生物工艺原理2013-2014-2期末复习重点

2013-2014-2生物工艺学重点内容

一、名词解释

1、下游加工过程（下游技术）：对由生物界自然产生的或由微生物发酵过程、动植物细胞组织培养或酶反应过程等各种生物工业生产过程获得的生物原料（发酵液、培养液、反应液），经提取分离、加工精制成有关生物化工产品的过程（技术）。由不同生物化工单元操作组成。

2、密度梯度离心分离：用一定的介质在离心管内形成一连续或不连续的密度梯度，将细胞悬浮液或匀浆置于介质的顶部，通过重力或离心力场的作用使细胞分层、分离。

3、细胞破碎率：被破碎的细胞的数量占原始细胞数量的百分比数。

4、反渗透：当把容剂和溶液（或把两种不同溶度的溶液）分别置于半透膜的两侧时，纯溶剂将自然穿过半透膜而自发地向溶剂（或从低浓度溶液向高浓度溶液）一侧移动，这种现象称为渗透，若此时在溶液的页面再施加一个大于渗透压π的压力p时，溶剂将与原来的渗透方向相反，开始从溶液向溶剂一侧移动，这种现象，称为反渗透。

5、过饱和溶液：一定温度、压力下，当溶液中溶质的浓度已超过该温度、压力下溶质的溶解度，而溶质仍不析出的现象叫过饱和现象，此时的溶液称为过饱和溶液。过饱和溶液的性质不稳定，当在此溶液中加入一块小的溶质晶体，能引起过饱和溶液中溶质的结晶。

6、离子交换树脂:有机高分子离子交换剂，包括合成离子交换剂和天然有机大分子离子交换剂，通常是一种典型的凝胶，统称为离子交换树脂。是一类带有功能基网状结构的有机高分子化合物。其结构由三部分组成：不溶性的三维空间网状骨架，固定在骨架上不能自由移动的功能基团和功能基团所带的相反电荷的可交换离子。

7、流化床干燥：一种运用流化态技术对颗粒状固体物料进行干燥的方法。

8、冷冻干燥：是真空冷冻干燥的简称，也称冻干。这种干燥方法是指物质经低温完全冻结成固态，并在减压条件下，使大量溶剂升华成蒸气，从而达到低温除去溶剂的过程。

9、电渗透：是一种以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性，从溶液中洗脱或富集电解质的膜分离技术。

10、制备电泳：由于胶体有电性，在电场作用下，不同电性的胶体基团会往电极两端移动。将这个特性用于提纯和制备胶体的过程，即制备电泳。

11、分配系数：在一定的温度、压力下，溶质分布在两个互不相溶的溶剂里，达到平衡后，它在两相中的浓度之比称为分配系数。

12、双水相萃取：利用双水相的成相现象及待分离组分在两相间分配系数的差异，进行组分分离及提纯的技术。

13、大孔树脂：孔径直径较大的树脂。整个树脂内，无论干湿或收缩、溶胀都存在着比一般凝胶型更多更大的孔道，布满树脂内部。

14、离子交换层析：是指带电荷物质因电荷力作用而在固定相与流动相之间分配得以相互分离的技术。

15、离心分离因素：离心加速度与重力加速度之比，可反映离心分离的效果，是

代表离心设备分离能力的一项重要指标。

g r f /2ω=。 16、等电聚焦电泳（等电点电泳）：利用特殊的一种缓冲液（两性电解质）在凝胶（常用聚丙烯酰胺凝胶）内制造一个pH 梯度，电泳时每种蛋白质就将迁移到等于其等电点（pI ）的pH 处，形成一个很窄的区带。

17、包涵体：在某些生长条件下，细菌表达的蛋白在细胞内集聚形成的无活性、水不溶性的固体颗粒。

18、亲和层析：将有亲和吸附作用的物质分子（称为配基）偶联在固体介质（称为载体）上，作为固定相，用以分离纯化目标产物的液相层析法。

二、简答题

1、生物分离的三个基本特征：

（1）通常处理的发酵液或酶反应液中产物的浓度一般很低；此外发酵液中所含的杂质往往很多；发酵液粘度很大，分离的固体具有可压缩性等，因此，生物物质的分离十分困难；

（2）生物产品很多是生化活性物质，易受环境因素如温度、pH 、金属离子和微生物等的影响，甚至失活，因此也增加了分离的难度。

（3）对最终产品的质量往往要求极高。

2、常用的分离提纯原理

①溶解度的差异 ②分配系数的差异 ③分子大小和形状的差异 ④电荷性质的差异 ⑤热稳定性的差异 ⑥亲和力的差异 ⑦疏水作用的差异

3、膨化床吸附的特征：膨化床吸附综合了固定床和流化床吸附的优点，它除了能使介质颗粒按自身的物理性质相对稳定地处在床层中的一定层次上实现稳定分级，而流体保持以平推流的形式流过床层外，同时其介质颗粒间也有较大的空隙，能使料液中的固态颗粒顺利通过床层。因此，膨化床吸附技术具有吸附效率高，可避开固液分离操作而直接从含颗粒的料液中提取生物大分子物质的优点。

4、蛋白质等电点沉淀的基本原理:

蛋白质都有一个等电点特性，常用pI表示。该数值也与溶液的pH有关。利用蛋白质在PH等于其等电点的溶液中溶解度下降的原理进行沉淀分级的方法称为等电点沉淀。

5、膜分离过滤的基本方式：

1、死端过滤方式

2、错流过滤方式

3、死端/错流联合流程

6、离子交换的步骤:

7、溶液结晶的基本类型

答：1、不移除溶剂的结晶法（冷却结晶法）基本上不除去溶剂，而是使溶液冷却而成为过饱和溶液而结晶。适用于溶解度随温度下降而显著减小的物系。例如：硝酸钾、硝酸钠、硫酸镁等溶液。

2、移去部分溶剂的结晶法、可分为蒸发结晶法和真空结晶法。蒸发结晶是将溶剂部分汽化，使溶液达到过饱和而结晶。适用于溶解度随温度变化不大的物系或温度升高溶解度降低的物系。例如：氯化钠、无水硫酸钠等。真空冷却结晶是使溶液在真空状态下绝热蒸发，一部分溶剂被除去，溶液由因为溶剂汽化带走了一部分潜热而降低了温度，而结晶的过程。适用于中等溶解度的物系。例如：氯化钾、硫酸镁等。

8、生物质分离的四个基本阶段：

1、细胞及不溶性物质的去除；

2、产品的提取和浓缩；

3、产品的提纯；

4、产品的最后加工。

9、凝聚和絮凝的概念：

凝聚：是指在某些电解质作用下，使扩散双电层的排斥电位（即ξ电位）减低，破坏胶体系统的分散状态，而使胶体粒子聚集的过程。

絮凝：是指在某些高分子絮凝剂存在下，悬浮粒子之间产生架桥作用而使胶粒形成粗大的絮凝团的过程。

10、沉淀法分离纯化的基本原理：

原理：是基于在不同条件下，性质各异的蛋白质具有溶解度的差异火热稳定的差异，而发生的某些蛋白质的沉淀，从而起到分离、纯化作用。

12、工业生产中萃取操作的过程：

1、混合。料液和萃取剂充分混合形成具有很大比表面积的乳浊液，产物自料液转入萃取剂中；

2、分离。将乳浊液分离成萃取相和萃余相

3、溶剂回收。从萃取相有时也需从萃余相中分离出有机溶剂，并加以回收。

13、离子交换树脂的基本类型：

按树脂骨架的主要成分进行分类：如聚苯乙烯型树脂、聚丙烯酸型树脂、环氧氯丙烷型多乙烯多氨型树脂、酚---醛型树脂。

按骨架的物理结构分类，可分为凝胶型树脂、大网格树脂以及均孔树脂。

按活性基团分类，分为含酸性基团的阳离子交换树脂和含碱性基团的阴离子交换树脂。

按国标，合成离子交换树脂按官能团的性质分为强酸、弱酸、强碱、螯合、两性及氧化还原七大类。

14、分离纯化技术的规模层次：

1、实验室规模

2、生物产品小试/中试规模

3、生物产品常规生产规模

15、重组蛋白的体外折叠：

重组蛋白的体外折叠是指采用适当的条件使伸展的重组变性蛋白重新折叠成可溶解性的具有生物活性的蛋白质。体外折叠实验表明，折叠过程可能包括：

1.分子内部疏水区域的聚集，

2.形成部分的二级结构作为后续折叠的骨架；

3.形成共价键以稳定蛋白质构象。

三、论述题

1.论述生物产物分离纯化工工艺设计的原则和影响因素：

原则：

1.技术路线、工艺流程尽量简单化；

2.尽可能采用低成本的材料和设备；

3.将完整工艺流程划分为不同的工序；

4.注意时效性，应优选可缩短各工序纯化时间的加工条件；

5.采用成熟技术和可靠设备；

6.以适宜的方法检测纯化过程、产物产量和活性，对纯化过程进行监控；

影响因素：

1.抑制细胞或分泌产物中分解酶的活性，防止其消化降解待提纯产物以保持其生物活性；

2去除细胞或分泌产物中非目标产物成分，同时应尽量较高的目标产物成分的回收率。对于生物药物制品，非目标成分对于拟提纯的目标成分来说是杂质成分，如外源蛋白和多肽等可引起过敏反应，而脂多糖可导致发热等，对人体可能是有害的物质。

3.优化选择和组合各种分离纯化技术方法以达到最佳提纯效果。

4、对分离纯化过程选用适宜的技术检测手段进行质量监控；

5.对分离纯化工艺以及所用的分离纯化介质、设备进行验证。

2.试比较说明细胞破碎技术中机械法细胞破碎方法非机械破碎法的类型及其优缺点？

细胞破碎方法按是否外加作用力分为：机械法和非机械法。

机械法：高压匀浆法、高速研磨或超声波破碎等，（消耗的机械能转为热量使温度上升，要采用冷却措施，防止生物产品受热破坏）；

非机械法：酶解法、渗透压冲击法、冻结—融化法、干燥法和化学法溶胞等。

机械法的特点

?依靠专用设备，利用机械力的作用将细胞切碎；

?优点：设备通用性强，效率高，操作时间短，成本低，适合大规模工业化。

?缺点：细胞碎片细小，胞内物质全部释放，料液黏度大，成分复杂；

非机械法的特点

?利用化学试剂或物理因素等破坏局部的细胞壁或提高壁的通透性；

?优点：胞内物质释放的选择性好，固液分离容易；

?缺点：细胞破碎率低，耗费时间长，某些方法成本高，一般仅适合小规模。

3.膜过滤在生物技术及其相关产业中的应用:

（1）细胞收集和发酵液澄清

当目标产物是细胞或胞内产物时，需要将溶液中细胞分离出来。发酵液的澄清，是为了出去发酵液中悬浮粒子、细胞、细胞碎片，或者回收发酵产物。膜技术在整细胞回收和发酵液的澄清中应用最广，也最成功。

（2）酶、蛋白质等大分子物质的浓缩和精致

采用超滤技术处理粗酶液，小分子物质和盐类可以喝水一起透过膜除去，而酶得到浓缩和精致。

（3）小分子量发酵产品的分离和浓缩

当发酵液中产品浓度很低，脱水时生化操作中关键步骤。反渗透非常适合于热敏性生化产品的分离与浓缩。

（4）超滤在血液制品中的应用

超滤之血制品生产时的优点：

1）改善产品质量2）增加产品收率，提高工作效率

（5）低聚糖的分离和精致

合成运用广泛的低聚糖需要通过蔗糖的酶化反应制取。为了得到高纯度的低聚糖，需要除去原料蔗糖和另一产物葡萄糖。但低聚糖与蔗糖的分子量相差很小，分离很困难，通常采用高效液相色谱法分离。

（6）膜基溶剂萃取

溶剂萃取广泛应用于医药和发酵工业中抗生素和食品级酸味剂的提取、纯化和纯化。但是在溶剂萃取时两相易乳化，而膜基溶剂萃取过程不存在这个问题。膜基溶剂萃取过程中，膜介于有机溶剂和料液之间，为两相间的传质提供了界面，克服了两相间易乳化的缺点，具有接触时间短、操作灵活、费用低、易于放大等特点。

（7）无机膜的应用

无机超滤膜可用于浓缩乳清、制乳清蛋白等。巴氏杀菌和无机膜过滤结合生产浓缩巴氏奶等。以及陶瓷膜在生化领域的应用是最近研究热点之一。

4.讨论影响蛋白质盐析分离的主要因素：

（1）溶质（蛋白质等）种类的影响不同溶质的k s和β值均不同，因而它们的盐析行为也不同，蛋白质析出时所需硫酸铵的离子强度不同。

（2）蛋白质溶质等浓度的影响盐析过程中蛋白质等溶质的溶解度会显著下降。不同浓度的同种蛋白质溶液能产生沉淀所需求的临界的盐浓度不同。在相同的离子强度下，各种蛋白质的溶解度也可以不同。盐析时要根据实际条件调节蛋白质溶液的浓度，通常将蛋白质的浓度控制在2%-3%为宜。

（3）pH对盐析的影响一般认为，蛋白质表面所带的静电荷越多，他的溶解度就越大，当外界环境使其表面静电荷为零时，溶解度将达到一个相对的最低值。所以调节溶液的pH或加入与蛋白质分子表面极性基团结合的离子可以改变他的溶解度。

（4）盐析温度的影响一般来说在低盐浓度下蛋白质等生物大分子的溶解

度与其他无机物、有机物相似，及温度升高、溶解度升高。但对于大部分蛋白质而言，高盐浓度下，它们的溶解度反而下降，只有少数蛋白质除外。

5. 陈述超滤及微滤膜分离过程的操作方式：

（1）单程与循环过滤模式膜分离系统按其基本操作方式可分为单程系统和循环系统。在单程系统中原料液仅通过单一或多种膜组件一次，而在循环系统中，原料液通过泵加压部分或全部循环，多次进行膜分离；

（2）间歇与连续操作系统可以利用间歇操作或连续操作连续操作的优点是产品在系统中停留时间短，这对热敏或剪切力敏感的产品是有利的。连续操作的主要缺点是在较高的浓度下操作，通量较低。间歇操作通量较高，所需膜面积小，装置简单，成本较低，主要缺点是需要较大的储槽。

（3）浓缩与透析过滤模式超滤过程中不断加入水或缓冲液，则浓缩模式即成为透析过滤模式。水或缓冲液的加入速度和通量相等，这样可保持较高的通量。一次简单的超滤过程，截留液中还残存一定量的预分离的小分子物质，若要分离完全，就要不断向体系中加入溶剂，不断超滤，即透析过滤，这样小分子物质继续随同溶剂滤出而进入透过液中，使其在残留液中的含量逐渐减小，直至达到物质分离和纯化的目的。但是这样会造成处理量大，影响操作所需时间，而且会使通过液稀释。在实际操作中，常常将两种模式结合起来，即开始时采用浓缩模式，当达到一定浓度时吗，转变为透析过滤模式。

6.介绍层析分离的概念、原理和特点：

层析分离，也叫色层分离法，在分析检验中常称为色谱分析。它是一种物理分析方法，利用多组分混合物中各组分物理化学性质的差别，使各组分以不同程度分布在两相中。一种一个相是固定的，称为固定相；另一个相则流过此固定相，称为流动相。当多组分混合物随流动相流动时，各组分物理化学性质的差别，而已不同的速率流动，从而达到分离目的。

原理：待分离的各组分都不与固定相发生作用，则各组分都随流动相一起流动而得不到分离。实际上各组分和固定相常存在一定的化学亲和力，因而各组分的移动速率低于流动相的移动速率。若各组分对固定相的亲和力大小不同，则各组分因产生差别阻滞而移动的速率就不同，从而使各组分在色谱柱内分层而得以分离，这就是色谱分离的基础。

特点：

（1）分离效率高色谱分离的效率是所有分离纯化技术中最高的。

（2）应用范围广色谱分离技术应用范围之广也是其他分离技术无法相比的。尤其对生物分子样品的分离，是其他方法无法代替的。

（3）选择性强可变参数多，因而具有很强的选择性。

7.讨论影响溶剂萃取的主要因素和机理：

影响溶剂萃取的主要因素有水相的PH、温度、盐析作用，同时也有溶剂的影响。（1）pH pH直接影响表观分配系数。pH除影响K外，还可能对选择性有影响。另外，pH还应尽量选择在使产物稳定的范围内。

（2）温度温度会影响生化物质的稳定性，所以一般在室温或低温下进行。同时，他影响分配系数K，因为温度会通过影响溶质的化学位而影响溶质在两相中的分配。

（3）盐析无机盐类如硫酸铵、氯化钠等一般可降低产物在水中的溶解度而使其更易于转入有机溶剂相中，另一方面还能减少有机溶剂在水相中的溶解度。但盐析剂用量要适宜，用量过多也有可能促使杂质一起转入溶剂相，同时还要考虑其经济性，必要时要回收。

（4）带溶剂为提高分配系数K，常添加带溶剂。带溶剂能和产物形成复合物，使产物更易溶于有机溶剂相中，在复合物在一定条件下又很容易分解。

机理: