生物分离工程(孙彦)1-4章部分答案
生物分离工程(三版)(孙彦)04
微滤的原理
微滤通常采用孔径为0.02~10微米的微孔膜进行，其 可截留直径0.01-10微米的固体粒子或分子量大于 1000kDa的高分子物质。料液在压差作用下流经微滤 膜，料液中的溶剂和溶质分子透过微孔形成透过液； 而尺寸大于膜孔的固形成分则被截留，从而实现料液 中固形成分与溶液的分离。 微滤膜对微粒的截留也是基于筛分作用，其膜的分离 效果是膜的物理结构，孔的形状和大小所决定。
膜的概念 在一种流体相间有一层薄的凝聚相 物质，其把流体相分隔开来成为两部分， 这一薄层物质称为膜。 膜分离 膜分离是利用具有一定选择性透过 特性的过滤介质进行物质的分离纯化。
分离过程中膜的功能
物质的识别和透过
其是使混合物中各组分之间实现分离的内在因素；
界面
其提供一种状态，将透过液和保留液分为互不混合的 两相
反应场
膜表面及孔内表面含有与特定溶质具有相互作用能力 的官能团，通过物理、化学或生化反应提高膜分离的 选择性和分离度；
各种膜分离方法及其原理
反渗透 超滤和微滤 透析 电渗析 渗透气化
要求
学习要求：各种膜分离法及其原理 理解：微滤、超滤、反渗透、透析、电 渗析和渗透汽化等方法的原理 应用：掌握各种膜的应用范围
电渗析概念
电渗析是利用分子的荷电性质荷分子大小 的差别进行分离的膜分离法。
电渗析过程采用的膜材料 主要为离子交换膜，其表 面和孔道内键合有离子交 换基团。
电渗析原理
渗透气化原理
渗透气化原理如图所示。 疏水膜的一侧通入料液，另 一侧（透过侧）抽真空或通 入惰性气体，使膜两侧产生 溶质分压差。在分压差作用 下，料液中溶质溶于膜内， 扩散通过膜，在透过侧发生 气化，气化的溶质被膜装置 外设置的冷凝器回收。渗透 气化是根据溶质间透过膜的 速度不同，使混合物得到分 离。
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第一、二章习题填空题生物产品的分离过程包括目标产物的，，和是分离过程的核心。
发酵液常用的固液分离方法有、和等。
细胞破碎技术中常用的机械破碎方法有、、和。
从操作的角度可将分离技术分为两大类，一是，二是。
和不仅有利于重力沉降，而且还可以在过滤分离中大大提高过滤速度。
判断题在工业规模的差速离心操作中，为提高分离速度，所以用离心力较大。
差速离心是生化研究中常用的离心分离方法，而区带离心是生化工业中常用的离心分离方法。
过滤是一种膜分离法。
革兰氏阳性菌比革兰氏阴性菌容易破碎。
团状和线状菌不适合采用珠磨法破碎。
化学破碎比机械破碎的选择性高，胞内产物的总释放率低。
选择题以分离纯化为目的时，最关心的是下列哪个因素（）A、目标产物的浓度B、目标产物的浓缩率C、目标产物的分离因子D、目标产物的回收率不需要冷却的细胞机械破碎方法为（）能够用于分离细胞器的细胞破碎方法为（），A、高压匀浆法B、珠磨法C、喷雾撞击法D、超声波破碎法简答题何谓差速分离与平衡分离，两者操作应注意什么？答：差速分离：利用外力使目标产物与杂质移动速度不同进行分离的方法。
离心、膜分离、电泳等。
平衡分离：根据目标产物与杂质在两相间分配平衡的差异实现分离的方法。
萃取、结晶、吸附等。
注意：差速分离外力大小适中，在一定时间内产生足够大的差异，操作时间不能太长否则目标产物又混合。
平衡分离需要达到平衡的足够时间。
何谓凝聚和絮凝，简述其在细胞分离中的应用。
答：凝聚是指在无机盐类作用下，使发酵液中的成分形成1mm大小的块状凝聚体的过程。
凝聚剂主要是铝、铁等的无机盐。
其作用是中和表面电荷，破坏双电层或形成氢键和配位键等。
絮凝则是采用天然或合成高分子聚电解质将发酵液成分交联成网，形成10mm大小的絮凝团的过程。
絮凝剂主要是聚丙烯酰胺或聚乙烯亚胺等高分子化合物。
其作用主要是通过与发酵液中带电荷的成分形成离子键起到架桥作用。
在细胞分离过程中主要应用于重力沉降和过滤。
可以使菌体或蛋白分子形成较大的颗粒，提高重力沉降速度和过滤速度与质量。
生物分离工程题目及答案
一、单选题1、凝聚与絮凝的主要原理为（）。
A.破坏胶体粒子的稳定性B.重力沉降C.筛分作用D.水化层作用我的答案：A2、凝集是指发酵液中的胶体粒子相互凝集成为直径为（）左右块状絮凝体的过程。
A.1mmB.3 mmC.5mmD.7mm我的答案：A3、生物悬浮液由（）组成。
A.水，培养基B.代谢产物C.生物碎片D.A，B和C我的答案：D4、下列物质不属于凝聚剂的有（）。
A.明矾B.石灰C.聚丙烯类D.硫酸亚铁我的答案：C5、其他条件均相同时，优先选用哪种固液分离手段（）A.离心分离B.过滤C.沉降D.超滤我的答案：B6、不能用于固液分离的手段为（）A.离心B.过滤C.双水相萃取D.超滤我的答案：D7、等密度区带离心的密度梯度中最大密度（）待分离的目标产物的密度。
A.大于B.小于C.等于D.以上均可我的答案：A8、差速区带离心的密度梯度中最大密度（）待分离的目标产物的密度。
A.大于B.小于C.等于D.以上均可我的答案：B9、下列哪项不属于发酵液的预处理（）A.加热B.调pHC.絮凝和凝聚D.离心我的答案：D10、能够除去发酵液中钙、镁、铁离子的方法是（）A. 过滤B.萃取C.离子交换D.蒸馏我的答案：C11、过滤的透过推动力是（）。
A.渗透压B.电位差C.自由扩散D.压力差我的答案：D12、颗粒与流体的密度差越小，颗粒的沉降速度（）A.越小B.越大C.不变D.无法确定我的答案：A二、填空题1、根据目标产物存在的位置：分为____________或____________。
根据目标产物存在的形式：分为____________或____________。
我的答案：第1空：胞内第2空：胞外第3空：活性产物第4空：包含体2、固液分离的主要方法有______和______。
发酵液预处理中，体积较小的细菌和酵母菌，采用________分离；细胞体积较大的丝状体（霉菌放线菌），采用________分离。
我的答案：第1空：离心分离第2空：过滤分离第3空：离心第4空：过滤3、为使过滤进行的顺利通常要加入__________。
生物分离工程总结 课后思考题
二、盐析的原理是什么？影响因素有哪些？ 水溶液中蛋白质溶解度一般在生理离子强度范围内（0.15-0.2mol/kg） 最大，低于或高于此范围溶解度降低，蛋白质在高离子强度的溶液中溶 解度降低发生沉淀的现象称为盐析。 蛋白质的盐析行为随蛋白质的相对分子质量和立体结构而已，不同蛋白 质β值不同，KS值随蛋白质相对分子质量的增大或分子不对称性的增强 而增大，盐析沉淀结构不对称的高相对分子质量蛋白质所需的盐浓度较 低，对特定蛋白质影响蛋白质盐析的主要因素有无机盐的种类，浓度， 温度和pH值 盐的种类影响KS值，离子半径小而带电荷较多的阴离子盐析效果好 温度和pH值影响β，在高离子强度溶液中，温度上升，有利于某些蛋白 质失水，因此温度升高，蛋白质溶解度下降 pH值接近蛋白质等电点有利于提高盐析效果 四、常用的有机溶剂沉淀剂有哪些？ 丙酮和乙醇 第四章 一、分配定律（分配系数概念）及其应用条件是什么？ 在恒温恒压条件下，溶质在互不混溶的两相中达到平衡系数时，其在两 相中的浓度之比为一常数，该常数称为分配系数，即 上式应用条件：（1）稀溶液；（2）溶质对溶剂之间的互溶度没有影 响；（3）溶质之间不发生缔合或解离 二、弱电解质在溶剂萃取两相中的分配平衡有何特点，pH值如何影响 弱酸、弱碱的萃取 弱电解质在水相中发生不完全解离，仅仅是游离酸或游离碱在两相产生 分配平衡，而酸根或碱基不能进入有机相，所以萃取达到平衡状态时， 一方面弱电解质在水相中达到解离平衡，另一方面，未解离的游离电解 质在两相中达到分配平衡。对酸来说，越酸萃取效果越好，对碱来说越 碱效果越好 三、化学萃取及其应用领域 化学萃取是利用脂溶性萃取剂与溶质之间的化学反应生成脂溶性复合分 子实现水溶性溶质向有机相的分配，主要用于一些氨基酸和极性较大的 抗生素的萃取
萃取过程
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
生物分离工程(三版)(孙彦)01
生物分离本质
有效地识别混合物中不同溶质间物理、 化学和生物学性质的差别，利用能够识 别这些差别的分离介质和（或）扩大这 些差别的分离设备实现溶质间的分离或 目标组分的纯化。
常用的分离技术及其机理
物理性质 化学性质 生物学性质
力学性质 热力学性质 传质性质 电磁性质 化学热力学 反应动力学 光化学性质 分子识别 输送性质 反应、响应、控制
生物物质的种类和特性；下游加工过程的一般 流程 ；
应用：运用生物分离技术的评价方法分析实
际问题；
何谓工程（学）？
The application of scientific and mathematical principles to practical ends such as the design, manufacture, and operation of efficient and economical structures, machines, processes, and systems.
超滤 反渗透
的差异实现分离 （速度分离法）
反渗析
推动力：压力差、电位 梯度和磁场梯度
电泳和磁泳
扩散分离 原理：根据溶质在两相 中分配平衡状态的差异
蒸馏、蒸发 吸收、吸附和离子交换
实现分离 （平衡分离法）
萃取
推动力：偏离平衡态的 浓度差
结晶
分离效果的评价
分离因子 收率 纯化因子 选择性
重力、离心力、筛分 状态变化、相平衡 粘度、扩散、热扩散 电泳、电渗、磁化 化学平衡 反应速率 激光激发、离子化 生物亲和作用、生物学识别 生物膜输送 免疫系统
分 离 过 程
机械分离
过滤
对象：非均相物系，
生物分离工程每章节期末重点名词及习题
一、绪论1、生物分离工程的特点是什么？生物分离工程：是指从发酵液、酶反应液或动植物细胞培养液中分离、纯化生物产品的过程。
又称为下游加工过程。
特点：○1产品品种很多.○2物质分离的难度比一般化工产品大.○3常无固定操作方法可循;○4生物材料组成非常复杂, 分离操作步骤多，成本高却不易获得高收率。
2、生物分离工程可分为几大部分，分别包括哪些单元操作？答：分为不溶物的去除（过滤、离心，使产物浓度和质量得到了提高）、产物粗分离（离子交换、吸附、萃取，目的去除体系中大部分杂质，提高目标产物浓度）、纯化（色谱、电泳、沉淀等单元操作，这些技术具有产物的高选择性和杂质的去除性）、精制（结晶技术和色谱分离，目的是提高产物浓度，形成最终产品形态）。
二、过滤.凝聚：在某些电解质作用下，使扩散双电层的排斥电位降低，破坏胶体系统的分散状态，使胶体粒子聚集的过程。
凝聚和絮凝的区别——在电介质作用下，破坏溶质胶体颗粒表面的双电层，破坏胶体系统的分散状态，使胶体粒子聚集的过程。
凝聚：简单电解质降低胶体间的排斥力。
从而范德华引力起主导作用，聚合成较大的胶粒，粒子的密度越大，越易分离。
絮凝：指在某些高分子絮凝剂存在下，在悬浮粒子之间发生架桥作用而使胶粒形成粗大的絮凝团的过程助滤剂：为防止滤渣堆积过于密实，使过滤顺利进，而使用的细碎程度不同的不溶性惰性材料。
重力沉降式固液分离设备：矩形水平流动池、圆形水平流动池、垂直流动式沉降池、斜板式沉降池发酵液为何需要预处理？处理方法有哪些？由于发酵液和生物溶液是高粘度的非牛顿型流体，所以过滤是相当困难的，高黏性的可压缩滤饼有事呈难渗透的胶体，使过滤难以进行，菌丝体尤其如此。
预处理的的方法：加热法（较稳定的产物）、凝聚和絮凝（明矾、氧化铝、氧化镁、多糖）、助滤剂上的吸附（硅藻土、珍珠岩、活性炭）、调节PH值。
三、离心和沉降离心：离心分离是基于固体颗粒和周围液体密度存在差异，在离心场中使不同密度的固体颗粒加速沉降的分离过程。
生物分离工程习题库与答案
生物分离工程习题库与答案一、单选题（共52题，每题1分，共52分）1.乳化液膜的制备中强烈搅拌（）。
A、应用在被萃取相与W/O的混合中B、是为了让浓缩分离充分C、应用在膜相与反萃取相的乳化中D、使内水相的尺寸变小正确答案：A2.在液膜分离的操作过程中，（）主要起到稳定液膜的作用。
A、表面活性剂B、膜溶剂C、载体D、增强剂正确答案：A3.真空转鼓过滤机工作一个循环经过（）。
A、过滤区、再生区、缓冲区、卸渣区B、过滤区、缓冲区、再生区、卸渣区C、缓冲区、过滤区、再生区、卸渣区D、过滤区、缓冲区、卸渣区、再生区正确答案：B4.适合小量细胞破碎的方法是（）A、超声破碎法B、高压挤压法C、高速珠磨法D、高压匀浆法正确答案：A5.分配层析中的载体（）。
A、能吸附溶剂构成固定相B、是流动相C、是固定相D、对分离有影响正确答案：A6.关于分配柱层析的基本操作错误()。
A、用硅藻土为载体，需分批小量地倒入柱中，用一端是平盘的棒把硅藻压紧压平B、分配柱层析适用于分离极性比较小、在有机溶剂中溶解度大的成分，或极性很相似的成分。
C、装柱分干法和湿法两种D、分配柱层析法使用两种溶剂，事先必须先使这两个相互相饱和正确答案：B7.以下哪项不是颗粒在离心力场中受到的力（）A、阻力B、重力C、离心力D、向心力正确答案：B8.下面哪一种是根据酶分子专一性结合的纯化方法（）。
A、亲和层析B、凝胶层析C、盐析D、离子交换层析正确答案：A9.蛋白质具有两性性质主要原因是（）A、蛋白质分子有一个羧基和一个氨基B、蛋白质分子有多个羧基和氨基；C、蛋白质分子有苯环和羟基D、以上都对正确答案：B10.关于疏水柱层析的操作错误()A、疏水柱层析分辨率很高、流速慢、加样量小B、洗脱后的层析柱再生处理，可用8mol/L尿素溶液或含8mol/L尿素的缓冲溶液洗涤，然后用平衡缓冲液平衡C、疏水层析柱装柱完毕后，通常要用含有高盐浓度的缓冲液进行平衡D、疏水层析是利用蛋白质与疏水性吸附剂之间的弱疏水性相互作用的差别进行分离纯化的层析技术正确答案：A11.乳化液膜的制备中强烈搅拌（）。
生物分离工程答案1
《生物分离工程》练习题一（第1~3章）一、选择题1、下列物质不属于凝聚剂的有（ C ）。
A、明矾B、石灰C、聚丙烯类D、硫酸亚铁2、发酵液的预处理方法不包括（C ）A. 加热B絮凝 C.离心 D. 调pH3、其他条件均相同时，优先选用那种固液分离手段（B ）A. 离心分离B过滤 C. 沉降 D.超滤4、那种细胞破碎方法适用工业生产（ A ）A. 高压匀浆B超声波破碎 C. 渗透压冲击法 D. 酶解法5、为加快过滤效果通常使用（ C ）A.电解质B高分子聚合物 C.惰性助滤剂 D.活性助滤剂6、不能用于固液分离的手段为（ C ）A.离心B过滤 C.超滤 D.双水相萃取7、下列哪项不属于发酵液的预处理：（ D ）A.加热B.调pHC.絮凝和凝聚D.层析8、能够除去发酵液中钙、镁、铁离子的方法是（ C ）A．过滤B．萃取C．离子交换D．蒸馏9、从四环素发酵液中去除铁离子,可用（ B ）A．草酸酸化B．加黄血盐C．加硫酸锌D．氨水碱化10、盐析法沉淀蛋白质的原理是（ B ）A.降低蛋白质溶液的介电常数B.中和电荷，破坏水膜C.与蛋白质结合成不溶性蛋白D.调节蛋白质溶液pH到等电点11、使蛋白质盐析可加入试剂（ D ）A：氯化钠；B：硫酸；C：硝酸汞；D：硫酸铵12、盐析法纯化酶类是根据（ B ）进行纯化。
A.根据酶分子电荷性质的纯化方法B.调节酶溶解度的方法C.根据酶分子大小、形状不同的纯化方法D.根据酶分子专一性结合的纯化方法13、盐析操作中，硫酸铵在什么样的情况下不能使用（ B ）A.酸性条件B碱性条件 C.中性条件 D.和溶液酸碱度无关14、有机溶剂沉淀法中可使用的有机溶剂为（ D ）A.乙酸乙酯B正丁醇 C.苯 D.丙酮15、有机溶剂为什么能够沉淀蛋白质（ B ）A.介电常数大B介电常数小 C.中和电荷 D.与蛋白质相互反应16、蛋白质溶液进行有机溶剂沉淀，蛋白质的浓度在（ A ）范围内适合。
A. 0.5％～2％B1％～3％ C. 2％～4％ D. 3％～5％17、生物活性物质与金属离子形成难溶性的复合物沉析，然后适用（ C ）去除金属离子。
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微滤（MF）
有明显孔道、弯 曲孔道，对称膜
0.1-1nm小分子 1.0-10MPa
盐、氨基酸、糖的 浓缩；淡水制造
1-50nm生物大分子 0.1-1.0MPa
蛋白质、多肽、多糖的 回收浓缩；分离病毒
10nm-10μm 0.05-0.5MPa 菌体、细胞和 病毒的分离
型号分类
操作原理 相同点 传质推动力 通量模型
（2）透析过滤： 保持料液量不变，则目标蛋白和小分子溶质得物料衡算为：
dcT V Qc T (1 RT ) dt
dcC V QcC (1 Rc ) dt
VD Qt
积分得：
VD cT cT 0 exp[ (1 RT ) ] V VD cC cC 0 exp[ (1 Rc ) ] V
生物分离工程 2~5章作业
第二章 细胞分离与破碎
2.2
(式2.32) (式2.33) (式2.34), 得： 方法一： (式2.33a) 求出多个Ki, 求均值： 忽略介质比阻α，未考虑虚拟体积V0和虚拟时间t0 方法二： 线性回归： • Q2-t 做线性回归： ，得K, 忽略虚拟体积的影响。
•
对于三级逆流萃取，依题意， n=0.005 由式（4-54）得：
0.005
EA 1 , EA 5.5 4 EA 1
基本做对，第二小题中 A 的平均纯度的理解
第五章 萃取
5.4
第五章 萃取
图5.22
第五章 萃取
第五章 萃取
（2 ）
这次的作业，有好几位同学证明题没有做
24
0.2 3 23 10 6 . 023 10 /6 5 2.5 10
（式3.21）
第四章 膜分离
4.1
反渗透（RO） 结构 截留尺寸 差别 操作压差 应用范围
无明显孔道、海绵 状结构，不对称膜
超滤（UF）
有明显孔道、多为指 状结构，不对称膜
C A / C A,0 exp( k D , A t ) 200 exp(2.3 10 exp( ) 10 60) 8.314 293.15 ＝99.97％
29
C B / C B ,0 exp( k D , B t ) 99.99％ 同理，当T 323.15 K时 C A / C A,0 exp( k D , A t )＝53.6％ C B / C B ,0 exp( k D , B t ) 28.7％
进水水质TDS、径
膜的选择性透过、筛分原理 压差 科泽尼方程，浓度极化或凝胶极化模型
第四章 膜分离
4.2
（式4.24）
第四章 膜分离
4.3 推导稳态操作条件下，表达超滤膜表面浓度极化层浓度分布 的微分方程
（式4.24）
第四章 膜分离
4.5 解： （1）开路循环：由
得
log 0.26 K S 9.0 （2） 由（1 ）和（2）解得：K S 1.107, 9.378 所以Cohn方程为： log S 9.378 1.107 I
第三章 初级分离
当C3＝3.5 mol时， I 3＝1/ 2 （2 3.5 1 ＋3.5 2 ）
d (Vc) Qc(1 RT ) dt
① ②
dV Qdt
得：
V0 RT c ( ) c0 V 代入数据得：
5 1000 0.99 ( ) 1 V
V 196.78(m L)
由②积分得：
dV Qdt dV 0.5 dt
V0 0 V t
t
V V0 1000 196.78 1606 ( s) 0.5 0.5
③
④
由蛋白质纯度为95％，即： cT 95% cT cC
cT cT cC
⑤
把③④代入⑤ ，又 VD Qt 得：
cT 0 exp[(1 RT )
95% Q Q cT 0 exp[(1 RT ) t ] cC 0 exp[(1 Rc ) t ] V V 0.5 1 exp[(1 0.99) t] 1000 95% 0.5 0.5 1 exp[(1 0.99) t ] 3 exp[(1 0.5) t] 1000 1000
第三章 初级分离
3.1 解：溶解酶浓度为2.8 mol/dm3时， 1 1 2 I1 C i Z i ( 2.8 22 2 2.8 12 ) 8.4mol / dm 3 2 2 同理，当溶菌酶的浓度为30mol/dm3时，I2＝9.0mol/dm3
由Cohn方程 log S K S I log1.2 K S 8.4 （1 ）
第三章 初级分离
3.4
（式3.13-式3.15）
第三章 初级分离
( 2)沉淀颗粒直径达到 100 m时，假设生长过程中 粒子总体积不变 , 则：＝d 3CN / （式 6 3.19） 3.14 1.125 10 2.84 10 4 P 750 Kg /( m * s ) V P 4 P 1/ 2 [ v ] 759.55,由式C C 0 exp( [ v ]1 / 2 t ) V V 求得：t＝2002.24S 又v 1.3 10 3 Kg /( m * s ),
2 2
＝10.5 mol / L 所以 log S3 9.378 1.107 10.5 2.246 g / L 即S3＝5.68 10－3 g / L
第三章 初级分离
3.
第三章 初级分离
dm3
dm3
dm3 dm3
有的同学没有注意到题中离子强度用硫酸铵浓度表示； 第二小题中计算杂蛋白沉淀量直接用 mx=100×(5-S’)计算，而没有考虑到体积 的变化
第三章 初级分离
3.3 将温度带入求出 A 和 B的热变性速率常数，后直接套用 公式3.8 即 c = c0 exp (-kDt ) 及 残留率定义c / c0
已知：A和B的热变性速率常数 200 29 分别为k D , A 2.3 10 exp( ) RT 250 37 k D , B 5.6 10 exp( ) RT 求：T 293.15 K 时，t 10 min, C A / C A,0和CB / CB ,0 T 323.15 K 时，t 10 min, C A / C A,0和CB / CB ,0 解：根据C C0 exp( k D t )得C / C0 exp( k Dt ) 当T 293.15 K 时，
∵细胞破碎率：
第二章 细胞分离与破碎 2.5 解： （1）对于珠磨法间歇破碎操作，细胞破碎动力学为 已知S = 90% = 0.9，k = 0.048 min-1，代入数据得： t = ln10/0.048 = 48.0 min （2）对于连续操作，使破碎率达到90%的平均停留 时间等于间歇操作时的破碎操作时间，即t = 48.0 min， 又 t = V/Q Q = V/t = 10/48 = 0.208 dm3.min-1。
加入原点对Q2-t 做线性回归，比不包括原点时回归数据的相关度增加了。
第二章 细胞分离与破碎
方法三： 二次回归：
利用二次回归所得拟合方程最为精确，也为恒压过滤中介质比阻可以忽略提供依据
第二章 细胞分离与破碎
2.3
第二章 细胞分离与破碎 – 第二次作业
第二章 细胞分离与破碎
2.4 (式2.44a)
Q t] V
代入数据解得：t=16500 (s) 此时
cT V cT VD exp[(1 RT ) ] exp(0.01 0.5 103 16500 ) 92.5% REC= cT 0V cT 0 V
第五章 萃取 （P175）
5.3
2.57 ，故n=3
第五章 萃取