生物分离工程

（最好能有时间过过ppt）

生物分离工程 第一章 绪论

1.定义：生产粗原料的过程及其之后的目标产物的分离纯化过程，即下游加工过程； 2.下游加工过程：目标产物的分离纯化。包括目标产物的提取、浓缩、纯化及成品化等

3.特点及其重要性：(1)发酵液或培养液是产物浓度很低的水溶液；

(2)培养液是多组分的混合物；(3)生化产物的稳定性差—— 易引起产物失活；(4)对最终产品的质量要求很高。 4.下游加工过程的一般流程:(1)下游加工过程的一般流程;（2）初步纯化;（3）高度纯化与精制;（4）成品加工 5.分离效率的评价:目标产品的浓缩程度/分离纯化程度/回收率

6.提高回收率的方法：（1）提高每步回收率?，（2）减少操作步骤；（3）开发新型高效的分离方法

第二章 发酵液预处理和固液分离

首先要进行培养液的预处理和固液分离，才能进行后续操作：

对于胞外产物，可先将菌体或其他悬浮杂质去除，才能从澄清的滤液中提取代谢产物。 对于胞内产物，首先富集菌体，再进行细胞破碎和碎片分离，然后提取胞内产物。

1.发酵液的基本特性：发酵产物浓度较低，大多为1-10%；

悬浮物颗粒小，细胞的相对密度与培养液相似；固体粒子可压缩性大；液相粘度大，大多为非牛顿型流体，不易过滤；悬浮状态稳定：双电层、水化膜、布朗运动成分复杂，杂质较多。

2.预处理的目的：促进从悬浮液中分离固形物的速度，提高固液分离的效率：⑴ 改变发酵液的物理性质，包括增大悬浮液中固体粒子的尺寸，降低液体黏度；⑵ 相对纯化，去除发酵液中的部分杂质（高价无机离子和杂蛋白质），以利于后续各步操作；

⑶ 尽可能使产物转入便于后处理的一相中（多数是液相）。

3.预处理手段：絮凝与凝聚处理过程就是将化学药剂预先投加到悬浮液中，改变细胞、菌体和蛋白质等胶体粒子的分散状态，破坏其稳定性，使其聚集起来,增大体积以便固液分离。常用于菌体细小而且黏度大的发酵液的预处理中。其余手段：加热，调节pH。

凝聚：胶体粒子在中性盐促进下脱稳相互聚集成大粒子（1mm），

机理：1）中和粒子表面电荷; 2）消除双电层结构;3）破坏水化膜。

胶体双电层结构：发酵液中菌体表面带有负电荷，由于静电引力使溶液中反离子被吸附在其周围，在界面上形成了双电层。正离子同时受到使它们均匀分布的热运动影响，具有离开胶粒表面的趋势。对带负电性菌体的发酵液，高价阳离子的存在，可压缩扩散层的厚度，促使ζ电位迅速降低，而且化合价越高，这种影响越显著。 电解质的凝聚能力可用凝聚价或凝聚值来表示，使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度（毫摩尔／升），称为凝聚价或凝聚值。Schulze－Hardy法则（叔采-哈代）：反离子的价数越高，凝聚价越小，即凝聚能力越强。

絮凝：使用絮凝剂（天然和合成的大分子量聚电解质）将胶体粒子交联成网，形成10mm大小絮凝团的过程。絮凝剂主要起架桥作用。机理：架桥作用。

4.加热作用：发酵液预处理最简单最常用的方法。加热能改善发酵液的操作特性。只适用于对热较稳定的液体。注意加热温度与时间，不影响产物活性和细胞的完整性。

5.影响发酵液固液分离的因素：1）发酵液中悬浮粒子的大小； 2）发酵液的黏度viscosity，粘度越大，固液分离越困难。

6.板框压滤机：其过滤推动力来自泵产生的液压或进料贮槽中的气压。1）广泛应用于培养基制备的过滤及霉菌、放线菌、酵母菌和细菌等多种发酵液的固液分离。适合于固体含量1-10%的悬浮液的分离。

2）板框式压滤机在过滤时，悬浮液由离心泵或齿轮泵经滤浆通道打人框内，滤液穿过滤框两侧滤布，沿相邻滤板沟槽流至滤液出口，固体则被截留于框内形成滤饼。滤饼充满滤框后停止过滤。

3）优点：过滤面积大，结构简单，价格低，动力消耗少，对不同过滤特性的发酵液适应性强。它最重要的特征是通过过滤介质时产生的压力降可以超过0.1MPa,这是真空过滤器无法达到的。

4）缺点：不能连续操作，设备笨重，劳动强度大，卫生条件差，非过滤的辅助时间较长。

7.错流过滤原理：液体的流向和滤膜相切。在压力推动下，悬浮液以高速在管状滤膜的内壁作切向流动，利用流动的剪切作用将过滤介质表面的固体（滤饼）移走，而附着在滤膜上的滤饼很薄，因而能在长时间内保持稳定不变的过滤速度。目前适用于小分子的分离。 特点：收率高 （97-98%）、质量好、减少处理步聚、染菌罐也能进行处理、介质阻力大、不能得到干滤饼、需要大的膜面积。

8. 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。 离心机的种类：A.按速度和离心力分：1）常速离心机：最大转速8000rpm(r/min),相对离心力(RCF)104g以下,用于细胞、菌体和培养基残渣等分离；

2）高速（冷冻）离心机：1×104-2.5×104rpm，相对离心力104~105g,用于细胞碎片、较大细胞器、大分子沉淀物等分离；

3）超速离心机：转速2.5-8×104rpm，相对离心力5*105g；用于DNA、RNA蛋白质、细胞器、病毒分离纯化等。 B. 按离心机的作用方式分：1）斜角式离心机：结构稳定，可装载较多的样品，使用较高的转速。加速或减速时，对样品有搅动。有些梯度离心要求用角转头，否则形成的梯度不均一，线性很差。

2）平抛式离心机：常用的低中速离心机，样品便于收集，受振动和变速搅乱后对流现象小，但转头结构复杂，最高转速相对要低。容量也小一些。

３）管式离心机：结构简单，可提供较大离心力，转速高，分离因数高达15000-65000。管状离心机可以冷却，有利蛋白质分离间歇操作，须定时拆卸、清洗。适用于于分离乳浊液及含细颗粒的稀悬浮液，适用于固含量低于1%，颗粒度小于5微米，黏度大的悬浮液澄清或固液两相密度差较小的分离。

4）碟片式离心机：分三类：人工排渣的碟片离心机、喷嘴排渣的碟片离心机、活门（活塞）排渣的碟片离心机。 5）螺旋式离心机：用于分离含固量较多的悬浮液，生产能力较大。

6）多室式离心机：常用于抗菌素液－液萃取分离，果汁和酒类饮料的澄清等。

第三章 细胞破碎

1.细胞破碎是指利用外力破坏细胞膜和细胞壁，使细胞内物质包括目的产物成分释放出来的技术。

2.细胞破碎方法：

A。机械法：通过机械运动产生的剪切力，使组织、细胞破碎。

机械破碎特点：1）处理量大，破碎快，时间短，效率较高，工业规模的重要手段；2）作用力：挤压，剪切和撞击作用；3）在许多情况下，细胞内含物全部释放出来；4）由于机械搅拌产生热量，破碎要采用冷却措施。 高压匀浆法原理：利用高压迫使细胞悬浮液通过针形阀，由于突然减压和高速撞击造成细胞破裂，在高压匀浆器中，细胞经历了高速造成的剪切、碰撞和由高压到常压的突变，从而造成细胞壁的破坏，细胞膜随之破裂，胞内产物得到释放；

珠磨破碎法原理：细胞悬浮液与玻璃珠（或石英砂，或氧化铝）一起高速搅拌，研磨使细胞达到某种程度破碎； 撞击破碎法（X-press）原理：将细胞冷冻(-25℃至-30℃) 使其成为刚性球体，可降低破碎的难度； 超声波破碎法机理：在超声波作用下液体发生空化作用,液体中局部空穴的形成、增大和闭合产生极大冲击波和剪切力，引起的粘滞性旋涡在细胞上造成了剪切力，使细胞内液体发生流动，从而使细胞破碎。 B。物理破碎：通过各种物理因素的作用，使组织、细胞的外层结构破坏，而使细胞破碎。

渗透压冲击法：将细胞放在高渗透压的介质中（如一定浓度的甘油或蔗糖溶液），达到平衡后，介质被突然稀释，或者将细胞转入缓冲液中，由于渗透压的突然变化，水迅速通过细胞壁和细胞膜进入细胞，引起细胞壁和膜膨胀破裂，从而使细胞通透性增大；

冷冻－融化法：通过水结晶的形成和随后的融化而进行细胞破碎。 C。化学破碎：通过各种化学试剂对细胞膜的作用，而使细胞破碎。

化学渗透法：某些化学试剂，如有机溶剂、变性剂、表面活性剂、抗生素、金属螯合剂等，可以改变细胞壁或膜的通透性（渗透性），从而使胞内物质有选择地渗透出来。 D。酶促破碎：通过细胞本身的酶系或外加酶制剂的催化作用，使细胞外层结构受到破坏，而达到细胞破碎（生物法）。

3. 胞内产物的选择性释放原则：

（1）破坏或破碎存在目标产物的位置。如：存在于膜附近时，可采用温和的方法，如酶溶法，渗透压冲击法和冻结—融化法；存在于细胞质内时，只能采用强烈的机械破碎法。

（2）选择性溶解目标产物：当目标物处于与细胞膜或细胞壁结合的状态时，调节pH值，离子强度或添加与目标产物具有亲和力的试剂使目标物易于释放，其他杂质不易溶出。同时可采用生化集成。

4. 包涵体：一种蛋白质不溶性聚集体，包括目标蛋白、菌体蛋白等。目标蛋白一级结构是正确的，但立体结构是错误的，所以没有生物活性。 其形成：大肠杆菌中目标产物的表达水平过高，超过正常代谢水平，过多表达产物聚集在细胞内，形成不溶性的包涵体。

包涵体的钝化方法：收集菌体细胞——细胞破碎——包涵体的洗涤——目标蛋白的变性溶解——目标蛋白的复姓。

第四章 沉淀法

1.沉淀法基本原理就是采用适当的措施改变溶液的理化参数，控制溶液的各种成分的溶解度，根据不同物质在溶剂中的溶解度不同而达到分离的目的。 2. 根据所加入的沉淀剂的不同，可分为：（1） 盐析法（2）等电点沉淀法（3）有机溶剂沉淀法（4）非离子型聚合物沉淀法（5）聚电解质沉淀法（6）复合盐沉淀法（7）亲和沉淀法（8）选择性沉淀法。

3.盐析：在高浓度的中性盐存在下，蛋白质（酶）等生物大分子物质在水溶液中的溶解度降低，产生沉淀的过程。机理：

（1）破坏水化膜，分子间易碰撞聚集， 将大量盐加到蛋白质溶液中，高浓度的盐离子有很强的水化力，于是蛋白质分子周围的水化膜层减弱乃至消失，使蛋白质分子因热运动碰撞聚集。

（2）破坏水化膜，暴露出憎水区域，由于憎水区域间作用使蛋白质聚集而沉淀，憎水区域越多，越易沉淀。 （3）中和电荷，减少静电斥力， 中性盐加入蛋白质溶液后，蛋白质表面电荷大量被中和，静电斥力降低，导致蛋白溶解度降低，使蛋白质分子之间聚集而沉淀。

4. 当中性盐加入蛋白质分散体系时可能出现以下两种情况：

（1）“盐溶”现象—低盐浓度下，增加蛋白质分子间静电斥力，蛋白质溶解度增大 。（2）“盐析”现象—高盐浓度下，中和电荷、破坏水化膜，蛋白质溶解度随之下降 。 5. 有机溶剂沉淀原理：（1）降低了溶质的介电常数，使溶质之间的静电引力增加，从而出现聚集现象，导致沉淀。 （2）由于有机溶剂的水合作用，降低了自由水的浓度，降低了亲水溶质表面水化层的厚度，降低了亲水性，导致脱水凝聚。

6.等电点沉淀原理：蛋白质是两性电解质，当溶液pH值处于等电点时，分子表面净电荷为0，双电层和水化膜结构被破坏，由于分子间引力，形成蛋白质聚集体，进而产生沉淀。

第五章 膜分离

1.膜分离技术：电渗析（ED） ：以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性，从溶液中脱除或富集电解质的膜分离操作；

2. 浓差极化定义：在操作过程中，由于膜的选择透过性，被截留组分在膜料液侧表面积累形成浓度边界层，其浓度大大高于料液的主体浓度，在膜表面与主体料液之间浓度差的作用下，将导致溶质从膜表面向主体的反向扩散。 浓差极化危害：膜面处浓度ci增加，渗透压升高；在一定压差下，溶剂的透过速率降低；ci增加——溶质的透过速率升高，截留率降低。

3.凝胶极化：膜表面的浓度超过溶质的溶解度时，溶质析出，形成凝胶层。当料液中含有菌体，细胞或其它固形物时，也会形成凝胶层，这种现象称为凝胶极化。

4.微滤机：利用筛分原理，分离大小为0.05一10?m的粒子；能除去液体中的较小固体粒子；可截留多糖、蛋白质等大分子物质；具有较好的澄清除杂效果。

5.超滤定义：常温下利用不对称微孔结构和半透膜分离介质，以错流方式进行过滤。作用：使溶剂及小分子物质通过，高分子物质和微粒子如蛋白质、水溶性高聚物、细菌等被滤膜阻留。

6.微滤和超滤的分离机理：1）一般认为是简单的筛分过程，大于膜表面毛细孔的分子被截留，相反，较小的分子则能透过膜。

2）毛细管流动模型：膜是多孔性的，膜内有很多孔道。水以滞流方式在孔道内流动，因而水通量服从Hagen-Poiseuille方程式：

Jv??d?p32?L Jv—透过流通量；ε—膜的孔隙度； d—圆柱形孔道的直径； L—膜的有效厚度；Δp—膜

2两侧压力差； μ—水的粘度。

意义： Jv与压力差p成正比，与滤液的黏度成反比。这是分析微滤过程的理论基础。

第六章 萃取

1. 萃取：利用溶质在互不相溶的两相之间分配系数的不同而使溶质得到纯化或浓缩的方法称为萃取。

2.A根据两相相态不同分为：1）液-固萃取：用某种溶剂把有用物质从固体原料中提取到溶液中的过程称为固-液萃取，也称浸取或浸出。

应用：用温水从甜菜中提取糖，用有机溶剂从大豆、花生等油料作物中提取食用油，用水或有机溶剂从植物中提取药物、香料或色素等。

2）液-液萃取：用溶剂从溶液中抽提物质叫液-液萃取，也称溶剂萃取。经典的液-液萃取指的是有机溶剂萃取。 机理主要有以下四种类型：(1) 简单分子萃取(物理萃取)(2) 中性溶剂络合萃取 (3) 酸性阳离子交换萃取 (4) 离子络合萃取

应用：有机溶剂萃取法广泛应用于抗生素、有机酸、维生素、激素等发酵产物工业规模的提取上。

B根据萃取剂的性质或萃取剂的机制不同分为：

1）溶剂萃取：就是在液体混合物(原料液)中加入一种与其基本不相混溶的液体作为溶剂，构成第二相，利用原料液中各组分在两个液相中的溶解度不同而使原料液混合物得以分离。物质的溶解和相似相溶原理。 选用的溶剂称为萃取剂，以S表示；原料中容易溶于S的组分，称为溶质，以A表示；难溶于S的组分称为原溶剂(或稀释剂)，以B表示。

2）双水相萃取：利用物质在互不相溶的两个水相之间分配系数的差异实现分离。

优点：使固液分离和纯化两个步骤同时进行，一步完成；适合热敏物质的提取，主要是胞内酶；亲水性聚合物加入水中，形成两相，在这两相中，水分都占大比例（85～95％），这样生物活性蛋白质在两相中不会失活，且以一定比例分配于两相中。

3）超临界流体萃取：利用超临界流体作为萃取剂，对物质进行溶解和分离的过程。 超临界流体(SCF)是处于临界温度和临界压力以上的非凝缩性的高密度流体。其主要特性：密度类似液体；压力和温度的变化均可改变相变；粘度, 扩散系数接近于气体；SCF的介电常数，极化率和分子行为与气液两相均有着明显的差别。 原理：溶质在超临界流体中的溶解度随超临界流体密度的增大而增大。

超临界流体萃取正是利用这种性质，在较高压力下，将溶质溶解于流体中，然后降低流体溶液的压力或升高流体溶液的温度，使溶解于超临界流体中的溶质因密度下降，溶解度降低而析出，从而实现特定溶质的萃取。 应用：生物活性物质和生物制品的提取；

CO2萃取技术主要应用于有害成分成分的脱除、有效成分的提取、食品原料的处理等几个方面。 例如：用SFE从咖啡、茶中脱咖啡因；啤酒花萃取；从植物中萃取风味物质；从各种动植物中萃取各种脂肪酸、提取色素；从奶油和鸡蛋中去除胆固醇等。

4）液膜萃取：以具有选择透过性的液态膜为分离介质，以浓度差为推动力的液体混合物的膜分离操作。与溶剂萃取的传质机理虽然不同，但都属于液-液系统的传质分离过程。

其传质机理有四种类型：①、选择性渗透②、内相有化学反应③、偶合同向迁移④、偶合逆向迁移。

应用：(1) 烃类混合物的分离(2) 从铀矿浸出液中提取铀(3) 含酚废水的处理(4) 液膜法氨基酸的生成与分离。

第七章 离子交换法

1.吸附等温线：吸附达到平衡时，吸附剂的平衡吸附质的浓度q*与液相游离溶质浓度c之间的关系。 当温度一定时，吸附量只和浓度有关：q*=f(c,T)

1）亨利henry型吸附平衡：q*=mc 低浓度、m为分配系数；

2）Freundlich 经验方程：q*=kc1/n 高浓度、K和n为常数，一般1

弗兰德里希等温线：n一般大于1，n值越大，其吸附等温线与线性偏离越大。当n>10，吸附等温线几乎变成矩形，是不可逆吸附。

3）朗格谬尔（Langmuir）吸附等温方程：q*?qmcKd?c或q*?qmKbc1?cKb

——单分子层吸附理论，式中： q*—吸附量，kg吸附质／kg吸附剂； qm—平衡吸附量，kg吸附质／kg吸附剂；Kd—吸附平数；

Kb—结合常数 （=1/Kd）。

假设：吸附剂上具有许多相同能量的活性点；吸附剂吸附的分子间无相互作用；形成均匀的单分子层吸附，质分压的增加平缓接近平衡吸附量。

2.离子交换过程：溶液离子向树脂表面扩散——（膜 离子通过树脂表面向内部扩散——（颗粒扩散）“；慢” 树脂内进行离子交换——（交换反应）；

已交换离子从树脂内部向外扩散——（颗粒扩散）； 已交换离子由树脂表面向本体溶液扩散——（膜扩3. 离子交换：利用离子交换树脂作为吸附剂，将溶液分，依据其电荷差异，依靠库仑力吸附在树脂上，然洗脱剂将吸附质从树脂上洗脱下来，达到分离的目的。 特点：通过静电引力吸附带有相反电荷的离子，发生

“慢” 散）。

中的待分离组后利用合适的电荷转移。可表面均匀，被吸附量随吸附扩散）； 衡的解离常

通过调节pH或提高离子强度的方法洗脱。

离子交换平衡原理：溶质与反离子带有相同的电荷，溶质的吸附是基于其与离子交换基间相反电荷的静电引力。 4. 离子交换过程的选择性：

离子交换的选择性：某种树脂对不同离子吸附亲和性的差别。一般离子和树脂间亲和力越大，就越容易吸附，选择性越好；离子交换树脂的选择性集中地反应在交换平衡常数K的数值上。 KB.A（B离子取代树脂上A离子的交换常数）的值越大，就越易吸附B离子。

第八章 层析技术

1.层析法分离依据：根据混合物中溶质在互不混溶的两相之间分配行为的差别，引起移动速度的不同而进行分离。 2.层析法特点：分离效率高；可选操作参数多；应用范围广；高灵敏度的在线检测快速；分离与过程自动化操作。 3.层析法分类：A根据原理分类：

1）吸附色谱：溶质通过固定相时，分子吸附在上面，后解吸，必须更换流动相； 2）离子交换层析：靠各物质与固定相之间的离子交换能力的不同而分离； 3）疏水色谱：靠各物质与固定相之间的疏水作用的强弱不同而分离；

4）亲和色谱：生物大分子与各种配基的生物识别能力的差异而分离； 5）反向色谱：溶质与固定相和流动相的作用力的不同；

6）迁移色谱：没有吸附在固定相上，由于分子性质的差异使其出来的先后次序不同； 7）凝胶色谱：靠各物质的大小或形状不同而分离。

B按应用的目的分：1）制备性色谱：工业规模，实验室规模；2）分析性色谱：GC、LC、HPLC、TLC等。

C按流动相分：1)GC:气-固色谱法(固定相为固体)；气-液色谱法(将不挥发的液体固定在适当的固体载体上作为固定相)

2）LC ：液-固色谱(固定相为固体)；液-液色谱(液体固定相固定在适当的固体上) D按固定相分：1）柱色谱法2）毛细管色谱法3）平板色谱法：硅胶板色谱、纸色谱。

E根据流动方式进行分类：一般色谱操作中流动相从固定床的一端输入，沿轴向流向另一端，属于轴向流色谱；

径向流色谱：是在柱心设一通透性细管，料液及流动相从柱的圆周引入，从外表面沿径向流向柱心，透过中心管流出。

连续环状色谱；拟移动床色谱。

F根据压力分类：低压、中压、高压层析技术。

4.色谱过程理论基础：平衡模型（热力学-连续）、塔板理论（热力学-间歇）、速率理论（动力学）。

5.塔板理论：认为溶质的分配平衡不能瞬间完成，而需要一定的柱高，即在此柱高内溶质在两相间达到一次平衡。 理论板：将溶质达到一次分配平衡的层析柱段称为一个理论板。 1）决定色谱峰最大浓度的因素：Cmax?a) 进样量(W)越大，峰高越大；

b) 相同保留时间(VR)，塔板数(N)越大，峰高越大；

c) 固定进样量和塔板数，保留时间越小，峰高越大，即色谱峰高且窄；反之，保留时间长的组分色谱峰低且宽。

NW2?VR

2）决定色谱峰的区域宽度?V1/2的因素：

保留值越大，峰宽越大；塔板数越大，峰宽越小；柱长(L)越大，峰宽越大(增加VR)；峰宽与柱结构有关 3）塔板高度的计算公式 H = L / N。

6. 塔板理论满意地解释了色谱流出曲线呈高斯分布；论证了组分的保留值与分配系数间的关系；并能成功地用于塔板数的计算。

塔板理论的缺陷：在气相色谱中，忽略分子轴向扩散；

流动相的运动是跳跃式的、不连续的假设显然违背了实际色谱过程； 实际色谱过程难于达到真正的平衡状态；

分配系数与浓度无关只在一定的范围内成立。

第九章 电泳

1.电泳定义：荷电的胶体粒子在电场中的移动；

电泳原理：蛋白质、核酸、多糖等常以颗粒分散在溶液中，它们的净电荷取决于介质的H+浓度或与其它大分子的相互作用。

带电粒子在电场中的迁移方式主要依据分子尺寸大小和形状、分子所带电荷或分子的生物学与化学特性。 2.电泳分类：依据电泳原理，现有三种形式的电泳分离系统：

移动界面电泳、区带电泳、稳态电泳，其中区带电泳是目前常用的电泳系统。

1）区带电泳中的常用技术：载体电泳：粉末电泳、纸电泳、凝胶电泳、聚焦电泳；无载体电泳：自由电泳、毛细管电泳。

2）常规聚丙烯酰胺凝胶电泳原理：

由于聚丙烯酰胺凝胶电泳（PAGE）是多孔介质，不仅能防止对流，把扩散减少到最低；而且其孔径大小与生物大分子具有相似的数量级，能主动参与生物分子的分离，具有分子筛效应。

因此，在使用聚丙烯酰胺凝胶电泳进行蛋白质分离时，在电泳过程中不仅取决于蛋白质的电荷密度，还取决于蛋白质的尺寸和形状。

PAGE可以用圆盘电泳、垂直电泳或水平电泳。

3）SDS 聚丙烯酰胺凝胶电泳：即十二烷基磺酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳。主要用于测定蛋白质亚基分子量以及未知蛋白质分子量的测定；

特点：设备简单、操作简便、测定快速、重复性高、样品无需纯化。 原理：蛋白质分子的解聚

SDS是一种阴离子去污剂，作为变性剂和助溶性试剂，能断裂分子内和分子间的氢键，使分子去折叠，破坏蛋白质分子的二级、三级结构；而强还原剂，如二硫苏糖醇、β-巯基乙醇能使半胱氨酸残基之间的二硫键断裂。 因此，在样品和凝胶中加入SDS和还原剂后，蛋白质分子被解聚为组成它们的多肽链，解聚后的氨基酸侧链与SDS结合后，形成带负电的蛋白质-SDS胶束，所带电荷远远超过了蛋白质原有的电荷量，消除了不同分子间的电荷差异；同时，蛋白质-SDS聚合体的形状也基本相同，这就消除了在电泳过程中分子形状对迁移率的影响。

第十章 结晶

1.溶解度与温度的关系可以用饱和曲线和过饱和曲线表示。

在温度-溶解度关系图中，SS曲线下方为稳定区，在该区域任意一点溶液均是稳定的，不饱和区（溶解区） ； 而在SS曲线和TT曲线之间的区域为亚稳定区，晶但诱导可以产生，若有晶体存在可以长大；

若加入晶核后，溶质在晶核周围聚集、排列，溶质SS线； 介于饱和溶解度曲线和过饱和溶解度曲以进一步划分刺激结晶区和养晶区。

在TT曲线的上半部的区域称为不稳定区，在该区能自发形成结晶，溶液中溶质浓度迅速降低至SS因此，工业生产中通常采用加入晶种，并将溶质浓以利于大而整齐的晶体形成。

2. 饱和曲线是固定的；不饱和曲线受搅拌、搅拌大小和多少、冷却速度的快慢等因素的影响。

3.结晶方法：1）热饱和溶液冷却（等溶剂结晶）：适用于溶解度随温度升高而增加的体系；同时，溶解度随温度变化的幅度要适中；

自然冷却、间壁冷却（冷却剂与溶液隔开）、直接接触冷却（在溶液中通入冷却剂）。 2）部分溶剂蒸发法（等温结晶法）：适用于溶解度随温度降低变化不大的体系，或随温度升高溶解度降低的体系；加压、减压或常压蒸馏。

3）真空蒸发冷却法：使溶剂在真空下迅速蒸发，并结合绝热冷却，是结合冷却和部分溶剂蒸发两种方法的一种结晶方法。设备简单、操作稳定。

4）化学反应结晶：加入反应剂产生新物质，当该新物质的溶解度超过饱和溶解度时，即有晶体析出； 其方法的实质是利用化学反应，对待结晶的物质进行修饰，一方面可以调节其溶解特性，同时也可以进行适当的保护； 5）盐析结晶：加入一种物质于溶液中，使溶质的溶解度降低，形成过饱和溶液而结晶的方法。

常用的沉淀剂：固体氯化钠、甲醇、乙醇、丙酮。

3. 常用的工业起晶方法：1）自然起晶法：溶剂蒸发进入不稳定区形成晶核、当产生一定量的晶种后，加入稀溶液使溶液浓度降至亚稳定区，新的晶种不再产生，溶质在晶种表面生长。

2）刺激起晶法：将溶液蒸发至亚稳定区后，冷却，进入不稳定区，形成一定量的晶核，此时溶液的浓度会有所降低，进入并稳定在亚稳定的养晶区使晶体生长。

3）晶种起晶法：将溶液蒸发后冷却至亚稳定区的较低浓度，加入一定量和一定大小的晶种，使溶质在晶种表面生长。

该方法容易控制、所得晶体形状大小均较理想，是一种常用的工业起晶方法。

4.其他结晶方法：熔融结晶：待分离组份间的凝固点的不同而实现组份分离的过程，多用于有机物的分离提纯，而冶金材料精制或高分子材料加工时的熔炼过程也属于熔融结晶。

化学结晶：通过加入反应试剂或调节PH值，生产溶解度很小的产物而析出结晶产品； 盐析结晶：在物系中加入某种物质，从而使溶质在溶剂中溶解度降低而析出。

升华结晶：液态直接从固态变成气态的过程。升华后的物质冷凝便获得结晶产品。

5. 溶液中晶体析出的条件：溶液达到过饱和状态是结晶的前提；过饱和度是结晶的推动力。 结晶晶核的形成必须满足：ΔG= ΔGs+ ΔGv<0 通常ΔGs>0，阻碍晶核形成； ΔGv<0 表面过剩吉布斯自由能（ΔGs）；体积过剩吉布斯自由能（ ΔGv）

第十一章 干燥

1.干燥的分类：A按操作压力分：常压干燥和真空干燥； B按操作方式分：连续式干燥和间歇式干燥；

C按给湿物料提供热能的方式分：传导干燥：将热能以传导的方式通过金属壁面传给湿物料。特点：热能利用率高。

对流干燥：：将热能以对流的方式传给与其直接接触的湿物料。特点：热能利用率比传导干燥低。 辐射干燥（光波）：热能以电磁波的形式由辐射器发射，射至湿物料表面被其吸收再转变为热能。 介电加热干燥（微波）：将需要干燥的物料置于高频电场的交变作用使物料加热而达到干燥。

核不会自动形成，浓度降低，并降至线之间的区域，可域任意一点溶液均

线（饱和）； 度控制在养晶区，强度、晶种、晶种

2.干燥速率曲线：单位时间内，单位干燥面积蒸发的水分质量。

v??GdXAd? υ—干燥速率，Kg/h.m2；G—绝干物料量，Kg；

A—干燥面积，m2；dx/dτ—干燥曲线斜率

1）恒速干燥阶段：湿物料表面为非结合水所湿润，物料表面气状态下的湿球温度； 此时，传热推动力（温度差）以及传质推动力（饱和蒸汽压差）因此，干燥速率也是一个定值；

实际上，该阶段的干燥速率决定于物料表面水分汽化的速率、气通过干燥表面扩散到气相主体的速率。因此，又称为表面汽此时的干燥速率几乎等于纯水的汽化速度，和物料湿含量、物影响因子主要有：空气流速、空气湿度、空气温度等外部条件。 2）降速干燥阶段：

温度是该空是一个定值； 决定于水蒸化控制阶段。 料类别无关；

物料湿含量降至临界点以后，便进入降速干燥阶段。在降速干燥阶段，非结合水以及被蒸发，继续进行干燥，只能蒸发结合水。

结合水的蒸气压恒低于同温下纯水的饱和蒸汽压，传质、传热推动力逐渐减小，干燥速率随之降低；干燥空气的剩余能量被用于加热物料表面，物料表面温度逐渐升高，局部干燥。

在这一阶段，干燥速率取决于水分和蒸汽在物料内部的扩散速度。因此，亦称为内部扩散控制阶段，与外部条件关系不大。

主要影响因素为物料结构、形状和大小。

3.干燥加热方式根据传热机理不同分为： 1）热传导（导热）：物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递称为热传导。 机理：气体热传导是气体分子作不规则热运动时相互碰撞的结果；

液体热传导的机理与气体类似，但是由于液体分子间距较小，分子力场对分子碰撞过程中的能量交换影响很大，故变得更加复杂些；

固体以两种方式传导热能，即自由电子的迁移和晶格振动。 导电体－－－自由电子的迁移；非导电体－－晶格振动。

2）对流传热：由流体内部各部分质点发生宏观运动而引起的热量传递过程。 见到的对流传热有热能由流体传到固体壁面或由固体壁面传入周围流体两种。

a) 强制对流：将外力（泵或搅拌器）施加于流体上，从而促使流体微团发生运动；

b) 自然对流：由于流体内部存在温度差，形成流体的密度差，从而使流体微团在固体壁面与其附近流体之间产生上下方向的循环流动。 3）辐射传热：因热的原因而产生的电磁波在空间的传递称为热辐射。 4.常用干燥方式及原理：

1）对流方式：A。固定床干燥法：固体不流动，干燥介质从固体层的下部、或上下交替穿过固体层，或从固体层中间沿径向穿过物料层，从固体中带走水分；

B。移动床干燥法：在整个干燥过程中干燥样品因重力不断向下移动；

C。疏松床干燥法：最常见的是转筒干燥法，热风与固体干燥对象的流向可以采用顺流形式也可以采用逆流形式。筒壁可以采用双层结构，夹层内通入热风，通过内壁对样品进行传导加热，这实际上是对流干燥与传导干燥的结合；

D。流化床干燥法：工作的固体物的颗粒比较小，且在流体作用下处于剧烈运动并分散的状态，对于许多化学反应（如焙烧、催化、催化裂化等）和许多化工过程（如干燥、吸附等）的进行有利； E。喷雾干燥器：采用雾化器将稀的料液分散为雾滴，在热气流(空气、氮气或过热水蒸气)中自由沉降并迅速蒸发，最后被干燥为固体颗粒与气流分离；

2）传导干燥法：干燥介质通过传导把热量传递给谷物的干燥方法。根据干燥介质不同又可分为蒸汽干燥法、惰性粒子干燥法；

3）辐射干燥法：以辐射能量为热源的一种干燥方法。包括微波干燥法、红外干燥法和太阳能干燥法；

4）冷冻干燥：使被干燥的液体在极低的温度下，冷冻成固体；然后，在低温、低压下利用水的升华性能，使冰升华汽化而除去，以达到干燥的目的。

习题1：已知牛血清蛋白在2.8M及3.0M硫酸铵溶液中的溶解度分别为1.2 g/L及0.26 g/L,试求牛血清蛋白在3.5M硫酸铵中的溶解度。

㏒ S=β-ＫsＩ

S—蛋白质的溶解度，g/L; I－离子强度;β—常数;Ks—盐析常数 习题2：公式：物料衡算: 如存在线性平衡,H和L为常数,有萃取因子：

萃余率： 萃取率：

利用乙酸乙酯萃取发酵液中的放线菌素D(Actinomycin D), pH为3.5时分配系数m =57。令H = 450 l/h, 单级萃取剂流量为39 l/h。计算单级萃取的萃取率。 解: 单级萃取的萃取因子：E = 57*39/450= 4.94 （

）

单级萃取率： = 4.94/（1+4.94）= 0.832 习题3：利用乙酸乙酯萃取发酵液中的放线菌素D, pH3.5时分配系数m =57。采用三级错流萃取, 令H = 450 l/h, 三级萃取剂流量之和为39 l/h。分别计算L1 = L2 = L3 = 13 l/h和L1 = 20, L2=10, L3 = 9 l/h时的萃取率。 解: 萃取剂流量相等时，E = 1.65（

）

用右侧方程得：1- ?3 = 0.946（）

若各级萃取剂流量不等, 则E1 = 2.53，E2 = 1.27，E3 = 1.14，由右式得：1- ?’3 = 0.942. 所以，1- ?3 >

1- ?’3 （ ） 单级萃取的萃取率 = 0.832

习题4：设题3中操作条件不变(L = 39 l/h), 计算采用多级逆流接触萃取时使收率达到99% 所需的级数。 解：E = mL/H = 4.94; 因为收率为99%, 即 1 - ?n = 0.99, 则上式得n = 2.74, 故需要三级萃取操作。 可计算采用三级逆流接解萃取的收率为99.3%, 高于例2的错流萃取, 说明多级逆流接触萃取效率优于多级错流萃取.

（萃余率为：；萃取率为：）

习题5：某澄清的发酵液中含260mg/l放线菌D,现用醋酸丁酯进行多级萃取（多级逆流萃取）。已知平衡常数m=57.0，料液流量450升/时，有机相流量20升/时。为达到此抗生素收率为98%的要求，需要多少级的萃取过程？ 解：N=1 萃取率0.697；N=2 萃取率0.88；N=3 萃取率0.95； N=4萃取率0.98；萃取级数4级。

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