生物細胞分離原理與技術思考題(南通大學)

1、生物細胞分離原理及技術思考題1生物分離工程在生物技術中的地位？是生物技術下游加工過程。2生物分離工程的特點是什么？生物產品的多樣性決定了分離方法的多樣性與復雜性；絕大多數(shù)生物分離方法來源于傳統(tǒng)的化工分離方法；生物分離一般比化工分離難度大；分離過程的成本占產品總投資的大部分。3生物分離工程可分為幾大部分，分別包括哪些單元操作？不溶物的去除：過濾，離心，細胞破碎產物粗分離：離子交換吸附，萃取（溶劑萃取，反微團萃取，超臨界流體萃取，雙水相萃?。┊a品的純化：色譜，電泳，沉淀產品的徑直：結晶，干燥4在設計下游分離過程前，必須考慮哪些問題方能確保我們所設計的工藝過程最為經濟、可靠？產品價值產品質量產物在生

2、產過程中出現(xiàn)的位置雜質在生產過程中出現(xiàn)的位置主要雜質獨特的物化性質是什么？不同分離方法的技術經濟比較5常用的細胞破碎方法有哪些機械破碎：高壓勻漿破碎，珠磨破碎法，超聲波破碎法以下為非機械法物理破碎：滲透壓沖擊，凍結和融化，干燥法化學破碎：酸堿處理法，表面活性劑（增溶），有機溶劑，EDTA螯合劑酶促破碎：外加酶法，自溶酶法6在選擇細胞破碎方法時需要考慮哪些因素？細胞處理量；細胞壁強度和結構（高聚物交聯(lián)程度、種類和壁厚度）；目標產物對破碎條件的敏感性；破碎程度；目標產物的選擇性釋放7基因工程包涵體的純化方法。收集菌體細胞；細胞破碎；包涵體洗滌；目標蛋白的變性溶解；目標蛋白的復性。8什么是萃取過程？

3、液-液萃取從機理上分析可分為哪兩類？其理論收率如何計算？利用物質在兩個互不相溶的液相中各種組分（包括目的產物）溶解度的不同，從而達到分離的目的。物理萃取和化學萃取；En1EPEn119常見物理萃取體系由那些構成要素？原溶劑，溶質，萃取劑，萃取相，萃余相10何謂萃取的分配系數(shù)？其影響因素有哪些？一種物質在兩相系統(tǒng)中的分配行為可用分配系數(shù)來描述，分配系數(shù)K為該物質在上相和下相中的濃度之比。KcTCBK=y/x（y為平衡時溶質在輕相中的濃度；x為平衡時溶質在重相中的濃度。）pH;溫度；乳化；鹽析；有機溶劑的選擇11pH對弱電解質的萃取效率有何影響？pH影響弱電解質的分配系數(shù)（pH-K）a）弱酸性物質

4、的K值隨pH降低而增大，弱堿性物質的K值隨pH增大而增大b）pH低有利于弱酸性物質分配在有機相，堿性物質分配在水相。12發(fā)酵液乳化現(xiàn)象產生原因與影響？如何消除乳化現(xiàn)象？表面活性物質聚集在兩相界面上，使表面張力降低。（表面活性劑分子的親水基團伸向水中親油集團伸向油中。）發(fā)酵液乳化的原因：a蛋白質的存在，起到表面活性劑b固體粉末對界面的穩(wěn)定作用影響：有機相和水相分相困難，出現(xiàn)夾帶，收率低，純度低。消除：物理法：離心、加熱，吸附，稀釋化學法：加電解質、其他表面活性劑*轉型法加入一種乳化劑，條件：形成的乳濁液類型與原來的相反，使原乳濁液轉型在轉型的過程中，乳濁液破壞，控制條件不允許形成相反的乳濁液，*

5、頂替法加入一種乳化劑，將原先的乳化劑從界面頂替出來：形成的乳濁液類型與原來的一致它本身的表面活性>原來的表面活性不能形成堅固的保護膜。13何謂超臨界流體萃?。科涮攸c有哪些？超臨界流體（SCF即處于臨界溫度、臨界壓力以上的流體。在臨界溫度、壓力以上，無論壓力多高，流體都不能液化但流體的密度隨壓力增高而增加。特點：密度接近液體；萃取能力強；粘度接近氣體；傳質性能好14何謂雙水相萃?。砍Ｒ姷碾p水相構成體系有哪些？雙水相萃取是利用物質在互不相溶的兩水相間分配系數(shù)的差異進行萃取的方法非離子型高聚物非離子型高聚物：PEG-DEXTRAN非離子-離子型聚電解質兩相系統(tǒng)：聚乙二醇NaCl-DEAE葡聚糖

6、鹽酸鹽離子型高聚物-離子型高聚物：竣甲基纖維素鈉-竣甲基葡聚糖鈉高聚物無機鹽(鹽析作用)：PEG-硫酸俊A聚丙二醇(PPG)聚乙二醇(PEG)聚乙烯醇(PVA)葡聚糖(Dex)聚蔗糖(Ficoll)羥丙基葡聚糖聚乙二醇(PEG)聚乙烯醇(PVA)葡聚糖(Dex)聚乙烯叱咯烷酮B硫酸葡聚糖酸鈉竣甲基葡聚糖酸鈉聚丙烯乙二醇甲基纖維素C竣甲基葡聚糖酸鈉竣甲基纖維素鈉鹽D聚乙二醇硫酸鉀，硫酸鏤，硫酸鈉，硫酸鎂，磷酸鹽酒石酸鈉琥珀酸鈉，檸檬酸納E聚乙二醇葡聚糖乙二醇單丁酯丙醇A,兩者均為非離子性聚合物，B,一種非離子性聚合物，另一種為帶電荷的聚電解質C,兩者均為聚電解質，D,一種聚合物，另一種為鹽。E,

7、一種聚合物，另一種為有機小分子15反膠團的基本結構？反膠團萃取的基本原理是什么？反膠團(ReverseMicelle)是表面活性劑在非極性有機溶劑中形成的一種聚集體。表面活性劑的極性頭朝內，疏水的尾部向外，中間形成極性的核”反膠束萃取技術是利用表面活性劑在有機溶劑中自發(fā)形成一種納米級的反膠束相來萃取水溶液中的大分子蛋白質。蛋白質進入反膠束溶液是一種協(xié)同過程，即在宏觀兩相(有機相和水相)界面間的表面活性劑層同鄰近的蛋白質發(fā)生靜電作用而變形，接著在兩相界面形成了包含有蛋白質的反膠束，此反膠束擴散進入有機相中，從而實現(xiàn)了蛋白質的萃取。16什么是吸附分離，影響吸附的主要因素？吸附分離是利用吸附劑對液體

8、或氣體中某一組分具有選擇性吸附的能力，使其富集在吸附劑表面，而從混合物中的分離的的過程。1吸附劑的性質：吸附容量(比表面積，空隙度)吸附速度(粒度大小，孔徑分布)機械強度(使用壽命)極性2吸附質的性質：能使表面張力降低的物質，易為表面吸附溶質在易溶解的溶劑中吸附量小極性吸附劑易吸附極性物質同系物極性越小，越易被非極性吸附劑吸附3 .溶液pH(影響吸附質的解離度)4 .溫度(吸附熱，大部分吸附是放熱過程，吸附質的穩(wěn)定性，溶解度)5 .鹽濃度(影響復雜，促進/阻止/互不影響，要視具體情況而定)17親和吸附的原理和特點是什么？親和吸附分離是利用溶質和吸附劑之間特殊的化學作用，從而實現(xiàn)分離的技術。該吸

9、附作用不同于依靠范德華力的傳統(tǒng)吸附和依靠靜電相互作用的離子交換吸附。配基固定化f吸附樣品-樣品解析特點：效率高：利用親和吸附可以從粗提液中一次性分離得到高純度的活性物質。分離精度高：可用于分離含量極低，結構相近的化合物通用性較差，洗脫條件苛刻18 間歇吸附的相關計算19 色譜方法共分幾類？并簡述其工作原理a） 吸附色譜：目標物與雜質與吸附劑之間吸附力的不同b） 分配色譜：目標物與雜質在兩液相分配系數(shù)的不同c） 離子交換色譜：目標物與雜質對離子交換樹脂化學親和力的不同d） 凝膠色譜：目標物與雜質的分子大小和形狀的不同色譜分離法是一組相關分離方法的總稱，它的機理是多種多樣的，但不管哪種方法都必須包

10、括兩個相。一相是固定相，通常為表面積很大的或多孔性固體；另一相是流動相，是液體或氣體。當流動相流過固定相時，由于物質在兩相間的分配情況不同，經過多次差別分配而達到分離，或者說，易分配于固定相的物質移動速度慢，易分配于流動相中的物質移動速度快，因而得到逐步分離。20 何為理論塔板高度和理論塔板數(shù)？如何計算？理論塔板高度：流動相與固定相平均濃度達傳質平衡時的一段柱高理論塔板數(shù)：反應不同時刻溶質在色譜柱中的分布以及分離度與柱高之間的關系理論塔板數(shù)的計算方法：理論塔板高度：21 、常用的蛋白質沉淀方法有哪些？鹽析法；有機溶劑沉淀法；等電點沉淀法;選擇性沉淀（熱變性或酸堿變性沉淀）;非離子多聚體沉淀法（

11、不確定是不是）22 、簡述鹽析的原理。首先需要了解生物大分子在水溶液中的存在狀態(tài)（親水膠體）：兩性電解質，由于靜電力的作用，分子間相互排斥，形成穩(wěn)定的分散系蛋白質周圍形成水化膜，保護了蛋白質粒子，避免了相互碰撞當中性鹽加入蛋白質分散體系時可能出現(xiàn)以下兩種情況：（1）“鹽溶”現(xiàn)象低鹽濃度下，增加蛋白質分子間靜電斥力，蛋白質溶解度增大；（2） “鹽析”現(xiàn)象高鹽濃度下，蛋白質溶解度隨之下降，原因如下：鹽離子與蛋白質表面電荷中和，形成離子對，部分中和了蛋白質的電性，使蛋白質分子之間的排斥力減弱，從而能夠相互靠攏；中性鹽的親水性大，使蛋白質脫去水化膜，疏水區(qū)暴露，由于疏水區(qū)的相互作用導致沉淀。23 、影

12、響鹽析的主要因素有哪些？溶質種類的影響：不同溶質具有不同的Ks和3值，組成相近的蛋白質，分子量越大,沉淀所需鹽的量越少；蛋白質分子不對稱性越大，也越易沉淀。溶質濃度的影響：a）蛋白質濃度大，鹽的用量小，但共沉作用明顯，分辨率低；b）蛋白質濃度小，鹽的用量大，分辨率高，但回收率低；c）蛋白質的含量一般控制在2-3%pH值：影響蛋白質表面凈電荷的數(shù)量，從而影響蛋白質的溶解度通常調整體系pH值，使其在pI附近時進行鹽析；鹽析溫度：一般在高鹽濃度下，溫度升高，其溶解度反而24、簡述有機溶劑沉析的原理。原理：（1）靜電作用：降低了溶質的介電常數(shù)，使溶質之間的靜電引力增加，從而出現(xiàn)聚集現(xiàn)象，導致沉淀。（2

13、）脫水作用：由于水溶性有機溶劑的水合作用，降低了自由水的濃度，壓縮了親水溶質表面水化層的厚度，降低了親水性，導致脫水凝聚。25、簡述等電點沉析的原理。原理：蛋白質是兩性電解質，當溶液pH值處于等電點時，分子表面凈電荷為0,雙電層和水化膜結構被破壞，由于分子間引力，形成蛋白質聚集體，進而產生沉淀。26、 膜分離技術的概念。膜分離的概念：利用膜的選擇性（孔徑大?。?，以膜的兩側存在的能量差作為推動力，由于溶液中各組分透過膜的遷移率不同而實現(xiàn)分離的一種技術。27,根據膜孔徑大小，膜分離技術可分為哪幾類？微濾、超濾、納濾、反滲透，電滲透，透析28,主要的膜組件有哪些？膜、固定膜的支撐體、間隔物以及收納這

14、些部件的容器29,微濾，超濾，納濾，反滲透分離技術的特點，及適用范圍?過程膜結構驅動力應用對象實例微濾對稱微孔膜0.05-10Wm壓力差消毒、澄清收集細胞培養(yǎng)懸浮液除菌，產品消毒，細胞收集超濾不對稱微孔膜1-50nm壓力差大分子物質分離蛋白質的分離/濃縮/純化/脫鹽/去熱源納濾復合膜V1nm壓力差Donna效應小分子物質分離糖/二價鹽/游離酸的分離反滲透致密膜、復合膜V1nm壓力差小分子物質濃縮單價鹽/非游離酸的分離透析對稱的或不對稱的膜濃度差小分子后機物/無機離了除小分子有機物或無機離了電滲析離子交換膜電位差離子脫除、氨基酸分離海水淡化，純水制備，生產工2用水微濾、超濾、納濾、反滲透相同點：

15、以膜兩側壓力差為推動力；按體積大小而分離；膜的制造方法、結構和操作方式都類似。微濾、超濾、納濾、反滲透區(qū)別： 膜孔徑：微濾0.1-10m超濾0.01-0.1納濾0.001-0.01m反滲透小于0.001m 分離粒子：微濾截留固體懸浮粒子，固液分離過程；超濾、納濾、反滲透為分子級水平的分離；分理機理：微濾、超濾和納濾為截留機理，篩分作用；反滲透機理是滲透現(xiàn)象的逆過程：壓差：微濾、超濾和納濾壓力差不需很大0.1-0.6MPa30,簡述電滲析膜分離的基本原理。利用待分離分子的荷點性質和分子大小的差別，以外電場電位差為推動力，利用離子交換膜的選擇透過性，從溶液中脫除或富集電解質的膜分離操作；電滲析器主

16、要組成部分是離子交換膜。分為陽膜，陰膜。陽膜只充許陽離子通過而陰離子被阻擋；陰膜只充許陰離子通過而陽離子被阻擋。31,結晶操作的原理是什么？結晶是指溶質自動從過飽和溶液中析出，形成新相的過程，這一過程包括：a）溶質分子凝聚成固體b）分子有規(guī)律地排列在一定晶格中這一過程與表面分子化學鍵力變化有關；因此，結晶過程是一個表面化學反應過程。32,飽和溶液和過飽和溶液的概念飽和溶液：當溶液中溶質濃度等于該溶質在同等條件下的飽和溶解度時，該溶液稱為飽和溶液；過飽和溶液：溶質濃度超過飽和溶解度時，該溶液稱之為過飽和溶液；（溶質只有在過飽和溶液中才能析出）33,結晶的一般步驟是什么？過飽和溶液的形成；晶核的形

17、成；晶體生長34,過飽和溶液形成的方法有哪些？熱飽和溶液冷卻（等溶劑結晶）：適用于溶解度隨溫度升高而增加的體系，同時，溶解度隨溫度變化的幅度要適中；自然冷卻、間壁冷卻（冷卻劑與溶液隔開）、直接接觸冷卻（在溶液中通入冷卻劑）部分溶劑蒸發(fā)法（等溫結晶法）：適用于溶解度隨溫度降低變化不大的體系，或隨溫度升高溶解度降低的體系;加壓、減壓或常壓蒸儲真空蒸發(fā)冷卻法- 使溶劑在真空下迅速蒸發(fā)，并結合絕熱冷卻，是結合冷卻和部分溶劑蒸發(fā)兩種方法的一種結晶方法。- 設備簡單、操作穩(wěn)定化學反應結晶- 加入反應劑產生新物質，當該新物質的溶解度超過飽和溶解度時，即有晶體析出，該方法的實質是利用化學反應，對待結晶的物質進

18、行修飾，- 調節(jié)pH值，改變溶質溶解特性而析出鹽析法- 加入某些物質，使溶質的溶解度降低而析出35,繪制飽和溫度曲線和過飽和溫度曲線，并標明穩(wěn)定區(qū)、亞穩(wěn)定區(qū)和不穩(wěn)定區(qū)。T溫度圖10,11飽和曲線與過飽和曲線36,常用的工業(yè)起晶方法有哪些？自然起晶法：溶劑蒸發(fā)進入不穩(wěn)定區(qū)形成晶核、當產生一定量的晶種后，加入稀溶液使溶液濃度降至亞穩(wěn)定區(qū)，新的晶種不再產生，溶質在晶種表面生長。刺激起晶法：將溶液蒸發(fā)至亞穩(wěn)定區(qū)后，冷卻，進入不穩(wěn)定區(qū)，形成一定量的晶核，此時溶液的濃度會有所降低，進入并穩(wěn)定在亞穩(wěn)定的養(yǎng)晶區(qū)使晶體生長。晶種起晶法：將溶液蒸發(fā)后冷卻至亞穩(wěn)定區(qū)的較低濃度，加入一定量和一定大小的晶種，使溶質在晶

19、種表面生長。37,重結晶的概念重結晶是利用雜質和結晶物質在不同溶劑和不同溫度下的溶解度不同，將晶體用合適的溶劑再次結晶，以獲得高純度的晶體的操作。38,干燥的概念用熱能加熱物料，使物料中水分蒸發(fā)而干燥或者用冷凍法使水分結冰后升華而除去的單元操作；39,干燥的基本流程40,物料中所含水分的種類有哪些？平衡水分和自由水分的概念按照物料與水分的結合方式可分為以下三類：化學結合水：分與物料的離子型結合和結晶型分子結合（結晶水），結晶水的脫除必將引起晶體的崩潰；物化結合水：包括吸附、滲透和結構水分，其中吸附水分結合力最強；機械結合水：毛細管水、濕潤水分、孔隙水份按照物料中水分去除難易程度分類：結合水（包

20、括細胞含水、纖維束含水以及毛細管水）較難以除去；非結合水（物料表面的濕潤水分和孔隙水份）較容易除去平衡水分：當一種物料與一定溫度及濕度的空氣接觸時，物料勢必會放出或吸收一定量的水分，物料的含水量會趨于一定值。此時，物料的含水量稱為該空氣狀態(tài)下的平衡水分。平衡水分代表物料在一定空氣狀態(tài)下的干燥極限，即用熱空氣干燥法，平衡水分是不能去除的。自由水分：在干燥過程中能夠除去的水分，是物料中超出平衡水分的部分41, 了解干燥曲線，并結合干燥速率曲線說明恒速干燥階段和降速干燥階段的特點（干燥時間）CBMA口.x.X.圖11.2-2干燥速率曲線恒速干燥階段：濕物料表面為非結合水所濕潤，物料表面溫度是該空氣狀

21、態(tài)下的濕球溫度；此時，傳熱推動力（溫度差）以及傳質推動力（飽和蒸汽壓差）是一個定值;因此，干燥速率也是一個定值；實際上，該階段的干燥速率決定于物料表面水分汽化的速率、決定于水蒸氣通過干燥表面擴散到氣相主體的速率。因此，又稱為表面汽化控制階段。此時的干燥速率幾乎等于純水的汽化速度，和物料濕含量、物料類別無關；影響因子主要有：空氣流速、空氣濕度、空氣溫度等外部條件。降速干燥階段：物料濕含量降至臨界點以后，便進入降速干燥階段。在降速干燥階段，非結合水以及被蒸發(fā)，繼續(xù)進行干燥，只能蒸發(fā)結合水。結合水的蒸氣壓恒低于同溫下純水的飽和蒸汽壓，傳質、傳熱推動力逐漸減小，干燥速率隨之降低；干燥空氣的剩余能量被用于加熱物料表面，物料表面溫度逐漸升高，局部干燥。在這一階段，干燥速率取決于水分和蒸汽在物料內部的擴散速度。因此，亦稱為內部擴散控制階段，與外部條件關系不大。主要影響因素為物料結構、形狀和大小42，干燥設備選型的原則是什么？被干燥物料的性質：濕物料的物理特性、干物料的物理特性、腐蝕性、毒性、可