生物分离工程参考料

生物工程专业课程：三大主干专业课：发酵工程、生物物质分离工程、生化工程设备生物分离工程第一章绪论生物分离工程的概念(Downstream Processing)——从发酵液、动植物细胞培养液、酶反应液和动植物组织细胞与体液等中提取、分离纯化、富集生物产品的过程。

描述了生物产品分离纯化过程的原理、方法和设备生物分离工程的研究内容内容包括两方面：（1）目标产品及其基质的性质（2）根据产品及基质选择适宜的纯化技术——基本技术原理、基本方法、基本设备生物分离工作的一般过程发酵液的预处理→产物的提取→产物的精制→成品的加工处理生物分离纯化工艺过程的选择依据——首要考虑产品的性质——四要-生产成本低、工艺步骤少、操作程序合理、生产有规模——适应产品技术规格、环保和安全要求——生产方式-单元操作（适当选择）第二章发酵液的预处理2.1.发酵液预处理的方法凝集：指在投加的化学物质（铝、铁的盐类或石灰等）作用下，胶体脱稳并使粒子相互聚集成1mm 大小块状絮凝体的过程。

凝聚絮凝：指某些高分子絮凝剂能在悬浮粒子之间产生桥梁作用，使胶体形成粗大絮凝团的过程。

其中絮凝剂主要起架桥作用。

影响絮凝效果的因素※-絮凝剂的种类-絮凝剂浓度t-pH值t-（混合）搅拌转速和时间t-处理温度凝聚和絮凝技术常用于菌体细小而且黏度大的发酵液的预处理中。

（二）加热▪最简单、廉价——提倡（五）加入助滤剂用法-预涂：适于非常细小或可压缩且低含量的固形物-混匀：形成疏松滤饼-混合：经压滤机或离心机形成过滤介质层，适于菌体细小、黏度大（八）可溶性杂蛋白质的去除▪等电点沉淀法—————————沉淀技术▪热处理法——————————沉淀技术▪化学变性沉淀法————————沉淀技术▪吸附法—枯草杆菌碱性蛋白发酵液+磷酸钙沉淀——沉淀技术2.2.发酵液的过滤液固分离常用的方法为过滤和离心分离等单元操作。

微滤过程示意图,料液快速经过薄膜,以减少形成滤饼2.2.4.提高过滤性能的方法方法主要分为：降低滤饼比阻力；降低发酵液浓度；降低悬浮液中悬浮固体浓度；热处理（一）加入助滤剂（二）添加填充凝固剂（三）加入降解酶2.2.5.过滤介质的选择过滤介质的透过性：在一定的压力差下，单位时间单位过滤面积上通过滤液的体积量，取决于过滤介质上毛细孔径的大小和数目。

（二）粒状介质硅藻土用法-深层过滤介质(截留1μm) -预涂层-助滤剂2.2.7.过滤设备常用——麦汁过滤-重力式过滤器——发酵液分离过滤-板框式压滤机、板式压滤机、自动板框压滤机、真空过滤机第三章细胞分离技术一、过滤一般过滤——菌体、细胞及碎片等以压力差为推动力，又称封头过滤§ 3.2 细胞破碎破碎率定义-被破碎细胞的数量占初始总细胞数量的百分比三、细胞破碎的方法（一）机械破碎法-珠磨破碎原理：主要利用获得能量的磨珠与细胞相互接触，通过压紧或剪切作用将能量由磨珠传给细胞，使之破碎。

t机械破碎法-高压匀浆破碎原理：主要利用细胞悬液在高压下高速喷出后，突然减压和高速冲击，细胞受到强烈的液体剪切力及撞击力等而破碎。

机械破碎法-超声波破碎原理：超声波作用下液体发生空化作用，产生极大的冲击波和剪切力及局部高温，使细胞破碎。

（三）酶溶法溶菌酶-细菌蛋白酶-动物自溶作用（四）物理破碎法-冻融法冻结——能使细胞膜的疏水键结构破裂，增加其亲水性和通透性；——胞内水结晶，使胞内外产生渗透压；——且形成的冰晶也会破坏细胞壁。

包涵体性质对蛋白酶不敏感二、包涵体的分离与溶解1.分离-常用差速离心、反复洗涤等①细胞破碎②离心沉降〈高速〉回收（粗）包涵体③粗包含体的洗涤④离心沉降〈低速〉回收包涵体-重组蛋白聚集体三、蛋白质复性步骤：——包涵体自大肠杆菌中分离——聚集蛋白的溶解——溶解蛋白的折叠和纯化第四章沉淀技术沉析〈沉淀〉（Precipitation）：指在溶液中加入沉淀剂使溶质溶解度降低，生成无定形固体从溶液中析出的过程。

蛋白质水溶液呈胶体性质胶体性质——周围水化层静电斥力（二）盐析的定义及公式盐析（Salting-out ）：蛋白质在高离子强度溶液中溶解度降低，以致从溶液里沉淀出来的现象。

4.3.2 有机溶剂沉淀法定义：向蛋白质溶液中加入丙酮或乙醇等水溶性有机溶剂，造成蛋白质分子表面水化程度降低，从而发生沉淀的方法。

（三）有机溶剂选择乙醇-沉析作用强，挥发性适中，无毒；常用于蛋白质、核酸、多糖等生物大分子的沉析；4.3.3 等电点沉淀法定义：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离的方法。

(方正舒体)4.3.5 变性沉淀热变性沉淀：利用在较高温度下，热稳定性差的蛋白质发生变性沉淀的现象，分离纯化热稳定性高的目标蛋白的方法。

4.3.7 亲和沉淀沉淀原理不是依据蛋白质溶解度的差异，而是依据“吸附”有特殊蛋白质的聚合物的溶解度的大小（结合后形成固相）而与杂质分离。

二次作用亲和沉淀-SIS聚合物4.4 沉淀技术应用第五章萃取技术溶质的分配平衡规律——Nernst定律在恒温恒压条件下，溶质在互不相溶的两相中分配时，达到分配平衡后，如果其在两相中的相对分子质量相等，则其在两相中的平衡浓度之比为一常数，即分配常数m。

分配系数、分配比K：当萃取体系达到平衡时，溶质在两相中的总浓度之比。

相比R：在一个萃取体系中，一个液相和另一个液相体积之比。

分离系数、分离因素β在一定条件下进行萃取分离时，被分离的两种组分的分配系数之比。

萃取速率：在液液萃取过程中，料液中溶质浓度的变化速率。

液液萃取基本过程：混合—分离—溶剂回收萃取因子、萃取因数E 达到萃取平衡后，溶质在萃取相与萃余相数量的比值带溶剂-化学萃取剂：易溶于溶剂中并能与溶质形成复合物且此复合物在一定条件下又容易分解“相似相溶”-多选择与目标产物极性相近的有机溶剂（介电常数）-分配系数↑、萃取因子↑；乳化现象：一种液体分散在另一种不相混合的液体中的现象——产生2种乳浊液-O/W、W/O解决：乳化不严重时，可采用过滤、离心等方法破乳；使乳浊液降低黏度易破乳；加入适量电解质，使其电荷中和而聚沉；加入相应的表面活性剂破乳；最好对发酵液进行预处理，除去蛋白质。

液膜及其分类乳状液膜—表面活性剂液膜；水-油-水(W/O)W：直径0.1-2mm、膜厚1-10μm；油-水-油(O/W)O膜内比（Roi）：膜相体积与膜内体积之比乳水比：液膜乳化体积与料液体积之比临界胶团浓度（CMC）:表面活性剂在水溶液中形成胶团的最低浓度溶剂浸取：用溶剂分离固体混合物中的组分浸取过程：-润湿-溶解-扩散-置换超临界流体（SCF）：物质处于其临界温度和临界压力以上而形成的一种特殊状态的流体。

5.8.2超临界流体萃取压力流体萃取第六章膜分离过程6.1.1. 膜分离过程膜分离过程：用具有选择透过性的膜为分离介质，在膜两侧的推动力（如压力差、浓度差等）作用下，原料液体或气体混合物中的某个或某些组分选择性地透过膜，使混合物达到分离、分级、提纯、富集、浓缩的过程。

6.1.2. 膜过程分类生物分离中最常用-超滤、微滤和反渗透6.1.3. 分离膜渗透通量J：单位时间内通过单位膜面积的透过液的容积或质量6.2.1. 压力驱动膜分离原理截留率：指混合物中被膜截留的某物质的量占原料中该物质总量的比率。

截留分子量(MWCO)：当截留率达到95%以上或90%以上时的标准物质的分子量- 一般将在截留曲线上截留率为0.90的溶质分子量定义为膜的截留分子量。

（三）反渗透-较致密膜—通常无明显的膜孔道—仅透过水（或溶剂）（四）纳滤-较致密荷电膜–介于反渗透和超滤之间；分离多价离子和小分子–―低压反渗透‖或―疏松反渗透‖( Loose RO )6.2.2压力驱动膜过程影响因素膜污染：是指物料中的微粒、胶体粒子或溶质大分子由于与膜存在物理化学相互作用或机械作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附、沉积，造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生透过流量与分离特性的不可逆变化现象。

6.4 膜接触器-膜萃取固定界面萃取——在疏水或亲水膜的一侧表面（或复合膜的界面处）形成两相界面6.5 其他膜分离过程渗透汽化：通过渗透汽化膜，在膜两侧溶质分压差的作用下，根据溶质间透过速度的不同，并在透过侧发生汽化，使液体混合物得到分离的膜分离法。

（溶解扩散）6.5.2. 膜蒸馏•温差推动膜过程=蒸馏+膜•（膜两侧存在温差→膜两侧存在蒸汽压差）组分挥发度不同→咸水淡化、乙醇提取浓缩第七章吸附与离子交换7.1.1.吸附过程吸附剂—固相物质吸附质—被吸附的液相或气相物质吸附操作：利用固体吸附的原理从液体或气体中除去有害成分或提取回收有用目标产物的过程——传质分离过程平衡吸附量：单位质量吸附剂在达到吸附平衡时所吸附的吸附质量（一）吸附类型物理吸附：吸附作用力为分子间引力，主要取决于吸附质与吸附剂极性的相似性和溶剂的极性。

化学吸附：吸附作用力为化学键合力，主要取决于吸附剂的表面化学性质和吸附质的化学性质。

离子交换吸附：吸附作用力为库仑力，主要取决于离子交换剂的表面带电基团和吸附质的离子电荷。

吸附过程通常包括四个过程：待分离料液与吸附剂混合、吸附质被吸附到吸附剂表面、料液流出、吸附质解吸回收等。

7.2.2.离子交换剂离子交换剂-性能2.滴定曲线转折点数→不同交换基团的数目7.3吸附与离子交换基本理论7.3.1.吸附平衡理论在一定温度下，吸附达到平衡时，吸附剂的平衡吸附质浓度q*与液相游离溶质浓度c之间的关系曲线称为吸附等温线。

第八章色谱分离技术迁移率（比移值）R f：在一定的条件下，在相同的时间内某种组分在固定相移动的距离和流动相本身移动的距离之比值。

相对迁移率：在一定的条件下，在相同的时间内某种组分在固定相移动的距离和某一标准物质在固定相移动的距离之比值，Rx。

三、色谱系统的操作方法（1）装柱：均匀，无气泡（2）平衡（equilibrium)：缓冲液,pH, 盐浓度（3）上样(loading)：蛋白浓度，pH, 盐浓度，缓冲液（4）洗涤(washing)：pH, 盐浓度，洗涤剂，缓冲液（5）洗脱(elution)：pH，离子强度，流速（6）分部收集：定时、定量（体积、滴数）（7）清洗(cleaning)：弱酸，弱碱，蛋白质变性剂（尿素，盐酸胍，硫氰酸盐）（8）再生：与平衡条件相同（方正舒体）二、吸附薄层色谱法吸附薄层色谱-操作制板——洗净玻璃板；硅胶烘干点样——微量进样器；量适中；样点吹干展开——接触固定相而非样点显色及计算R f值三、吸附柱色谱法色谱柱——常用玻璃柱，径长比1：10-30，大多数长25cm左右（一般小于50cm）第四节离子交换色谱法一、离子交换色谱基本原理通过活性离子将溶液中带相反电荷的物质吸附在离子交换剂上，然后利用合适的洗脱剂将吸附质从离子交换剂上洗脱下来，达到分离、浓缩、纯化目的产物的目的（二）多糖基离子交换剂1.离子交换纤维素：骨架为纤维素2.离子交换葡聚糖凝胶：骨架为葡聚糖凝胶3.离子交换琼脂糖凝胶：中性不带电四、离子交换色谱基本操作操作方式（吸附）静态：将树脂与交换溶液混合置容器中搅拌动态：树脂装柱后交换溶液以平流方式通过柱床第五节亲和色谱三、亲和色谱介质载体+（间隔臂）+配基五、亲和色谱的操作过程样品制备、装柱与平衡进料吸附——一般pH6-8，离子强度0.1-0.5mol/L，可加入表面活性剂0.1-5g/L清洗——相同的缓冲液（or+表面活性剂）洗脱——一步、分步、梯度洗脱再生——平衡缓冲液或高浓度盐溶液保存——溶胀状态、4-8℃、0.2%叠氮钠或20%乙醇反相液相色谱固定相-硅胶烷基化第九章离心技术离心技术：利用转鼓高速转动所产生的离心力来实现悬浮液、乳浊液的分离或浓缩的分离技术。