生物分離工程答案

【專家解說】：第一章 緒論 P8思考題:1、5、6 1、 生物分離工程:是指從發(fā)酵液、酶反應液或動植物細胞培養(yǎng)液中分離、純化生物產(chǎn)品的過程。P1 2、 生物分離純化過程的一般流程可分為幾大部分?分別包括哪些單元操作?P4 答:一、發(fā)酵液的預處理(固液分離):單元操作:過濾和離心; 二、產(chǎn)物的提取(初純化):單元操作:沉淀、吸附、萃取、超濾; 三、產(chǎn)物的精制(高度純化):單元操作:層析(包括柱層析和薄層層析)、離子交換、親和色譜、吸附色譜、電色譜; 四、成品的加工處理:單元操作:濃縮、結晶和干燥; 3、 生物分離工程的特點有哪些?P6 答:①原料液體系非常復雜，雜質含量高，難于分離;②原料液一般為產(chǎn)物濃度很低的水溶液;③原料液抗環(huán)境變化能力差，容易變性失活;④分離過程必須保持目標物的生物活性;⑤分離粗產(chǎn)物純度低，最終產(chǎn)品純度要求極高，而對與人類生命息息相關的生物產(chǎn)物的質量要求必須達到國家相關標準;⑥常無固定操作方法可循;⑦分離操作步驟多，不易獲得高收率;⑧對于基因工程產(chǎn)品，一般要求在密封環(huán)境下操作;⑨分離純化過程代價昂貴，產(chǎn)品回收率低。 第二章 發(fā)酵液的預處理 1、 發(fā)酵液預處理的方法:P11 按預處理的目的分為:提高過濾速度的方法、改變發(fā)酵液性質的方法和雜質去除的方法 具體的方法有:凝集和絮凝、加熱法、調節(jié)PH法、加水稀釋法、加入助濾劑法、加吸附劑法或加鹽法、高價態(tài)無機離子去除的方法、可溶性雜蛋白質去除的方法、色素及其他雜質去除的方法。 2、 凝集:指在投加的化學物質(如水解的凝集劑、鋁、鐵的鹽類或石灰等)作用下，發(fā)酵液中的膠體脫穩(wěn)并使粒子相互凝集成為1mm大小塊狀絮凝體的過程。P11 3、 絮凝:指某些高分子絮凝劑能在懸浮粒子之間產(chǎn)生橋梁作用，使膠粒形成粗大絮凝團的過程。P12 4、 具體方法中常采用的物質試劑:P14~15 調節(jié)PH法:一般采用草酸等有機酸或某些無機的酸堿; 高價態(tài)無機離子去除的方法: ①、 Ca2+的去除:常采用的酸化劑為草酸; ②、 Mg2+的去除:采用加入磷酸鹽，是Mg+生成磷酸鎂沉淀的方法; ③、 Fe3+的去除:采用加入黃血鹽，生成普魯士藍沉淀的方法。 5、 影響發(fā)酵液過濾的因素:P17 一、 菌種:決定發(fā)酵液中各種懸浮粒子的大小和形狀; 二、 發(fā)酵液黏度:通常發(fā)酵液黏度越大，分離速度越慢 影響其因素有:①發(fā)酵條件、②放罐時間、③發(fā)酵染菌、④發(fā)酵液的PH、溫度 6、 錯流過濾:料液流動方向與過濾介質平行的過濾，常用的過濾介質為微孔濾膜或超濾膜，主要適用于懸浮粒子細小的發(fā)酵液，如細菌發(fā)酵液的過濾。P18 7、 發(fā)酵液的過濾設備: 按過濾的推動力分為:重力式過濾器、壓力式過濾器、真空式過濾器和離心式過濾器四種。P23 第三章 細胞分離技術 1、 細胞破碎的方法:P34 根據(jù)破碎機理不同，可分為: ⑴機械破碎法:珠磨法、高壓勻漿法、超聲波破碎法和其他類型的機械破碎法; ⑵物理破碎法:凍融法、低溫玻璃化法; ⑶化學滲透法:酸堿法、鹽法、表面活性劑處理、有機溶劑法、變性劑法、溫和化學滲透劑處理; ⑷酶溶法:降解細胞壁。 2、 變性劑的作用:變性劑(如鹽酸胍和脲)的加入，可削弱氫鍵的作用，使胞內(nèi)產(chǎn)物相互之間的作用力減弱，從而易于釋放。P38 3、 包含體:是聚集蛋白質形成的濃密顆粒(密度達1.3mg/ml)，可在光學顯微鏡下觀察到，直徑可達μm級，呈無定形或類晶體。 4、 蛋白質復性:又稱再折疊，是指變性蛋白質在變性劑去除或濃度降低后，就會自發(fā)地從變性的熱不穩(wěn)定狀態(tài)向熱穩(wěn)定狀態(tài)轉變，形成具有生物學功能的天然結構。P42 復性方法:①稀釋與透析復性法、②色譜復性技術、反膠束萃取復性法。 第四章 沉淀技術 1、 沉淀:又稱為沉析，是指在溶液中加入沉淀劑使溶質溶解度降低，生成無定形固體從溶液中析出的過程。P48 2、 蛋白質沉淀方法:P51 鹽析法、有機溶劑沉淀法、等電點沉淀法、非離子多聚物沉淀法、生成鹽復合物法、選擇性的變性沉淀、親和沉淀及SIS聚合物與親和沉淀等。 3、 鹽析:蛋白質在高離子強度溶液中溶解度降低，以致從溶液里沉淀出來的現(xiàn)象。P51 4、 鹽析原理:在蛋白質溶液中加入大量中性鹽后，破壞蛋白質分子上的親水基團與水分子作用形成的水化層，奪走水分子，破壞水膜，暴露出疏水區(qū)域，同時中和電荷，使顆粒間的相互斥力喪失，布朗運動加劇，導致蛋白質分子相互結合成聚集物而沉淀析出。P51 5、 影響鹽析的因素:P52 ① 蛋白質種類、②離子類型、③溫度和PH、④鹽的加入方式、⑤蛋白質的原始濃度。 6、脫鹽處理的方法:透析法、超濾及凝膠過濾法。P55 7、有機溶劑沉淀法的原理:P56 一傳統(tǒng)觀點:在蛋白質溶液中加入丙酮或乙醇等有機溶劑，水的活度降低，水對蛋白質分子表面的水化程度降低，即破壞了蛋白質表面的水化層;另外，溶液的介電常數(shù)下降，蛋白質分子間的靜電引力增大，從而聚集和沉淀。 二新觀點:有機溶劑可能破壞蛋白質的某種鍵，使其空間結構發(fā)生某種程度的變化，致使一些原來包在內(nèi)部的疏水基團暴露于表面并與有機溶劑的疏水基團結合形成疏水層，從而使蛋白質沉淀，而當?shù)鞍踪|的空間結構發(fā)生變形超過一定程度時，便會導致完全的變性。 第五章 萃取技術 1、萃取:是利用溶質在互不相溶的溶劑里的溶解度不同，用一種溶劑把溶質從它與另一種溶劑所組成的溶液(原料)中提取出來的方法。P64 2、分配定律:在恒溫恒壓條件下，溶質在互不相溶的兩相中分配時，達到分配平衡后，如果其在兩相中的相對分子質量相等，則其在兩相中的平衡濃度之比為一常數(shù)，此常數(shù)稱為分配常數(shù)A，A=c1/c2 P64 3、分配常數(shù)在使用時，必須注意滿足3個條件:P65 ①必須是稀溶液;②溶質對溶劑的互溶度沒有影響;③溶質在兩相中必須是同一分類型，不發(fā)生締合伙離解。 4、工業(yè)上液液萃取的基本過程包括幾個步驟:P67 ①混合:料液與萃取劑充分混合并形成乳濁液的過程，設備:混合器; ②分離:將乳濁液分開形成萃取相和萃余相的過程，設備:分離器; ③溶劑回收:從萃取相或萃余相中回收萃取劑的過程，設備:回收器。 5、按操作流程劃分，液液萃取可分為:P67 ①單級萃取，②多級萃取:多級錯流萃取和多級逆流萃取。 6、影響有機溶劑萃取的因素:P73 一水相條件的影響:影響萃取操作的因素:主要有PH、溫度、無機鹽等 ①PH ②溫度 ③鹽析 ④帶溶劑 二有機溶劑的選擇 三乳化現(xiàn)象:乳化是一種液體分散在另一種不相混合的液體的現(xiàn)象。P75 7、去乳化劑有兩種:①陽離子表面活性劑溴代十五烷基吡啶，適用于破壞W/O型乳濁液; ②陰離子表面活性劑十二烷基磺酸鈉，易溶于水，微溶于有機溶劑，適用于破壞W/O型乳濁液。P75 8、 聚合物的不相溶性:兩種聚合物分子間如存在相互排斥作用，即某種分子的周圍將聚集同種分子而非異種分子，達到平衡時，就有可能分成兩相，而兩種聚合物分別進入一相中的現(xiàn)象。P80 9、在生化工程中得到廣泛應用的雙水相體系主要是:聚乙二醇-葡聚糖體系和聚乙二醇-無機鹽系統(tǒng)。P80 10、液膜分離系統(tǒng)的膜相組成:通常有膜溶劑、表面活性劑、流動載體、膜增強劑構成。P87 11、液膜分類:根據(jù)其結構可分為3種 P87 ①乳狀液膜，②支撐液膜，③流動液膜 12、液膜萃取機理:根據(jù)待分離溶質種類的不同，可分為以下幾種類型。P89 一單純遷移: 二促進遷移: 三載體輸送: 13、流動載體的選擇原則:①溶解性，②絡合性，③穩(wěn)定性。 P92 14、溶脹:是指外相水透過膜進入了液膜內(nèi)相，從而使液膜體積增大的現(xiàn)象。P94 15、反膠團:若將表面活性劑溶于非極性的有機溶劑中，并使其濃度超過臨界膠束濃度，便會在有機溶劑內(nèi)形成聚集體，這種聚集體稱為反膠團。P99 16、反膠團的優(yōu)點:P99 ⑴極性“水核”具有較強的溶解能力; ⑵生物大分子由于具有較強的極性，可溶解于極性水核中，防止與外界有機溶劑接觸，減少變性作用; ⑶由于“水核”的尺度效應，可以穩(wěn)定蛋白質的立體結構，增加其結構的剛性，提高其反應性能。 17、反膠團萃取蛋白質的推動力:萃取過程是靜電力、疏水力、空間力、親和力或幾種力協(xié)同作用的結果，其中蛋白質與表面活性劑性頭間的靜電相互作用是主要推動力。P100 18、液固萃取的過程:包括潤濕、溶解、擴散、和置換，其中置換中浸取的關鍵在于保持最大的濃度梯度。P103 19、超臨界流體特點:P107 ⑴在臨界點的附近，密度線聚集于臨界點周圍，壓力或溫度的小范圍變化，就會引起流體密度的大幅度變化; ⑵超臨界流體的密度和溶劑化能力接近液體，黏度和擴散系數(shù)接近氣體，在臨界點附近流體的物理化學性質隨溫度和壓力的變化極其敏感，在不改變化學組成的條件下，即可通過壓力調節(jié)流體的性質; ⑶在臨界點附近，會出現(xiàn)流體的密度、黏度、溶解度、熱容量、介電常數(shù)等所有流體的物性發(fā)生急劇變化的現(xiàn)象。 20、超臨界流體萃取的原理:P107 它是利用超臨界流體(SCF)，即溫度和壓力略超過或靠近臨界溫度(Tc)和臨界壓力(Pc)、介于氣體和液體之間的流體，作為萃取劑，從固體或液體中萃取出某種高沸點或熱敏性成分，以達到分離和純化的目的。 21、超臨界流體萃取的典型流程有:等溫法、等壓法和吸附法。P113 第六章 膜分離過程 1、膜分離過程:是用具有選擇透過性的天然或合成薄膜為分離介質，在膜兩側的推動力(如壓力差、濃度差、電位差、溫度差等)作用下，原料液體混合物或氣體混合物中的某個或某些組分選擇地透過膜，使混合物達到分離、分級、提純、富集和濃縮的過程。P120 2、膜的功能:①物質的識別與透過;②相界面;③反應場。 3、濃差極化:較高的壓力和料液濃度以及緩慢的膜面流速可造成膜表面溶質濃度高于主體濃度，形成高濃度邊界層，使料液側膜面的滲透壓升高，有效壓差減小的現(xiàn)象。P127 4、凝膠極化:是指在膜分離的過程中，由于溶質受到膜的截留作用，不能完全通過膜，溶質在膜表面附近濃度升高，導致膜兩側的有效壓差減少，膜的通透量降低，當膜表面附近的濃度超過溶質的溶解度時，溶質析出，并在膜的表面形成凝膠層的過程。 5、超濾和微濾:是以膜兩側壓力差為推動力，以微孔膜為過濾介質，當溶液流過膜表面時，主要利用篩分原理將溶液中的懸浮粒子或大分子物質截留，而使溶劑和小分子物質透過膜，以實現(xiàn)凈化、分離與濃縮的膜分離過程。P132 微濾膜:一般為均質膜，膜阻力由總的膜厚度決定，微濾膜相比超濾膜來說孔徑較大且孔徑分布較均勻，膜孔徑為0.05~10µm，截留對象是細菌、膠體以及氣溶膠等懸浮粒子;超濾膜:一般為不對稱結構，膜的傳質阻力主要在表皮層，其厚度僅為1µm或更小，孔徑大多在0.005~0.05µm，截留對象是相對分子質量為10³~10^6的溶質。 6、影響截留率的因素: ⑴溶質的分子量; ⑵分子特性:①球形＞帶支鏈＞線性分子; ②對于荷電膜與膜相反電荷分子截留率低，若膜對溶質有吸附作用，截留率高; ③其他高分子溶質存在，使截留率增大; ④操作條件:當PH=PI時，蛋白質截留率Ro高;溫度升高，Ro降低。 7、電滲析的基本原理:P139 注:自己看書結合圖示總結 第七章 吸附與離子交換 1、吸附:是指溶質從液相或氣相轉移到固相的現(xiàn)象。P154 2、活性炭:是一種非極性吸附劑，在水中的吸附能力大于在有機溶劑中的吸附能力。針對不同類型的物質，具有一定的規(guī)律性:①對極性基團多的化合物的吸附力大于極性基團少的化合物;②對芳香族化合物的吸附能力大于脂肪族化合物;③對相對分子質量大的化合物的吸附能力大于相對分子質量小的化合物。P156 3、大孔網(wǎng)狀吸附劑:是一種非離子型共聚物，是借助于范德華力從溶液中吸附各種有機化物質。具有選擇性好、解析容易、機械強度高、使用壽命長、流體阻力較小、吸附質容易脫附、吸附速度快等優(yōu)點。P157 4、離子交換劑的構成:網(wǎng)絡骨架(具有三維空間立體結構)、活性基團和可交換的離子(與網(wǎng)絡骨架帶相反電荷)構成。P158 5、交換容量:是表征離子交換劑交換能力的主要的參數(shù)，是單位質量的干燥離子交換劑或單位體積的濕離子交換劑所能吸附的一價離子的毫摩爾數(shù)(mmol)。P158 6、影響交換速度的因素:P164 ⑴顆粒大小:顆粒減小無論對內(nèi)部擴散控制或外部擴散控制的場合，都有利于交換速度的提高; ⑵交聯(lián)度:交聯(lián)度越低樹脂越易膨脹，在樹脂內(nèi)部擴散越容易，當內(nèi)擴散控制時，降低樹脂交聯(lián)度，能提高交換速度。樹脂交聯(lián)度大，樹脂孔徑小，離子運動阻力大，交換速度慢; ⑶溫度:溶液溫度提高，擴散速度加快，交換速度也增加; ⑷離子的化合價:離子化合價越高，離子和樹脂骨架間的庫侖力越大，擴散速度越小; ⑸離子的大小:小離子的交換速度比較快; ⑹攪拌速度:當液膜控制時，增加攪拌速度會使交換速度增加，但增大到一定程度后再繼續(xù)增加轉速，影響就比較小; ⑺溶液濃度:當溶液濃度為0.001mol/L時，一般為外擴散控制，當溶液濃度增加時，交換速度也按比例增加。當濃度達到0.01mol/L左右時，濃度再增加，交換速度增加的較慢。此時內(nèi)擴散和外擴散同時起作用，當濃度繼續(xù)增加，交換速度達到極限值后就不再增大，此時已轉變?yōu)閮?nèi)擴散控制。 7、影響離子交換選擇性的因素:P165 ⑴水合離子半徑:半徑越小，親和力越大; ⑵離子化合價:高價離子易于被吸附; ⑶溶液PH:影響交換基團和交換離子的解離程度，但不影響交換容量; ⑷離子強度:越低越好; ⑸有機溶劑:不利于吸附; ⑹交聯(lián)度、膨脹度、分子篩:交聯(lián)度大，膨脹度小，篩分能力增大;交聯(lián)度小，膨脹度大，吸附量減少; ⑺樹脂與粒子間的輔助力:除靜電力以外，還有氫鍵和范德華力等輔助力。 第八章 色譜分離技術 1、阻滯因素:又稱遷移率，是指一定條件下，在相同的時間內(nèi)某一組分在固定相移動的距離與流動相本身移動的距離之比值，常用Rf(Rf≤1)表示。P177 2、正向色譜:是指固定相的極性高于流動相的極性，在這種色譜過程中，非極性分子或極性小的分子比極性大的分子移動速度快，先從柱中流出來; 反向色譜:是指固定相的極性低于流動相的極性，在這種色譜過程中，極性大的分子比極性小的分子移動的速度快，而先從柱中流出。P179 3、色譜法的分類:根據(jù)分離原理的不同分類 P181 可以分為:吸附色譜、分配色譜、離子交換色譜、凝膠過濾色譜、親和色譜等。 4、顯色的方法:P189 ⑴碘蒸氣顯色;⑵紫外線顯色;⑶噴霧顯色。 5根據(jù)載體多糖種類的不同，多糖基離子交換劑可分為:P197 ①離子交換纖維素;②離子交換葡聚糖;③離子交換瓊脂糖。 6、親和色譜原理:P206 將一對能可逆結合和解離生物分子的一方作為配基(配體)，與具有大孔徑、親水性的固相載體相偶聯(lián)、制成專一的親和吸附劑，再用此親和吸附劑填充色譜柱，當含有被分離物質的混合物隨著流動相流經(jīng)色譜柱時，親和吸附劑上的配基就有選擇地吸附能與其結合的物質，而其他的蛋白質及雜質不被吸附，從色譜柱中流出，使用適當?shù)木彌_液使被分離物質及配基解吸附，即可獲得純化的目的產(chǎn)物。 7、蛋白質A來源于金黃色葡萄球菌，蛋白質G分離自G群鏈球菌。P208 8、輔酶和磷酸腺苷:某些酶(如脫氫酶和激酶)需要在輔酶存在的情況下才能表現(xiàn)出催化活性，即輔酶能與脫氫酶和激酶之間通過親和作用相互結合，因此這些輔酶可用作脫氫酶和激酶的親和配基。P208 9、活化:載體上的化學基團是不活潑的，不能與配基直接偶聯(lián)，通過化學反應使介質上化學基團處于活化狀態(tài)。P211 10、洗脫方法:⑴特異性洗脫;⑵非特異性洗脫。P219 第九章 離心技術 1、離心機的轉子的類型:有甩出式水平轉子、角轉子、垂直轉子、(區(qū)帶轉子、細胞洗脫轉子、分析轉子)等。P237 2、計算: ①懸浮微粒在重力場中重力沉淀速度Vg的計算公式:P233 9-4 ②例題9-1 ③料流量Q的計算公式:P244 9-19 ④例題9-3 ⑤注:ω=2πn/60 第十章 濃縮、結晶與干燥 1、蒸發(fā)濃縮:是利用加熱的方法使溶液中的一部分溶劑(通常為水)汽化后除去，得到含較高濃度溶質的一種操作過程。P267 2、結晶:是溶液中的溶質在一定條件下因分子有規(guī)則的排列而結合成晶體的過程，它是溶質提純和得到固體顆粒的一種方法。P281 3、結晶的一般步驟: ⑴過飽和溶液的形成;⑵晶核產(chǎn)生;⑶晶體生長。 4、二次成核:已被認為是晶核的主要來源，其中起決定作用的兩種機理為:液體剪應力成核和接觸成核。P283 5、噴霧干燥:是利用霧化器將料液(含水50%以上的溶液、懸浮液、漿狀液等)噴成霧滴分散于熱氣流中，使水分迅速蒸發(fā)而成為粉粒狀干燥制品的一種干燥方式。P302 6、冷凍干燥:又稱升華干燥，是指將待干燥物快速凍結后，再在高真空條件下將其中的冰升華為水蒸氣而去除的干燥方法。由于冰的升華帶走熱量使凍干整個過程保持低溫凍結狀態(tài)，有利于保留一些生物樣品(如蛋白質)的活性。