《生化分离工程》思考题与答案
第一章绪论
1、何为生化分离技术？其主要研究那些容？
生化分离技术是指从动植物组织培养液和微生物发酵液中分离、纯化生物产品
的过程中所采用的方法和手段的总称。
2、生化分离的一般步骤包括哪些环节及技术？
一般说来，生化分离过程主要包括4个方面：①原料液的预处理和固液分离，
常用加热、调PH、凝聚和絮凝等方法：②初步纯化（提取），常用沉淀、吸附、萃取、超滤等单元操作；③高度纯化（精制），常选用色谱分离技术；④成品加工，有浓缩、结晶和干燥等技术。
3、生化分离工程有那些特点，及其重要性？
特点：1、目的产物在初始物料（发酵液）中的含量低；2、培养液是多组分的混合物，除少量产物外，还有大量的细胞及碎片、其他代物（几百上千种）、
培养基成分、无机盐等；3、生化产物的稳定性低，易变质、易失活、易变性，
对温度、pH值、重金属离子、有机溶剂、剪切力、表面力等非常敏感；4、对最终产品的质量要求高
重要性：生物技术产品一般存在于一个复杂的多相体系中。唯有经过分离和纯化等下游加工过程，才能制得符合使用要求的产品。因此产品的分离纯化是生物技术工业化的必需手段。在生物产品的开发研究中，分离过程的费用占全部研究费用的50 %以上；在产品的成本构成中，分离与纯化部分占总成本的40?
80 %;精细、药用产品的比例更高达70?90%。显然开发新的分离和纯化工艺是提高经济效益或减少投资的重要途径。
4、生物技术下游工程与上游工程之间是否有联系?
它们之间有联系。①生物工程作为一个整体，上游工程和下游工程要相互配合,
为了利于目的产物的分离与纯化，上游的工艺设计应尽量为下游的分离纯化创
造条件，例如，对于发酵工程产品，在加工过程中如果采用液体培养基，不用酵母膏、玉米浆等有色物质为原料，会使下游加工工程更方便、经济；②通常生物技术上游工程与下游工程相耦合。发酵-分离耦合过程的优点是可以解除终产物的反馈抑制效应，同时简化产物提取过程，缩短生产周期，收到一举数得的效果。
5、为何生物技术领域中往往出现“丰产不丰收”的现象？
第二章预处理、过滤和细胞破碎
1、发酵液预处理的目的是什么？主要有那几种方法？
目的：改变发酵液的物理性质，加快悬浮液中固形物沉降的速率；出去大部分可溶性杂质，并尽可能使产物转入便于以后处理的相中（多数是液相），以便于固液分离及后提取工序的顺利进行。
方法：①加热法。升高温度可有效降低液体粘度，从而提高过滤速率，常用于粘度随温度变化较大的流体。控制适当温度和受热时间，能使蛋白质凝聚形成较大颗粒，进一步改善发酵液的过滤特性。使用加热法时必须注意加热温度必须控制在不影响目的产物活性的围，对于发酵液，温度过高或时间过长可能造成细胞溶解，胞物质外溢，而增加发酵液的复杂性，影响其后的产物分离与纯化；
②调节悬浮液的pH值,pH直接影响发酵液中某些物质的电离度和电荷性质，
适当调节pH可以改善其过滤特性；③凝聚和絮凝；④使用惰性助滤剂。
2、何谓絮凝？何谓凝聚？何谓混凝？各自作用机理是什么？
3、常用的凝聚剂有哪些？常用的絮凝剂有哪些?
(1)凝聚作用：凝聚作用
是指在某些投加的化学物质的作用下，胶体粒子脱稳并使粒子聚集成1mm大小块状凝聚体的过程。这些物质称为凝聚剂。
凝聚剂的作用机理：凝聚剂的加入可使胶粒之间双电层电位下降或者使胶体表面
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水化层破坏或变薄，导致胶体颗粒间的排斥作用降低，吸引作用加强，破坏胶体系统的分散状态，导致颗粒凝聚。
工业上常用的凝聚剂大多为阳离子型，无机盐类:AICI3 ? 6H2O、
FeCI3 ? 6H2O、AI2(SO4)3 ? 18H2O、K2SO4 ? AI2(SO4)3 ? 24H2O、
FeSO4 ? 7H2O、ZnSO4，MgCO3等；金属氧化物类：氢氧化铝、氢氧化铁等；聚合无机盐类：聚合铝、聚合铁
凝聚值：电解质凝聚能力可用凝聚值来表示，使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度(mmoI/L )称为凝聚值。阳离子的价数越高，该值就越小，即凝聚能力越强。
(2)絮凝作用：絮凝作用是利用带有许多活性官能团的高分子线状化合物(絮凝剂)将胶体
粒子交联成网，形成10mm大小凝絮团的过程。
絮凝作用的机理：实现絮凝作用的关键在于长链状结构的多个活性官能团，包括带电荷的阴离子(如一COOH )或阳离子(如一NH2 )基团以及不带电荷的非离子型基团。它们通过静电引力、德华力或氢键作用，强烈地吸附在胶粒表面。即架桥作用。
工业上使用的絮凝剂分类：①有机高分子絮凝剂：聚丙烯酰胺，聚丙烯酸类衍生物阴离子型絮凝剂；②无机高分子聚合物，如聚合铝盐、聚合铁盐等；③生物絮凝剂, 主要有蛋白质、粘多糖、纤维素和核酸等
（3）混凝:在实际应用中，絮凝剂与无机电解质凝聚剂经常搭配在一起使用，加入无机电解质使悬浮粒子间的排斥能力降低而凝聚成微粒，然后加入絮凝剂，
两者相辅相成，二者结合的方法称为混凝。混凝可有效提高凝聚和絮凝效果。
4、何为惰性助滤剂？其使用方法有哪些？
惰性助滤剂是一种颗粒均匀、质地坚硬、不可压缩的粒状物质，用于扩大过滤表面的适用围，使非常稀薄和非常细小的悬浮液在过滤时发生的快速挤压和介质堵塞现象得到减轻，易于过滤。
原理：助滤剂能吸附胶体，且形成的滤饼具有网格型结构，不可压缩，滤孔不会被堵塞，从而提高过滤效率。
常用的助滤剂有硅藻土、纤维素、石棉粉、珍珠岩、白土、炭粒、淀粉等。最常用的是硅藻土
助滤剂的使用方法：①将助滤剂在支持介质（滤布）的表面上预涂薄层1?2mm;
②将助滤剂分散在待过滤的悬浮液中?
补充:生化产品固液分离方法：过滤、沉降和离心分离。过滤是以某种多孔性物s—
质作为介质，在外力的作用下，悬浮液中的流体通过介质孔道，而固体颗粒被截留下来，从而实现固液分离的过程；沉降是依靠外力的作用，利用分散物质（固相）与分散介质（液相）的密度差异，使之发生相对运动，而实现固液分离的过程;离心分离是利用装置所提供的惯性离心力的作用来实现固液分离的过程。
5、深层过滤和饼层过滤的异同点？
依据过滤介质所起主要作用不同可分为：饼层过滤或深层过滤。
深层过滤:过滤介质（如硅藻土、砂、颗粒活性炭等）起主要过滤作用，当悬浮液通
过过滤层时，固体颗粒被阻拦或吸附在滤层颗粒上，使滤液得以澄清，这种方法适合于固体含量少于0.001g/mL，颗粒直径在（5?100）的悬浮液的过滤分离，如河水、麦芽汁、酒类和饮料的过滤澄清；饼层过滤:沉积于过滤介质上的饼层起主要过滤作用，过滤介质为滤布，当悬浮液通过滤布时，固体颗粒被滤布所阻拦而逐渐形成滤饼，滤饼至一定厚度时即起过滤作用，此时滤布主要起支撑作用。这种方法常用于分离固体含量大于0.001g/mL的悬浮液。
6、影响过滤的因素及改善措施？
影响过滤性能的因素主要有:①混合物中悬浮微粒的性质和大小：②混合液的粘度③操作条件：固液分离操作中温度、pH、操作压力、滤饼厚度等；④助滤剂的使用;⑤固液分离设备和技术
改善过滤性能的方法：工艺上一般采用降低混合液粘度的方法、增大被分离颗粒的粒度或者在混合液中加入助滤剂的方法、提高离心机的转速或提高操作压力、增大真空度、降低滤饼层的厚度，或除去滤饼等方法以改善过滤性能。
7、真空过滤机与压力式过滤机的适用围？
真空转鼓过滤机特别适合于固体含量较大（＞10% ）的悬浮液的分离。由于受推动力（真空度）的限制，真空转鼓过滤机一般不适合于菌体较小和粘度较大的细菌发酵液的过滤，而且采用真空转鼓过滤机过滤所得固相的干度不如加压过滤。
应用：大规模生物分离的主要过滤设备，用于较难分离的低黏度发酵液
板框过滤机比较适合固体含量1%?10%的悬浮液的分离。板框过滤机过滤面积大，过滤推动力能大幅度调整，能耐受较高的压力差，固相含水分低，能适应不同过滤特性的发酵液的过滤。
应用：用于很难处理的、高黏度、高细颗粒含量的发酵液的固液分离8、机械法细胞破碎与非机械破碎相比有何特点?
9、细胞破碎主要有那几种方法？
10、何谓化学法破碎细胞？其原理是什么？包括那几种？
细胞破碎技术：（一）机械法①珠磨法:在磨腔中装入小玻璃球或小钢球，由电动机带动搅拌碟片高速搅拌微生物细胞悬浮物和小磨球而产生剪切力，将细胞破碎，释放出含物。一般有立式或卧式两种珠磨机；②高速匀浆法：利用高压使悬浮液通过针形阀，由于突然减压和高速冲击撞击环使细胞破碎。设备是高速匀浆器，由高压泵和均压阀组成；③超声破碎法：另一种液相剪切破碎法，常为实验室方法. 当通过超声探头向悬浮液输入声能，大量声能转化成弹性波形式的机械能，引起局部的剪切梯度，使细胞破碎。（二）非机械方法①酶法溶胞:利用酶分解细胞
壁上特殊的化学键使之破裂。②化学法：用某些化学试剂溶解细胞壁或抽提细胞中某些组分，改变细胞壁或膜的通透性，从而使含物有选择性地渗透出来。包括酸碱条件改变pH、有机溶剂法、表面活性剂法等。③物理法如渗透压冲击法、冻融法、干燥法等。11、何为包涵体？包涵体中分离产物一般包括哪几个步骤?
所谓包涵体是指蛋白质分子本身及与其周围的杂蛋白、核酸等形成不溶性的，无活性的聚集体，其部分是克隆表达的目标产物蛋白。
从包涵体中分离产物的处理步骤为：收集菌体细胞T细胞破碎一离心分离一包涵
体的洗涤—目标蛋白的变性溶解—目标蛋白的复性。
第三章萃取单元
萃取是利用溶质在互不相溶的两相之间分配系数的不同而使溶质得到纯化或浓
缩的方法。液液萃取是以液体为萃取剂, 含有目标产物的原料也为液体液固萃取或浸取是以液体为萃取剂，含有目标产物的原料也为固体。
反萃取:调节水相条件，将目标产物从有机相转入水相的萃取操作。
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萃取方法分物理萃取（溶质根据相似相溶的原理在两相间达到分配平衡，萃取剂与溶质之间不发生化学反应。例如，用乙酸丁酯萃取青霉素）;化学萃取（用脂溶性
萃取剂与溶质之间的化学反应生成脂溶性复合分子实现溶质向有机相的分配。萃取剂与溶质之间的化学反应，包括离子交换和络合反应等）?
1、何谓溶剂萃取？溶剂萃取是利用物质在互不相溶的水相与有机相间的分配系数不同而达到分离的过程，也称溶媒萃取。特点是浓缩倍数和纯化倍数较高，可连续、多级操作，溶剂耗量大，对设备、安全要求高；应用在生物小分子物质如抗生素、有机酸、氨基酸等。操作的一般过程：萃取-洗涤-反萃取
2 ‘分配定律及其适用条件是什么？分配定律:在温恒压条件下，溶质A在互不相溶的两相中达到分配平衡时，如果两相中以相同的分子形态存在，则在两相中的平衡浓度之比为常数，称为分配常数，这就是溶质的分配定律.K=y/x,y是A在萃取相E中的浓度
mol/L,x是A在萃余相中的浓度mol/L 适应条件：一定温度和压力下，相同分子形态(相对分子质量相同)存在于两相中的溶质浓度之比。不合适弱电解质的萃取；也不适合于化学萃取，因溶质在各相中并非以同一种分子形态存在
2、在溶剂萃取过程中pH值是如何影响酸碱弱电解质的提取和离子交换(化学)