生物分离工程部分习题和答案

第一章 导论

一 解释名词

生物下游加工过程（生物分离工程），生物加工过程

1 、生物下游加工过程（生物分离工程）：从发酵液、酶反应液或动/植物细胞培养液中将目标产物提取、浓缩、分离、纯化和成品化的过程。（ppt 第一章 、课本page 1） 2、生物加工过程：一般将生物产品的生产过程叫生物加工过程，包括优良生物物种的选育、基因工程、细胞工程、生物反应工程及目标产物的分离纯化过程。（课本page 1）

二 简答题

1 生物产品与普通化工产品分离过程有何不同？（生物下游加工过程特点是什么？）

答：生物下游加工过程特点：

<1>：发酵液组成复杂，固液分离困难——这是生物分离过程中的薄弱环节

<2>：原料中目标产物含量低，有时甚至是极微量——从酒精的1/10到抗菌素1/100， 酶1/100万左右，成本高。

<3>：原料液中常伴有降解目标产物的杂质——各种蛋白酶降解基因工程蛋白产物， 应快速分离。

<4>：原料液中常伴有与目标产物性质非常相近的杂质——高效纯化技术进行分离。 <5>：生物产品稳定性差 ——严格限制操作条件，保证产物活性。

<6>：分离过程常需要多步骤操作，收率低，分离成本高——提高每一步的产物收得 率，尽可能减少操作步骤。 <7>：各批次反应液性质有所差异——分离技术具有一定的弹性。

2 生物分离工程在生物技术中的地位？

答：生物技术的主要目标产物是生物物质的高效生产，而分离纯化是生物产品工程的重要环节，而且分离工程的质量往往决定整个生物加工过程的成败，因此，生物分离纯化过程在生物技术中极为重要。

3 分离效率评价的主要标准有哪些？各有什么意义？（ppt） 答：根据分离目的的不同，评价分离效率主要有3个标准：

以浓缩为目的：目标产物浓缩程度（浓缩率m） 以纯度为目的：目标产物最终纯度（分离因子a） 以收率为目的：产品收得率（%）

4 生物分离工程可分为几大部分，分别包括哪些单元操作？（简述或图示分离工程一般流程及基本操作单元）

答：生物分离工程分四大部分：

<1>、发酵液预处理与液固分离。 基本操作单元：过滤、离心 <2>、初步纯化。 基本操作单元：根据产品性质而定

<3>、高度纯化。 基本操作单元：根据产品性质而定，技术要有高度选择性 <4>、成品加工。 基本操作单元：结晶、干燥

5 在设计下游分离过程前，必须考虑哪些问题方能确保我们所设计的工艺过程最为经济、可靠？(ppt)

答：<1>、目标产物性质及其共存杂质的特性 <2>、充分考虑目标产物商业价值 <3>、考虑生物加工过程自身规模 <4>、采用步骤次序相对合理 <5>、尽可能采用最少步骤 <6>、产品稳定性与物性 <7>、产品规格与型式 <8>、生产过程中废水等排放 6 下游加工过程的发展趋势有哪些方面？（ppt） 答：成本控制 和 质量控制

7 纯化生物产品的得率是如何计算的？若每一步纯化产物得率为90%，共6步纯化得到符合要求产品，其总收率是多少？

答：得率=产品中目标产物总量/原料中目标产物总量 总收率=（90%）6 =53.1441%

第二章 发酵液预处理

一 解释名词

凝聚：在中性盐作用下，由于双电层排斥电位降低使胶体体系不稳定的现象。

絮凝：在絮凝剂高分子聚合分子的作用下，基于架桥作用，胶体颗粒和聚合物交连成网，

形成10 mm大小的絮凝团过程。是一种以物理集合为主的过程。

凝聚剂：让不稳定的胶体微粒（或者凝结过程中形成的微粒）聚合在一起形成集合体的过

程中所投加的试剂的统称。

过滤：利用多孔介质（如滤布、微孔膜、致密膜）截流悬浮液中的固体粒子，进行液固分离的过程。

离心：在离心力作用下，利用固体和液体之间的密度差达到沉降分离目的。

细胞破碎：利用外力破坏细胞膜和细胞壁，使细胞内容物包括目的产物成分释放出来的技术 包含体：指细胞或细菌中高表达的蛋白质(也可以汇同其他细胞成分)聚集而成的不溶性颗粒。 二 简答题

1 为什么要进行发酵液的预处理？常用处理方法有哪几种？

答：提高过滤速度与过滤质量 改变发酵液性质(黏度↓、颗粒?、颗粒稳定性↓)

去除部分杂质 使产物转入到易处理的相中（通常是液相） 方法： 加热、调节、pH凝聚、絮凝

2 凝集与絮凝过程有何区别？如何将两者结合使用？常用的絮凝剂有哪些？ 答：凝集：在中性盐作用下，由于双电层排斥电位降低使胶体体系不稳定的现象。 机制：破坏双电层、水化层解体胶体吸附、氢键结合等。

絮凝剂种类：A、阳离子类：如聚丙烯酰胺(+)、聚苯烯酸二烷基胺乙酯、聚二烯丙基四胺； B、阴离子类：如聚丙烯酸钠、聚苯乙烯磺酸、聚丙烯酰胺(-)； C、非离子类：如聚丙烯酰胺(0)、环氧化乙烯。

3 发酵液预处理中凝聚剂主要起什么作用？絮凝机理是什么？ 答：絮凝剂主要起中和电荷、架桥和网络作用（范德华力、氢键）。

在絮凝剂高分子聚合分子的作用下，基于架桥作用，胶体颗粒和聚合物交连成网，形成10 mm大小的絮凝团过程。是一种以物理集合为主的过程。

4 细胞破碎的方法包括哪几类？工业上常用的方法有哪些？为什么？

答：机械法：固体剪切法(珠磨法、压榨法、撞击法) 液体剪切法（高压匀浆法、超声波破碎）

非机械法：酶溶胞作用、化学溶胞作用（酸碱法、表面活性剂法、抗生素）、物理溶胞作用（有机溶剂膨胀法、渗透冲击、冻融、 激光、高速切相流撞击、冷冻喷射）、干燥处理

工业常用方法：高压匀浆法、高速珠磨法

5 沉降与离心的异同？

答：沉降：溶液中的颗粒或溶质在重力或离心力作用下发生沉淀的现象。沉降的结果使分散体系发生相分离。可利用悬浮在流体(气体或液体)中的固体颗粒下沉而与流体分离。利用悬浮的固体颗粒本身的重力而获得分离的称做重力沉降。利用悬浮的固体颗粒的离心力作用而获得分离的称做离心沉降。

离心：在离心力作用下，利用固体和液体之间的密度差达到沉降分离目的。离心力（ rω2）大小对固液分离度很有影响，细胞悬浮液和其他颗粒尺寸多不大，并且液体黏度通常较大，因此要通过增大离心力来提高分离效果。

6 离心设备可分为哪两大类？按分离因子Fr不同，离心机一般分为哪几类？

答：管式离心机（最简单，可供较大离心力；可用冷却水冷却；悬浮液由管底进，澄清液由管口出），蝶片式离心机（流速与碟片数、微粒与转鼓轴间距离有关） 按分离因子不同，可分：

1)、常速离心机 2)、高速离心机 3)、超速离心机 7 常用的离心沉降设备有哪些？常用的过滤设备有哪些？

答：离心沉降设备：管式离心机、多室离心机（管式离心机的变形）、碟式离心机（人工排渣式、喷嘴排渣式、活塞排渣式等）、螺旋卸料沉降离心机、离心过滤机、三足式离心机

过滤设备可分：加压过滤设备（板框过滤机、加压叶滤机）

减压过滤设备（转鼓真空过滤器、圆盘真空过滤器、带式真空过滤器） 重力过滤设备（离心过滤机）

8 固-液分离主要包括哪些方法和设备？ 答：1、过滤 (重力过滤、加压过滤、减压过滤) 2、离心沉降（各种离心机）

3、重力沉降 4、气悬浮

过滤设备类型：加压过滤设备： 板框过滤机、加压叶滤机

减压过滤设备： 转鼓真空过滤器、圆盘真空过滤器、带式真空过滤器 重力过滤设备： 离心过滤机

离心设备：生物工业所用的离心机多为高速离心机。离心机主要包括以下几类： 管式离心机： 多室离心机（管式离心机的变形）

碟式离心机：（人工排渣式、喷嘴排渣式、活塞排渣式等） 螺旋卸料沉降离心机 离心过滤机 三足式离心机

9 试比较固液分离中过滤和离心分离技术的特点。

答：过滤在结晶体类、颗粒相对较大时（非粘性物料）的处理时较好用。离心在颗粒细微（最小可达到纳米级别），或是粘性物料处理时比较合适。

10 高压匀浆与高速珠磨破碎法各有哪些优缺点？

答：高压匀浆：优点是细胞经历了高速造成的剪切、碰撞、高压到常压的变化，从而造成细胞破碎。

缺点是较容易造成堵塞的丝状真菌、放线菌以及较小的G+菌不适合用本法。

? 能耗：蛋白质与酶的失活主要是由于匀浆过程中产生热所至。将温度控制在

35?C以下，损失可以忽略不计。

? 高压匀浆一般需多级循环操作，每次循环前需要进行级间冷却。 ? 压力可提高细胞破碎效果，但同时需要增加能耗和带走热量付出的代价。 ? 主要能耗是高压和维持低温操作能量消耗。 高速珠磨破碎法：

破碎率与能耗成正比。增加装珠量或延长破碎时间或增加转速均可提高破碎率，但同时能量消耗和产热增加，提高了制冷费和总能源消耗量。当破碎率≥80%，能耗急剧增加。

11 比较工业常用的过滤设备优缺点。离心与过滤各有什么优缺点？

答：板框过滤机的优点是过滤面积大、过滤压力可较大幅度调整和耐受较高压力差，应用

范围广；结构简单，价廉，动力消耗少；

缺点是不能连续操作，劳动强度大，卫生条件差，非生产周期长。 加压叶滤机：在密闭条件下操作，适应无菌过滤；机械装卸简单，清洗容易； 价高，更换过滤介质困难。

转鼓真空过滤机：能连续操作和自动化生产； 压差小，主要适应于霉菌发酵液。

离心法分离液体和固体的优点是技术容易掌握，分离结果重复性好，通过增加转速和延长离心时间可以使得一些难以过滤的物质（细胞碎片等）沉降下来，但缺点是难以除去一些密度较小的物质。生产投资较高，噪声较大等。

过滤技术难以掌握，影响因素很多，常出现颗粒泄漏和膜堵塞等问题，生产中稳定性不如离心好，常需要有经验的工人从事操作。但如果分离介质选择恰当和掌握好技术，对于一些密度差小离心难以分离的颗粒物质常可全部除去。

第三章 沉淀与结晶

一 解释名词

沉 淀: 由于物理环境变化（加入试剂、加热等），改变溶剂和溶质的能量平衡来降低溶质溶解度，使溶质生成固体颗粒沉降析出的现象。 结 晶: 从均匀液相或气相形成一定形状、大小的分子、原子或离子有规则排列的固体颗粒的过程。（工业结晶一般以液相为主）

盐 析: 蛋白质在高离子强度溶液中溶解度降低产生沉淀的现象。

盐 溶: 低盐离子强度下，随着离子强度增加蛋白质溶解度升高的现象。

盐析结晶: 在高离子强度溶液中,蛋白质形成一定形状、大小的分子、原子或离子有规则排列的固体颗粒的过程。

盐析沉淀: 由于溶液中离子的加入试剂，改变溶剂和溶质的能量平衡来降低溶质溶解度，使溶质生成固体颗粒沉降析出的现象。

硫酸铵饱和度: 指在100g硫酸铵溶液中硫酸铵在溶液中所占质量分数。

晶 种: 在结晶法中，通过加入不溶的添加物即晶种，形成晶核，加快或促进与之晶型或立体构型相同的对映异构体结晶的生长。 晶 核：晶体的生长中心。 晶 型：

饱和溶液：如果向溶剂中加入足够量的固体溶质，一定时间后溶剂中的溶质浓度不再升高，溶质在固液之间达到平衡，此时溶液中的浓度称为溶解度或饱和浓度；该溶液称为饱和溶液。 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。 饱和度：某种溶液的饱和度是指在100g该溶液中溶质在溶液中所占质量分数。

二 简答题

1 根据加入沉淀剂的不同沉淀分离主要包括哪几类？ 答：沉淀分离的主要方法： 1）盐析沉淀法

2）有机溶剂沉淀法

3）|pH水 – p I| Value调节法 4）亲水聚合物沉淀法 5）聚电解质絮凝法

6）高价金属离子沉淀法 7）亲和沉淀法

2 常用的蛋白质沉淀方法有哪些？有机溶剂沉淀蛋白质的机理什么？用乙醇沉淀蛋白质时 应注意哪些事项？

答：①常用的蛋白质沉淀方法有：

蛋白质盐析沉淀、蛋白质等电点沉淀、有机溶剂沉淀法及运用沉淀动力学沉淀法等。

②有机溶剂沉淀蛋白质的机理是：

向蛋白质溶液中加入有机溶剂，水的活度降低。随着有机溶剂溶度的增大，水对蛋白质分子表面荷电基团的水化程度降低，液体的介电常数下降，蛋白质分子间的静电引力增大，从而凝聚和沉淀。

③用乙醇沉淀蛋白质时 应注意的事项：

1、低温条件下操作可以提高收率和减少蛋白质失活变性（加入有机溶剂为放热反应）； 2、采用的有机溶剂必须与水互溶，与蛋白质不发生作用； 3、蛋白质分子量越大，需要加入的溶剂量越少；

4、一种蛋白质的溶解度常会因为另一种蛋白质存在而降低； 5、沉淀的蛋白如果不能再被溶解，可能已经变性；

6、很多酶和蛋白质在20-50%（V/V）就能产生沉淀；当溶剂量达到50%时，通常只有 分子量≤1500的蛋白留在溶液中；

7、PH=PI时，需要加入的溶剂量减少；

8、盐析法沉淀的蛋白质采用有机溶剂精制时必须与先进行透析。 3 影响盐析的主要因素有哪些？在工艺设计中如何应用？

答：用Cohn经验公式来看 lgS=-β--KsI

影响盐析的主要因素有:

β：与蛋白质种类、温度、pH有关，与无机盐种类无关

Ks：与无机盐种类、蛋白质种类（不同蛋白之间溶解度相差不超过1倍）有关，与温 度、pH无关.

在工艺设计中如何应用？ 4 如何确定盐析过程中需要加入硫酸铵的量？

答：0～300C 溶解度变化很小，加入水中后溶液体积会变大（必须考虑到）。 200C 1L加至饱和浓度时体积变大为：1.425L(实际应加入) 761g

因此，要使1L溶液浓度由M1增加到M2需要加入多少克（NH4）2SO4需要按下式计算：

200C时—— G=533（M2-M1）/（4.05-0.3M2）或533（S2-S1）/（100-0.3S2） 00C时—— G=505（M2-M1）/（3.825-0.285M2）或505（S2-S1）/（100-0.285S2） 5 简述有机溶剂沉淀的原理。

答：有机溶剂沉淀的原理： ①亲水性有机溶剂加入溶液后降低了介质的介电常数，使溶质分子之间的静电引力增加，聚集形成沉淀；②水溶性有机溶剂的水合作用降低了自由水的浓度，压缩了亲水溶质分子表面原有水化层的厚度，降低了它的亲水性，导致脱水凝集。 6沉淀与结晶有何不同？

答：结晶为同类分子或离子以有规则排列形式析出，沉淀为溶质分子或离子以无规排列形式析出，构成成分复杂（目标分子、杂质、溶剂等）。

（沉淀与结晶的联系： 在本质上都是新相析出的过程，主要是物理变化，当然也存在化学反应的沉淀或结晶。）

7 结晶操作的原理是什么？常用结晶器包括哪两种类型？如何选择结晶设备？ 答：结晶操作的基本原理：使溶液处于过饱和状态。

工业结晶设备主要有： 冷却式、 蒸发式（常压蒸发、减压蒸发）

结晶器的选择：根据目标产物溶解度曲线确定——目标产物溶解度随温度升高而显著升高则可选用其中任何一类；否则只能选用蒸发式结晶设备。 8 粒子大小与溶解度有何关系？

答：粒子大小与溶解度：颗粒直径越小，溶解度越大。

溶解度还与颗粒大小有关，微小颗粒的溶解度大于较大直径的颗粒。从热力学方法可得 到颗粒大小与溶解度的关系：

（ C 普遍晶体溶解度 Cs半径为rc的晶体溶解度 σ结晶界面张力 Vm晶体摩尔体积 R气体常数 T绝对温度 ） 9 有哪些方法造成溶液过饱和？ 答：冷却；蒸发结晶；加溶质。

10 绘制饱和温度曲线和过饱和温度曲线，并标明稳定区、亚稳定区和不稳定区。并简述其意义

11 影响硫酸铵盐析效果的主要因素有哪些？公式Ig S=β- Ks I 中β、Ks各与什么因素有关？

答：影响硫酸铵盐析的因素：Ig S=β- Ks I。式中, S为蛋白质的溶解度(g/L)； I为离子强度； m 为盐的摩尔浓度；

β值为蛋白质在纯水中(I=0时)的假想溶解度对数值，是pH值和温度的函数。在蛋白质pI时最小，与蛋白质种类、温度、pH有关，与无机盐种类无关；

Ks 为盐析常数，与盐和蛋白质种类有关，与温度和pH值无关。

第四章 萃取

1萃取：是利用溶质在互不相溶的两相之间分配系数的不同，使溶质得到纯化或浓缩，从而

提取原料中目标产物的方法。

2反萃取(Back extraction) ： 调节水相条件，将目标产物从有机相转入水相的萃取操作过程。 3分配系数：溶质在两相中的总浓度之比。

4有机溶剂萃取：用与水互不相溶的有机溶剂作为萃取剂，利用生物物质在两相中分配系数

的差异进行分离的过程

5分离因子：衡量分离的程度用分离因子表示

6乳化：水或有机溶剂以微小液滴形式分散于有机相或水相中的现象。

7胶 团(micelles): 表面活性剂在连续的水相自发缔合形成纳米尺度水溶性聚集体。 是一

种透明的、热力学稳定的体系。

8临界胶束浓度：是S在水溶剂中形成胶束的最低浓度。

9.反 胶 团(reverse micelles): 表面活性剂在连续有机溶剂中自发缔合形成纳米尺度水溶性聚集体，是一种透明的、热力学稳定的体系。

10

11溶解度参数:是衡量液体材料相容性的一项物理常数。其物理意义是材料单位体积内聚能密度的开平方

12介电常数:是化合物mol极化程度的量度，又称电容率。表征电介质极化性质的宏观物理量。定义为电位移D和电场强度E之比D=εE

13 HLB值：亲水—亲油平衡值。=(亲水基团的分子量/ 疏水基团的分子量)*20 14萃取因数:也称萃取比，其定义为被萃取溶质进入萃取相的总量与该溶质在萃余相中总

量之比。

15带溶剂: 带溶剂是指易溶于溶剂中并能够和溶质形成复合物且此复合物在一定条

件下又容易分解的物质，也称为化学萃取剂。对于水溶性强的溶质，可利用脂溶性萃取剂与溶质间的化学反应生成脂溶性复合分子，使溶质向有机相转移。这种溶剂称为带溶剂

16超临界流体:是指超过临界温度与临界压力状态的流体.

17超临界流体萃取:利用超临界流体为萃取剂的萃取操作。

18双水相萃取：利用生物物质在互不相溶的两水相间分配系数的差异进行分离的过程

19液膜萃取：以液膜为分离介质、以浓差为推动力的液-液萃取与反萃过程结合为一体的分离过程。

20多级逆流萃取：P105

二 简答题

1 生物物质的萃取与传统的萃取相比有哪些不同点？

答：生物萃取要尽可能保证分离目标产物的活性。目标分离物量少。还有超临界流体萃取

等新萃取技术的使用。

2 溶剂萃取按参与溶质分配的两相不同而分为哪5类？有机溶剂萃取中产生乳化后使有机相和水相分层困难，一般会出现哪两种夹带？各产生什么后果？

答：有机溶剂萃取，双水相萃取，液膜萃取，反胶团萃取，超临界流体萃取 两种夹带及后果：①发酵液中夹带有机溶剂微滴，使目标产物受到损失； ②有机溶剂中夹带发酵液给后处理操作带来困难。 3 萃取过程（方式）设计分为哪几种类型？

答：混合-澄清式，多级错流接触萃取，多级逆流接触萃取，分馏萃取，微分萃取 4 pH 对弱电解质的萃取效率有何影响？

答：弱酸性电解质分配系数虽ph减小而增大，弱碱性电解质相反。

5发酵液乳化现象是如何产生的？对分离纯化产生何影响? 影响乳浊液稳定的因素主要有哪些？如何有效消除乳化现象？

答：是发酵液中存在的蛋白质和固体颗粒等物质，这些物质具有表面活剂性的作用，使有机溶剂和水的表面张力降低（乳化剂），产生两种乳浊液：

油包水型W/O乳浊液、水包油型O/W型乳浊液。

乳化后使有机相和水相分层困难，出现两种夹带：

①发酵液中夹带有机溶剂微滴，使目标产物受到损失； ②有机溶剂中夹带发酵液给后处理操作带来困难。

影响因素：表面活性剂的种类，浓度影响表面张力，介质黏度：较大时能增强保护膜的机械强度。液滴带电：相同电荷的颗粒互相排斥而维持乳浊液稳定。

如何消除：P101在操作前，对发酵液进行过滤或絮凝沉淀处理，可除去大部分蛋白质及固体微粒，防止乳化现象的发生。

乳化产生后，采取适当的破乳手段——

物理方法：过滤或离心沉降——乳化现象不严重，可采用的方法。 加热 稀释 吸附 加电解质 化学方法：

对于O/W型乳浊液，加入亲油性表面活性剂，可使乳浊液从O/W型转变成W/O型， 对于W/O型乳浊液，加入亲水性表面活性剂，如SDS（十二烷基磺酸钠）或PPB（溴代十五烷基砒碇）可达到破乳的目的。

6 液－液萃取从机理上分析可分为哪两类？

答：物理萃取（Physical extraction) ：根据相似相溶原理，溶质在两相之间达到分配平衡，萃取剂与溶质之间不发生化学反应的萃取操作。

化学萃取（Physical extraction) ：利用脂溶性萃取剂与溶质之间发生化学反应生成脂溶性复合分子，使溶质优先向有机相分配的萃取操作。 7 常见物理萃取体系由那些构成要素？

答：萃取剂，原溶剂（稀释剂），溶质（被萃取的物质） 8 何谓萃取的分配系数？其影响因素有哪些？

答：溶质在两相中的总浓度之比。影响因素：水相ph，温度，无机盐，有机溶剂或稀释剂种类。

9 何谓超临界流体萃取？其特点有哪些？提高超临界流体萃取选择性的原则是什么？ 答：它是利用超临界流体（supercritical fluid，SCF），即其温度和压力略超过或靠近临界温度（Tc）和临界压力（pc），物理性质介于气体和液体之间的流体作为萃取剂，从固体或液体中萃取出某种高沸点或热敏性成分，以达到分离和提纯的目的萃取操作。 特点：1）具有与液体同样的凝聚力、溶解力。2）黏度小、扩散系数接近气体，有很高的萃取速度；渗透性好，可简化预处理过程。3）密度随T、P产生较大变化，对物质萃取具有良好的选择性，萃取后容易分离。提高超临界流图选择性的基本原则： 1）操作温度与临界温度接近

2）超临界流体化学性质与目标产物接近

10何谓双水相萃取? 影响生物分子在两水相中分配的因素有哪些？常见的双水相构成体系有哪些？

答：双水相萃取是利用生物物质在互不相溶的两水相间分配系数的差异进行分离的过程 影响因素：成相聚合物分子量与浓度，无机盐的种类和浓度，PH值，温度 双聚合物系统聚乙二醇(PEG)/葡聚糖(Dx)体系。

聚合物与无机盐的混合溶液，例如，PEG/磷酸钾、PEG/磷酸铵、PEG/硫酸钠等常用于生物产物的双水相萃取。

11 影响生物分子在两水相中分配的因素有哪些？两水相萃取应用中最突出的问题是什么？ 答：因素（成相聚合物分子量与浓度，无机盐的种类和浓度，PH值，温度）

突出问题：表面张影响分配系数的因素好很多，给双水相系统的选择和设计带来很大困难，成本，回收。

12 反胶团萃取特点有哪些？反胶团溶解作用机理有哪几种理论模型？ 答：P149，P151

13 图示单级萃取、多极错流萃取、多极逆流萃取设备流程。 答：P101,102,105

14 图示反胶束萃取多步间歇混合—澄清和连续萃取—反萃取设备流程。 答：P162,163

15 图示或简述超临界流体萃取的操作方法。P173

答：等温法：改变压力、温度不变；高压萃取低压分离。 等压法：改变温度实现萃取。

吸附法：利用选择性吸附剂吸附目标产物，有利于提高萃取选择性。

第五章 吸附与离子交换 一 解释名词

吸附(adsorption)：溶质从液相或气相转移到固相的现象。

吸附剂(adsorbent)： 用于吸附操作的、在表面上能发生吸附作用的固体。 吸附等温线：即在一定温度下，固体吸附量是浓度的函数。

大网格树脂吸附剂：有机高分子聚合物的多孔网状结构。具有选择性好、解吸容易、机械强

度好、流体阻力较小、价格高的特点。

离子交换剂：一种含有可解离基团的物质，常用作离子交换层析介质，其解离基团能与溶液

中的其他离子起交换作用，可分为阳离子交换剂和阴离子交换剂。

离子交换树脂：带有官能团、具有网状结构、不溶性的高分子化合物。

交换容量(exchange capacity) ：指单位质量的干燥离子交换剂或单位体积的湿离子交换剂所能吸附的一价离子的毫摩尔数(mmol)。

交联度：合成树脂中单体中DVB（二乙烯苯）的百分含量。（通常为8～12%）交联度越大，树脂越坚固，在水中越不容易膨胀；达到平衡速度慢，选择性高。 穿透点(breakthrough point):出口处溶质浓度开始上升的点 穿透曲线(breakthrough curve)：指吸附塔中溶质浓度的变化曲线

二 简答题

1 影响吸附过程因素有哪些？如何选择吸附分离的操作条件（包括吸附与解吸）？ 答：固体在溶液中的吸附比较复杂，影响因素也较多，主要有吸附剂、 吸附质、溶剂的性质以及吸附过程的具体操作条件等。主要因索 简述如下（1.）吸附剂的特性（组成结构、容量、稳定性 ）

（2）.吸附物的性质（熔点、缔合、离解、氢键等） （3.）溶剂（单、混合）

2 亲和吸附的原理和特点是什么？

答：亲和吸附原理：亲和吸附依靠于涪质和树脂之间特殊的化学作用，这不同于依靠范德华力的传统吸附及离子交换静电吸附。亲和吸附具有更高的选择性，吸附剂由载体与配位体两部分组成。载体与配位体之间以共价键或离子簇相连，但载体不与溶质反应。相反，被束缚的配位体有选择地与溶质反应，当涪质为大分子时，这种作用表示为“钥匙和钥匙”的机制，大致可分为三步：

①配基固定化 选舞合适的配基与不溶性的支撑载体偶联，或共价结合成具有特异亲和性的分离介质。

②吸附样品 亲和吸附介质选择性吸附酶或其他生物活性物质， 杂质与层折介质问没有亲和作用，故不能被吸附而被洗涤去除。

②样品解析 选择适宜的条件，使被吸附的亲和介质上的酪或其他生物活性物质解吸。 亲和吸阳的特点： 亲和吸附酌最大优点在于，利用它从租提液中经过一次简单的处理便可得到所需的高纯度活性物质。此外亲和吸附具有对设备要求不高、操作简便、适用范围广、特异性强、分离速度快、分离效果好、分离条件温和等优点，其主要缺点是亲和吸附剂通用性较差，要分离一种物质得重新制备专用的吸附剂；由于洗脱条件较苛刻，须很好地控制洗脱条件，以避免生物活性物质的变性失话。

3 常用的离子交换树脂类型有哪些？影响离子交换速度的因素有哪些？ 答：离子交换树脂有多种分类力浊，主要有四种：第—种按树脂骨架的主要成分分类，如聚苯乙烯型树脂、聚丙烯酸测树脂、环氧氯丙烷型多烯多胺型树脂、酚－醛型树脂等；第二种按聚合的化学反应分为共聚型树脂和缩聚型树脂；第三种按骨架的物理结构分类，可分为凝胶型树脂亦称微孔树脂、大网格树脂亦称大孔树脂、以及均孔树脂；第四种按活性基团分类，分为含酸性基团阳离子交换树脂和含碱性基闭的阴离子交换树脂。由于活性基团的电离程度强弱不同又可分为强酸性和弱酸性阳离子交换树脂及强碱性和弱碱性阴离子交换树脂。此

外，还有含其他功能基团的整合树脂、氧化还原树脂以及两性树脂等。 影响交换速度的因素有： ①颗粒大小；②交联度； ③温度； ④离子的化合价；⑤离子的大小；⑥搅拌速度；⑦溶液浓度

4、用于蛋白质提取分离的离子交换剂有哪些特殊要求，主要有哪几类？ 答：蛋内质是高相对分子质量化合物，它的体积比无机离子大很多；蛋白质是带有许多可解高基团的多价的两性电解质，在不同的pH值下，可以带不同数目的正电荷或负电荷；蛋白质有四级结构，只有在温和条件下，才能维持高级结构，否则将遭到破坏而变性。因此，陈一般树脂具备的性能外，适用于蛋白质分离纯化用树脂还需有特殊的性能，首先，必须具备良好的亲水性；其次需具备均匀的大网结构，以容纳大体积蛋白质；选择适当电荷密度的交换剂，以免引起蛋白质空间构象变化导致失活‘粒度越小，分辨率越高，一般分为租、中粗、细、超细等不同规格，要求粒径均匀；根据应用目的的不同可选用工业级、分析级、生物级、分子生物级等不同级别的交换别。 用于蛋白质提取分离的离子交换剂主要有：

①多糖类，以多糖为母体的离子交换剂是经典的分离生物大分子的材料。纤维素、交联葡萄糖、交联琼脂糖树脂均为具有网状结构的亲水性骨架，可允许生物大分子透过而不发生变性； ②聚乙烯酵类； ③聚丙烯酸经乙酯类； ④Ｍｏｎｏ系离子交换树脂

5 试比较固定床、膨胀床、流化床的优缺点。

固定床：优点：流体在介质层中基本上呈平推流，返混小，柱效率高。

缺点：无法处理含颗粒的料液，因会堵塞床层，造成压力降增大而最终使操作无法

进行。

流化床：优点：压降小，可处理高黏度或固体颗粒的粗料液。不需要特殊吸附剂，设备操作

简单。

缺点：存在严重的返混，特别是高径比很小的流化床，使床层理论塔板数降低，吸

附剂的利用率低。

膨胀床：优点： 综合固定床和流化床的优点，使吸附颗粒实现稳定分级，顺利通过床层。

可直接处理菌体发酵液或细胞匀浆液，提高目标产物收率，降低分离纯化过程成本。

缺点：操作较复杂和繁琐，需要一定的手工控制，多操作人员的技能和熟练程度要

求较高；必须控制料液在适当浓度范围内；介质的污染严重，需要严格的清洗和再生操作。

6 离子交换剂性能评价主要包括哪些方面？各有什么意义？

6对凝胶介质的要求： 1）：亲水性高、表面惰性（与溶质、容剂不发生任何化学或物理反应） 2）：稳定性强、使用寿命长（较广的pH范围、离子强度范围及化学试剂中稳定） 3）：具有一定的孔径分布范围 4）：机械强度较高，允许较高的操作压力

表征凝胶介质特性的主要参数：排阻极限，分级范围，凝胶粒径，空隙体积，溶胀率，床体积

7五对亲和配基：

抗原与单克隆抗体；荷尔蒙与受体蛋白；酶与辅酶；凝集素与糖，糖蛋白，细胞等；免疫球蛋白与A蛋白和G蛋白

第八章 干燥

一、名词解释：

干燥：利用热能方法除去目标产物的浓缩悬浮液或结晶（沉淀）产品中的湿份（水、有机溶剂）的单元操作。

升华干燥：将含水物料冷冻到冰点以下，使水转变为冰，然后在较高真空下将冰转变为蒸汽而除去的干燥方法。

传导干燥：载热体（如空气、水蒸气、烟道气）不与湿物料直接接触，而是通过导热介质（如不锈钢）以传导的方式传给湿物料。 二 简答题

1 产品干燥的主要方法有哪几大类？高度热敏物质应选择什么方法进行干燥？为什么？ 按照水分原始聚集状态分为:液态干燥,态升华干燥

按供热方式分类:传导（间接加热）干燥,对流干燥,辐射式干燥,接触式干燥 可选用冷冻升华干燥，因为物质对热不稳定而使得物质在一定温度下变性。 2 物料中所含水分的种类有哪些？除去的难易程度如何？ 自由水——生产中可以除去的水分。 结合水——生产中难以除去的水分。

结合水包括：物理机械结合水、物理化学结合水、化学结合水 3 平衡水分和自由水分的概念？

平衡水分：物料和与其相接触的空气达到相平衡状态时的含水量称为为该物料的平衡含水量，又称平衡水分。

自由水分：如果物料的的初始含水量高于平衡含水量，则与湿空气达到平衡状态时所失去的水分为自由水分。

4 结合干燥速率曲线说明什么是恒速干燥阶段？什么是降速干燥阶段？

预先阶段恒速干燥阶段降速干燥阶段干燥过程中物料颗粒或液滴与温度一定的热空气对流接触，当物料温度上升到与热空气相对应的湿球温度后，热空气向物料传递的热量与物料中水分汽化所需要的潜热相等，物料温度不再上升，水分以恒速汽化，此阶段为恒速干燥阶段。

当物料含水量降到临界含水量Xc下时，物料表面及较大孔隙中的水分蒸发殆尽，细孔内的水分扩散成为干燥速率的控制因素，干燥速度降低，物料温度上升，直至达到物料平衡水分为止，此阶段为降速干燥阶段。

5 常用的干燥设备有哪些？各自应用特点如何？

1、气流干燥器：干燥速度快，处理量大，设备中与热的空气高速（20-40m/s）流过干燥管，物料颗粒悬浮在热空气中，在气流输送过程中得到干燥，旋风分离器出口回收产品。干燥颗粒通常为50-300um，粒径太小会难以回收产品。

2、压力喷雾与离心喷雾干燥机：干燥速度快、时间短（＜10s），雾滴直径小（＜100um），适用于热敏物质干燥。淀粉酶、氨基酸、抗生素、血浆、酵母等产物可利用喷雾干燥法干燥产品。

3、冷冻干燥器：适用于热敏性非常强的生物物质干燥，如蛋白质、抗生素、果蔬等，如干扰素、白介素、促红细胞生成素、胰岛素等基因工程产品生产干燥

4、（真空）传送带干燥器：可用于氨基酸、维生素、抗生素、糖类、酶类等干燥。 5、转筒干燥器：可用于糖类等耐热性较高的物质干燥

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