(生物科技行業(yè))生物工業(yè)下游技術(shù)復(fù)習(xí)題

1、1什么是下游技術(shù)？對于由生物界自然產(chǎn)生的或由微生物菌體發(fā)酵的、 動(dòng)植物細(xì)胞組織培養(yǎng)的、 酶反應(yīng)等各種生 物工業(yè)過程獲得的生物原料， 經(jīng)提取分離、 加工并精制目的成分， 最終使其成為產(chǎn)品的技術(shù) 生物工業(yè)下游技術(shù)的工作領(lǐng)域是什么？物質(zhì)分離、產(chǎn)品再加工 生物工業(yè)下游技術(shù)的原料特征是什么？1、粗料發(fā)酵，質(zhì)、懸浮物多。2、分子量及分子結(jié)構(gòu)差異大。3、易受各種分離操作的影響。4、原料和發(fā)酵操作不穩(wěn)定，各批次間成分變化大 生物制品分離過程可以劃分成那幾個(gè)階段？各階段的任務(wù)是什么？ .1、預(yù)處理和固液分離2、提?。ǔ醪椒蛛x）3、精制（高度純化）4、成品制備除去發(fā)酵液中的不溶性固形物雜質(zhì)和菌體細(xì)胞 除去與產(chǎn)物性

2、質(zhì)差異較大的雜質(zhì)，為后到精制工序創(chuàng)造有利條件 除去與產(chǎn)物物理化學(xué)性質(zhì)比較接近的雜質(zhì)獲得產(chǎn)品生物制品分離過程的確定應(yīng)注意哪些問題？1、目的物是胞內(nèi)物質(zhì)還是胞外物質(zhì)2、原料中產(chǎn)物和主要雜質(zhì)濃度3、產(chǎn)物和主要雜質(zhì)的物理化學(xué)特性差異4、產(chǎn)品的用途和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)5、產(chǎn)品的市場價(jià)格6、廢物的處理方法 2 平衡分離過程： 建立在相平衡關(guān)系上的。利用相的組成差別進(jìn)行混合物體系的分離。 擬平衡分離過程： 混合物體系之外加一個(gè)勢能場， 在它的作用下，形成分離場。 使被分離物在分離場的端面上濃縮，或者在分離場內(nèi)形成一個(gè)穩(wěn)定的濃度分布。傳遞通量： 流體在分離場內(nèi)的傳遞現(xiàn)象可用經(jīng)典流體力學(xué)中動(dòng)量 （通量） 傳遞、 熱量（通

3、量） 傳遞和質(zhì)量（通量）傳遞規(guī)律和作用于分離場的外加勢能場來描述。特異性結(jié)合： 分子識(shí)別是指提取介質(zhì)與目的物的關(guān)系就象鑰匙和鎖孔的關(guān)系。 分離的準(zhǔn)確度 和精確度都大大提高，這對于低濃度、高附加值的目的物分離意義特別重要。在下游過程中，如何利用化學(xué)過程？1）生成難溶鹽或沉淀物的反應(yīng)2）生成絡(luò)合物或螯合某些金屬離子的反應(yīng)等3）在醫(yī)藥、食品、化工等行業(yè)具有廣泛市場的山梨醇和木糖醇可以通過葡萄糖和木糖經(jīng)金 屬鎳催化加氫工藝（高壓）獲得。4）在某些發(fā)酵產(chǎn)品或天然物質(zhì)中， 利用有機(jī)化學(xué)反應(yīng)生成有特殊用途或更有價(jià)值的衍生物 等方面的研究也較活躍。在下游過程中，生物學(xué)過程是指什么？如何利用？ 生物學(xué)分離過程的

4、主要特征是生物高分子的特異性相互作用。 主要以蛋白質(zhì)為代表的生物高 分子，能分辯特定的物質(zhì)，再與其可逆性結(jié)合1、離子間的相互作用主要因氨基酸側(cè)鏈的電荷引起的靜電作用2、氫鍵結(jié)合在配體含有 O 或 N 原子的場合下，能和結(jié)合部位之間形成氫鍵。因是原子間的相互作用，結(jié)合部位和配體間的位置關(guān)系很重要。3、疏水性相互作用4、對金屬原子配位因結(jié)合部位的一部分和配體之一部在同一金屬原子如鋅和鐵） 上配結(jié)合部位側(cè)面也有同樣的配體上有烴鏈或芳香環(huán)之類的非極性基團(tuán)，非極性部分時(shí)，存在疏水性相互作用。位，間接結(jié)合的現(xiàn)象。5、弱共價(jià)鍵結(jié)合雖然強(qiáng)共價(jià)鍵結(jié)合的情況下， 不會(huì)有可逆性的相互作用。 但如醛基和 羥基間形成的

5、半縮醛形式的弱共價(jià)鍵的結(jié)合，存在可逆性的作用。3凝聚： 在電解質(zhì)的作用下，破壞膠體的穩(wěn)定性。絮凝： 在高分子絮凝劑的作用下，膠體形成大的分子絮團(tuán)。助濾劑： 是不可壓縮的多孔微粒。使用助濾劑的目的是疏松濾餅，提高濾餅的抗壓縮性能， 提高過濾速度。離心分離： 利用轉(zhuǎn)鼓高速轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的離心力，來實(shí)現(xiàn)懸浮液、乳濁液分離或濃縮過濾分離： 懸浮液通過過濾介質(zhì)時(shí)，固態(tài)顆粒與溶液的分離澄清過濾： 過濾介質(zhì)為硅藻土等，過濾前，現(xiàn)有過濾介質(zhì)形成濾層，再進(jìn)行過濾。餅層過濾切向流過濾 : 懸浮液流動(dòng)方向與過濾面平行， 使懸浮液在過濾介質(zhì)表面作切向流動(dòng)， 利用流 動(dòng)的剪切作用將過濾介質(zhì)的固體移走為什么要進(jìn)行發(fā)酵液的預(yù)處

6、理？ 預(yù)處理的目的是為提取和精制等后繼工序的順利進(jìn)行創(chuàng)造條件。 通過預(yù)處理可以改善發(fā)酵液的流體性能，降低濾餅比阻，提高過濾與分離速率。 發(fā)酵液預(yù)處理的方法有那些？各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？1、降低液體粘度（加快濾速）優(yōu)：能降低液體的粘度 缺：增加懸浮液的體積，加大后繼過程的處理任務(wù)2、調(diào)整 pH 值 優(yōu)：可改善發(fā)酵液中某些物質(zhì)的過濾特性，有利于過濾的進(jìn)行3、凝聚與絮凝 優(yōu)：有效改變細(xì)胞、細(xì)胞碎片及溶解大分子物質(zhì)的分散狀態(tài)，使其聚結(jié)成較大的顆粒， 便于提高過濾速率，還能有效地除去雜蛋白質(zhì)和固體雜質(zhì)，提高濾液質(zhì)量 缺: 絮凝劑存在一定的毒性4、加入反應(yīng)劑優(yōu)：可消除發(fā)酵液中某些雜質(zhì)對過濾的影響，從而提高過濾速

7、率5、加入助濾劑優(yōu)：使濾餅疏松，濾速增加 缺：需要考慮多方面的影響因素比較離心分離和過濾分離的異同點(diǎn)？離心分離：利用轉(zhuǎn)鼓高速轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的離心力，來實(shí)現(xiàn)懸浮液、乳濁液分離或濃縮過濾分離：懸浮液通過過濾介質(zhì)時(shí)，固態(tài)顆粒與溶液的分離同過濾式離心，轉(zhuǎn)鼓上開有小孔， 有過濾介質(zhì)， 在離心力的作用下， 液體穿過過濾介質(zhì)經(jīng)小孔 流出而得以固液分離。4包含體： 蛋白常常交聯(lián)在一起，形成不溶性聚集物 機(jī)械破碎： 就是利用機(jī)械破壞細(xì)胞壁網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的共價(jià)鍵 破碎率： 破碎的程度 /單位細(xì)胞釋放出的內(nèi)含物（ mg/g） 細(xì)胞破碎的方法有哪些？各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？分類適應(yīng)性機(jī) 械 法珠磨法可達(dá)較高破碎率，可較大規(guī)模操作，大分

8、子目的產(chǎn)物易失活，漿液分離困難高壓勻漿法可達(dá)較高破碎率，可大規(guī)模操作，不適合絲狀菌和革蘭氏陽性菌超聲破碎法對酵母菌效果較差，破碎過程升溫劇烈，不適合大規(guī)模操作X press 法破碎率高，活性保留率高，對冷凍敏感目的產(chǎn)物不適應(yīng)非 機(jī) 械 法酶溶法具有高度專一性，條件溫和，漿液易分離，溶酶價(jià)格高，通用性差化學(xué)滲透法具一定選擇性，漿液易分離，但釋放率較低，通用性差滲透壓法破碎率較低，常與其他方法結(jié)合使用凍結(jié)融化法破碎率較低，不適合對冷凍敏感的目的產(chǎn)物干燥法條件變化劇烈，易引起大分子物質(zhì)失活破碎率控制的原則是什么？破碎動(dòng)力學(xué)方程破碎率一般控制在 80%左右， 過高的破碎率有以下缺點(diǎn)： 1）能耗高、產(chǎn)熱

9、高，冷卻困難。 2） 大分子目的物失活增加。 3）碎片小，分離困難。5萃?。?指任意兩相之間的傳質(zhì)過程 比較多級逆流萃取和多級錯(cuò)流萃取 多級逆流萃取： 料液走向和萃取劑走向相反， 只在最后一級中加入萃取劑， 故和錯(cuò)流萃取相 比，萃取劑消耗少，萃取液產(chǎn)物平均濃度高，產(chǎn)物收率最高。多級錯(cuò)流萃取： 每級均加新鮮溶劑，故溶劑消耗量大， 得到的萃取液產(chǎn)物平均濃度較稀， 但 萃取較完全。微分萃?。?是在一個(gè)器萃取器內(nèi)，分散的和連續(xù)的兩相（料液和萃取劑）逆向流動(dòng)，完成物 質(zhì)交換。浸?。?用某種溶劑把有用物質(zhì)從固體原料中提取到溶液中的過程帶劑： 是指這樣一種物質(zhì)，它們能和產(chǎn)物形成復(fù)合物，使產(chǎn)物更易溶于有機(jī)溶劑

10、相中， 提高 分配系數(shù) K ，該復(fù)合物在一定條件下又要容易分解。分配定律 ： 在一定溫度一定壓力的條件下，溶質(zhì)分配在兩個(gè)互不相溶的溶劑中，達(dá)到平衡 時(shí)溶質(zhì)在兩相中的活度之比為常數(shù)， 這個(gè)現(xiàn)象即為分配定律， 比例常數(shù)為分配系數(shù) 分離因子： 在含有兩個(gè)及兩個(gè)以上的溶質(zhì)時(shí)，用來表示萃取劑對溶質(zhì) A 和 B 分離能力的大 小的因數(shù)相似相溶： 分子結(jié)構(gòu)相似、相互作用力相似的兩種物質(zhì)能互相溶解 畫出單級萃取設(shè)備流程，并說明。料液 F與萃取劑 S 一起加入混合器內(nèi)攪 拌混合萃取，達(dá)到平衡后的溶液送到分 離器內(nèi)分離得到萃取相 L 和萃余相 R， 萃取相送至回收器，萃余相 R 為廢液。 在回收器內(nèi)產(chǎn)物與溶劑分離

11、，溶劑則可 循環(huán)使用。如何選用萃取劑，并解釋理由有很大的萃取容量， 即單位體積的萃取溶劑能萃取大量的產(chǎn)物； 有良好的選擇性， 理想 情況是只萃取產(chǎn)物而不萃取雜質(zhì)； 與被萃取的液相 （通常是水相） 互溶度要小， 且粘度低、 界面張力小或適中； 溶劑的回收和再生容易；化學(xué)穩(wěn)定性好， 不易分解，對設(shè)備腐蝕性 ?。唤?jīng)濟(jì)性好，價(jià)廉易得；安全性好，閃點(diǎn)高，對人體無毒性或毒性低。6 臨界點(diǎn) : 物質(zhì)在氣液共存時(shí)的最高壓力和最高溫度 拖帶劑： 輔助溶劑以增加物質(zhì)的溶解度和萃取選擇性 超臨界流體為什么可以成為萃取劑，請分析說明？1）超臨界流體對某些物質(zhì)的溶解度隨著超臨界流體密度的變化而變化。2）在臨界點(diǎn)附近，超

12、臨界流體的溫度或壓力的微小變化會(huì)引起密度的很大變化，使得超臨 界流體的溶解度發(fā)生很大變化3）超臨界流體近氣體的性質(zhì)，使得超臨界流體的傳質(zhì)速率大于普通溶劑。4）超臨界流體接近液體的性質(zhì)，使得超臨界流體具有接近普通溶劑的溶解能力。為何選用 CO2 為超臨界萃取劑？超臨界 CO2 具有典型的超臨界流體的特性，且具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）無毒，無腐蝕性，不可燃燒，純度高且價(jià)格低。2）有優(yōu)良的傳質(zhì)性能，擴(kuò)散系數(shù)大，粘度低3）與其它用作超臨界流體的溶劑相比， CO2 具有相對較低的臨界壓力和臨界溫度，適合于 處理某些熱敏性生物制品和天然物產(chǎn)品。7 什么是雙水相萃??？雙水相萃取的優(yōu)點(diǎn)是什么？ 雙水相萃取是利用物質(zhì)在

13、互不相溶的兩水相間分配系數(shù)的差異來進(jìn)行萃取的方法。 易于放大 雙水相系統(tǒng)之間的傳質(zhì)過程和平衡過程快速,因此能耗較小 , 可以實(shí)現(xiàn)快速分離。易于進(jìn)行連續(xù)化操作雙水相萃取的典型流程是什么？雙水相有哪些應(yīng)用？ 雙水相萃取的工藝流程一般包括三部分：（1）目的物的萃取（ 2） PEG 的循環(huán)（ 3）無機(jī)鹽的循環(huán)1、雙水相萃取細(xì)胞、細(xì)胞器和膜2、雙水相萃取技術(shù)在分離中應(yīng)用3、從破碎的細(xì)胞中萃取分離酶4、雙水相提取酶蛋白9對稱膜： 又稱均質(zhì)膜，是指備向均質(zhì)的致密或多孔膜，物質(zhì)在膜中各處的滲透率是相同的。 不對稱膜： 是由很薄的較致密的起分離作用的表層（0.1 l m） 和起機(jī)械支撐作用的多孔支撐層 （100

14、200 m）構(gòu)成復(fù)合膜： 一般是指在多孔的支撐膜上復(fù)合一層很薄的致密的、有特種功能的另一種材料的膜濃差極化： 當(dāng)水透過膜并截留鹽時(shí)，在膜表面會(huì)形成一個(gè)流速非常低的邊界層， 邊界層中的鹽濃度比進(jìn)水本體溶液鹽濃度高，這種鹽濃度在膜污染：膜面增加的現(xiàn)象叫做濃差極化膜在使用中，盡管操作條件保持不變，但通量仍逐漸降低的現(xiàn)象截留分子量： 將表觀脫除率為 90 95的溶質(zhì)分子量定義為截留分子量。 膜分離技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)： 過程簡單，連續(xù)工作，費(fèi)用較低，效率較高。往往沒有相變，可在常溫下操作，既節(jié) 能又適合熱敏性物料，易與其它技術(shù)結(jié)合，易放大。缺點(diǎn)： 存在濃差極化和膜污染，壽命有限，選擇性較低，放大因子基本是

15、線性。膜性能如何表示？膜組件有哪些形式？各有什么特點(diǎn)？形式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)管式易清洗，無死角，適宜于處理含固 體較多的料液，單根管子可以調(diào)換保留體積大， 單位體積中所含過濾面積 較小，壓降大中空纖維式保留體積小，單位體積中所含過濾 面積大， 可以逆洗， 操作壓力較低， 動(dòng)力消耗較低料液需要預(yù)處理， 單根纖維損壞時(shí)，需 要調(diào)換整個(gè)模件螺旋卷繞式單位體積中所含過濾面積大，換新膜容易料液需要預(yù)處理，壓降大，易污染，清洗困難平板式保留體積小，能量消耗界于管式和螺旋卷繞式之間死體積較大典型的膜分離工藝是什么？ 在過濾過程中料液通過泵的加壓，料液以一定流速沿著濾膜的表面流過，大于膜截留 分子量的物質(zhì)分子不透過膜流

16、回料罐，小于膜截留分子量的物質(zhì)或分子透過膜，形成 透析液。故膜系統(tǒng)都有兩個(gè)出口，一是回流液（濃縮液）出口，另一是透析液出口。在單位時(shí)間（ Hr ）單位膜面積（ m2）透析液流出的量（ L ）稱為膜通量（ LMH ），即 過濾速度。影響膜通量的因素有：溫度、壓力、固含量（ TDS ）、離子濃度、黏度等。 簡單介紹膜分離的應(yīng)用。微濾（ MF）又稱微孔過濾，它屬于精密過濾，其基本原理是篩孔分離過程超濾（ UF）是介于微濾和納濾之間的一種膜過程，膜孔徑在 0.05um 至 1nm 分子量之間。超濾是一種能夠?qū)⑷芤哼M(jìn)行凈化、分離、濃縮的膜分離技 術(shù)，超濾過程通常可以理解成與膜孔徑大小相關(guān)的篩分過程。納濾

17、 （ NF）是介于超濾與反滲透之間的一種膜分離技術(shù)， 其截留分子量在 80 1000 的范圍內(nèi)，孔徑為幾納米，因此稱納濾。反滲透（ RO） 是利用反滲透膜只能透過溶劑（通常是水）而截留離子物質(zhì)或小分 子物質(zhì)的選擇透過性，以膜兩側(cè)靜壓為推動(dòng)力，而實(shí)現(xiàn)的對液體混 合物分離的膜過程11離子交換法： 是應(yīng)用合成的離子交換樹脂作為吸著劑， 將溶液中的物質(zhì)， 依靠庫侖力吸附在 樹脂上，然后用合適的洗脫劑將吸附物從樹脂上洗脫下來，達(dá)到分離、濃縮、 提純的目的。吸附樹脂： 是具有較大表面積，具有多孔性，吸附能力強(qiáng)，但交換離子能力小或無。 選擇性離子交換樹脂（又稱螯合樹脂） ：含有螯合能力基團(tuán)，對某些離子具有特

18、殊選擇力。因?yàn)樗扔猩呻x子鏈又有形成配位鍵的能力。 電子交換樹脂： 是指能與周圍活性物質(zhì)進(jìn)行電子交換，發(fā)生氧化還原反應(yīng)的一類樹脂。 吸附作用： 是指一種或多種物質(zhì)分子附著在另一種物質(zhì)（一般是固體 ）表面上的過程。吸附是界面現(xiàn)象是被吸附分子在界面上的濃聚。吸收： 當(dāng)一種或多種物質(zhì)的分子從一個(gè)相，大體均勻地進(jìn)入(擴(kuò)散 )另一個(gè)相的內(nèi)部優(yōu)惠吸附： 凡是低壓 (或低濃度 )時(shí)，吸附等溫線是凸的 (對吸附量縱坐標(biāo)方向 ) 簡述離子交換的工作過程。(1) 樹脂顆粒外部主流液體中，交換離子的對流擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)；(2) 樹脂顆粒周圍滯流液膜中，交換離子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)；(3) 樹脂顆粒內(nèi)部 (包括微孔結(jié)構(gòu)中 )，交換離

19、子進(jìn)行的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)；(4) 交換離子在樹脂的固定基團(tuán)上，按化學(xué)計(jì)量關(guān)系進(jìn)行交換反應(yīng)；(5) 被交換離子在樹脂顆粒內(nèi)部進(jìn)行的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)；(6) 被交換離子穿過滯流液膜的擴(kuò)散：(7) 被交換離子在主流液體中的對流擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。生化用離子交換樹脂的特點(diǎn)是什么？ 1、親水性及生物相溶性 2、孔結(jié)構(gòu) :孔徑分布更為均勻3、電荷密度適當(dāng)4、粒度：粒徑小，一般在 20 30um 范圍內(nèi)5、純度達(dá)到所需目的比較離子交換、吸附兩種分離方法？離子交換法的優(yōu)點(diǎn) ：是樹脂無毒性且可反復(fù)再生使用， 少用或不用有機(jī)溶劑， 因而具有設(shè)備 簡單、操作方便、勞動(dòng)條件較好。離子交換法的缺點(diǎn) :是亦有生產(chǎn)周期長、一次性投資大、產(chǎn)品質(zhì)量有時(shí)

20、稍差，在生產(chǎn)運(yùn)行中， 有些樹脂較快破碎或衰退導(dǎo)致工藝效果下降。離子交換設(shè)備的形式有哪些？工作流程有哪些？ 按結(jié)構(gòu)類型分，有罐式、塔式與槽式； 按操作方式分，有間歇式、周期式與連續(xù)式； 按兩相接觸方式分，有固定床、移動(dòng)床與流化床。 流化床，有液流流化床、氣流流化床與攪拌流化床。 固定床，有單床、多床、復(fù)床與混合床，正流操作型與反流操作型以及重力流動(dòng)型與加壓流 動(dòng)型。1、樹脂和料液預(yù)處理 2、吸附過程(操作核心) 3、洗脫過程(純化、濃縮) 4、漂洗與沖 洗(回收料液和洗脫液) 5、樹脂再生12分配色譜： 流動(dòng)相和固定相都是液體。 利用混合物中各物質(zhì)在兩液相中的分配系數(shù)不同而分 離。凝膠色譜： 以

21、凝膠為固定相，是一種根據(jù)各物質(zhì)分子大小不同而進(jìn)行分離的色譜技術(shù) 層析劑： 用于色譜分離技術(shù)中的固定相或分離介質(zhì)的總稱置換展開法： 先將樣品輸入色譜柱， 再用一種與固定相作用力極強(qiáng)的置換劑作為流動(dòng)相， 去 替代結(jié)合在固定相表面的溶質(zhì)分子。前沿分析法： 在色譜柱入口處每隔一定時(shí)間連續(xù)壓入大量濃度不斷遞增的待測樣品， 對每一 個(gè)濃度的樣品， 進(jìn)樣量要足夠大， 以保證其洗脫曲線中與進(jìn)樣濃度呈線性關(guān)系出現(xiàn)濃度平臺(tái)。 分析說明色譜技術(shù)的優(yōu)勢和弱點(diǎn)優(yōu)： 1、分離效率高 2、應(yīng)用范圍廣 3、選擇性強(qiáng)4、高靈敏度的在線檢測 5、快速分離 6、過程自動(dòng)化操作 簡述色譜技術(shù)中的洗脫展開法先將樣品輸入色譜柱， 隨即加入一種