、聚二烯丙基四胺；
B、阴离子类：
如聚丙烯酸钠、聚苯乙烯磺酸、聚丙烯酰胺（-）；
C、非离子类：
如聚丙烯酰胺（0）、环氧化乙烯。
3发酵液预处理中凝聚剂主要起什么作用？
絮凝机理是什么？
絮凝剂主要起中和电荷、架桥和网络作用（范德华力、氢键）。
4细胞破碎的方法包括哪几类？
工业上常用的方法有哪些？
为什么？
机械法：
固体剪切法（珠磨法、压榨法、撞击法）液体剪切法（高压匀浆法、超声波破碎）
非机械法：
酶溶胞作用、化学溶胞作用（酸碱法、表面活性剂法、抗生素）、物理溶胞作用（有机溶剂膨胀法、渗透冲击、冻融、激光、高速切相流撞击、冷冻喷射）、干燥处理
工业常用方法：
高压匀浆法、高速珠磨法
5沉降与离心的异同？
沉降：
溶液中的颗粒或溶质在重力或离心力作用下发生沉淀的现象。
沉降的结果使分散体系发生相分离。
可利用悬浮在流体（气体或液体）中的固体颗粒下沉而与流体分离。
利用悬浮的固体颗粒本身的重力而获得分离的称做重力沉降。
利用悬浮的固体颗粒的离心力作用而获得分离的称做离心沉降。
离心力（rω2）大小对固液分离度很有影响，细胞悬浮液和其他颗粒尺寸多不大，并且液体黏度通常较大，因此要通过增大离心力来提高分离效果。
6离心设备可分为哪两大类？
按分离因子Fr不同，离心机一般分为哪几类？
管式离心机（最简单，可供较大离心力；
可用冷却水冷却；
悬浮液由管底进，澄清液由管口出），蝶片式离心机（流速与碟片数、微粒与转鼓轴间距离有关）
按分离因子不同，可分：
1）、常速离心机2）、高速离心机3）、超速离心机
7常用的离心沉降设备有哪些？
常用的过滤设备有哪些？
离心沉降设备：
管式离心机、多室离心机（管式离心机的变形）、碟式离心机（人工排渣式、喷嘴排渣式、活塞排渣式等）、螺旋卸料沉降离心机、离心过滤机、三足式离心机
过滤设备可分：
加压过滤设备（板框过滤机、加压叶滤机）
减压过滤设备（转鼓真空过滤器、圆盘真空过滤器、带式真空过滤器）
重力过滤设备（离心过滤机）
8固-液分离主要包括哪些方法和设备？
1、过滤（重力过滤、加压过滤、减压过滤）
2、离心沉降（各种离心机）
3、重力沉降
4、气悬浮
过滤设备类型：
加压过滤设备：
板框过滤机、加压叶滤机
减压过滤设备：
转鼓真空过滤器、圆盘真空过滤器、带式真空过滤器
重力过滤设备：
离心过滤机
离心设备：
生物工业所用的离心机多为高速离心机。
离心机主要包括以下几类：
管式离心机：
多室离心机（管式离心机的变形）
碟式离心机：
（人工排渣式、喷嘴排渣式、活塞排渣式等）
螺旋卸料沉降离心机
三足式离心机
9试比较固液分离中过滤和离心分离技术的特点。
过滤在结晶体类、颗粒相对较大时（非粘性物料）的处理时较好用。
离心在颗粒细微（最小可达到纳米级别），或是粘性物料处理时比较合适。
10高压匀浆与高速珠磨破碎法各有哪些优缺点？
高压匀浆：
优点是细胞经历了高速造成的剪切、碰撞、高压到常压的变化，从而造成细胞破碎。
缺点是较容易造成堵塞的丝状真菌、放线菌以及较小的G+菌不适合用本法。
•能耗：
蛋白质与酶的失活主要是由于匀浆过程中产生热所至。
将温度控制在35˚C以下，损失可以忽略不计。
•高压匀浆一般需多级循环操作，每次循环前需要进行级间冷却。
•压力可提高细胞破碎效果，但同时需要增加能耗和带走热量付出的代价。
•主要能耗是高压和维持低温操作能量消耗。
高速珠磨破碎法：
破碎率与能耗成正比。
增加装珠量或延长破碎时间或增加转速均可提高破碎率，但同时能量消耗和产热增加，提高了制冷费和总能源消耗量。
当破碎率≥80%，能耗急剧增加。
11比较工业常用的过滤设备优缺点。
离心与过滤各有什么优缺点？
板框过滤机的优点是过滤面积大、过滤压力可较大幅度调整和耐受较高压力差，应用范围广；
结构简单，价廉，动力消耗少；
缺点是不能连续操作，劳动强度大，卫生条件差，非生产周期长。
加压叶滤机：
在密闭条件下操作，适应无菌过滤；
机械装卸简单，清洗容易；
价高，更换过滤介质困难。
转鼓真空过滤机：
能连续操作和自动化生产；
压差小，主要适应于霉菌发酵液。
离心法分离液体和固体的优点是技术容易掌握，分离结果重复性好，通过增加转速和延长离心时间可以使得一些难以过滤的物质（细胞碎片等）沉降下来，但缺点是难以除去一些密度较小的物质。
生产投资较高，噪声较大等。
过滤技术难以掌握，影响因素很多，常出现颗粒泄漏和膜堵塞等问题，生产中稳定性不如离心好，常需要有经验的工人从事操作。
但如果分离介质选择恰当和掌握好技术，对于一些密度差小离心难以分离的颗粒物质常可全部除去。
第3章沉淀与结晶
沉淀:
由于物理环境变化（加入试剂、加热等），改变溶剂和溶质的能量平衡来降低溶质溶解度，使溶质生成固体颗粒沉降析出的现象。
结晶:
从均匀液相或气相形成一定形状、大小的分子、原子或离子有规则排列的固体颗粒的过程。
（工业结晶一般以液相为主）
盐析:
蛋白质在高离子强度溶液中溶解度降低产生沉淀的现象。
盐溶:
低盐离子强度下，随着离子强度增加蛋白质溶解度升高的现象。
盐析结晶:
在高离子强度溶液中,蛋白质形成一定形状、大小的分子、原子或离子有规则排列的固体颗粒的过程。
盐析沉淀:
由于溶液中离子的加入试剂，改变溶剂和溶质的能量平衡来降低溶质溶解度，使溶质生成固体颗粒沉降析出的现象。
硫酸铵饱和度:
指在100g硫酸铵溶液中硫酸铵在溶液中所占质量分数。
晶种:
在结晶法中，通过加入不溶的添加物即晶种，形成晶核，加快或促进与之晶型或立体构型相同的对映异构体结晶的生长。
晶核：
晶体的生长中心。
晶型：
饱和溶液：
如果向溶剂中加入足够量的固体溶质，一定时间后溶剂中的溶质浓度不再升高，溶质在固液之间达到平衡，此时溶液中的浓度称为溶解度或饱和浓度；
该溶液称为饱和溶液。
过饱和溶液：
一定温度、压力下，当溶液中溶质的浓度已超过该温度、压力下溶质的溶解度，而溶质仍不析出的现象叫过饱和现象，此时的溶液称为过饱和溶液。
饱和度：
某种溶液的饱和度是指在100g该溶液中溶质在溶液中所占质量分数。
1根据加入沉淀剂的不同沉淀分离主要包括哪几类？
沉淀分离的主要方法：
1）盐析沉淀法
2）有机溶剂沉淀法
3）|pH水–pI|Value调节法
4）亲水聚合物沉淀法
5）聚电解质絮凝法
6）高价金属离子沉淀法
7）亲和沉淀法
2常用的蛋白质沉淀方法有哪些？
有机溶剂沉淀蛋白质的机理什么？
用乙醇沉淀蛋白质时应注意哪些事项？
①常用的蛋白质沉淀方法有：
蛋白质盐析沉淀、蛋白质等电点沉淀、有机溶剂沉淀法及运用沉淀动力学沉淀法等。
②有机溶剂沉淀蛋白质的机理是：
向蛋白质溶液中加入有机溶剂，水的活度降低。
随着有机溶剂溶度的增大，水对蛋白质分子表面荷电基团的水化程度降低，液体的介电常数下降，蛋白质分子间的静电引力增大，从而凝聚和沉淀。
③用乙醇沉淀蛋白质时应注意的事项：
1、低温条件下操作可以提高收率和减少蛋白质失活变性（加入有机溶剂为放热反应）；
2、采用的有机溶剂必须与水互溶，与蛋白质不发生作用；
3、蛋白质分子量越大，需要加入的溶剂量越少；
4、一种蛋白质的溶解度常会因为另一种蛋白质存在而降低；
5、沉淀的蛋白如果不能再被溶解，可能已经变性；
6、很多酶和蛋白质在20-50%（V/V）就能产生沉淀；
当溶剂量达到50%时，通常只有分子量≤1500的蛋白留在溶液中；
7、PH=PI时，需要加入的溶剂量减少；
8、盐析法沉淀的蛋白质采用有机溶剂精制时必须与先进行透析。
3影响盐析的主要因素有哪些？
在工艺设计中如何应用？
用Cohn经验公式来看
lgS=-β--KsI
影响盐析的主要因素有:
β：
与蛋白质种类、温度、pH有关，与无机盐种类无关
Ks：
与无机盐种类、蛋白质种类（不同蛋白之间溶解度相差不超过1倍）有关，与温度、pH无关.
4如何确定盐析过程中需要加入硫酸铵的量？
0～300C溶解度变化很小，加入水中后溶液体积会变大（必须考虑到）。
200C1L加至饱和浓度时体积变大为：
1.425L（实际应加入）761g
因此，要使1L溶液浓度由M1增加到M2需要加入多少克（NH4）2SO4需要按下式计算：
200C时——G=533（M2-M1）/（4.05-0.3M2）或533（S2-S1）/（100-0.3S2）
00C时——G=505（M2-M1）/（3.825-0.285M2）或505（S2-S1）/（100-0.285S2）
5简述有机溶剂沉淀的原理。
有机溶剂沉淀的原理：
①亲水性有机溶剂加入溶液后降低了介质的介电常数，使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。
6沉淀与结晶有何不同？
结晶为同类分子或离子以有规则排列形式析出，沉淀为溶质分子或离子以无规排列形式析出，构成成分复杂（目标分子、杂质、溶剂等）。
（沉淀与结晶的联系：
在本质上都是新相析出的过程，主要是物理变化，当然也存在化学反应的沉淀或结晶。
7结晶操作的原理是什么？
常用结晶器包括哪两种类型？
如何选择结晶设备？
结晶操作的基本原理：
使溶液处于过饱和状态。
工业结晶设备主要有：
冷却式、蒸发式（常压蒸发、减压蒸发）
结晶器的选择：
根据目标产物溶解度曲线确定——目标产物溶解度随温度升高而显著升高则可选用其中任何一类；
否则只能选用蒸发式结晶设备。
8粒子大小与溶解度有何关系？
粒子大小与溶解度：
颗粒直径越小，溶解度越大。
溶解度还与颗粒大小有关，微小颗粒的溶解度大于较大直径的颗粒。
从热力学方法可得到颗粒大小与溶解度的关系：
（C普遍晶体溶解度Cs半径为rc的晶体溶解度σ结晶界面张力Vm晶体摩尔体积R气体常数T绝对温度）
9有哪些方法造成溶液过饱和？
冷却；
蒸发结晶；
加溶质。
10绘制饱和温度曲线和过饱和温度曲线，并标明稳定区、亚稳定区和不稳定区。
并简述其意义
11影响硫酸铵盐析效果的主要因素有哪些？
公式IgS=β-KsI中β、Ks各与什么因素有关？
影响硫酸铵盐析的因素：
IgS=β-KsI。
式中,
S为蛋白质的溶解度（g/L）；
I为离子强度；
m为盐的摩尔浓度；
β值为蛋白质在纯水中（I=0时）的假想溶解度对数值，是pH值和温度的函数。
在蛋白质pI时最小，与蛋白质种类、温度、pH有关，与无机盐种类无关；
Ks为盐析常数，与盐和蛋白质种类有关，与温度和pH值无关。
第4章萃取
1萃取：
是利用溶质在互不相溶的两相之间分配系数的不同，使溶质得到纯化或浓缩，从而提取原料中目标产物的方法。
2反萃取（Backextraction）：
调节水相条件，将目标产物从有机相转入水相的萃取操作过程。
3分配系数：
溶质在两相中的总浓度之比。
4有机溶剂萃取：
用与水互不相溶的有机溶剂作为萃取剂，利用生物物质在两相中分配系数的差异进行分离的过程
5分离因子：
衡量分离的程度用分离因子表示
6乳化：
水或有机溶剂以微小液滴形式分散于有机相或水相中的现象。
7胶团（micelles）:
表面活性剂在连续的水相自发缔合形成纳米尺度水溶性聚集体。
是一种透明的、热力学稳定的体系。
8临界胶束浓度：
是S在水溶剂中形成胶束的最低浓度。
9.反胶团（reversemicelles）:
表面活性剂在连续有机溶剂中自发缔合形成纳米尺度水溶性聚集体，是一种透明的、热力学稳定的体系。
10
11溶解度参数:
是衡量液体材料相容性的一项物理常数。
其物理意义是材料单位体积内聚能密度的开平方
12介电常数:
是化合物mol极化程度的量度，又称电容率。
表征电介质极化性质的宏观物理量。
定义为电位移D和电场强度E之比D=εE
13HLB值：
亲水—亲油平衡值。
=（亲水基团的分子量/疏水基团的分子量）*20
14萃取因数:
也称萃取比，其定义为被萃取溶质进入萃取相的总量与该溶质在萃余相中总量之比。
15带溶剂:
带溶剂是指易溶于溶剂中并能够和溶质形成复合物且此复合物在一定条件下又容易分解的物质，也称为化学萃取剂。
对于水溶性强的溶质，可利用脂溶性萃取剂与溶质间的化学反应生成脂溶性复合分子，使溶质向有机相转移。
这种溶剂称为带溶剂
16超临界流体:
是指超过临界温度与临界压力状态的流体.
17超临界流体萃取:
利用超临界流体为萃取剂的萃取操作。
18双水相萃取：
利用生物物质在互不相溶的两水相间分配系数的差异进行分离的过程
19液膜萃取：
以液膜为分离介质、以浓差为推动力的液-液萃取与反萃过程结合为一体的分离过程。
20多级逆流萃取：
P105
1生物物质的萃取与传统的萃取相比有哪些不同点？
生物萃取要尽可能保证分离目标产物的活性。
目标分离物量少。
还有超临界流体萃取等新萃取技术的使用。
2溶剂萃取按参与溶质分配的两相不同而分为哪5类？
有机溶剂萃取中产生乳化后使有机相和水相分层困难，一般会出现哪两种夹带？
各产生什么后果？
有机溶剂萃取，双水相萃取，液膜萃取，反胶团萃取，超临界流体萃取
两种夹带及后果：
①发酵液中夹带有机溶剂微滴，使目标产物受到损失；
②有机溶剂中夹带发酵液给后处理操作带来困难。
3萃取过程（方式）设计分为哪几种类型？
混合-澄清式，多级错流接触萃取，多级逆流接触萃取，分馏萃取，微分萃取
4pH对弱电解质的萃取效率有何影响？
弱酸性电解质分配系数虽ph减小而增大，弱碱性电解质相反。
5发酵液乳化现象是如何产生的？
对分离纯化产生何影响?
影响乳浊液稳定的因素主要有哪些？
如何有效消除乳化现象？
是发酵液中存在的蛋白质和固体颗粒等物质，这些物质具有表面活剂性的作用，使有机溶剂和水的表面张力降低（乳化剂），产生两种乳浊液：
油包水型W/O乳浊液、水包油型O/W型乳浊液。
乳化后使有机相和水相分层困难，出现两种夹带：
②有机溶剂中夹带发酵液给后处理操作带来困难。
影响因素：
表面活性剂的种类，浓度影响表面张力，介质黏度：
较大时能增强保护膜的机械强度。
液滴带电：
相同电荷的颗粒互相排斥而维持乳浊液稳定。
如何消除：
P101在操作前，对发酵液进行过滤或絮凝沉淀处理，可除去大部分蛋白质及固体微粒，防止乳化现象的发生。
乳化产生后，采取适当的破乳手段——
物理方法：
过滤或离心沉降——乳化现象不严重，可采用的方法。
加热稀释吸附加电解质
化学方法：
对于O/W型乳浊液，加入亲油性表面活性剂，可使乳浊液从O/W型转变成W/O型，对于W/O型乳浊液，加入亲水性表面活性剂，如SDS（十二烷基磺酸钠）或PPB（溴代十五烷基砒碇）可达到破乳的目的。
6液－液萃取从机理上分析可分为哪两类？
物理萃取（Physicalextraction）：
根据相似相溶原理，溶质在两相之间达到分配平衡，萃取剂与溶质之间不发生化学反应的萃取操作。
化学萃取（Physicalextraction）：
利用脂溶性萃取剂与溶质之间发生化学反应生成脂溶性复合分子，使溶质优先向有机相分配的萃取操作。
7常见物理萃取体系由那些构成要素？
萃取剂，原溶剂（稀释剂），溶质（被萃取的物质）
8何谓萃取的分配系数？
其影响因素有哪些？
水相ph，温度，无机盐，有机溶剂或稀释剂种类。
9何谓超临界流体萃取？
其特点有哪些？
提高超临界流体萃取选择性的原则是什么？
它是利用超临界流体（supercriticalfluid，SCF），即其温度和压力略超过或靠近临界温度（Tc）和临界压力（pc），物理性质介于气体和液体之间的流体作为萃取剂，从固体或液体中萃取出某种高沸点或热敏性成分，以达到分离和提纯的目的萃取操作。
特点：
1）具有与液体同样的凝聚力、溶解力。
2）黏度小、扩散系数接近气体，有很高的萃取速度；
渗透性好，可简化预处理过程。
3）密度随T、P产生较大变化，对物质萃取具有良好的选择性，萃取后容易分离。
提高超临界流图选择性的基本原则：
1）操作温度与临界温度接近
2）超临界流体化学性质与目标产物接近
10何谓双水相萃取?
影响生物分子在两水相中分配的因素有哪些？
常见的双水相构成体系有哪些？
双水相萃取是利用生物物质在互不相溶的两水相间分配系数的差异进行分离的过程
成相聚合物分子量与浓度，无机盐的种类和浓度，PH值，温度
双聚合物系统聚乙二醇（PEG）/葡聚糖（Dx）体系。
聚合物与无机盐的混合溶液，例如，PEG/磷酸钾、PEG/磷酸铵、PEG/硫酸钠等常用于生物产物的双水相萃取。
11影响生物分子在两水相中分配的因素有哪些？
两水相萃取应用中最突出的问题是什么？
因素（成相聚合物分子量与浓度，无机盐的种类和浓度，PH值，温度）
突出问题：
表面张影响分配系数的因素好很多，给双水相系统的选择和设计带来很大困难，成本，回收。
12反胶团萃取特点有哪些？
反胶团溶解作用机理有哪几种理论模型？
P149，P151
13图示单级萃取、多极错流萃取、多极逆流萃取设备流程。
P101,102,105
14图示反胶束萃取多步间歇混合—澄清和连续萃取—反萃取设备流程。
P162,163
15图示或简述超临界流体萃取的操作方法。
P173
等温法：
改变压力、温度不变；
高压萃取低压分离。
等压法：
改变温度实现萃取。
吸附法：
利用选择性吸附剂吸附目标产物，有利于提高萃取选择性。
第五章吸附与离子交换
吸附（adsorption）：
溶质从液相或气相转移到固相的现象。
吸附剂（adsorbent）：
用于吸附操作的、在表面上能发生吸附作用的固体。
吸附等温线：
即在一定温度下，固体吸附量是浓度的函数。
大网格树脂吸附剂：
有机高分子聚合物的多孔网状结构。
具有选择性好、解吸容易、机械强度好、流体阻力较小、价格高的特点。
离子交换剂：
一种含有可解离基团的物质，常用作离子交换层析介质，其解离基团能与溶液中的其他离子起交换作用，可分为阳离子交换剂和阴离子交换剂。
离子交换树脂：
带有官能团、具有网状结构、不溶性的高分子化合物。
交换容量（exchangecapacity）：
指单位质量的干燥离子交换剂或单位体积的湿离子交换剂所能吸附的一价离子的毫摩尔数（mmol）。
交联度
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