生化分离题库.docx

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生化分离题库

绪论

1.为什么说生物分离过程往往成本高？

答：

①在粗产物中，被提取物浓度通常很低；②需处理的物料往往是成分比较复杂的多相体系；③对于生物制品往往要求纯度高、无色、结晶以及能长期保存等因此，使得生物分离过程往往成本很高。

2.以发酵液为例，简述生化分离的一般工艺过程？

3.选择下游加工工艺的原则：

①是胞内产物还是胞外产物；②原料中产物和主要杂质的浓度；③产物和主要杂质的物理化学性质及其性能差异；④产品用途及质量标准；⑤产品的市场价格，涉及能源、辅助材料的消耗水平；⑥污染物的排放量及处理方式

4.产品提取的工艺步骤为何越少越好？

为何要重复提取？

因为下游分离技术步骤越多，提取收率越低，比如整个下游过程包括6步操作，每步回收率高达95%，经过6步操作之后，总收率也只有73.5%，因此尽量减少分离提取的操作步骤，有利于提高产物总收率。

重复提取的目的是为了提高产物的总收率。

如一步等电结晶提取谷氨酸的收率为78%，结晶母液如果进行重复提取，二次重复提取收率也为75%，则总收率为78%+（1-78%）×75%=94.5%。

第二章过滤

1.什么是助滤剂？

在固液分离操作过程中，如何选择助滤剂？

助滤剂是一种具有特殊性能的细粉或纤维；它能使某些难以过滤的物料变得容易过滤。

助滤剂的选择要点：

①粒度选择：

根据料液中的颗粒和率出液的澄清度来确定。

当粒度一定时，过滤速率与澄清度成反比，过滤速率小，澄清度好，故颗粒较小时，应采用细的助滤剂。

②根据过滤介质和过滤情况选择助滤剂的品种：

如使用粗目滤网时易泄露，可加入石棉粉或纤维素，可有效防止泄露；③用量选择：

间歇操作时助滤剂预涂层的最小厚度是2mm；在连续操作时根据所需过滤速率来确定。

2.为什么要进行发酵液的预处理？

Ø改变发酵液的物理性质，提高从悬浮液中分离固形物的速率，提高固液分离的效率；

Ø尽可能使产物转入便于后处理的某一相中

Ø去除发酵液中部分杂质，有利于后续各步操作

3.发酵液的预处理技术方法

物理性质的改善：

加热（降低黏度，去除杂蛋白，调节悬浮液的PH值）；凝聚与絮凝（增大粒度）；加助滤剂（改善过滤）。

杂质的去除：

去杂蛋白（沉淀、变性、吸附）；去多糖（酶解）；去离子（沉淀）。

4.改善过滤的方法

（1）降低粘度；

（2）增大悬浮颗粒体积；（3）加助滤剂；（4）操作条件的改变

5.书本P21第1题

第三章离心与沉降

1.书P23例3-1

2.书P30例3-3

3.书P30例3-4

4.影响离心机处理能力的因素

①处理样品的特性，如密度、粒径等；②溶液的特性，如密度、粘度等；③离心机机械结构，如r1和r2；④操作条件，ω

第4章细胞破碎

01.常见的细胞破碎技术有哪些？

化学法：

渗透冲击、酶消化法、增溶法、脂溶法、碱处理

机械法：

匀浆法（片型）、研磨法、超声波法、匀浆法（孔型）、珠磨破碎

02.酶解法细胞破碎的优缺点：

优点：

发生酶解的条件温和；能选择性的释放产物；胞内核酸等泄出量少，细胞外形较完整。

缺点：

溶酶价格高；溶酶法通用性差（不同酶种需选择不同的酶）；产物抑制的存在。

03.不宜使用高压匀浆法的范围

Ø易造成堵塞的团状或丝状真菌，

Ø较小的革兰氏阳性菌，

Ø含有包含体的基因工程菌（因包含体坚硬，易损伤匀浆阀）

04.机械法和非机械法破碎的比较：

比较项目机械法非机械法

破碎机理切碎细胞溶解局部壁，膜

碎片大小碎片细小细胞碎片较大

内含物释放全部部分

粘度高（核酸多）低（核酸少）

时间，效率时间短，效率高时间长，效率低

设备需专用设备不需专用设备

通用性强差（专一性强）

经济成本低成本高

应用范围工业规模，实验室实验室，部分工业

05.在选择细胞破碎方法时需要考虑哪些因素？

细胞处理量；细胞壁强度和结构（高聚物交联程度、种类和壁厚度）；目标产物对破碎条件的敏感性；破碎程度；目标产物的选择性释。

第五章膜分离

1.影响膜通量的主要因素

1）浓差极化降低膜通量。

2）膜通量随温度及液体流速的增加而增加。

3）膜通量表观表示为渗透压依赖型、静水压依赖型及压力无关（浓差极化）型:

在低压和低溶质浓度时，渗透压起主要作用，称为渗透压依赖型；当跨膜压力增加时，水压为主要驱动力，称为静水压依赖型；压力达到最大时，膜上存在黏性体和凝胶层，使溶质不能透膜，此时膜通量由传质控制，称为浓差极化型。

2.污染膜的常用清洗方法

①采用增大流速、逆洗、脉冲流动，超声波清洗等机械方法。

②添加酸、碱、酶（蛋白酶）、螯合剂或表面活性剂等起溶解作用的物质。

③添加过氧化氢、高锰酸钾和次氯酸盐等起氧化作用的物质。

④添加磷酸盐和聚磷酸盐等起渗透作用的物质。

⑤改变离子强度、pH值和ξ电位等起切断离子结合作用的方法。

3.超滤通常以孔径大小还是以截留相对分子质量为指标？

什么是截留相对分子质量？

为什么选用的超滤膜的额定截留值应稍低于所分离或浓缩的溶质相对分子质量

以截留相对分子质量为指标。

截留相对分子质量:

指截流率达90%以上的最小被截留物质的分子量。

（以球形分子测）。

4.超滤技术的优点

1.滤过程是在常温下进行，条件温和无成分破坏，因而特别适宜对热敏感的物质，如药物、酶、果汁等的分离、分级、浓缩与富集。

2.滤过程不发生相变化，无需加热，能耗低，无需添加化学试剂，无污染，是一种节能环保的分离技术。

3.超滤技术分离效率高，对稀溶液中的微量成分的回收、低浓度溶液的浓缩均非常有效。

4.超滤过程仅采用压力作为膜分离的动力，因此分离装置简单、流程短、操作简便、易于控制和维护。

5.什么是“浓差极化现象”？

如何减轻浓差极化现象的发生？

浓度极化:

在膜分离操作中，所有溶质均被透过液传送到膜表面上，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。

这种在膜表面附近浓度高 于主体浓度的现象称为浓度极化或浓差极化。

它是一个可逆过程，只有在膜过程运行 中产生存在，停止运行，浓差极化逐渐消失。

克服极化的主要措施有：

振动、搅拌、 错流、切流等技术。

6.膜分离过程在生物工程中的应用

膜分离过程的实质是物质透过或被截留于膜的过程，近似于筛分过程，依据滤膜孔径大小而达到物质分离的目的。

类型

膜特性

操作压强/MPa

应用对象

实例

微滤

对称微孔膜

0.05-10μm

0.1-0.5

消毒、澄清收集细胞

培养悬浮液除菌，产品

消毒，细胞收集

纳滤

不对称微孔膜

0.001~0.02μm

0.2-1.0

大分子物质分离

酶及蛋白质的分离、浓

缩、纯化，血浆分离、

脱盐、去热源，膜反应

器

超滤

不对称微孔膜

孔径分布在平均2nm

0.5-1.5

小分子物质分离

糖，二价盐、游离酸的

分离

反渗透

带皮层的不对称膜

孔径范围在0.0001

~0.001μm

1-10

小分子物质浓缩

单加盐、非游离酸的分

离

电渗析

离子交换

电位差（推动力）

低分子量溶质浓缩

醇、氨基酸及糖等的浓

缩

第六章沉析

1.蛋白质（酶）等生物大分子物质呈稳定的分散状态存在于水溶液中的原因是？

静电斥力、吸引力、离子强度。

2.何谓盐析作用？

并简述盐析的原理。

盐析：

在高盐浓度时，蛋白质的溶解度随盐离子强度的增加而减小的现象，称为盐析现象。

产生盐析作用的原理是：

①盐离子与蛋白质表面具相反电性的离子基团结合，形成离子对，因此盐离子部分中和了蛋白质的电性，使蛋白质分子之间电排斥作用减弱而沉降；②由于中性盐的亲水性比蛋白质大，盐离子在水中发生水合而使蛋白质脱去了水合膜，暴露出疏水区域，由于疏水区域的相互作用，使其沉淀。

3.什么是Cohn（科恩）经验式？

其中β和Ks的物理意义是什么？

如何应用β和Ks盐析？

；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。

4.影响盐析的因素有哪些？

①溶质种类的影响：

Ks和β值

②溶质浓度的影响：

–蛋白质浓度大，盐的用量小，但共沉作用明显，分辨率低；

–蛋白质浓度小，盐的用量大，分辨率高；

③pH值：

影响蛋白质表面净电荷的数量

–通常调整体系pH值，使其在pI附近；

④盐析温度：

–一般在高盐浓度下，温度升高，其溶解度反而下降

–生物大分子应考虑其高温对活性的影响

6.与盐析法相比，有机溶剂沉析法具有哪些优缺点？

分辨率高；溶剂容易分离，并可回收使用；产品洁净；容易使蛋白质等生物大分子失活；–应注意在低温下操作；成本高。

7.等电点沉淀的原理？

操作应注意哪些问题？

原理：

蛋白质是两性电解质，当溶液pH值处于等电点时，分子表面净电荷为0，双电层和水化膜结构被破坏，由于分子间引力，形成蛋白质聚集体，进而产生沉淀。

操作时的注意事项：

（1）由于无机离子的影响，蛋白质的等电点通常会发生“漂移”，阳-高，阴-低

（2）溶质的稳定性（3）盐析效应。

第七章萃取

1.什么是萃取的分配定律？

用公式如何表示？

其应用的前提条件是什么？

分配定律：

一定T、P下，溶质在两个互不相溶的溶剂中分配，达到平衡后，溶质在两相的浓度之比为常数。

在常温常压下Ｋ为常数；应用前提条件

（1）稀溶液

（2）溶质对溶剂互溶没有影响

（3）必须是同一分子类型，不发生缔合或离解

2.分配系数k越大，代表溶质在萃取相中的浓度越大，是否在生化分离中k值越大越好？

并解释原因

要提高溶质的分配系数，必须提高标准状态下，其在重相与轻相的化学势之差

可以采取的方法：

–改变溶剂

–改变溶质的特性

»生成有用离子对－－可溶于萃取剂的离子对将强酸弱碱盐或强碱弱酸盐生成弱酸弱碱盐

»通过改变原溶剂中的pH值。

3.阐述有机溶剂萃取的影响因素有哪些？

其是如何影响有机溶剂萃取的？

1．萃取操作条件：

pH、温度、盐析、溶剂比2．有机溶剂的选择3．乳化与去乳化。

pH对表观分配系数的影响。

pH低有利于酸性物质分配在有机相，碱性物质分配在水相。

对弱酸随pH↓K↑,当pH<

pH影响萃取的选择性：

控制pH，去除杂质。

pH影响溶质的稳定性。

T↑，分子扩散速度↑，故萃取速度↑。

T影响分配系数。

T影响两溶剂的互溶度影响。

加入一定量盐析剂可使溶质在水中的溶解度降低，从而使更多的溶质萃取到溶剂中。

4.乳化现象对生化分离会产生哪些不利的影响？

应如何破乳化？

乳化带来的问题：

有机相和水相分相困难，出现夹带，收率低，纯度低。

产生乳化会出现两种夹带现象：

①萃取相中夹带发酵液微滴，造成产品精制困难；②发酵液

废液中夹带有机溶剂微滴，造成发酵单位的损失。

破乳化：

①过滤和离心分离（适用于乳化现象较轻时）

②稀释法。

加入连续相降低乳化机浓度

③加热。

使液体粘度降低破坏乳化

④加入电解质。

由离子型乳化机形成的乳浊液会因分散相带有电荷而稳定存在，因而可加入电解质破坏带电性

⑤这些方法对破乳化现象有一定效果，但是需消耗能量和物质，因此在萃取分离之前进行预处理，去除发酵液中含有的表面活性物质（如蛋白质），则会消除乳化条件，这种处理效果最好。

5.书P49和50，例5-1和例5-2；

6.理解多级逆流萃取和多级错流萃取，书P52，例5-3；5-4

7.简述青霉素萃取青霉素工艺原理？

青霉素游离酸易溶于有机溶剂，而青霉素金属盐易溶于水。

利用这一性质，在酸性条件下青霉素转入有机溶媒中，调节pH至7.0左右，青霉素金属盐再转入水相，达到浓缩和提纯的目的。

从乙酸丁酯相反萃到水相时，pH选择6.8-7.2。

为了避免pH波动，根据所得金属盐的不同，采用碳酸盐或碳酸氢金属盐水溶液进行反萃。

8.双水相萃取、固液浸取、超临界流体萃取、反胶团萃取均为生化分离中常用的萃取方法，请选择其中一种萃取方法阐述其原理、影响因素及应用举例。

依据悬浮粒子与其周围物质具有的复杂的相互作用：

氢键；电荷力；疏水作用；范德华力；构象效应。

双水相系统中目标物分配系数的影响因素：

成相高聚物浓度－－界面张力；成相高聚物的相对分子量–一般来说，蛋白等高分子量物质易集中于低分子量相；电化学分配–双水相萃取时，蛋白质的分配系数受离子强度的影响很小；疏水反应；生物亲和分配；温度及其它因素。

双水相萃取技术已广泛应用于生物化学、细胞生物学、生物化工和食品化工等领域，并取得了许多成功的范例，主要是分离蛋白质，酶，病毒，脊髓病毒和线病毒的纯化，核酸，DNA的分离，干扰素，细胞组织，抗生素，多糖，色素，抗体等。

9.请用反胶团萃取和反萃取的原理分离细胞色素C（Mr12384，pI10.6）、溶菌酶（Mr14300，pI11.1）、核糖核酸酶a（Mr13683，pI7.8）这三种蛋白质混合物，并说明理由。

第八章吸附与离子交换

1.与传统活性炭吸附相比，大孔吸附树脂有哪些优缺点？

优点（相比传统活性炭）

（1）脱色除臭能力相当

（2）选择性好（3）理化性质稳定、机械强度好（4）品种多，可根据需要选择（5）吸附速率快、易解吸、易再生（6）不污染环境

缺点：

价格昂贵，易受流速和溶质浓度影响

2.简述离子交换树脂的结构、组成。

按活性基团不同其可分为哪几大类？

并各列举一个活性基团。

离子交换树脂的结构

具有三维空间立体结构的网络骨架（载体）；联接在骨架上的活性基团（功能基团）；活性基团所带的相反电荷的活性离子（可交换离子、平衡离子）。

按活性基团分类，可分为阳离子交换树脂（含酸性基团）和阴离子交换树脂（含碱性基团）。

强酸性阳离子交换树脂：

活性基团是-SO3H（磺酸基）和-CH2SO3H（次甲基磺酸基）；弱酸性阳离子交换树脂：

活性基团有-COOH（羧酸基）-OCH2COOH（氧酸基）,C6H5OH（酚羟基）等弱酸性基团；强碱性阴离子交换树脂：

活性基团为季铵基团，如三甲胺基或二甲基-ß-羟基乙基胺基；弱碱性阴离子交换树脂：

活性基团为伯胺、仲胺、叔胺、吡啶，碱性较弱；

3.从离子交换技术角度出发，自己设计一个方案用离子交换吸附法从链霉素发酵液过滤液中分离纯化链霉素。

4.简述影响离子交换速度的因素。

颗粒大小：

愈小越快；交联度：

交联度小，交换速度快；温度：

越高越快；离子化合价：

化合价与高，交换越快；离子大小：

越小越快；搅拌速度：

在一定程度上，越大越快；溶液浓度：

当交换速度为外扩散控制时，浓度越大，交换速度越快。

5.对于生化分离过程，衡量离子交换吸附分离效果的重要指标是什么？

其影响因素是什么？

水合离子半径：

半径越小，亲和力越大；离子化合价：

高价离子易于被吸附；

溶液pH：

影响交换基团和交换离子的解离程度，影响交换容量和选择性；

离子强度：

越低越好；有机溶剂：

不利于吸附；交联度、膨胀度、分子筛：

交联度大，膨胀度小，筛分能力增大；交联度小，膨胀度大，吸附量减少；树脂与离子间的辅助力：

除静电力以外，还有氢键和范德华力等辅助力；

6.欲使离子交换树脂离子层分层明显可以从哪几个方面入手？

①对于等价离子交换，应选用平衡常数大于1的系统；当被吸附离子与树脂间的化学亲和力大于原先在树脂上的离子与树脂间的化学亲和时，就符合这种条件；②对于不等离子交换，应选择适应的被吸附离子的浓度；③对于弱电解质可设法改变离子的电离度。

7.什么是树脂的再生？

再生过程包括哪几个方面？

树脂再生：

是指让使用过的离子交换树脂重新获得使用性能的处理过程。

酸性阳离子树脂酸-碱-酸-缓冲溶液淋洗

碱性阴离子树脂碱-酸-碱-缓冲溶液淋洗

再生过程：

（1）去杂，大量水冲洗，除去物理吸附的杂质。

（2）用酸、碱处理除去与功能基团结合的杂质。

（3）转型：

对于弱酸性、弱碱性树脂须用碱或酸转型，对于强酸性或强碱性树脂除了使用酸碱外，还可以用相应的盐溶液进行转型。

第九章色谱技术

1.凝胶色谱的原理是什么？

试举例说明其应用。

分子筛作用；

脱盐；分离纯化生物产品，如：

水解产物的预分级分离；去除热原物质，如：

除去高分子杂质青霉素噻唑蛋白；分子量的测定，如：

凝胶过滤介质的分级范围内蛋白质的分配系数（或洗脱体积）与相对分子质量的对数呈线性关系。

2.凝胶色谱的特点有哪些？

操作简便；分离效果好，重复性高，回收率高；分离条件温和；应用广泛适用于生物大分子的初级分离，脱盐分辨率低

3.以分离天冬氨酸（pI2.77）和赖氨酸（pI9.74）这二种混合氨基酸为例，试论述离子交换柱层析的原理、一般过程及注意事项。

离子交换层析是用离子交换剂（具有离子交换性能的物质）作固定相，利用它与流动相中的离子能进行可逆的交换性质来分离离子型化合物的层析方法。

即溶液中的离子同离子交换剂上功能基团交换反应的过程。

一般过程：

装柱、平衡、上样、洗脱、收集、测定。

4.根据溶质与固定相作用原理的不同，试论述色谱分离有哪几种技术？

各适用于何种情况下的分离？

根据溶质分子与固定相相互作用的机理不同可分为吸附层析法、分配层析法和凝胶过滤法三大类。

其中吸附层析法又包含离子交换色层分离法、疏水作用色层分离法、金属螯合色层分离法和共价作用色层分离法四种。

第十章结晶

1.为何晶体产品有较高的纯度？

晶体是同类分子或离子的规则排列，具有高度的选择性。

晶体中每一宏观质点的物理性质和化学组成以及每一宏观质点的内部晶格都相同，这种特性称为晶体的均匀性。

晶体的这个特性保证了工业生产中晶体产品的高纯度。

2.总结溶液的过饱和度过大对结晶过程有哪些不利影响？

溶液过饱和度高时，容易造成成核速率过快，产生大量微小晶体，结晶难以长大；过饱和度高，也使晶体成长速率过快，容易发生晶形变化，晶体易变成针状或树枝状。

另外也容易在晶体表面产生液泡，影响结晶质量；溶液过饱和度高时，结晶器璧容易产生晶垢，给结晶操作带来困难；还会引起溶液黏度增加，时结晶速度受阻。

3.影响晶体生长速度的因素有哪些？

杂质：

改变晶体和溶液之间界面的滞留层特性，影响溶质长入晶体、改变晶体外形、因杂质吸附导致的晶体生长缓慢；

搅拌：

加速晶体生长、加速晶核的生成；

温度：

促进表面化学反应速度的提高，增加结晶速度；

溶液浓度：

结晶操作的关键是要将溶液浓度控制在亚稳定区（养晶区），过饱和越大，

产生的伪晶越稳定，结晶效果变差。

晶浆比：

晶浆比越大，黏度越大，流动性越差，分离越困难。

结晶系统的晶垢：

晶垢产生会严重影响结晶过程的效率，应及时去除。

4.简述常用的工业起晶方法有哪些？

自然起晶法：

溶剂蒸发进入不稳定区形成晶核、当产生一定量的晶种后，加入稀溶液使溶液浓度降至亚稳定区，新的晶种不再产生，溶质在晶种表面生长。

刺激起晶法：

将溶液蒸发至亚稳定区后，冷却，进入不稳定区，形成一定量的晶核，此时溶液的浓度会有所降低，进入并稳定在亚稳定的养晶区使晶体生长。

晶种起晶法：

将溶液蒸发后冷却至亚稳定区的较低浓度，加入一定量和一定大小的晶种，使溶质在晶种表面生长。

5.工业生产上制备过饱和溶液的方法有哪些？

热饱和溶液冷却、部分溶剂蒸发法、真空蒸发冷却法、化学反应结晶。

6.书P226页，例10-1

第十一章干燥

1.干燥物料是否速度越快越好？

为什么？

干燥物料的速度不是越快越好。

因为在干燥过程中，首先使物料表面水分蒸发，然后内部水分扩散至表面继续蒸发。

干燥速度过快，可能会导致内部水分未扩散到表面而保留下来，不能达到完全干燥。

2.书P243,例11-1；

3.干燥速率v的定义和表达式是什么？

并根据干燥速率的定义画出干燥速率曲线并解释曲线的含义。

定义：

单位时间内，单位干燥面积蒸发的水分质量。

υ—干燥速率，Kg/h.m2

G—绝干物料量，Kg

A—干燥面积，m2

dx/dτ—干燥曲线斜率

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