生物分離工程全考點(diǎn)復(fù)習(xí)資料全套

生物分離工程全考點(diǎn)復(fù)習(xí)資料全套第一講緒論2學(xué)時(shí)一、通過本章學(xué)習(xí)應(yīng)該掌握的內(nèi)容1、何謂生物分離工程2、生物分離工程的歷史及其應(yīng)用3、生物分離工程在生物技術(shù)中的地位？4、生物分離工程的特點(diǎn)5、生物分離工程可分為幾大部分，分別包括哪些單元操作？6、在設(shè)計(jì)下游分離過程前，必須考慮哪些問題方能確保我們所設(shè)計(jì)的工藝過程最為經(jīng)濟(jì)、可靠？二、生物分離工程的發(fā)展歷史1、概念：從微生物、動(dòng)植物細(xì)胞及其生物化學(xué)產(chǎn)品中提取有用物質(zhì)的技術(shù)2、生物分離工程的發(fā)展歷史已經(jīng)有幾百年的歷史了——最早的分離技術(shù)有蒸餾、過濾等原始方法三、ThepositionofBioseparationinBiotechnology（生物分離在生物技術(shù)中所占位置）Bybiotechnology,wemeantheuseofcarefullyculturedmicroorganisms,animalcells,andplantcellstoproduceproductsusefultohumans.（所謂生物技術(shù)就是指利用培養(yǎng)微生物、動(dòng)物細(xì)胞、植物細(xì)胞來生產(chǎn)對(duì)人有用的產(chǎn)品。）Bythisdefinition,biotechnologyisasoldashistory,fortheearliestknowndocument(4228BC)includesadescriptionofbrewingBread;cheese,andyogurtareotherearlyexamplesofproductwhichdependonbiotechnology.（按上述定義，早在公元前4228年就有了應(yīng)用生物技術(shù)釀酒、制奶酪等的記載。）Today,werestrictbiotechnologylargelytothoseareaswherechemicallydefinedspeciesareproduced.Underthismorerestricteddefinition,biotechnologyisabout100yearold.（狹義生物技術(shù)的產(chǎn)物僅為化學(xué)產(chǎn)品，約有100年的歷史。）Effectivewaystogetusefulproducts（獲得產(chǎn)品的有效途徑）（1）Rawmaterials（原料）（2）pretreatments（預(yù)處理）（3）bioreactions（生物反應(yīng)）（4）bioseparations（生物分離）（5）products（產(chǎn)品工程）四、生物分離的應(yīng)用1、醫(yī)藥：抗生素、激素、維生素2、食品：乳酪3、化工：氨基酸4、精細(xì)化工：化妝品、香料5、農(nóng)業(yè)：手性農(nóng)藥6、生物：酶五、生物分離過程的特點(diǎn)1、產(chǎn)品豐富2、Achiefcharacteristicofbiotechnologyisthetremendousvarietyofproductswhichareproduced.

Thisdiversityofproductsspawnsthebroadspectrumofseparationmethodsused.（產(chǎn)品的多樣性導(dǎo)致分離方法的多樣性）2、mostbioseparationmethodscomefromchemicalseparations（絕大多數(shù)生物分離方法來源于化學(xué)分離）3、Bioseparationsaremoredifficultthanchemicalseparations.（生物分離一般比化工分離難度大）（1）Complexcomponents（成分復(fù)雜）（2）Desiredproductsindilutesuspension（懸液中的目標(biāo)產(chǎn)物濃度低）青霉素含量為3.6％，慶大霉素為0.2％，胰島素僅為0.001％（3）Biologicalactivity（生物活性）條件相對(duì)溫和（4）Biologicalproductsrequirehighquality（生物產(chǎn)品要求高質(zhì)量）（5）Gethighlypurifieddryproducts（獲得高純度的干燥產(chǎn)品）（6）Sanitation（衛(wèi)生）因此，生物分離過程往往成本很高，在某些產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，分離成本可能占到總成本的80％以上Thustherecoveryandthepurificationprocessesmustbewellconceivedandwelldesigned.（因此必須仔細(xì)考慮和設(shè)計(jì)產(chǎn)品的回收和純化過程）Wehavefoundthatourowndesignshavebeenimprovedbyansweringthefollowingquestions:（設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮下列問題）（1）Whatisthevalueoftheproduct?（產(chǎn)品價(jià)值）（2）Whatisanacceptableproductquality?（產(chǎn)品質(zhì)量）（3）Whereistheproductineachprocessstream?（產(chǎn)物在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的位置）（4）Wherearetheimpuritiesineachprocessstream?（雜質(zhì)在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的位置）（5）Whataretheunusualphysicochemicalpropertiesoftheproductandtheprincipalimpurities?（主要雜質(zhì)獨(dú)特的物化性質(zhì)是什么？）（6）Whataretheeconomicsofvariousalternativeseparations?（不同分離方法的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較）Carefulconsiderationofthesequestionscanprovidecluesthatwillleadtooptimalprocessesfortherecoveryofproductsofadequatequalitycoupledwithhighrecoveryandminimumeffort.（上述問題的考慮將有助于優(yōu)質(zhì)、高效產(chǎn)物分離過程的優(yōu)化）六、生物分離的一般步驟Fromourexperience,wefindthatmostbioseparationshavefoursimilarsteps:（生物分離一般分四步）1、不溶物的去除（固液分離）Removalofinsolublesfiltration、centrifugation、celldisruption(necessarywhenthedesiredproductisintracellular.)Relativelylittleproductconcentrationorimprovementofproductqualityoccurs.（提高產(chǎn)物濃度和質(zhì)量）2、雜質(zhì)粗分（濃縮）adsorption-ion-exchang（離子交換吸附）extraction（萃取）solventextraction（溶劑萃?。﹔eversedmicelleextraction（反微團(tuán)萃?。﹕upercriticalfluidextraction（超臨界流體萃取）aqueousphaseextraction（雙水相萃?。㏕hesesteps,whicharerelativelynonspecific,removematerialsofwidelydivergentpropertiescomparedtothedesiredproduct.（以上分離過程不具備特異性，只是進(jìn)行初分）Appreciableconcentrationandproductqualityincreasesusuallyoccur.（可提高產(chǎn)物濃度和質(zhì)量）3、純化chromatography（色譜）electrophoresis（電泳）precipitation（沉淀）Theseprocessingtechnologyarehighlyselectivefortheproductandremoveimpuritiesofsimilarchemicalfunctionalityandphysicalproperties.（以上技術(shù)具有產(chǎn)物的高選擇性和雜質(zhì)的去除性）4、精制crystallization（結(jié)晶）drying（干燥）七、本章作業(yè)1、生物分離工程在生物技術(shù)中的地位？

2、生物分離工程的特點(diǎn)是什么？3、生物分離工程可分為幾大部分，分別包括哪些單元操作？

4、在設(shè)計(jì)下游分離過程前，必須考慮哪些問題方能確保我們所設(shè)計(jì)的工藝過程最為經(jīng)濟(jì)、可靠？第二講過濾2學(xué)時(shí)一、通過本章學(xué)習(xí)應(yīng)掌握的內(nèi)容1、何謂過濾2、過濾的基本形式3、凝聚和絮凝的區(qū)別4、常用的絮凝劑有哪些5、過濾設(shè)備分類6、常用過濾設(shè)備及其特點(diǎn)二、過濾的基本概念過濾是在某一支撐物上放過濾介質(zhì)，注入含固體顆粒的溶液，使液體通過，固體顆粒留下，是固液分離的常用方法之一。Filtrationseparatessolidfromaliquidbyforcingtheliquidthroughasolidsupportorfiltermedium.Thisisastraightforwardprocedureforwelldefinedcrystals.三、過濾前物料的前處理Howeverthesmallsizeofmicroorganismsmakefiltrationoffermentationbeersorotherbiologicalsolutionsconsiderablymorecomplicated.Generally,fermentationbeersandotherbiologicalsolutionsarenotoriouslyhardtofilter.Theyareoftenhardtofilterbecauseofhighnon-Newtonianviscosityorhighlycompressiblecakes.Thatistosay,wemustmodifiedtheseproceduresforbio-separations.通常發(fā)酵液和生物溶液是高粘度的和非牛頓流體，是很難過濾的，為了加快過濾速度，通?？刹捎靡韵路椒ǎ?、加熱（Heating）——降低液體粘度2、凝聚和絮凝（Coagulationandflocculation）——在電介質(zhì)作用下，破壞溶質(zhì)膠體顆粒表面的雙電層，破壞膠體系統(tǒng)的分散狀態(tài)，使膠體粒子聚集的過程四、影響凝聚作用的主要因素Simpleelectrolytesactbyscreeningtheelectrostaticrepulsion,whichcommonlyexistsbetweencolloidalparticles.Whenthiselectrostaticrepulsionisreduced,attractiveLondon-vanderwaalsforcespredominate.Thecolloidscanthencoagulateaslarger,denseparticleswhicharemoreeasilyfiltered.(簡單電解質(zhì)降低膠體間的排斥力。從而范德華引力起主導(dǎo)作用，聚合成較大的膠粒，粒子的密度越大，越易分離。)1、無機(jī)鹽的種類2、無機(jī)鹽的化合價(jià)3、無機(jī)鹽的用量常用的凝聚劑有：Al2(SO4)3.18(H2O)，AlCl3.6(H2O)，F(xiàn)eCl3，ZnSO4，MgCO3五、絮凝作用(Flocculation)概念：指在某些高分子絮凝劑存在下，在懸浮粒子之間發(fā)生架橋作用而使膠粒形成粗大的絮凝團(tuán)的過程Syntheticpolyelectrolytesaddedaspretreatmentscanbothreduceelectrostaticrepulsionandadsorbonadjacentparticles,formingbridgesbetweenthem.Asaresult,thecolloidalparticlesflocculateaslarge,lessdenseaggregateswhicharemoreeasilyfiltered.Thesepolyelectrolytescanbeanionic,cationicornonionic.（合成助濾劑既降低靜電斥力又吸附周圍的微粒，形成橋架作用。膠粒過大，就發(fā)生絮凝，低密度聚合的膠粒，容易過濾。聚合電解質(zhì)有陽離子型、陰離子型或非離子型。六、常用的絮凝劑1、天然聚合物多糖類物質(zhì)、海藻酸鈉、明膠等2、人工合成聚合物聚丙烯酰胺類衍生物、聚苯乙烯類衍生物、聚丙烯酸類等七、助濾劑1、目的：助濾劑是一種具有特殊性能的細(xì)粉或纖維，它能使某些難以過濾的物料變得容易過濾2、常用的助濾劑：硅藻土（Diatomaceousearths）珍珠巖（Perlites）八、GeneralTheoryforFiltrationFluidmechanicsforfiltrationDarcy’slaw（Darcy方程）forincompressiblecake,simplestcase（適用于不可壓縮和簡單的可壓縮濾餅）forcompressiblecake,commonforbio-separations（普遍使用于生物分離過程。）1、Darcy’slaw（達(dá)西定律）?V=k△P/μl(2.1)?whereV－velocityoftheliquid?k—proportionalityconstant(usuallycalledtheDarcy’slawpermeabilityofthebed)（K比例常數(shù),過濾床滲透性的達(dá)西方程參數(shù)））△P－thepressuredropacrossthebedofthickness（壓降）μ－viscosityoftheliquid（流體粘度）*當(dāng)Re<5時(shí)達(dá)西定律才成立?Forbatchfiltrationthevelocityis（板框式過濾流速方程）?V=(1/A)*dV/dt(2.2)A－filtrationarea（過濾面積）V－thetotalvolumeoffiltration（濾液總體積）t－thefiltrationtime（過濾時(shí)間）?有l(wèi)/k=Rm+Rc（2.3）Rm——theresistanceofthefiltermediumRM（過濾介質(zhì)的阻力）Rc——theresistanceofaccumulatecakebio-mass（濾餅的阻力）2、IncompressibleCakes（不可壓縮濾餅）Ifthecakeisincompressible(rigid),thecakethicknessisdirectlyproportionaltothefilterarea.（不可壓縮濾餅厚度正比于過濾的體積）

Asaresultthecake’sresistanceRcisRc=αρo(V/A)(2.4)?whereα－representsthespecificcakeresistance（濾餅的阻力特性）ρo－themassofcakesolidspervolumeoffiltrate（單位體積濾液含固體濾餅量）3、Compressiblecake（可壓縮的濾餅）Almostallcakesformedofbiologicalmaterialsarecompressible,andsocannotbedescribedwiththesimpleequationjustoutlined.Asthesecakescompress,filtrationratesdrop.（大多數(shù)生物濾餅都可壓縮，不能僅用作圖法描述，濾餅可壓縮，則過濾速度降低）?α=α’(△P)s?Whereα’－aconstantrelatedlargelytothesize&shapeoftheparticlesformingthecake.（α’與粒子大小和形狀相關(guān)）S－thecakecompressibility（s是壓縮系數(shù)）S=0arigid&highlyincompressiblecake（理想的不可壓縮s=0）S=1ahighlycompressiblecake（高度可壓縮s=1）S=0.1-0.8inpractice（變化范圍從0到1）ValuesofS&α’aremosteasilydeterminedbyplottingthelogarithmofαversusthelogarithmof△Passhowninfig.(2.1)（計(jì)算s和α’可用logα對(duì)log△P作圖）九、ContinuousRotaryFilter連續(xù)旋轉(zhuǎn)式過濾機(jī)Weanalyzetheoperationoftheseunits,afiltrationcycleonthisfilterconsistsofthreechief（過濾有三步組成）1、cakeformation（濾餅的形成）2、cakewashingtoremoveeitherorunwantedsolutes（濾餅的洗滌）3、cakedischarge（濾餅的卸下）weassumethattheresistanceofthefiltermediumRmisnegligible,sothatwecanuseequation(2.5)（假設(shè)濾餅阻力不計(jì)），thebasicexpressionforfiltration(1/A)*dV/dt=△P/(μRc)initialconditionthat（初始條件是）t=0v=0Rc=αρo(V/A)=α’ρo(V/A)(△P)stf=(μαρo/(2△P1-s))*(Vf/A)tf——thecakeformationtime（濾餅形成時(shí)間）Vf——thevolumeoffiltratecollectedduringthatperiod.（濾液流量）*cakewashing（濾餅的洗滌）作用：（1）First,itdisplaysthesolution-richbrothtrappedinporesinthecake.（將濾餅內(nèi)發(fā)酵液洗出）（2）Second,itallowsdiffusionofsoluteoutofthebiomassinthecake.Suchdiffusionwillenhancerecovery,ifthedesiredproductisinthebiomass.（擴(kuò)散出生物有機(jī)體，這對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物在生物有機(jī)體很有用）八、過濾設(shè)備及其結(jié)構(gòu)過濾設(shè)備的分類根據(jù)推動(dòng)力的不同可分為四類（a）重力過濾自然過濾（b）加壓過濾板框過濾（c）真空過濾真空過濾器（d）離心過濾離心過濾器九、過濾介質(zhì)1、無定形顆粒：顆粒活性炭、沙、無煙煤2、成形顆粒：燒結(jié)金屬、燒結(jié)塑料3、非金屬織物：尼龍、玻璃纖維4、金屬織物：不銹鋼絲網(wǎng)5、無紡品：紙、石棉十、典型的過濾設(shè)備1、板框壓濾機(jī)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、過濾面積大、操作壓力高、適用范圍廣缺點(diǎn)：設(shè)備笨重、間歇操作、勞動(dòng)強(qiáng)度大、輔助時(shí)間長2、旋轉(zhuǎn)過濾機(jī)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)操作十一、本章作業(yè)1、何謂過濾2、過濾的基本形式3、凝聚和絮凝的區(qū)別4、常用的絮凝劑有哪些5、過濾設(shè)備分類6、常用過濾設(shè)備及其特點(diǎn)第三講離心與沉降2學(xué)時(shí)一、通過本章學(xué)習(xí)應(yīng)該掌握的內(nèi)容1、何謂沉降2、沉降與離心的異同3、沉降與離心的速度方程4、離心設(shè)備可分為哪兩大類5、常用的離心沉降設(shè)備有哪些6、常用的離心過濾設(shè)備有哪些二、離心的概念Thefirststepinmostindustrialbioseparationsistheremovalofinsolublesolidsfromthefermentationbeer.Theconcentrationandsizeoftheseinsolublesvarieswidely.（生物分離首先去除不溶物）Thesizerangesfrommicroorganismsofperhaps1umdiameteruptoinsolublenutrientscharacteristically1mmindiameter（粒徑從1um的到1mm）Whentheseinsolublesaredilute,large&rigid,theycanbeeasilyseparatedbyfiltration.Inthepreviouschapter,wedescribedfiltration,includingtheuseoffilteraids.Formanybeers,thesefilteraidsfacilitatefiltration.Forotherbeers,filteraidsareineffective.（不溶物濃度小，粒徑大，硬度強(qiáng)時(shí)用過濾分離。使助濾劑過濾分離，對(duì)一些發(fā)酵液很有用）Whenthebeersarenoteasilyfiltered,theysometimescanbeseparatedbycentrifugation,whichisthesubjectofthischapter.（不易過濾可用離心）Centrifugationrequiresmoreexpensiveequipmentthanfiltration.However,itisofteneffectivewayevenwhenthesolidparticlesaresmall&hencehardtofilter.基于固體顆粒和周圍液體密度存在的差異，在離心場中使不同密度的固體顆粒加速沉降的分離過程實(shí)際上離心和過濾一樣，也是固液分離的一種單元操作對(duì)于一些固體顆粒小、溶液粘度大的生物體系，過濾實(shí)際上是很難進(jìn)行的，必須采用離心技術(shù)方能達(dá)到目的三、沉降的概念沉降：是指當(dāng)懸浮液靜置時(shí)，密度較大的固體顆粒在重力的作用下逐漸下沉，這一過程成為沉降沉降過程通常是十分緩慢的，對(duì)于一些固液密度差異很小的體系沉降往往需要很長時(shí)間四、沉降速率方程Whenasolidparticlemovesthroughaninfinitecontinuum,itsvelocityisaffectedbytwoforces.當(dāng)一固體微粒通過連續(xù)介質(zhì)時(shí)，它的運(yùn)動(dòng)速度受到兩種力的作用：1、由于密度差引起的浮力2、微粒受到的流體阻力當(dāng)浮力與阻力達(dá)到平衡時(shí)，該微粒以恒定的速度沉降聯(lián)立二式可得沉降速率方程：五、重力沉降式液固分離設(shè)備1、特點(diǎn)：設(shè)備簡單、運(yùn)行成本低、能耗低體積龐大、分離效率低2、傳統(tǒng)的沉降設(shè)備：（a）矩形水平流動(dòng)池（b）圓形徑向流動(dòng)池（c）斜板與斜管式沉淀池六、離心式沉降分離1、分類：（a）離心沉降（b）離心過濾2、離心沉降利用懸浮液或乳濁液中密度不同的組分在離心力場中迅速沉降分層，實(shí)現(xiàn)固液分離操作方式：間歇式、連續(xù)式型式：管式、套筒、碟片式（1）管式離心機(jī)（Tubularbowl）Simpleyet,canprovideaveryhighcentrifugalforce.（最簡單，可提供較大離心力）Tubularcentrifugescanbecool,arealadvantageinproteinwork.（可用冷卻水冷卻），Suspensionisusuallyfedthroughbottom,andclarifiedliquidisremovedfromthetop.（懸浮液由管底進(jìn)，澄清液由管口流出）離心過程分析：Tobeginthisanalysis,assumethatthistypicalparticleislocatedat(1)AdistanceZfromthebottomofthecentrifugeasshowinFig3.2.1.(2)Locatedatpositionrfromtheaxisofrotation.（離旋轉(zhuǎn)軸為r的微粒）(3)ThispositionisbetweentheliquidsurfaceR1&thebowlradiusR0.（位于液體界面半徑r1和管心半徑r0的微粒）TheparticleismovinginboththeZ&rdirections.ItsmovementintheZdirectioncomesfromconvectionofthefeedpumpedinthebottomofthecentrifuge:（Z方向的動(dòng)力來源于離心機(jī)底部泵入料液的對(duì)流）dz/dt=Q/[π(R02-R12)](3.8)WhereQisthefeedflow.（料液流速）Theeq(3.8)impliesthatgravityhasonlyanegligibleeffectintheZdirection.（Z方向重力可忽略）WewillassumethatthecentrifugalforceissohighthattheliquidinterfaceR1isconstant,independentofZ.（假定離心力很大，R1是常數(shù)）Theparticlemovementintherdirectionisrelatedtoitsradialpositionrby(3.7).（r方向上運(yùn)動(dòng)與半徑r有關(guān)）dr/dt=d2(ρs-ρ)rω2/(18μ)(3.9)Wewillrewritethiseq.Intermsofthevelocityofaparticlesettlingundertheinfluenceofgravity:dr/dt=νg(rω2/g)(3.10)WhereνgisvelocitygivenbyEq.(3.6).Wecombine(3.8)&(3.9)tofindthetrajectoryofaparticlewithinthecentrifuge:（得出離心機(jī)內(nèi)部微粒的運(yùn)動(dòng)軌跡）dr/dz=(dr/dt)/(dz/dt)=νg(rω2/g)π(R02-R12)/Q(3.11)（2）碟片式離心機(jī)（Disctypecentrifuge.）dx/dt=ν0-νcsinθ(3.15)ν0=[Q/(2πrln)]f(y)（3.16）nthenumberofdiscs（蝶片數(shù)）rthedistancefromtheaxisofrotation（微粒與轉(zhuǎn)鼓軸線間距離）lthedistancebetweendisccf(y)somefunctiongivingthevelocityvariationacrossthedistancebetweendiscs.（蝶片間流速變化的函數(shù)）3、離心過濾使懸浮液在離心力場作用下產(chǎn)生的離心力壓力，作用在過濾介質(zhì)上，使液體通過過濾介質(zhì)成為濾液，而固體顆粒被截留在過濾介質(zhì)表面，從而實(shí)現(xiàn)固液分離，是離心與過濾單元操作的集成，分離效率更高Thisisthethird,centrifugalfiltration;thebasketunitshowninfig3.2-1d.isreallyacombinationofacentrifuge&afilter.Itconsistsofaperforatedbaskedwhichrotatesrapidly.Suspensionisagainfedalongtheaxisofthebowl&solidaccumulateonthewallofthebasket.WebegintheanalysisbyrecallingthatthepressuredropΔpinaflatcakeisproportionaltothefluidvelocityvthroughthatcake:

(根據(jù)過濾壓差Δp和流體通過濾餅的速度成正比)有：Δp/l=(μαρ0)ν(3.25)Wherelthethicknessofthecake(式中l(wèi)-濾餅的厚度)μthefluidvelocity(u-料液的粘度)αthespecificresistanceofthecake(a－濾餅的比阻力)ρ0themassofsolidpervolumeofliquidfeed(ρ0－單位體積料液所含的濾渣量)-dp/dr=(μαρ0)ν(3.26)2πrlυ=Q(3.27)由（3.26）和（3.27）-dp/dr=μαρ0Q/(2πrl)(3.28)4、常見的離心過濾設(shè)備（a）三足式離心機(jī)是最常見的過濾式離心機(jī)，立式有孔轉(zhuǎn)鼓懸掛于三根支足上故而得名（b）臥式刮刀離心機(jī)可連續(xù)生產(chǎn)，使用效率更高，功率消耗?。╟）螺旋卸料離心機(jī)主要用于需耐壓的場合，具較高的分散因數(shù)七、本章作業(yè)1、何謂沉降2、沉降與離心的異同3、沉降與離心的速度方程4、離心設(shè)備可分為哪兩大類5、常用的離心沉降設(shè)備有哪些6、常用的離心過濾設(shè)備有哪些第四講細(xì)胞破碎2學(xué)時(shí)一、通過本章學(xué)習(xí)應(yīng)掌握的內(nèi)容1、細(xì)胞破碎的意義2、常用的細(xì)胞破碎方法3、滲透壓計(jì)算方法4、了解機(jī)械破碎法所用設(shè)備5、滲透壓的計(jì)算二、細(xì)胞破碎的目的Insomecases,theproductsofinterestarenotinthebrothbutareinthebiomass.Inparticular,mostproteinsproducedinquantitybygeneticallymanipulatedbacteriaarenotexcretedintothebroth,butareprecipitatedwithinthecell.Lipidsandsomeantibioticsarealsotrappedinthebiomass.Inafewcases,likebaker’syeast,thedesiredproductisthecellmassitself.Inafewothers,desiredproductslikesteroidscanbeextractedwithoutrupturingthecells.Inmanycases,theproductistrappedinthebiomass:Itisintracellular.Releasingthistrappedmaterialusuallyinvolvesrupturingthecellwall,andisthesubjectofthisshortchapter.Themethodsofcellrupturehavelargelybeendevelopedinbiochemistry,andhenceareofsmallscale.Theirapplicationtothelargerscaleoperationsimpliedbygeneticengineeringisspeculative.Theequipmentwhichisusedisnotdesignedforbiotechnology.Someequipmentisborrowedfromthedairyindustry,whereitwasdevelopedforthehomogenizationofmilk;otherequipmentistakenfromthepaintindustry,whereitisusedforthesizereductionofpigments.由于有許多生化物質(zhì)存在于細(xì)胞內(nèi)部，必須在純化以前將細(xì)胞破碎，使胞內(nèi)物質(zhì)釋放到液相中，然后方可進(jìn)行提取三、細(xì)胞膜Atthispoint,wepausebrieflytoexplorethephysicalstructureofmicrobialmembranesandthecomplexityoftheproblemswhichweface.Atpresent,knowledgeofthisgeneralstructuredoesnotprovideadirectguidetomethodsofcellrupture.Inthefuture,itmay.Asaresult,wefeelthatasynopsishasmerit.Inthissynopsis,weemphasizeGram-negativeprocaryotes.本節(jié)主要探尋細(xì)胞膜的物質(zhì)結(jié)構(gòu)及我們所面對(duì)的幾個(gè)復(fù)雜問題?，F(xiàn)在所有的關(guān)于細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)，并不能為細(xì)胞破碎方法提供基本的引導(dǎo)。也許將來可以。正因如此，對(duì)此進(jìn)行提綱切領(lǐng)的介紹很有必要。主要強(qiáng)調(diào)的是革蘭氏陰性原核生物。其細(xì)胞結(jié)構(gòu)中沒有細(xì)胞核：基因物質(zhì)位于單鏈DNA上。典型的生物是大腸桿菌，是生物技術(shù)研究的主體。通過這種細(xì)胞生產(chǎn)了很多細(xì)胞重組的產(chǎn)物三、細(xì)胞破碎的主要方法1、化學(xué)法ThechemicalmethodsofcellrupturelistedinTable4.0-1aredominatedbyosmoticshock,detergentso1ubilization,andlipiddissolution.Thesethreemethodsaredescribedinthefollowingparagraphs.Beforethisdescription,wewanttogivesomebriefgeneralizationsabouttheothertwomethods:enzymedigestionandalkalitreatment.滲透沖擊：無論動(dòng)物還是植物細(xì)胞，胞內(nèi)物質(zhì)都是由膜組織包裹起來的，因此，破壞細(xì)胞膜系統(tǒng)是胞內(nèi)物質(zhì)釋放的關(guān)鍵步驟通常細(xì)胞膜系統(tǒng)強(qiáng)度較差，易受滲透壓沖擊而破碎Thesimplestofthethreemajorchemicalmethodsisosmoticshock.Thisisnothingmorethandumpingagivenvolumeofcellsintopurewater-oftenabouttwicethevolumeofcells.Thecellsswellbecausetheycontainsoluteswhichcauseanosmoticflowofwaterintothecells.Insomecases,theyswellsomuchthattheyburst.Theircontents,releasedintothesurroundingsolution,cannowbeseparatedusingthemethodsinfollowingchapters.（最簡單的是滲透沖擊法。此法將一定體積的細(xì)胞液加到2倍體積的水中，細(xì)胞中溶質(zhì)濃度高，水不斷進(jìn)入細(xì)胞，使細(xì)胞膨脹，最后導(dǎo)致破裂。細(xì)胞破裂后釋放到周圍環(huán)境中的胞內(nèi)物可用后面章節(jié)介紹的方法分離。）滲透壓的計(jì)算方法酶消化：酶法破壞細(xì)胞膜系統(tǒng)Thedisadvantageofenzymedigestionisthecostoftheenzymeswhich.Frequentlymakesthismethodprohibitiveatalargescale.Thisisunfortunate,becausethemethodisbothgentleandselective.Itisnothingmorethanaddingtoacellsuspensionenzymeswhichreactquicklywiththecellwallsanddestroythem.Becausetheenzymesselectivelycatalyzethesecellwallreactions,theyreactonlysparinglywithothersoluteswithinthecell（酶消化法的缺點(diǎn)在于酶的消耗限制了在大規(guī)模生產(chǎn)中的使用，雖然條件溫和、具有選擇性。細(xì)胞懸浮液中加入酶能迅速和細(xì)胞壁反應(yīng)并破壞它們。酶選擇性的催化細(xì)胞壁反應(yīng)，不破壞細(xì)胞內(nèi)的其它物質(zhì)。）增溶：利用表面活性劑的增溶作用，將體積為細(xì)胞體積2倍的某濃度的表面活性劑溶液加入到細(xì)胞中去，表面活性劑能將細(xì)胞破碎，制成的懸浮液可通過離心分離除去細(xì)胞碎片Thesecondmajormethodofchemicallyrupturingcellsissolubilizationbydetergents.Typically,aconcentrateddetergentsolutionisaddedtoabouthalfthesolution’svolumeofcells.Thedetergentdisruptsthecellmem-brane.Theresultingsuspensioncanbecentrifugedtoremovecellfrag-ments,andthenrunthroughanadsorptioncolumnoranextractortoisolatetheproduct.(最典型的是將體積為細(xì)胞體積兩倍的某濃度的表面活性劑加入到細(xì)胞中。表面活性劑能將細(xì)胞壁破碎，制成的懸浮液可用離心分離除去細(xì)胞碎片，再用吸附柱或萃取劑分離制得產(chǎn)品。)脂溶：在細(xì)胞懸浮液中加入一定量的有機(jī)溶劑，細(xì)胞壁脂質(zhì)層吸收后，導(dǎo)致胞壁膨脹，最后裂開，細(xì)胞質(zhì)中的物質(zhì)就釋放到周圍溶液中了堿處理：Alkalitreatmentistheantithesisofenzymedigestion,foritisharshratherthangentle,nonselectiveratherthanspecific,andcheapratherthanexpensive.Alkaliaddedtoacellsuspensionreactswiththecellwallsinanumberofways,includingthesaponificationoflipidsinthecellwalls.(堿處理法和酶消化法相反，反應(yīng)激烈，不具選擇性，而且較便宜。堿加入細(xì)胞懸浮液中后和細(xì)胞壁進(jìn)行了多種反應(yīng)，包括使磷脂皂化。)2、械法勻漿法研磨法超聲波法：利用頻率高、波長短的超聲波進(jìn)行細(xì)胞破碎，效率更高球磨破碎法3、其它破碎方法凍結(jié)－融化法（亦稱凍融法）干燥法四、本章作業(yè)1、簡述細(xì)胞破碎的意義2、細(xì)胞破碎方法的大致分類3、滲透壓的計(jì)算方法第五講萃取6學(xué)時(shí)一、通過本章學(xué)習(xí)因掌握以下內(nèi)容：1、什么是萃取過程？2、萃取平衡的條件？3、液－液萃取的分類？4、常見物理萃取體系由那些構(gòu)成要素？5、何謂萃取的分配系數(shù)？其影響因素有哪些？6、掌握多級(jí)萃取萃取級(jí)數(shù)的計(jì)算方法。7、萃取設(shè)備的選擇方法8、何謂超臨界流體萃??？其特點(diǎn)有哪些？9、何謂雙水相萃取?常見的雙水相構(gòu)成體系有哪些？10、反膠團(tuán)的構(gòu)成以及反膠團(tuán)萃取的基本原理11、反應(yīng)萃取的基本原理二、萃取過程利用在兩個(gè)互不相溶的液相中各種組分（包括目的產(chǎn)物）溶解度的不同，從而達(dá)到分離的目的物理萃取、化學(xué)萃取三、物理萃取利用溶劑對(duì)需分離組分有較高的溶解能力，分離過程純屬物理過程溶質(zhì)：被萃取的物質(zhì)原溶劑：原先溶解溶質(zhì)的溶劑萃取劑：加入的第三組分萃取劑選擇原則：使溶質(zhì)在萃取相中有最大的溶解度1、分配系數(shù)：衡量萃取體系是否合理的重要參數(shù)X/Y2、萃取分離的基本方程由物化理論可知：萃取操作達(dá)到平衡時(shí)，溶質(zhì)在輕相和重相中的化學(xué)勢(shì)相等。即由上式可知，分配系數(shù)的對(duì)數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的化學(xué)勢(shì)的差值有關(guān)因此，要提高溶質(zhì)的分配系數(shù)，必須提高標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，其在重相與輕相的化學(xué)勢(shì)之差。可以采取的方法有：（a）改變?nèi)軇╞）改變?nèi)苜|(zhì)的特性l生成有用離子對(duì)－－可溶于萃取劑的離子對(duì)將強(qiáng)酸弱堿鹽或強(qiáng)堿弱酸鹽生成弱酸弱堿鹽l通過改變?cè)軇┲械膒H值，改變?nèi)苜|(zhì)的解離3、單級(jí)萃?。菏购苜|(zhì)的溶液（h）和萃取劑（L）解出混合，靜止后分成兩層。4、多級(jí)萃?。菏枪I(yè)生產(chǎn)最常用的萃取流程分離效率高產(chǎn)品回收率高溶劑用量少5、常用的萃取設(shè)備混合－沉降器旋轉(zhuǎn)圓筒萃取塔離心萃取器填充塔噴霧塔旋轉(zhuǎn)圓盤塔四、超臨界流體萃?。⊿upercriticalFluidExtraction，SFE）1、超臨界流體：當(dāng)一種流體處于其臨界點(diǎn)的溫度和壓力之下，則稱之為超臨界流體。特點(diǎn)：（a）密度接近液體－－萃取能力強(qiáng)（b）粘度接近氣體－－傳質(zhì)性能好2、超臨界流體萃取的基本思想利用超臨界流體的特殊性質(zhì)，使其在超臨界狀態(tài)下，與待分離的物料接觸，萃取出目的產(chǎn)物，然后通過降壓或升溫的方法，使萃取物得到分離常用萃取劑：（1）極性萃取劑：乙醇、甲醇、水（難）（2）非極性萃取劑：二氧化碳（易）3、超臨界二氧化碳萃取臨界點(diǎn)：T：304.1P：73.8bar優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：臨界條件溫和設(shè)備投資大產(chǎn)品分離簡單無毒、無害不燃無腐蝕性價(jià)格便宜超臨界CO2萃取流程圖超臨界流體的應(yīng)用（1）咖啡因萃?。?）植物油：胚芽油、玉米油、γ亞麻酸（3）天然香料：杏仁油、檸檬油（4）啤酒花（5）尼古丁五、雙水相萃?。ˋqueousTwoPhase）1、概念：利用物質(zhì)在不相溶的，兩水相間分配系數(shù)的差異進(jìn)行萃取的方法2、可以構(gòu)成雙水相的體系：（1）離子型高聚物－非離子型高聚物PEG－DEXTRAN（2）高聚物－相對(duì)低分子量化合物PEG－硫酸銨3、雙水相萃取的原理依據(jù)懸浮粒子與其周圍物質(zhì)具有的復(fù)雜的相互作用：（a）氫鍵（b）電荷力（c）疏水作用（d）范德華力（e）構(gòu)象效應(yīng)4、雙水相系統(tǒng)中目標(biāo)物分配系數(shù)的影響因素（1）成相高聚物濃度－－界面張力（2）成相高聚物的相對(duì)分子量一般來說，蛋白等高分子量物質(zhì)易集中于低分子量相（3）電化學(xué)分配雙水相萃取時(shí)，蛋白質(zhì)的分配系數(shù)受離子強(qiáng)度的影響很小（4）疏水反應(yīng)（5）生物親和分配（6）溫度及其它因素5、雙水相萃取的優(yōu)點(diǎn)（1）平衡時(shí)間短、含水量高、截面張力小，特別適合于生物活性物質(zhì)的分離純化（2）操作簡便（3）易于放大六、反膠束萃?。≧eversedMicellesExtraction）膠束是表面活性劑在非極性有機(jī)溶劑中形成的一種聚集體當(dāng)表面活性劑濃度超過臨界微團(tuán)濃度時(shí)，表面活性劑會(huì)在水溶液中形成聚集體微團(tuán)和反微團(tuán)1、微團(tuán)：表面活性劑的極性頭朝外，疏水的尾部朝內(nèi)，中間形成非極性的“核”2、反微團(tuán)：表面活性劑的極性頭朝內(nèi)，疏水的尾部向外，中間形成極性的“核”3、反微團(tuán)的優(yōu)點(diǎn)（1）極性“水核”具有較強(qiáng)的溶解能力。（2）生物大分子由于具有較強(qiáng)的極性，可溶解于極性水核中，防止與外界有機(jī)溶劑接觸，減少變性作用。（3）由于“水核”的尺度效應(yīng)，可以穩(wěn)定蛋白質(zhì)的立體結(jié)構(gòu)，增加其結(jié)構(gòu)的剛性，提高其反應(yīng)性能。因此，可作為酶固定化體系，用于水不溶性底物的生物催化4、構(gòu)成反膠團(tuán)的表面活性劑種類（1）陰離子表面活性劑AOT（2）陽離子表面活性劑季銨鹽七、化學(xué)萃取1、概念：利用可與被萃目標(biāo)物發(fā)生反應(yīng)的非極性物質(zhì)作為萃取劑進(jìn)行的反應(yīng)2、絡(luò)合萃取分離有機(jī)酸（醋酸）季銨鹽叔胺3、絡(luò)合萃取體系構(gòu)成萃取劑稀釋劑八、本章作業(yè)1、什么是萃取過程？2、液－液萃取從機(jī)理上分析可分為哪兩類？3、常見物理萃取體系由那些構(gòu)成要素？4、何謂萃取的分配系數(shù)？其影響因素有哪些？5、何謂超臨界流體萃?。科涮攸c(diǎn)有哪些？6、何謂雙水相萃取?常見的雙水相構(gòu)成體系有哪些？7、反膠團(tuán)的構(gòu)成以及反膠團(tuán)萃取的基本原理第六講吸附與離子交換6學(xué)時(shí)一、通過本章學(xué)習(xí)應(yīng)掌握的問題1、什么是吸附過程？2、吸附的類型有哪些？它們是如何劃分的？3、常用的吸附劑種類有哪些？4、什么是吸附等溫線？其意義何在？5、影響吸附過程的因素有哪些？6、什么是親和吸附？其特點(diǎn)有哪些？7、常用的吸附單元操作有哪些方式？8、什么是離子交換？9、離子交換樹脂的分類？其主要的理化性質(zhì)有哪些？10、離子交換的機(jī)理是什么？11、什么是離子交換的選擇性？其選擇性受哪些因素影響？12、基本的離子交換操作是怎樣的？13、如何利用離子交換法分離蛋白質(zhì)？二、什么是吸附？（Adsorption）1、吸附是利用吸附劑對(duì)液體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的過程。2、吸附過程通常包括：待分離料液與吸附劑混合、吸附質(zhì)被吸附到吸附劑表面、料液流出、吸附質(zhì)解吸回收等四個(gè)過程。三、常見的吸附類型及其主要特點(diǎn)1、物理吸附：吸附作用力為分子間引力、無選擇性、無需高活化能、吸附層可以是單層，也可以是多層、吸附和解吸附速度通常較快。2、化學(xué)吸附：吸附作用力為化學(xué)鍵合力，需要高活化能、只能以單分子層吸附，選擇性強(qiáng)、吸附和解吸附速度較慢。四、常用吸附劑種類吸附劑通常應(yīng)具備以下特征：對(duì)被分離的物質(zhì)具有較強(qiáng)的吸附能力、有較高的吸附選擇性、機(jī)械強(qiáng)度高、再生容易、性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉。1、活性炭：是非極性吸附劑，因此在水中吸附能力大于有機(jī)溶劑中的吸附能力針對(duì)不同的物質(zhì)，活性炭的吸附規(guī)律遵循以下規(guī)律：（1）對(duì)極性基團(tuán)多的化合物的吸附力大于極性基團(tuán)少的化合物（2）對(duì)芳香族化合物的吸附能力大于脂肪族化合物;（3）對(duì)相對(duì)分子量大的化合物的吸附力大于相對(duì)分子量小的化合物;（4）pH值的影響堿性中性吸附酸性洗脫;酸性中性吸附堿性洗脫;（5）溫度未平衡前隨溫度升高而增加;2、大孔網(wǎng)狀吸附劑特點(diǎn)：脫色去臭效果理想；對(duì)有機(jī)物具有良好的選擇性；物化性質(zhì)穩(wěn)定；機(jī)械強(qiáng)度好；吸附速度快；解吸、再生容易。但價(jià)格昂貴，吸附效果易受流速以及溶質(zhì)濃度等因素的影響。大孔網(wǎng)狀吸附樹脂的種類：（1）非極性吸附樹脂：苯乙烯交聯(lián)而成，交聯(lián)劑為二乙烯苯，又稱芳香族吸附劑。（2）中等極性吸附樹脂：甲基丙烯酸酯交聯(lián)而成，交聯(lián)劑亦為甲基丙烯酸酯，故又稱脂肪族吸附劑。（3）極性吸附劑：丙烯酰胺或亞砜經(jīng)聚合而成，通常含有硫氧、酰胺、氮氧等基團(tuán)。吸附機(jī)理：非離子型共聚物，借助于范德華力從溶液中吸附各種有機(jī)物，其吸附能力與樹脂的化學(xué)結(jié)構(gòu)、物理性能以及與溶質(zhì)、溶劑的性質(zhì)有關(guān)。通常遵循以下規(guī)律：（1）非極性吸附劑可從極性溶劑中吸附非極性溶質(zhì)；（2）極性吸附劑可從非極性溶劑中吸附極性物質(zhì)；（3）中等極性吸附劑兼有以上兩種能力四、吸附等溫線概念：當(dāng)溫度一定時(shí)，吸附量與濃度之間的函數(shù)關(guān)系稱為吸附等溫線。Langmuir吸附等溫線qo和K是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，c代表溶液中溶質(zhì)濃度蛋白質(zhì)分離提純時(shí)適合此吸附方程五、影響吸附的主要因素1、吸附劑的性質(zhì)：比表面積、粒度大小、極性…2、吸附質(zhì)的性質(zhì)：對(duì)表面張力的影響，溶解度，極性，相對(duì)分子量…3、溫度：吸附是放熱過程，吸附質(zhì)的穩(wěn)定性4、溶液pH值：影響吸附質(zhì)的解離5、鹽濃度：影響復(fù)雜，要視具體情況而定六、親和吸附1、親和吸附分離是利用溶質(zhì)和吸附劑之間特殊的化學(xué)作用，從而實(shí)現(xiàn)分離。吸附劑由載體和配位體組成2、親和吸附的特點(diǎn)（a）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(zhì)。（b）分離精度高：可用于分離含量極低，結(jié)構(gòu)相近的化合物（c）但通用性較差，洗脫條件苛刻3、影響親和吸附的因素（1）配基濃度配基濃度高有利；（2）空間位阻加入“手臂鏈”以降低空間位阻的影響；（3）配基與載體的結(jié)合位點(diǎn)就蛋白質(zhì)等大分子作為配基時(shí)，與載體連接的鍵越少越好；（4）載體孔徑：孔道大?。唬?）微環(huán)境：載體或“手臂鏈”的極性、電性；七、離子交換(ionexchange)1、概念：利用離子交換樹脂作為吸附劑，將溶液中的待分離組分，依據(jù)其電荷差異，依靠庫侖力吸附在樹脂上，然后利用合適的洗脫劑將吸附質(zhì)從樹脂上洗脫下來，達(dá)到分離的目的。2、離子交換樹脂的構(gòu)成（1）具有三維空間離體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)骨架（2）聯(lián)接在骨架上的活性基團(tuán)（3）活性基團(tuán)所帶的相反電荷的活性離子（可交換離子）3、離子交換的分類按活性基團(tuán)分類，可分為陽離子交換樹脂(cationexchange)（含酸性基團(tuán)）和陰離子交換樹脂(anionexchange)（含堿性基團(tuán)）。具體又可以分為：強(qiáng)陽、弱陽和強(qiáng)陰、弱陰4、常用的離子交換樹脂（1）強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂：活性基團(tuán)是-SO3H（磺酸基）和-CH2SO3H（次甲基磺酸基）；（2）弱酸性陽離子交換樹脂：活性基團(tuán)有-COOH，-OCH2COOH，C6H5OH等弱酸性基團(tuán)；（3）強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂：活性基團(tuán)為季銨基團(tuán)，如三甲胺基或二甲基-?-羥基乙基胺基；（4）弱堿性陰離子交換樹脂：活性基團(tuán)為伯胺或仲胺，堿性較弱；5、新型離子交換樹脂（1）大孔離子交換樹脂大孔離子交換樹脂具有和大孔吸附劑相同的骨架結(jié)構(gòu)，在大孔吸附劑合成后（加入致孔劑），再引入化學(xué)功能基團(tuán)，便可得到大孔離子交換樹脂。（2）多糖基離子交換樹脂固相載體為多糖類物質(zhì)，親水性強(qiáng)、交換空間大、對(duì)生物大分子物致變性作用主要的多糖基離子交換樹脂（a）離子交換纖維素樹脂骨架為纖維素，根據(jù)活性基團(tuán)的性質(zhì)可分為陽離子交換纖維素和陰離子交換纖維素兩類。特點(diǎn)：骨架松散、親水性強(qiáng)、表面積大、交換容量大、吸附力弱、交換和洗脫條件溫和、分辨率高常用的離子交換纖維素有：甲基磺酸纖維素、羧甲基纖維素（CMC）、二乙基氨基乙基纖維素（DEAE）（b）葡聚糖凝膠離子交換樹脂骨架為葡聚糖凝膠，如sepharose、sephadex，根據(jù)功能基團(tuán)的不同，亦可分為陽離子交換和陰離子交換樹脂命名方法：交換活性基團(tuán)+骨架+原骨架編號(hào)特點(diǎn)：除了具有離子交換功能以外，兼有分子篩的功能，提高了分離的效率常用的葡聚糖凝膠離子交換樹脂：CM-sephadexC-25、DEAE-sephadexA-25等6、離子交換樹脂的理化性能（1）外觀：球形、淺色為宜，粒度大小為16~60目>90%；（2）機(jī)械強(qiáng)度：>90%；（3）含水量：0.3~0.7g/g樹脂；（4）交換容量：重量交換容量、體積交換容量、工作交換容量或稱表觀交換容量（在某一條件下）；（5）穩(wěn)定性：化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性；（6）膨脹度：交聯(lián)度、活性基團(tuán)的性質(zhì)與數(shù)量、活性離子的性質(zhì)、介質(zhì)的性質(zhì)和濃度、骨架結(jié)構(gòu)；（7）濕真密度：單位體積濕樹脂的重量；（8）孔度、孔徑、比表面積7、離子交換機(jī)理8、影響交換速度的因素（1）顆粒大?。河≡娇欤?）交聯(lián)度：交聯(lián)度小，交換速度快（3）溫度：越高越快（4）離子化合價(jià)：化合價(jià)與高，交換越快（5）離子大?。涸叫≡娇欤?）攪拌速度：在一定程度上，越大越快（7）溶液濃度：當(dāng)交換速度為外擴(kuò)散控制時(shí)，濃度越大，交換速度越快9、離子交換的選擇性離子交換常數(shù)：交換勢(shì)或交換系數(shù)10、影響離子交換選擇性的因素（1）水合離子半徑：半徑越小，親和力越大；（2）離子化合價(jià)：高價(jià)離子易于被吸附；（3）溶液pH：影響交換基團(tuán)和交換離子的解離程度，但不影響交換容量；（4）離子強(qiáng)度：越低越好；（5）有機(jī)溶劑：不利于吸附；（6）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；（7）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；11、離子交換操作方法（1）樹脂預(yù)處理物理處理：水洗、過篩，去雜，以獲得粒度均勻的樹脂顆粒；化學(xué)處理：轉(zhuǎn)型（氫型或鈉型）陽離子樹脂酸—堿—酸陰離子樹脂堿—酸—堿最后以去離子水或緩沖液平衡（2）離子交換吸附靜態(tài)：操作簡單、但是分批操作，交換不完全動(dòng)態(tài)：離子交換柱，操作連續(xù)、交換完全，適宜多組份分離柱式固定床（3）洗脫離子交換完成后，將樹脂吸附的物質(zhì)重新轉(zhuǎn)入溶液的方法洗脫方法（a）改變?nèi)芤簆H值（b）改變?nèi)芤弘x子強(qiáng)度（4）再生是指是離子交換樹脂重新具有交換能力的過程酸性陽離子樹脂酸-堿-酸-緩沖溶液淋洗堿性陰離子樹脂堿-酸-堿-緩沖溶液淋洗方式有：順流再生和逆流再生八、離子交換應(yīng)用實(shí)例（離子交換法提取蛋白質(zhì)）1、蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（1）多肽鏈（2）電荷分布不均勻（3）疏水性（4）不同的蛋白質(zhì)具有不同的表面電荷分布2、pH值對(duì)蛋白質(zhì)荷電情況的影響3、蛋白質(zhì)的滴定曲線不同的蛋白質(zhì)由于其氨基酸組成的差異，具有不同的等電點(diǎn)（pI），當(dāng)溶液（環(huán)境）pH值低于其pI時(shí)，蛋白質(zhì)帶正電荷，而當(dāng)環(huán)境pH值高于其等電點(diǎn)時(shí)，蛋白質(zhì)帶負(fù)電荷，且偏離等電點(diǎn)越多，其所帶電荷越多；4、緩沖液pH的選擇離子交換是依據(jù)不同蛋白質(zhì)荷電性質(zhì)以及大小差異進(jìn)行分離的，因此緩沖液的選擇將直接影響蛋白質(zhì)的荷電情況，對(duì)于分離的選擇性具有重要影響。5、離子交換分離蛋白質(zhì)的基本步驟蛋白質(zhì)的離子交換分離同樣要經(jīng)過：平衡、吸附、洗脫和再生四個(gè)階段，具體過程如下圖所示：九、本章作業(yè)1、P223第一題，第二題2、影響吸附的主要因素？3、親和吸附的原理和特點(diǎn)是什么？4、常用的離子交換樹脂類型有哪些？5、影響離子交換速度的因素有哪些？6、用于蛋白質(zhì)提取分離的離子交換劑有哪些哪些特殊要求，主要有哪幾類？第七講色譜技術(shù)6學(xué)時(shí)一、通過本章學(xué)習(xí)應(yīng)掌握的問題1、什么是色譜分離技術(shù)？2、色譜分離技術(shù)的分類？3、什么是色譜柱的理論塔板數(shù)以及如何計(jì)算理論塔板數(shù)？4、什么是吸附色譜及其分類和基本原理？5、什么是分配色譜？6、離子交換色譜的分類及應(yīng)用7、凝膠色譜的分離原理及分類8、離子交換及疏水作用層析的原理9、高效液相色譜的分離原理及應(yīng)用？10、蛋白質(zhì)分離的常用色譜方法有哪些？二、什么是色譜技術(shù)（Chromatography）概念：色譜技術(shù)是一組相關(guān)分離方法的總稱，色譜柱的一般結(jié)構(gòu)含有固定相（多孔介質(zhì)）和流動(dòng)相，根據(jù)物質(zhì)在兩相間的分配行為不同（由于親和力差異），經(jīng)過多次分配（吸附-解吸-吸附-解吸…），達(dá)到分離的目的。簡單的說，色譜技術(shù)是在特定的色譜柱當(dāng)中，利用不同物質(zhì)與固定相的親和力差異而實(shí)現(xiàn)分離的一組技術(shù)。其優(yōu)點(diǎn)是分辨率高，是生化產(chǎn)品純化、分析的重要手段，這一切均源于其特殊的分離模式，即塔板理論三、色譜分離方法的分類色譜分離方法很多，種類有四、五十種。但常用于生物大分子分離的色譜方法，按機(jī)理分，有以下幾種：1、吸附色譜2、分配色譜3、離子交換色譜4、凝膠色譜四、色譜分離的基本概念1、分配系數(shù)：可由Langmuir方程得出Kd分配系數(shù)q、c溶質(zhì)在固相和液相中的濃度2、保留時(shí)間（tR）和保留體積（VR）：反應(yīng)樣品在柱子中的保留或阻滯能力，是色譜過程的基本熱力學(xué)參數(shù)之一3、色譜柱的理論塔板數(shù)、塔板高度反應(yīng)不同時(shí)刻溶質(zhì)在色譜柱中的分布以及分離度與柱高之間的關(guān)系理論塔板數(shù)的計(jì)算方法：N理論塔板數(shù)tR保留時(shí)間W1/2半峰寬Wb峰底寬度理論塔板高度：L柱長五、吸附色譜1、原理：利用溶質(zhì)與吸附劑之間的分子吸附力(范德華力，包括色散力、誘導(dǎo)力、定向力以及氫鍵)的差異而實(shí)現(xiàn)分離2、關(guān)鍵要素：吸附劑（固定相）和展開劑（流動(dòng)相）的選擇3、吸附劑：氧化鋁、硅膠、聚酰胺等，均含有不飽和的氧原子或氮原子以及能夠形成氫鍵的基團(tuán)，如-OH和-NH24、常用的吸附劑：氧化鋁、硅膠、活性炭、纖維素、聚酰胺、硅藻土5、展開劑的選擇展開劑極性越大，對(duì)同一化合物的洗脫能力越大因此，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果調(diào)整展開劑的極性以獲得最佳的分離的效果展開劑選擇的原則：（1）對(duì)被分離組分應(yīng)具有一定的解吸附能力，極性應(yīng)比被分離物質(zhì)的極性略?。?）展開劑應(yīng)對(duì)被分離物質(zhì)具有一定的溶解能力6、吸附色譜的操作程序（1）根據(jù)要分離組分的性質(zhì)（包括極性、分子量、分子結(jié)構(gòu)）選擇合適的固定相和流動(dòng)相（2）吸附操作：選擇合適的操作條件（溫度、pH值、流速），進(jìn)行裝柱、平衡、上樣，測定穿透樣品含量以調(diào)整操作參數(shù)（3）洗脫：采用有機(jī)溶劑洗滌、調(diào)節(jié)pH值以及體系離子強(qiáng)度，最大限度地回收目標(biāo)產(chǎn)物六、分配色譜1、原理：利用溶質(zhì)在固定相和流動(dòng)相之間的分配系數(shù)不同而分離的方法2、構(gòu)成要素：固定相、載體、流動(dòng)相載體：通常為惰性材料，能吸附固定相液體載體種類：硅膠、硅藻土、纖維素、葡聚糖凝膠固定相：通常選取各組分溶解度大的溶劑作為固定相流動(dòng)相可以是極性的（反相色譜法），也可以是非極性的（正相色譜）*反相色譜固定相是非極性的流動(dòng)相是極性的3、HPLC（HighPerformanceLiquidChromatography）是一種典型的分配色譜，它是基于化合物在固定相和流動(dòng)相之間分配系數(shù)的差異而實(shí)現(xiàn)分離的，由于經(jīng)過了多次的吸附－解析－吸附的過程，其理論塔板數(shù)可高達(dá)數(shù)萬（分析性HPLC）4、反相液相色譜反相液相色譜分離多肽和蛋白質(zhì)使基于蛋白質(zhì)的疏水性，因此通常采用非極性的烷基固定相作為填料，其表面化學(xué)性質(zhì)和流動(dòng)相的選擇應(yīng)最大限度地滿足疏水的要求載體：微粒多孔硅膠（粒徑5μm~20μm）HypersilSpherosilXOB075固定相：C18、C8烷基鏈，C8適于分離蛋白質(zhì)C18適于分離核酸苯基流動(dòng)相的選擇通常采用有機(jī)溶劑，乙腈、異丙醇、正丙醇和四氫呋喃七、離子交換色譜1、概念：以離子交換樹脂作為固定相，選擇合適的溶劑作為流動(dòng)相，使溶質(zhì)按照其離子交換親合力的不同而得到分離的方法2、常用的離子交換樹脂（1）葡聚糖凝膠型DEAE-SephadexA-25，QAE-SephadexA-25，CM-SephadexC-25，SP-SephadexC-25（2）纖維素系列離子交換劑DEAE-SephacelCellex系列（3）瓊脂糖系列離子交換劑Sepharose系列SepharoseCL-6B,SepharoseFastFlowBio-GelA系列交聯(lián)瓊脂糖離子交換劑（4）Source系列離子交換劑特點(diǎn)：介質(zhì)均勻、分辨率高、流速快、反壓低陽離子交換樹脂S系列陰離子交換樹脂Q系列（5）MonoBeads系列離子交換劑（Pharmacia）特點(diǎn)：介質(zhì)為親水性聚醚，具有和Source系列相同的優(yōu)點(diǎn)，但動(dòng)態(tài)載量更大，壽命更長。同樣分為Q系列和P系列八、分子篩凝膠色譜（GelPenetrationChromatography,GPC）1、概念：在樣品通過一定孔徑的凝膠固定相時(shí)，由于流經(jīng)體積的不同，使不同相對(duì)分子量的組分得以分離2、特點(diǎn)：操作簡便分離效果好，重復(fù)性高，回收率高分離條件溫和應(yīng)用廣泛適用于生物大分子的初級(jí)分離，脫鹽分辨率低3、分子篩凝膠色譜原理不同的化合物由于其大小差異，在流經(jīng)GPC柱時(shí)，不同分子量的化合物流經(jīng)體積不同（大分子不能或難以進(jìn)入凝膠網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，直接從凝膠顆粒之間穿過，保留時(shí)間短；而小分子恰恰相反，保留時(shí)間較長）而得以分離（如上圖所示）九、疏水作用層析（HydrophobicInteractionChromatography,HIC）1、原理：依據(jù)生物大分子疏水性差異實(shí)現(xiàn)分離由于不同蛋白質(zhì)分子氨基酸組成差異，其疏水性也不盡相同，HIC技術(shù)是基于生物大分子的疏水性差異而實(shí)現(xiàn)分離的，該方法彌補(bǔ)了HPLC難以用于蛋白質(zhì)等生物大分子的分離的不足。具體方法是：在高鹽環(huán)境下，蛋白質(zhì)表面的疏水區(qū)域暴露，固定相表面修飾了一些疏水的基團(tuán)，這樣蛋白質(zhì)的疏水部分即可與固定相發(fā)生較強(qiáng)的疏水相互作用，從而被結(jié)合在固定相表面，而一旦降低流動(dòng)相的鹽濃度即可實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)的洗脫（見下圖），方便易行，是蛋白質(zhì)分離的常用手段之一。十、親和色譜（Affinitychromatography）所謂親和色譜就是將親和技術(shù)和色譜技術(shù)集成得到的一種高效分離手段，其原理與親和吸附基本類似，所不同的是經(jīng)過修飾的載體顆粒是填充在色譜柱中，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的色譜分離載體活化、配基連接、吸附、洗脫十一、蛋白質(zhì)分離常用的色譜方法1、免疫親和層析屬于吸附色譜中的一種，利用抗原-抗體作用的高度專一性以及較強(qiáng)的吸附力，實(shí)現(xiàn)特殊蛋白質(zhì)的分離免疫親和層析介質(zhì)的獲得：（1）獲得抗體（2）抗體連接到載體上2、疏水層析在載體表面連接上疏水的直鏈碳鏈或其他疏水基團(tuán)，如苯基，可以與蛋白質(zhì)的某些疏水基團(tuán)相互作用，從而實(shí)現(xiàn)多組分的分離。3、離子交換色譜是最常用的蛋白質(zhì)分離手段操作要點(diǎn)：由于蛋白質(zhì)是兩性電解質(zhì)，在不同的pH值下，其解離程度是不同的，因此既可以采用陽離子交換，也可以用陰離子交換，可視具體情況而定由于蛋白質(zhì)的極性基團(tuán)很多，為了避免洗脫困難，通常采用弱陽或弱陰離子交換劑適當(dāng)調(diào)節(jié)緩沖溶液的pH值，使蛋白質(zhì)適當(dāng)解離，通常采用的pH值靠近其等電點(diǎn)（不是等電點(diǎn)）緩沖溶液的離子強(qiáng)度不能過高，通常在10~20mmol層析方案的確定，需要視試驗(yàn)情況作適當(dāng)調(diào)整洗脫方式：pH梯度離子強(qiáng)度梯度十二、本章作業(yè)1、色譜方法共分幾類？常用的蛋白質(zhì)分離方法有哪些？并簡述其原理2、何為理論塔板高度和理論塔板數(shù)？如何計(jì)算？3、簡述高效反相液相色譜的工作原理？4、試分析HPLC和HIC技術(shù)的異同第八講沉析3學(xué)時(shí)一、通過本章學(xué)習(xí)應(yīng)掌握的問題1、什么是沉析？2、沉析法純化蛋白質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)有哪些？3、沉析的一般操作步驟是什么？4、何謂鹽析？其原理是什么？5、鹽析操作時(shí)常用的鹽是什么？6、影響鹽析的主要因素有哪些？7、有機(jī)溶劑沉析法的原理是什么？8、影響有機(jī)溶劑沉析的主要因素有哪些？9、等電點(diǎn)沉析的工作原理是什么？10、其它常用的沉析方法有哪些？二、何謂沉析？（Precipitation）利用沉析劑（precipitator）使所需提取的生化物質(zhì)或雜質(zhì)在溶液中的溶解度降低而形成無定形固體沉淀的過程。三、沉析的特點(diǎn)操作簡單、經(jīng)濟(jì)、濃縮倍數(shù)高，但針對(duì)復(fù)雜體系而言，分離度不高、選擇性不強(qiáng)四、分類鹽析、有機(jī)溶劑沉析、等電點(diǎn)沉析等五、沉析操作的一般過程1、在經(jīng)過濾或離心后的樣品中加入沉析劑；2、沉淀物的陳化，促進(jìn)晶體生長；3、離心或過濾，收集沉淀物；六、鹽析(Saltinducedprecipitation)1、概念：在