生物工业下游技术习题附答案

生物工业下游技术习题

第一章绪论

1、何为生化分离工程？其主要研究那些内容？

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。

研究内容：产品的分离纯化，从混合物（发酵液等）中用最低的投入，获得最高的产出（产物的高得率、高纯度）。

2、试述生物技术下游加工过程的特点及应遵循的原则。

特点：发酵液等为复杂多相系统，属非牛顿性液体，成分复杂多样，固液分离困难。

产物起始浓度低（发酵液起始浓度较低而杂质又较多），常需多步纯化操作；

产物（生物物质）通常很不稳定：遇热、极端pH、有机溶剂会引起失活或分解；

发酵或培养都是分批操作，生物变异性大，各批发酵液不尽相同，下游加工应有弹性；

发酵液不宜久存，应尽快提取。

原则：时间短；温度低；pH适中（在生物物质的稳定范围内）；严格清洗消毒。基因工程产品，生物安全问题

3、生化分离工程有那些特点？其包括那几种主要分离方法？

4、简述生化分离工程的发展趋势。

操作集成化(减少步骤，提高收率）；

方法集成化；

大分子与小分子分离方法的相互渗透；

亲和技术的推广使用和配基的人工合成；

优质层析介质的开发；

基因工程对下游过程的影响；

发酵与提取相耦合。

5、简述生物技术下游加工过程的一般流程。

按生产过程划分，下游技术大致分为4个阶段：

a)预处理（发酵液或培养液的预处理和固液分离)；

b)提取（初步分离纯化）；

c)精制（高度纯化）；

d)成品加工（最后纯化）；

第二章预处理与固-液分离法

1、发酵液预处理的目的是什么？主要有那几种方法？

预处理：

a)预处理目的：改变发酵液的性质，利于固液分离。

b)方法：采用酸化、加热、以降低发酵液的粘度；或加入絮凝剂，使细胞

或溶解的大分子聚结成较大颗粒。

目的：分离菌体和其他悬浮颗粒，除去部分可溶性杂质和改变滤液性质，利于提取精制后续工序的顺利进行；菌种不同、发酵液特性不同，预处理方法选择也不同。

胞外产物：经预处理使目的产物移至液相，经固液分离，除去固相；

胞内产物：收集菌体或细胞，进行破碎，使目的产物移至液相，进行细胞碎片分离。

2、何谓絮凝？何谓凝聚？各自作用机理是什么？

凝聚：

在电解质（中性盐）作用下，胶粒间双电层电排斥作用降低，电位下降，使胶体体系不稳定的现象。

凝聚作用就是向胶体悬浮液中加入某种电解质，在电解质中异电离子作用下，胶粒的双电层电位降低，使胶体体系不稳定，胶体粒子间因相互碰撞而产生凝集的现象。

絮凝

?絮凝：在高分子絮凝剂存在下，基于架桥作用，使细胞、胶粒等聚集成粗大的絮凝团。

?絮凝剂：一种能溶于水的高分子聚合物，相对分子质量大，具长链结构（链节含许多活性官能团）。

?作用力：由静电引力、范德华力或氢键作用力等吸附于胶粒的表面。

3、简述微生物发酵液有何特性？改变发酵液过滤特性的主要方法有哪些？其简

要机理如何？

微生物发酵液的特性：

a)发酵产物浓度较低（1~10%），悬浮液中大部分为水；

b)发酵液是组分非常复杂的混合物；

c)悬浮物颗粒小，相对密度与液相相差不大；

d)固体粒子的可压缩性大；

e)液相粘度大（多为非牛顿型流体）；

f)性质不稳定，随时间发生变化。

二、发酵液的预处理（改善发酵液过滤特性的物化方法）

?降低液体粘度：滤液通过滤饼的速率与液体粘度成反比。

–加水稀释法：↓ρ，ν过滤↑，会增加悬浮液的体积，加大后续处理任务。–加热法：提高温度，有效↓ρ，↑ν过滤；蛋白质凝聚成较大颗粒凝聚物。一般加热温度控制在65~80oC。

?适用于对非热敏感性产品发酵液预处理；

?使用时严格控制加热温度和时间。

4、除去发酵液中杂蛋白质的常用方法有哪些？

2、杂蛋白质的去除方法

?沉淀法: 蛋白质在酸性溶液中，能与一些阴离子，如三氯乙酸盐、水杨酸盐、钨酸盐、苦味酸盐、鞣酸盐、过氯酸盐等形成沉淀；在碱性溶液中，能与一些阳离子如Ag+、 Cu2+、Zn 2+、Fe 3+和Pb2+等形成沉淀。

?吸附作用: 加入某些吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋白质而除去。

例如：在枯草芽孢杆菌发酵液中，加入氯化钙和磷酸氢二钠，两者生成庞大的凝胶，把蛋白质、菌体及其他不溶性粒子吸附并包裹在其中而除去，从而可加快过滤速率。

?变性法：加热，大幅度调节pH，加酒精等有机溶剂或表面活性剂等。

例如：抗生素生产中，常将发酵液pH调至偏酸性范围(pH2-3) 或较碱性范围(pH8-9)使蛋白质凝固，一般以酸性下除去的蛋白质较多。

变性法的局限性：加热法只适合于对热较稳定的目的产物；极端pH也会导致某些目的产物失活，并且要消耗大量酸碱；而有机溶剂法通常只适用于所处理的液体数量较少的场合。

5、在生化工业中常用的过滤方式那两种？各自有何特点？

离心分离：

a)利用转鼓高速转动所产生的离心力，实现分离。可分离悬浮液中极小的

固体微粒和大分子物质。

优点：分离速度快，效率高，液相澄清度好等。

缺点：设备投资高，能耗大。

过滤：发酵液的过滤特性：

–发酵液属非牛顿型液体，滤渣为可压缩性的

6、离心分离分那两大类？各自有何特点及用途？常用离心法有那几种？

7、过滤式离心机：

a)转鼓上开小孔，有过滤介质，离心力下，液体穿过过滤介质经小孔流出

而得以分离。

b)用于处理悬浮液固体颗粒较大、固含量较高的物料。

8、沉降式离心机：

a)转鼓上无孔，离心力下，物料按密度大小不同分层沉降分离。

b)用于液-固、液-液、液-液-固分离。

9、试述生物工业中常用固液分离设备的原理、特点及适用范围。

板框压滤机：

a)传统设备，广泛应用

b)结构简单、装配紧凑、过滤面积大，适应性强，过滤推动力能大幅调整

等。

c)设备笨重，间歇操作、辅助时间多，效率低；

d)自动板框过滤机

碟片式离心机：

e)是沉降式离心的一种，应用较广泛；

f)适应于细菌、酵母菌、放线菌等悬浮液及细胞碎片分离。

第三章细胞破碎法

1、常用细胞破碎方法的原理、特点及适用性。

细胞破碎

?目的：通过收集细胞或菌体，进行细胞破碎，以提取胞内的蛋白质、酶、多肽和核酸等生化物质。是提取胞内产物的关键步骤。

?细胞破碎：采用一定方法，在一定程度上破坏细胞壁和细胞膜，使胞内产物最大程度释放到液相，将破碎后的细胞浆液经固液分离除去细胞碎片，再进行分离纯化。

细胞破碎

?细胞基本结构：细胞壁（动物细胞除外）、细胞膜、细胞质等。

?细胞破碎的主要阻力：细胞壁。

?不同类型细胞其细胞壁的结构和组成不完全相同，细胞破碎的难易程度不同。

2、机械法细胞破碎方法非机械破碎方法相比有何特点？

一、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、破碎技术与上、下游过程相结合提高破碎率的机理。

?与上游过程相结合：

?在上游培养过程中，改变培养基成分、生长期、操作参数等使细

胞破碎变得容易；

?用基因工程对菌种进行改造。

?与其他下游操作相结合：

?破碎条件应与后步分离相关；破碎操作与纯化过程结合。

4、酶法细胞破碎常用那几种酶类？。

外加酶法

?用于实验室规模；

?根据细胞壁的结构和化学组成选择适当的酶，并确定相应的次序。

?细菌类细胞壁：溶菌酶；

?酵母和真菌类细胞壁：蜗牛酶、纤维素酶、多糖酶等；

?植物细胞壁：纤维素酶和半纤维素酶

第四章沉淀法

1、常用的沉淀法有哪几种？

沉淀法

?利用加入试剂或改变条件使发酵产物离开溶液，生成不溶性颗粒而沉淀。

根据所加入沉淀剂分为：

–盐析法

–等电点沉淀法

–有机溶剂沉淀法

–非离子型聚合物沉淀法

–聚电解质沉淀法

–高价金属离子沉淀法

2、生产中常用的盐析剂有哪些？其选择依据是什么？

?最常用的盐析剂：

硫酸胺、硫酸钠、磷酸钾、磷酸钠。

?中性盐沉淀法：在发酵液中加入中性盐能破坏蛋白质或酶的胶体性质，消除微粒上的电荷，促使蛋白质或酶沉淀或聚结的现象。

?一般用于蛋白质分离和酶制剂工业的发酵液提取。

3、有机沉淀法与盐析沉淀法相比有何优缺点？

有机溶剂沉淀法

?利用和水互溶的有机溶剂，能使蛋白质在水中的溶解度显著下降（室温下还会变性）。

?优点：溶剂易蒸发除去；有机溶剂密度小，与沉淀物密度差大，易于离心分离。?缺点：易使蛋白质变性失活；安全要求高。

盐析法

?中性盐沉淀法：在发酵液中加入中性盐能破坏蛋白质或酶的胶体性质，消除微粒上的电荷，促使蛋白质或酶沉淀或聚结的现象。

?一般用于蛋白质分离和酶制剂工业的发酵液提取。

第五章膜分离法

1、何谓膜分离？主要有那几种膜分离方法？用于分离的膜应有哪些基本特性？

?膜过滤法（膜分离技术）：

用半透膜作为选择障碍层，允许某些组分透过而保留混合物中其他组分，从而达到分离目的的技术。

膜的基本特性：

1在一种流体相间有一薄层凝聚相物质，把流体相分隔开来成为两部分，这一薄层物质称为膜。

2是均匀的一相或是由两相以上凝聚物质所构成的复合体，厚度应在0.5 mm以下，具有两个界面；

3膜还必须具有高度的渗透选择性；

4面积可以很大，也可以非常微小

2、膜分离的表征参数有那些？何谓膜截留分子量？

?水通量：每单位时间内通过单位膜面积的水体积流量，其大小取决于膜

的物理特性和系统的条件。

?截留率和截断分子量：对一定相对分子质量的物质，膜能截留的程度。截留率:膜对溶质的截留能力以截留率R来表示

截断分子量(MWCO)：定义为相当于一定截留率(90%或95%）的分子量，用以估计孔径的大小。

3、何谓浓差极化现象？它是如何影响膜分离的？减少浓差极化现象的措施？

?膜的浓差极化：溶剂透过膜而溶质留在膜上，使膜面上溶质浓度增大的

现象

易造成3种情况：提高渗透压，降低水通量；降低膜的截留率；产生结垢现象，造成物理阻塞，使膜逐渐失去透水能力。

4、什么是膜污染？如何减轻膜污染？膜的清洗及保存方法有那几种？

?膜的污染：处理物料中的微粒、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，使膜产生透过流量和分离特性的不可逆变化现象。

减轻污染的方法

?料液的有效处理（预处理）：预处理料液达到膜组件进水的水质指标。

?改善膜的性质：改善表面性质：表面极性和电荷性。

?改变操作条件：

适当提高水温加速分子扩散，增大滤速；

降低膜两侧的压差或料液浓度；

调节料液的pH，远离引起蛋白质沉淀的等电点。

膜污染的处理（清洗方法）

?物理方法清洗：

等压冲洗；反冲洗；脉冲流动；静置浸泡加水力反冲洗，采用泡沫塑料软球或海绵球去除污物；超声波等

?化学清洗方法：采用化学药品溶液清洗。

起溶解作用的物质：酸、碱、酶

起切断离子结合作用的方法：改变离子强度、pH

起氧化作用的物质：H

2O

2

、次氯酸盐

起渗透作用的物质：磷酸盐、次氯酸盐

?清洗后，如不用，应用清水中（加甲醛）贮存。

5、超滤、反渗透膜分离主要有那些方面应用？

反渗透

?优点：相态不变，无需加热，设备简单，效率高，占地小，操作方便，能耗少等。

?应用：海水脱盐、食品医药的浓缩、超纯水的制备，微生物的分离控制等

反渗透法在浓缩、净化中的应用

?在净化和浓缩的全过程中，需要大量清水，同时又伴有大量废水排出的情况；

?净化过程的用水，要求必须采用闭路循环系统，以进行水的再生使用；

?废水中含有贵重物质；

?凡属不适于加热或减压处理的过程。

超滤

?凡是能截留相对分子质量在500以上的高分子的膜分离过程。

?从小分子溶质或溶剂中，将较大的溶质分子筛分出来（如相对分子质量数百万的有机物大分子）。

?反渗透：截留无机盐类的小分子。

6、膜分离过程中反渗透、微滤、超滤、纳滤过程的区别？

1、微滤（Microfiltration，MF）

?利用筛分原理分离，截留直径为0.05~10μm大小的离子，膜的孔径为

0.05~10μm，采用压力为0.05~0.5MPa。

2、超滤（Ultrafiltration，UF）

?筛分原理，可能受粒子荷电性及其与荷电膜相互作用的影响，可分离分子量3000~1000 000Da的可溶性大分子物质，孔径0.001~0.05 m,压力为0.1~1MPa。

3、反渗透（Reverse Osmosis，RO）

?在高于溶液渗透压的压力作用下，只有溶液中的水透过膜，而溶液中大分子、小分子有机物和无机盐全部被截溜。

?分离的基本原理：溶解扩散。

?膜孔径0.1~1nm，采用压力为1~10MPa。

6、纳米过滤（Nanofiltration，NF）

?介于超滤和反渗透之间，以压力差为推动力，从溶液中分离出300~1000相对分子质量物质的膜分离过程。

?特点：

?集浓缩与透析为一体；

?操作压力低，节约动力

第六章溶剂萃取法

1、何谓溶剂萃取？其分配定律的适用条件是什么？

2、溶剂萃取：

利用一种溶质组分（产物）在两个互不混溶的液相（水相—有机溶剂相）中竞争性溶解和分配性质上的差异来进行分离操作。

分配定律和分离因数：

在一定温度、压力的条件下，溶质分配在两个互不相溶的溶剂中，达到平衡时溶质在两相中活度之比为一常数（稀溶液中，活度可用浓度代替）即达到平衡时溶质在两相中的浓度之比为一常数（分配系数）：

K=萃取相浓度/萃余相浓度=C

1/C

2

应用条件：稀溶液；溶质对溶剂之互溶无影响；

是同一种分子类型（不发生缔合或离解）。

2、溶剂应具备的条件？