生物分离工程计算

三、问答题

1、什么是生物技术下游加工过程？

从发酵液或酶反应液或动植物细胞培养液中提取、分离、纯化、富集生物产品的过程。

2、针对分离对象而言，生物分离过程有何特点

（1）发酵液或培养液是产物浓度很低的水溶液：发酵液中生物产品的浓度很低，而杂质含量却很高，如发酵液 (0.1-10g/L) 或培养液(5-50mg/L)，青霉素（4.2%）、庆大霉素（0.2%）、干扰素（<50ug/ml，0.005%）胰岛素0.002%。这使分离所需能量以及产品价格大大提高。

（2）培养液是多组分的混合物：培养液是一个复杂的多相体系，含有菌体、未消耗尽的固体培养基等固体成分和大量的液相；未消耗完的培养基成分，包括各种无机盐和有机物；除所需产物外，还含有其他副产物以及色素等杂质，有些杂质的性质与产物很接近。很难通过单一手段将产物分离和纯化。

（3）生化产品的稳定性差：许多发酵产品具有生理活性，很容易变性失活，如原料液中常存在降解目标产物的蛋白酶、菌体也可能自溶、容易被杂菌污染：遇热、极端pH 值、有机溶剂会引起失活或分解，特别是蛋白质的生物活性与一些辅因子、金属离子的存在和分子的空间构型有关。甚至剪切力也会影响空间构型和使分子降解，对蛋白质的活性有很大影响，因此，分离过程中的pH值、温度和搅拌等条件必须特别注意。发酵液放罐后，应及时快速操作，要求采用快速的分离纯化方法除去影响目标产物稳定性的杂质。

（4）对最终产品的质量要求高：对产物的要求：保持生物产物的活性、纯度要求高，当生物技术产品是食品或药物时，要求无污染物、无对映体、无病毒、无热原、无致敏原等。

3、生物分离工程的一般步骤是什么？各步骤中的单元操作主要有哪些？

一般包含四个步骤，如图所示。

预处理中有加热、调pH、絮凝等单元操作；细胞分

离中有沉降、离心、过滤、错流过滤等操作步骤；细胞破

碎中有均质化、研磨、溶胞等单元操作；细胞碎片分离中

有离心、萃取、过滤、错流过滤等单元操作；初步纯化中

有沉淀、吸附、萃取、超滤等单元操作；高度纯化中有层

析、离子交换、亲和、疏水、吸附、电泳等单元操作；成

品加工中有无菌过滤、超滤、冷冻干燥、喷雾干燥、结晶等单元操作。

4、生物分离过程的选择准则是什么？

（1）采用步骤数最少；（2）次序要相对合理：避免相同原理的分离技术多次重复出现。尽量减少新化合物进入待分离的溶液。合理的分离步骤次序。原则是：先低选择性，后高选择性；先高通量，后低通量；先粗分，后精分；先低成本，后高成本。（3）适应产品的技术规格。（4）生产规模：在分离过程的第一个步骤（发酵液的预处理和固液分离）中，使用的离心和过滤等方法能够适应很宽的规模范围，因此对于不同规模的产物分离影响不大。但在后续步骤中，技术方法的选择和生产规模关系密切。从技术的成本和产品的价值方面综合考虑。（5）进料组成：从目的产物的浓度高低、物料中的与目的产物相近物质组成的物理化学性质、目的产物的定位、菌种的种类和形态、微生物的含量和发酵液的黏度等方面综合考虑。（6）产品形式：产物的用途（医药、食品或化工品等）、形式（液体、结晶或无定性）以及最低纯度标准确定了纯化过程的最后要求，也是确定分离过程方案的主要依据。（7）产品的稳定性。（8）物性：根据产物的溶解度可以考察各种方法中pH、温度等条件对沉淀过程或萃取过程的影响；根据分子带电性质可以采用何种离子交换介质进行分离；根据分子大小的不同可以采用膜过滤或凝胶过滤层析将产物与杂质进行分离。（9）环保和安全要求：离心产生的气溶胶、发酵产生的废气、干燥产生的粉尘等；目的产物本身的危害性；试剂危害；微生物的危害等。（10）生产方式。

5、通过本课程的学习，谈谈你对生物技术下游加工过程今后发展动向的理解。

（1）加强基础理论研究

研究非理想溶液中溶质与添加物料之间的选择性机制、影响因素；研究界面的结构、动力学和传质机制，以及影响因素；下游加工过程的数学模型的建立和计算机模拟。

（2）传统分离技术的提高和完善

蒸馏、蒸发、过滤、离心、结晶和离子交换等传统技术由于应用面广且相对成熟，对它们的提高和完善将会推动大范围的技术进步。适合于大规模工业化生产的传统技术经过改造提高后，适应面会更宽，效率会更高，仍然显示出强劲的生命力。

（3）新技术的研究与开发

随着生物技术的发展，出现了许多新产品，获得了过去无法得到的、分子结构复杂的大分子物质，为了适应于新产品后处理过程的需要，出现了许多新的物化分离方法。双水相萃取、反胶团萃取、膜分离、色谱、亲和分离、电泳等都是在生物分离过程研究开发中十分活跃的领域。如：

新型分离介质的研究开发

子代分离技术：各种分离纯化技术相互结合、交叉、渗透，形成形成了所谓融合技术或子代分离技术。如膜技术和萃取、蒸馏、蒸发技术相结合形成了膜萃取技术、膜蒸馏及

渗透蒸发技术；又如膜分离过程与亲和配基相结合，形成了亲和膜分离过程；离心分离与膜分离过程相结合，形成了膜离心分离过程等等。

新兴下游技术：超临界流体萃取、反胶团萃取、液膜分离、磁性亲和分离、聚焦色谱、高速逆流色谱、径向流色谱、连续环状色谱、拟移动床色谱等。

（4）生物技术下游工程与上游工程相结合

这是当今生物技术领域里的热点之一。

利用基因工程对产物进行了改造以使下游分离过程大大简化。

发酵和分离耦合：该研究早在20世纪70年代就已开始进行，人们将这个思路用于厌氧发酵生产乙醇，取得了令人满意的效果，近年来又逐渐发展到用于好氧发酵过程中来，如发酵－吸附分离、发酵－膜分离、发酵－萃取分离等，既可减少产物的反馈抑制效应，提高转化率，同时可简化产物提取过程，缩短生产周期，增加产率。

培养基和发酵条件：直接决定着输送给下游的发酵液质量，如采用液体培养基，不用酵母膏、玉米浆等有色物质和杂蛋白等为原料，控制比生长速率、消沫剂用量，放罐时间等发酵条件，可使分离过程方便、经济。

代谢工程：菌种选育和工程菌构建一般以提高目的产物量为目标，现在应该转变观念，从整体出发，除了达到以上目标外，还应设法增加产物的胞外分泌量，减少非目的产物的分泌（如色素、毒素、降解酶及其他干扰性杂质等）以及赋于菌种或产物以某种有益的性质以改善产物的分离特性，从而简化下游加工过程。

（5）强化物理化学作用的影响

物理作用：将微波、超声波、电磁等应用于分离：微波萃取、微波蒸馏、超声波萃取、磁性亲和分离

化学作用：选择适当的分离剂，增大分离因子，增加对目的组分的选择性；向分离体系投入附加组分，改变原来体系的化学位，从而增大分离因子。强化化学作用对相界面传质速率的影响：利用一些相转移促进剂来增大相间的传质速率。若把这类相转移促进剂结合在固相的界面上，便形成各类“亲和”分离过程，如亲和色谱、亲和萃取、亲和错流过滤、亲和膜分离等，这是强化分离过程的一个前沿研究方向。

（6）生物分离过程的高效集成化

生物分离过程的高效集成化的含义在于利用已有的和新近开发的生化分离技术，将下游过程中的有关单元进行有效组合 (集成 )，或者把两种以上的分离技术合成为一种更有效的分离技术，达到提高产品收率、降低过程能耗和增加生产效益的目标。按此定义，生物分离过程的高效集成化技术包括生化分离技术的集成化和生物分离过程的集成化两方

面的内容，这种只需一种技术就达到完成后处理过程中几步或全部操作的方法，充分体现了过程集成化的优势。

（7）清洁生产

清洁生产是指将综合防护的环境保护策略持续应用于生产过程和产品中，以期减少对人类和环境的风险。它包括三方面的内容，即清洁生产工艺技术和过程、清洁产品、清洁能源、。清洁生产工艺是生产全过程控制工艺，包括节约原材料和能源，淘汰有毒害的原材料，并在全部排放物和废物离开生产过程以前，尽最大可能减少它们的排放量和毒性，对必须排放的污染物实行综合利用，使废物资源化。

目前，生物工业的产品大多数是通过液态发酵获得的。产物在发酵液中的浓度很低，酒精、谷氨酸和柠檬酸的发酵液浓度较高，也只有10%左右，其他一般只有2~5%，有的甚至更低。因而，单位产品排放的废液量也非常大，环境污染问题日益突出。在我国轻工行业，已成为仅次于造纸废水的第二大废水污染工业。如将微生物制药工业废水计入在内，就更大了。这不仅给社会造成了危害，也反过来成为生物工业进一步发展的严重制约因素。清洁生产将是协调生产和环境的最有效方法。我国在酒精、味精和柠檬酸工业上都相继开展了清洁生产研究，并取得较大进展，已进入或接近工业化阶段。尽管清洁生产研究尚属起步阶段，在技术和理论上尚未完善，但它的重要性已日显突出。在生物分离过程中充分考虑到清洁生产已势在必行。

6、在进行产品的分离纯化制备之前，为什么要对发酵液进行预处理？

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：（1）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，促进从悬浮液中分离固形物的速度，提高固液分离器的效率；（2）尽可能使产物转入便于后处理的一相中（多数是液相）；（3）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。

7、什么是封头过滤？什么是错流过滤？

封头过滤：一般过滤中，滤液的流动方向与滤饼基本垂直，称为封头过滤。错流过滤：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

8、发酵液预处理中，凝聚和絮凝的作用机理有何不同？

凝聚指在电解质作用下，由于胶粒之间双电层电排斥作用降低，电位下降，而使胶体体系不稳定的现象。絮凝指在某些高分子絮凝剂存在下，基于桥架作用，使胶粒形成较大

絮凝团的过程。

9、中性盐沉淀蛋白质的基本原理是什么？

蛋白质和酶均易溶于水，因为该分子的－COOH、－NH2和－OH都是亲水基团，这些基团与极性水分子相互作用形成水化层，包围于蛋白质分子周围形成1nm～100nm颗粒的亲水胶体，削弱了蛋白质分子之间的作用力，蛋白质分子表面极性基团越多，水化层越厚，蛋白质分子与溶剂分子之间的亲和力越大，因而溶解度也越大。亲水胶体在水中的稳定因素有两个：即电荷和水膜。因为中性盐的亲水性大于蛋白质和酶分子的亲水性，所以加入大量中性盐后，夺走了水分子，破坏了水膜，暴露出疏水区域，同时又中和了电荷，破坏了亲水胶体，蛋白质分子即形成沉淀。

10、硫酸铵是蛋白质盐析中最常用的盐类，为什么？

（1）溶解度大；（2）分离效果好；（3）不易引起变性，有稳定酶与蛋白质结构的作用；（4）价格便宜，废液不污染环境。

三、其他题型

1、何为沉降系数？

根据1924年Svedberg对沉降系数下的定义：颗粒在单位离心力场中粒子移动的速度。

2、差速离心和密度梯度区带离心法的原理是什么？

差速离心是采用不同的离心速度和离心时间，使沉降速度不同的颗粒在不同的离心速度及不同离心时间下分批分离的方法。主要用于分离大小和密度差异较大的颗粒。

密度区带离心法是样品在一定惰性梯度介质中进行离心沉淀或沉降平衡，在一定离心力下把颗粒分配到梯度中某些特定位置上，形成不同区带的分离方法。

3、工业离心沉降设备主要类型有哪些？

①瓶式离心机；②管式离心机；③多室式离心机；④碟式离心机；⑤螺旋卸料沉降离心机

4、差速区带离心法和等密度离心法有何区别？

差速区带离心法是根据分离的粒子在梯度液中沉降速度的不同，使具有不同沉降速度的粒子处于不同的密度梯度层内分成一系列区带，达到彼此分离的目的。

等密度离心法指当不同颗粒存在浮力密度差时，在离心力作用下，颗粒或向下沉降或向上浮起，一直沿梯度移动到与其密度恰好相等的位置上（即等密度点），形成区带而分离的方法。

是指在一定的温度范围内，表面活性剂易溶于水成为澄清的溶液，而当温度升高（或降低）一定程度时，溶解度反而减小，会在水溶液中出现混浊、析出、分层的现象。溶液由透明变为混浊时的温度称为浊点。

6、请解释非离子型表面活性剂产生浊点现象的原因。

当温度升高时，表面活性剂胶束的集聚数增加使胶束的体积增大从而引起相分离；非离子型的表面活性剂溶于水中是靠分子内的亲水基与水分子通过氢键结合而实现的。形成氢键是一放热过程，因此加热时，这种氢键的结合力会被减弱甚至消失，当温度超过某一范围时，表面活性剂不再水合而从溶液中析出产生混浊。

7、什么是双水相？

双水相系统是指某些高聚物之间或高聚物与无机盐之间在水中以适当的浓度溶解会形成互不相溶的两水相或多水相系统。

8、双水相形成原因是什么？

由于高聚物之间的不相溶性，即高聚物分子的空间阻碍作用，相互无法渗透，不能形成均一相，从而具有分离倾向，在一定条件下即可分为二相。一般认为只要两聚合物水溶液的憎水程度有差异，混合时就可发生相分离，且憎水程度相差越大，相分离的倾向也就大。

9、何为超临界流体？

当流体的温度和压力都处在临界温度和临界压力以上时，则称该流体处于超临界状态，该流体为超临界流体。

10、双水相萃取在蛋白质的提取分离中具有较好的应用潜力。请谈谈你对双水相萃取的局限及今后发展方向的理解。

答：局限：易乳化，相分离时间长，成相聚合物成本高，水溶性高聚物大多数粘度大，不易定量控制，水溶性高聚物难以挥发，使反萃剂必不可少，高聚物的回收难；而且，目前对双水相体系的双水动力学研究，双水相萃取设备流程研究，成相聚合物的重复

开发。发展方向：开发廉价的新型双水相体系，双水相分配与相关技术的集成化，双水相萃取过程的开发，双水相萃取相关理论的发展，亲和双水相萃取技术

11、二氧化碳超临界流体萃取技术有何优势？

（1）临界条件温和(T c=31.06℃ Pc=7.2MPa) ，可以在35～40℃的条件下进行提取，防止热敏性物质的变质和挥发性物质的逸散。（2）在CO2气体笼罩下进行萃取，萃取过程中不发生化学反应；又由于完全隔绝了空气中的氧，因此萃取物不会因氧化或化学变化而变质。（3）由于CO2无味、无臭、无毒、不可燃、价格便宜、纯度高、容易获得，使用相对安全。（4） CO2容易提纯与分离的，因此萃取物几乎无溶剂残留，也避免了溶剂对人体的毒害和对环境的污染。（5）CO2扩散系数大而粘度小，大大节省了萃取时间，萃取效率高。

三、其他题型

1、典型连续式泡沫分离过程有哪些？各自的操作特点是什么？

（1）浓缩塔：含有表面活性剂的原料液不断地加入到塔的鼓泡区，一定量的浓缩泡沫液可以从塔顶返回，这样的操作可以达到很高的泡沫浓度，但去污效果不够理想。

（2）提取塔：料液从泡沫塔的顶部加入，这样的操作可以达到很高的去污系数(原料液中金属离子浓度/残留液中金属离子浓度）常可达200，此种塔相当于提取塔。

（3）复合塔：一部分表面活性剂直接加入到料液中，另一部分则加入到塔的鼓泡区内。这种操作可得到较高的去污系数。鼓泡区用环形板分隔成两个区，中间为鼓泡区，表面活性剂和气体从此处引入并形成泡沫，残留液从外面环形区引出，此种结构可以防止大量的表面活性剂随残留液流出。如果进料口的上方为直径较大的扩大段，则更有利于泡沫的排出，并能得到较大的体积比(原料液体积/泡沫液体积值在100左右)，其分离系数可达500－600。

2、何为内水体积？何为外水体积？

内水体积指基质颗粒内部液体体积的总和，即基质膨胀时所膨胀的体积。外水体积指基质颗粒之间液体体积的总和。

3、列举五种层析分离技术，说明其原理。

分配层析：被分离组分在固定相和流动相中不断发生吸附和解吸附的作用，在移动的过程中物质在两相之间进行分配。利用被分离物质在两相中分配系数的差异而进行分离的一种方法，称之为分配层析。

离子交换层析：利用固定相球形介质表面活性基团经化学键合方法，将具有交换能力

的离子基团在固定相上面，这些离子基团可以与流动相中离子发生可逆性离子交换反应而进行分离的方法，称之为离子交换层析。

吸附层析：利用吸附层析介质表面的活性分子或活性基团，对流动相中不同溶质产生吸附作用，利用其对不同溶质吸附能力的强弱而进行分离的一种方法，称之为吸附层析。

凝胶层析：利用凝胶层析介质(固定相)交联度的不同所形成的网状孔径的大小，在层析时能阻止比网孔直径大的生物大分子通过。利用流动相中溶质的分子量大小差异而进行分离的一种方法。

聚焦层析：利用固定相载体上偶联的载体两性电解质分子，在层析过程中所形成的pH梯度，并与流动相中不同等电点的分子发生聚焦反应进行分离的方法，称之为聚焦层析。

亲和层析：在固定相载体表面偶联具有特殊亲和作用的配基，这些配基可以与流动相中溶质分子发生可逆的特异性结合而进行分离的一种方法，称之为亲和层析。

金属螯合层析：利用固定相载体上偶联的亚胺基乙二酸为配基与二价金属离子发生螯合作用，结合在固定相上，二价金属离子可以与流动相中含有的半胱氨酸、组氨酸、咪唑及其类似物发生特异螯合作用而进行分离的方法，称之为金属螯合层析。

疏水层析：利用固定相载体上偶联的疏水性配基与流动相中的一些疏水分子发生可逆性结合而进行分离的方法，称之为疏水层析。

4、试以蛋白质在pH梯度介质中的移动行为说明聚焦效应的形成原理。

蛋白质所带电荷取决于它的等电点（PI）和层析柱中的PH值。当柱中的PH低于蛋白质的PI时，蛋白质带正电荷，且不与阴离于交换剂结合。而随着洗脱剂向前移动，固定相中的PH值是随着淋洗时间延长而变化的。当蛋白质移动至环境PH高于其PI时，蛋白质由带正电变为带负电荷，并与阴离子交换剂结合。由于洗脱剂的通过，蛋白质周围的环境PH 再次低于PI时，它又带负电荷，并从交换剂解吸下来。随着洗脱液向柱底。不同蛋白质具有不同的等电点，它们在被离子交换剂结合以前，移动之距离是不同的，洗脱出来的先后次序是按等电点排列的。

pH梯度是聚焦效应的先决条件。如果一种蛋白质是加到已经形成pH梯度的层析柱上时，由于洗脱液的连续流动，它将迅速移动到与其等电点相同的pH处。从此位置开始，蛋白质以缓慢的速度进行吸附、解吸附，直到pH小于pI时被洗出。若在此蛋白洗出之前再加入第二份同种蛋白样品时，后者将在洗脱液的作用下快速向前移动，而不被固定相吸附，直到其移动到近似本身等电点环境处，然后两份样品以同样的速度移动，最后同时从柱底流出，从而完成聚焦过程。

5、蛋白质疏水层析时，洗脱的方式有哪三种？

（1）采用降低流动相中盐浓度的方式洗脱，最常用；（2）通过往流动相中添加有机溶剂，，降低流动相极性的方式洗脱，主要针对溶剂中稳定性良好的物质；（3）往流动相中添加去污剂等，去污剂本身能与介质发生强烈吸附，从而将结合在其上的目标组分置换下来，主要用于分离膜蛋白。

6、例举两种新型的疏水层析技术，说明其原理。

近年来，随着层析技术的发展，与HIC相关的其它层析技术也得到了发展，主要有以下两种：

（1）亲硫性疏水层析

该技术主要在疏水作用的基础上增加了硫元素的相互作用。利用层析介质与含硫蛋白质和非硫蛋白质的亲硫性差异，对蛋白质加以分离。通常这类介质通过硫醚键将配基和基质联接。

（2）疏水电荷诱导层析

HCIC与蛋白质的作用除了疏水作用，还有电荷间的相互作用；HCIC与蛋白质的结合是由疏水作用推动的，与HIC不同的是，这一过程通常是在不改变离子强度的条件下实现的；洗脱时也不像HIC那样通过改变盐的浓度而是由pH值的改变来实现的。通常HCIC 的配基中含有吡啶环，中性时不会带有电荷，而随着pH值的降低，吡啶环中的氮原子会带有正电荷，这样和带同样电荷的蛋白质发生排斥，从而实现解吸。

7、何为树脂的有效粒径和均一系数？

有效粒径是指筛分树脂时，10%体积的树脂颗粒通过，而90%体积的树脂颗粒保留的筛孔直径。

均一系数是指能通过60%体积树脂的筛孔直径与能通过10%体积的树脂的筛孔直径之比。

8、什么是凝胶的排阻极限？

排阻极限是指不能进入凝胶颗粒孔穴内部的最小分子的分子量。

三、其他题型

1、何为水通量？

是指单位时间、单位膜面积透过组分的通过量，对于水溶液体系，称水通量。

2、什么是膜分离技术？

利用膜的选择性（孔径大小），以膜的两侧存在的能量差作为推动力，由于溶液中各组分透过膜的迁移率不同而实现分离的一种技术。

3、膜分离技术有何有优缺点？

优点：无相变、低能耗；高效率、污染小；工艺简单、操作方便；浓缩与纯化同时进行

缺点：在操作中膜面会发生污染，使膜性能降低;目前获得的膜性能来看，其耐药性、耐热性、耐溶剂能力都是有限的，故使用范围受限;单独采用膜分离技术效果有限，因此往往都将膜分离工艺与其他分离工艺组合起来使用。

4、列举几种不同推动力的膜分离方法。

1）微滤、超滤、纳滤、反渗透、气体分离、渗透蒸发、膜蒸馏推动力为压力差。2）渗析、液膜分离推动力为浓 度差。3）电渗析推动力为电位差

5、什么是浓差极化？

在膜分离操作中，所有溶质均被透过液传送到膜表面上，不能完全透过膜的溶质受到膜的截留作用，在膜表 面附近浓度升高。这种在膜表面附近浓度高于主体浓度的现象称为浓度极化或浓差极化

6、什么是反渗透？

当用半透膜隔开不同浓度的溶液时，纯溶剂通过膜向低浓度溶液流动的现象

7、简述液膜分离的原理。

以选择性透膜为分离介质，通过在膜两边施加一个推动力，使原料中某组分选择性地透过膜，以达到分离提纯、 浓缩的目的

8、喷雾干燥器常用的雾化方式有哪些？

气流雾化：依靠压缩空气或蒸气通过喷嘴时产生的高速将液体吸出并被雾化。在制药工业广泛使用，核苷酸、农用细菌杀虫剂、蛋白酶等的干燥

压力雾化：利用往复运动的高压泵将物料喷出分散成液滴。发酵工厂用于酵母粉的干燥。

离心雾化：利用在水平方向作高速旋转的圆盘给予溶液以离心力，使其高速甩出，形成薄膜、细丝或液滴，同时又受到周围空气的摩擦、阻碍与撕裂等作用形成细雾。目前酶制剂的大型生产大多采用此法，还用于酵母粉的干燥。

《生物分离工程》练习题二参考答案

1、用板框压滤机恒压过滤某种悬浮液，过滤方程为

t A V V 252106-⨯=+

式中：t 的单位为s 。

(1) 如果30min 内获得5m 3滤液，需要面积为0.4m 2的滤框多少个？

(2) 过滤常数K 、q e 。

解：已知t = 30min ， V = 5m 3

(1) 将已知数据代入上述方程，得：

603010655252⨯⨯⨯=+-A

解得：A = 16.67m 2 框个数：212

4.067.16=⨯=n (2) 根据过滤方程：t KA VV V e 222=+

两方程对照可知：Ve = 0.5m 3，s m K /10625-⨯=

q e =V e /A=0.5/16.67=3.0*10-2m 3/m 2

2、采用过滤面积为0.2m 2的过滤机，对某悬浮液进行过滤常数的测定。操作压强差为0.15MPa ，温度为20℃，过滤进行到5min 时共得滤液0.034m 3；进行到10min 时，共得滤液0.050m 3。试估算(1)过滤常数K 和q e ；(2)按这种操作条件，过滤进行到1h 时的滤液总量。

解：已知A = 0.2m 2，t 1 = 5min ，V 1 = 0.034m 3；t 2 = 10min ，V 2 = 0.05m 3；t 3 = 1h

(1) 根据恒压过滤方程：t KA VV V e 222=+，代入已知数据，有：

⎪⎩⎪⎨⎧⨯⨯⨯=⨯+⨯⨯⨯=⨯+60

1005.0205.06052.0034.02034.02222A K V K V e e 解得：s m K /1026.124-⨯=，331022.5m V e -⨯= 由此得：2323

/1061.22

.01022.5m m A V q e e --⨯=⨯== (2) 当t 3 = 1h 时，t KA VV V e 222=+

36002.01026.11022.522432⨯⨯⨯=⨯⨯+--V V

解得：V = 0.130m 3

3、在恒定压强差9.81×103Pa 下过滤某水溶液，过滤介质可忽略。过滤时形成不可压缩滤饼，过滤常数为s m /1042.423-⨯，若获得1m 3滤液可得滤饼0.333m 3，试求(1)1m 2过滤面积上获得1.5m 3的滤液所需的过滤时间；(2)若将该时间延长一倍，可再得多少滤液？

解：已知s m K /1042.423-⨯=，f = 0.333m 3/m 3，A = 1m 2，V = 1.5m 3

(1)根据恒压过滤方程，当过滤介质忽略不计时，t KA V 22=，代入已知数据，有：

t 23211042.45.1⨯⨯=-

解得：s t 509=

(2) 当s t t 101850922=⨯=='时，

t KA V '='22

101811042.4232⨯⨯⨯='-V

解得：312.2m V ='

362.05.112.2m V V =-=-'

即过滤时间延长一倍后，1m 2过滤面积可再获得0.62m 3的滤液。

4、对某悬浮液进行过滤，操作压强差为0.15MPa ，温度为20℃，要求在过滤时间20min 内处理完4m 3的料浆，已知1m 3滤液可形成0.0342m 3滤饼。现使用的一台板框压滤机，滤框尺寸为450mm×450mm×25mm ，s m K /1026.124-⨯=，232/1061.2m m q e -⨯=。试求完成操作所需滤框数。

解：已知34m V =浆，V 1 = 4m 3，t 1 = 20min ，f = 0.0342m 3/m 3；滤框尺寸：B = 0.45m ，L = 0.45m ，m 025.0=δ；s m K /1026.124-⨯=，232/1061.2m m q e -⨯=

方法一：

根据恒压过滤方程：t KA VV V e 222=+，

滤框总容积：V s = nBL δ = 0.45×0.45×0.025n = 5.0625×10-3n ，由此得滤液体积：

n n f V V s 1480.00342

.0100625.53=⨯==- s V V V +=浆

n n 1480.0100625.543+⨯=-

解得：n = 26.13，即需要27个框。

方法二：

)()()(s V V V 总滤饼体积滤液体积总滤浆体积浆+=

又∵已知0342.0:=V V 浆，由此得：

V f

V =+1浆 代入数据，得：287.30342

.014m V =+= 将已知数据代入方程：t KA VV V e 222=+

60201026.11061.287.3287.32422⨯⨯⨯=⨯⨯⨯+--A A

解得：A = 10.6m 2

又∵总过滤面积：A = n ×2BL = 2×0.45×0.45n = 0.405n

n 405.06.10= 解得：2.26=n

即所需框数为27个。

验证：当框数为27个时，框的总容积为：V s = nBL δ = 0.45×0.45×0.025×27 = 0.137m 3， 所得滤饼体积：3132.00342.087.3m Vf V s =⨯==< 0.137m 2

所以，27个滤框可满足要求。

5、溶菌酶在2.8 mol/L和3.0 mol/L 硫酸铵溶液中的溶解度分别为1.2g/L和0.26g/L，试计算在 3.5 mol/L 硫酸铵溶液中的溶解度。

6、有100L蛋白质溶液，其中含牛血清蛋白BSA和另一种杂蛋白X，质量浓度分别为10g/L和5g/L。拟用硫酸铵沉淀法处理该溶液以回收沉淀中的BSA。20℃下BSA和X 的Cohn方程参数列于下表（假设其他蛋白质的存在不影响方程参数），其中离子强度用硫酸铵浓度（mol/L）表示。

（1）忽略溶液体积的变化，若回收90%的BSA，需要加入多少固体硫酸铵？（37.27Kg）（2）沉淀中BSA的纯度是多少？（95.34%）

7、热沉淀法处理两种酵母脱氢酶A和B的混合液，A和B的热变性速率常数分别为：

试计算分别于20℃和50℃保温10min后A 和B的活性残留率。

20℃保温10min后A和B的活性残留率分别为99.97%、99.99%

50℃保温10min后A和B的活性残留率分别为53.6%、28.7%

12、某一弱碱性生化物质，在pH9.0时，用醋酸丁酯萃取，整个萃取过程包括三级，前二级为逆流萃取，将萃余液再经第三级萃取。已知第三级中新鲜丁酯的加入量是发酵

滤液的1/10，该物质在pH9.0时的表观分配系数为15，把最终所得的萃取液合并，测得浓缩倍数为3.3。求经三级萃取后的理论收率。

解： ，

二级逆流： 单级：

13、青霉素在0℃和pH2.5时的分配系数（醋酸丁酯/水）为35。（1）用1/4体积的醋酸丁酯进行二级逆流萃取；（2）二级错流萃取，第一级用1/4体积的醋酸丁酯，第二级用1/10体积的醋酸丁酯。计算上述两种情况下的理论收率。

解：（1）用1/4体积的醋酸丁酯进行二级逆流萃取

萃取因子为：

n =2，理论收率为：

（2）二级错流萃取，第一级用1/4体积的醋酸丁酯，第二级用1/10体积的醋

酸丁酯

萃取因子为：

n =2，理论收率为：

14、设计一反胶束萃取和反萃取工艺分离细胞色素C （Mr=12384，pI=10.6）、溶菌酶3.332=+=S S F V V V α3.31113232=+=+ααααF F F V V V 52.01013.31122

==-=αα077.0131311351531222=--=--=

===+n E E K E

ϕα4.015.11115.11015333=+=+====E K E ϕα0308.04.0077.03=⨯=⋅=ϕϕϕ%

9.960308.011=-=-ϕ

（Mr=14300，pI=11.1）、核糖核酸酶（Mr=13683，pI=7.8）三种蛋白质混合物，并说明各步骤的理由。

用50M/m3AOT、异辛烷萃取这三种蛋白质，当PH PI 是蛋白质的溶解率急速下降，直到接近零，粒子强度越大，蛋白质溶解度越小。1）当KCL=0.1M 时，三种蛋白质的溶解率接近100%，PH=9 时，细胞色素 C 和溶菌酶的溶解率接近100%，而核糖核酸酶几乎不溶，所以先分离出核糖核酸酶。2）PH=9，当KCl=0.5M 时溶菌酶溶解率接近100%，而细胞色素 C 几乎不容而被分离出。3）在PH=11.5，KCl=2M 时，溶菌酶不溶而被分离出。

生物分离工程

第一章绪论 1.生物分离工程是指从发酵液、酶反应也活动植物培养液中分离、纯化生物产品的过程。 2.生物分离的一般流程：发酵液的预处理；提取；精制；成品加工。 第二章发酵液的预处理 1.过滤和离心是最基本的单元操作。 2.凝集是指在投加的化学物质作用下，发酵液中的胶体脱稳并使粒子相互凝集成为1mm大小块状絮凝 体的过程。 3.絮凝是指某些高分子絮凝剂能在悬浮粒子之间产生桥梁作用，使胶粒形成粗大絮凝团的过程。 4.调节pH法：在进行pH调节时，一般采用草酸等有机酸或某些无机酸来进行。Ca+经常选用酸化剂为 草酸；Mg+的去除是采用加入磷酸盐，如三磷酸钠；Fe+通常加入黄血盐。 5.影响发酵液过滤的因素：菌种；发酵液粘度。 6.发酵液的过滤设备形式很多，按过滤的推动力分为：重力式过滤器、压力式过滤器、针孔式过滤器和 离心式过滤器。 7.目前国内外对过滤液的分离和过滤常采用的设备为：板框式压滤机；板式压滤机；自动板框式压滤机 和真空过滤机。 第三章细胞分离技术 1.细胞破碎的方法可分为：机械破碎发、物理破碎法、化学渗透法及酶溶法。 2.变性剂的加入，可削弱氢键的作用，使胞内产物相互之间的作用力减弱，从而易于释放。 3.包埋病毒粒子具一定形状和大小的蛋白结晶体，在相差显微镜下呈现强的折光性，由单一多肽构成。第四章沉淀技术 1.盐析：蛋白是在搞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称为盐析。 2. 常用脱盐处理的方法有：透析法、超滤法及凝胶过滤法。 3．有机溶剂沉淀法的原理：①传统观点认为向蛋白质溶液中加入丙醇或乙醇等有机溶剂，水的活度程度降低，水对蛋白子表面的水化程度降低，即破坏了蛋白子表面的某水化蹭；另外，溶液的介电常数下降，蛋白子分之间的静电引力增大，从而聚集和沉淀。②新观点认为，有机溶剂可能破坏蛋白质的某种键，使其空间结构发生某种程度的变化，致使一些原来包在内部的疏水基团暴露于表面并与有机溶剂的疏水基团结合形成疏水层，从而是蛋白子沉底，而当蛋白子的空间结构发生变形超过一定程度时，使会导致完全的变性。 第五章萃取技术 1.萃取是利用溶质在互不相容的溶剂里的溶解度不同，用一种溶剂把溶质从它与另一种溶剂所组成 的溶液中萃取出来的方法。 2.工业上液液萃取的基本过程包括：混合；分离，溶剂回收。 3.单机萃取的计算，Hxf+Lyf=Hx+Ly K=y/x E=KL/H ￡=1/(1+E) 1-￡=E/(1+E) 4.在生化工程中得到广泛应用的双水相体系主要是聚乙二醇-葡聚糖体系和聚乙二醇-无机盐系统。 5.液膜组成：莫溶剂；表面活性剂；流动载体；膜真强剂。 6.夜魔分类：乳状液莫；支撑液膜；流动液膜。 7.液膜萃取机理：单膜迁移机理，又称物理渗透，是根据料液中各种溶质在膜相中的溶解度和扩散 系数的不同而进行的萃取分离；促进迁移机理，又称反萃相化学促进迁移；载体输送机理，利用 膜相中流动载体选择性输送作用的传质机理称为载体输送，又称Ⅱ型促进迁移。根据向流动载体 功能方式不同，载体输送又分为3种类型：载体促进扩散传递；载体促进你留传递；载体促进并 流传递。 8.反胶团：若将表面活性剂溶于非极性的有机溶剂中，并使其溶度超过临界胶束溶度，便会在有机 溶剂内形成聚集体，这种聚集体称为反胶团。 9.反胶团萃取蛋白质，萃取过程是静电引力、疏水力、亲和力或几种力协同作用的结果，其中蛋白

《生物分离工程》综合题库

《生物分离工程》综合题库 一、填充题 1. 生物产品的分离包括R__________，I__________ ，P __________和P__________ ； 2. 发酵液常用的固液分离方法有__________ 和__________ 等； 3. 离心设备从形式上可分为__________ ，__________ ，等型式； 4. 膜分离过程中所使用的膜，依据其膜特性（孔径）不同可分为__________ ，__________ ，__________ 和__________； 5. 多糖基离子交换剂包括__________ 和__________ 两大类； 6. 工业上常用的超滤装置有__________ ，__________ ，__________ 和__________ ； 7. 影响吸附的主要因素有__________ ，__________ ，__________ ，__________ ，__________ 和 __________； 8. 离子交换树脂由 __________，__________ 和__________ 组成。 9. 电泳用凝胶制备时，过硫酸铵的作用是 ____________________； 甲叉双丙烯酰胺的作用是____________________ ； TEMED的作用是____________________ ； 10 影响盐析的因素有__________ ，__________ ，__________ 和__________ ； 11.在结晶操作中，工业上常用的起晶方法有__________ ，__________ 和__________ ； 12.简单地说，离子交换过程实际上只有 __________， __________和__________ 三步； 13.在生物制品进行吸附或离子交换分离时，通常遵循Langmuir吸附方程，其形式为_____________ ； 14.反相高效液相色谱的固定相是 __________的，而流动相是__________ 的；常用的固定相有 __________和__________；常用的流动相有__________ 和__________ ； 15.超临界流体的特点是与气体有相似的__________ ，与液体有相似的____________________ ； 16.离子交换树脂的合成方法有__________ 和__________ 两大类； 17.常用的化学细胞破碎方法有 __________，__________ ，__________ ，__________ ，__________ 和 __________ ； 18.等电聚焦电泳法分离不同蛋白质的原理是依据其 __________的不同； 19.离子交换分离操作中，常用的洗脱方法有__________ 和__________ ； 20.晶体质量主要指 __________，__________ 和__________ 三个方面； 21.亲和吸附原理包括__________ ，__________ 和__________ 三步； 22.根据分离机理的不同，色谱法可分为 __________，__________ ，__________ 和__________ ； 23.盐析实验中用于关联溶质溶解度与盐浓度的Cohn方程为__________ ； 当________________________________________ 称为Ks盐析法； 当________________________________________ 称为β盐析法； 24.蛋白质分离常用的色谱法有 __________，__________ ，__________ 和__________ ； 25.SDS PAGE电泳制胶时，加入十二烷基磺酸钠（SDS）的目的是消除各种待分离蛋白的__________ 和__________ 差异，而将__________ 作为分离的依据； 26.常用的蛋白质沉析方法有__________ ，__________ 和 __________； 27.常用的工业絮凝剂有____________________和____________________两大类； 28.典型的工业过滤设备有__________ 、__________ 和__________ ； 29.常用离心设备可分为__________ 和 __________两大类； 30.根据物化理论，萃取达到平衡时，溶质在萃取相和萃余相中的__________ 相等； 31.根据吸附剂与吸附质之间存在的吸附力性质的不同，可将吸附分为__________ 、__________ 、和 __________ 吸附； 32.影响亲和吸附的因素有__________ 、__________ 、__________ 、__________ 和__________ ； 33.阳离子交换树脂按照活性基团分类，可分为__________ 、__________ 和__________ ；其典型的活性基团分别有__________ 、__________ 、__________ ； 34.阴离子交换树脂按照活性基团分类，可分为__________ 、__________ 和__________ ；其典型的活性基团分别有__________ 、__________ 、__________ ； 35.DEAE Sepharose是__________ 离子交换树脂，其活性基团是 __________； 36.CM Sepharose是 __________离子交换树脂，其活性基团是__________ ； 37.影响离子交换选择性的因素有__________ 、__________ 、__________ 、__________ 、__________ 、 __________和__________ ； 38.离子交换操作一般分为__________ 和__________ 两种； 39.蛋白质等生物大分子，在溶液中呈稳定的分散状态，其原因是由于__________ 和__________； 40.盐析用盐的选择需考虑 __________、__________ 、__________ 、________ 等几个方面的因素；

生物分离工程

第一章 1.生物分离工程定义 是生物化学工程的一个重要组成部分，它是描述回收生物产品分离过程原理和方法的一个术语，指从发酵液或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。 2.生物产品定义 生物产品是指在生产过程的某一阶段，应用生化反应制得的产品。它包括传统的（常规的）生物技术产品（如用发酵生产的有机溶剂，氨基酸，有机酸，抗生素）和现代生物技术产品（如用重组DNA技术生产的医疗性多肽和蛋白质）。 3.下游加工选择准则 （1）采用步骤数量少；（2）采用步骤的次序要相对合理；（3）产品的规格；（4）产品的生产规模；（5）进料组成；（6）产品的形式、稳定性、物性；（7）危害性，废水；（8）分批或连续过程， 第二章 1.预处理常见方法 预处理的目的：改变发酵液的物理性质促进固液分离，有利于产物的回收，并能够去除发酵液中的杂质； 方法：1)加热;最简单、最经济的预处理方法是加热，加热不仅可以增加料液的操作特性，也可以对其进行灭菌。但加热变性的方法只适合于对热稳定性的产物。 2)调节pH; 3)凝聚和絮凝;通过电解质的加入促进原始溶液的凝聚和絮凝，试剂有简单的电解质、酸、碱、合成的聚合电解质。 4)助滤剂上的吸附; 这些方法也适用于对于离心和沉淀过程。 2.凝聚与絮凝的比较 1）凝聚：简单电解质降低了胶体粒子间的排斥电位，从而使得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。 凝聚值：使胶粒发生凝集作用的最小电解质浓度（mmol/L）。 反离子的价数越高，凝聚值就越小。A13+＞Fe3+＞H+……常用的有明矾（硫酸铝）、石灰、硫酸亚铁、三氯化铁等 2）絮凝：预处理时加入合成聚合电解质既能降低排斥电位，又吸附了周围的微粒，形成桥架作用，促使胶粒形成粗大，密度低的絮凝团。这些絮凝团很容易被过滤得到。 3.过滤操作计算 见书本P20 4.助滤剂定义 助滤剂是一种颗粒均匀，质地坚硬、不可压缩的颗粒物质，过滤时能够防止介质堵塞。1）硅藻土：硅藻土是百年前水生植物沉淀下来的遗骸。2）珍珠岩：珍珠岩是处理过的膨胀火山岩。 第三章

生物分离工程第四章综合测试

第四章萃取 一、名词解释 萃取：是利用液体或超临界流体为溶剂提取原料中目标产物的分离纯化操作。 反萃取：通过调节水相条件，将目标产物从有机相转入水相的萃取操作成为反萃取。 分配系数：在恒温恒压条件下，溶质在互不相容的两相中达到分配平衡时，其在两相中的浓度之比为一常数，该常数称为分配系数。即K=溶质在萃取相中的浓度/溶质在萃余相中的浓度=C2/C1。 分离因子：萃取剂对溶质A和B的选择或分离能力可以用分离因子表示。即α=(C2A/CIA)/(C2B/C1B)=KA/KB (C:浓度；下标1,2分别表示萃余相和萃取相；A、B：溶质；α越大，A和B越容易分离，分离效果越好) 超临界流体：物质均具有其固有的临界温度和临界压强，在P-T相图上称为临界点，在临界点以上物质处于即非液体也非气体的超临界状态，这时的物质称为超临界流体。 化学萃取：化学萃取是指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因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。 双水相体系：某些亲水性高分子聚合物的水溶液超过一定浓度后可形成两相，并且在两相水分均占有很大比例，即形成双水相系统。 萃取因子：即萃取平衡后萃取相和萃余相中质量之比。用E表示。 盐效应：由于同一双水相系统中添加不同的盐产生的相间电位不同，故分配系数与静电荷数的关系因无机盐而异，这称为盐效应。 二、选择 1.萃取利用的是物质在两相之间的___B___不同来实现分离或纯化。 A.溶解度比 B.分配系数 C.分离系数 D.稳定常数 2.下列搭配中不适合双水相萃取的是____C__。 A.聚乙二醇/磷酸盐 B.葡聚糖/甲基纤维素 C.聚乙二醇/丙三醇 D. 聚乙二醇/葡聚糖 3.荷电溶质分配系数的对数与溶质的净电荷数成___A___关系，称为______。 A.正比/盐效应 B.指数/塞曼效应 C.非线性/道南效应 D.反比/法拉第效应 4.对于超临界流体萃取，溶解萃取物时通常__C____；分离萃取物时通常______。 A.降压降温/加压加温 B.降压加温/加压降温 C.加压降温/降压加温 D.加压降温/降压加温 5. 对于液液萃取时的两相，下列名词中搭配正确的是_A B D_____。

生物分离工程计算

三、问答题 1、什么是生物技术下游加工过程？ 从发酵液或酶反应液或动植物细胞培养液中提取、分离、纯化、富集生物产品的过程。 2、针对分离对象而言，生物分离过程有何特点 （1）发酵液或培养液是产物浓度很低的水溶液：发酵液中生物产品的浓度很低，而杂质含量却很高，如发酵液 (0.1-10g/L) 或培养液(5-50mg/L)，青霉素（4.2%）、庆大霉素（0.2%）、干扰素（<50ug/ml，0.005%）胰岛素0.002%。这使分离所需能量以及产品价格大大提高。 （2）培养液是多组分的混合物：培养液是一个复杂的多相体系，含有菌体、未消耗尽的固体培养基等固体成分和大量的液相；未消耗完的培养基成分，包括各种无机盐和有机物；除所需产物外，还含有其他副产物以及色素等杂质，有些杂质的性质与产物很接近。很难通过单一手段将产物分离和纯化。 （3）生化产品的稳定性差：许多发酵产品具有生理活性，很容易变性失活，如原料液中常存在降解目标产物的蛋白酶、菌体也可能自溶、容易被杂菌污染：遇热、极端pH 值、有机溶剂会引起失活或分解，特别是蛋白质的生物活性与一些辅因子、金属离子的存在和分子的空间构型有关。甚至剪切力也会影响空间构型和使分子降解，对蛋白质的活性有很大影响，因此，分离过程中的pH值、温度和搅拌等条件必须特别注意。发酵液放罐后，应及时快速操作，要求采用快速的分离纯化方法除去影响目标产物稳定性的杂质。 （4）对最终产品的质量要求高：对产物的要求：保持生物产物的活性、纯度要求高，当生物技术产品是食品或药物时，要求无污染物、无对映体、无病毒、无热原、无致敏原等。 3、生物分离工程的一般步骤是什么？各步骤中的单元操作主要有哪些？ 一般包含四个步骤，如图所示。 预处理中有加热、调pH、絮凝等单元操作；细胞分 离中有沉降、离心、过滤、错流过滤等操作步骤；细胞破 碎中有均质化、研磨、溶胞等单元操作；细胞碎片分离中 有离心、萃取、过滤、错流过滤等单元操作；初步纯化中 有沉淀、吸附、萃取、超滤等单元操作；高度纯化中有层 析、离子交换、亲和、疏水、吸附、电泳等单元操作；成 品加工中有无菌过滤、超滤、冷冻干燥、喷雾干燥、结晶等单元操作。 4、生物分离过程的选择准则是什么？

生物分离工程

第一讲绪论2学时 一、通过本章学习应该掌握的内容 1、何谓生物分离工程 2、生物分离工程的历史及其应用 3、生物分离工程在生物技术中的地位？ 4、生物分离工程的特点 5、生物分离工程可分为几大部分，分别包括哪些单元操作？ 6、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？ 二、生物分离工程的发展历史 1、概念：从微生物、动植物细胞及其生物化学产品中提取有用物质的技术 2、生物分离工程的发展历史已经有几百年的历史了——最早的分离技术有蒸馏、过滤等原始方法 三、The position of Bioseparation in Biotechnology （生物分离在生物技术中所占位臵）By biotechnology, we mean the use of carefully cultured microorganisms, animal cells, and plant cells to produce products useful to humans. （所谓生物技术就是指利用培养微生物、动物细胞、植物细胞来生产对人有用的产品。） By this definition, biotechnology is as old as history, for the earliest known document (4228BC) includes a description of brewing Bread; cheese, and yogurt are other early examples of product which depend on biotechnology.（按上述定义，早在公元前4228年就有了应用生物技术酿酒、制奶酪等的记载。） Today, we restrict biotechnology largely to those areas where chemically defined species are produced .Under this more restricted definition, biotechnology is about 100 year old.（狭义生物技术的产物仅为化学产品，约有100年的历史。）Effective ways to get useful products（获得产品的有效途径） （1）Raw materials（原料） （2）pretreatments（预处理） （3）bioreactions（生物反应） （4）bioseparations（生物分离） （5）products（产品工程） 四、生物分离的应用 1、医药：抗生素、激素、维生素 2、食品：乳酪 3、化工：氨基酸 4、精细化工：化妆品、香料 5、农业：手性农药 6、生物：酶 五、生物分离过程的特点 1、产品丰富

09122生物分离工程工程科技

09122生物分离工程- 工程科技 生物工程专业教学大纲 《生物分别工程》课程（09123）教学大纲 一、课程基本信息（宋体五号加粗） 课程中文名称：生物分别工程课程代码：09123 学分与学时：52学时，3学分课程性质：专业必修 授课对象：生物工程专业（本科） 二、课程教学目标与任务 《生物分别工程》是为生物工程本科专业同学开设的一门专业必修课，是本专业的一门主干课程。本课程主要讲授各种生物活性物质中各种杂质的去除、分别、纯化和精制技术，是生物工程中不行缺少的组成部分，通过对本课程的学习，能使同学针对不同产品的特性，较好地运用各种分别技术来设计合理的提取、精制的工艺路线，并能从理论上解释各种现象，提高分析问题和解决问题的力量，是一门理论和实践亲密结合的课程。三、学时支配 四、课程教学内容与基本要求 第一章绪论（2学时）

教学目的：了解生物分别工程的特点。基本要求：把握生物分别工程在生物工程领域的地位，生物分别过程的特点以及生物分别过程的分类。 重点与难点：精确理解生物分别过程的特点教学方法：多媒体教学主要内容： 生物工程专业教学大纲 一、生物分别工程的历史及其应用二、生物分别工程在生物技术中的地位三、生物分别工程的特点四、生物分别一般步骤 其次章生物分别的理论基础（4学时）教学目的：使同学了解生物分别的理论基础 基本要求：了解生物分别的基本理论基础，把握分别效率的评价标准。重点与难点：分别机理、分别效价的评价标准教学方法：多媒体讲授主要内容：一、分别机理二、分别操作 三、分别效价的评价 第三章过滤（4学时） 教学目的：学习并把握发酵液过滤的基本理论 基本要求：把握过滤前物料预处理的基本方法，过滤的基本理论及相关方程，了解连续旋转式真空抽滤机的操作原理与过程，以及过滤设备的基本结构及选择原则。 重点与难点：精确理解过滤的基本理论及相关方程、过滤设备的基本结构与选型。教学方法：多媒体课件教学与课堂争论相结

生物分离工程 中期练习题参考答案

生物分离工程中期测试练习题残考答案 一、填充题（36分，每空1分） 1. 生物产品的分离包括目标产物的提取，浓缩，纯化和成品化。 2. 常用的化学细胞破碎方法有酸碱处理，表面活性剂，有机溶剂，螯合剂 （EDTA）和酶溶法； 3. 发酵液常用的固液分离方法有离心和过滤等。 4. 离心设备从形式上可分为管式，套筒式，碟片式等型式。 5.膜分离过程中所使用的膜，依据其膜特性（孔径）不同可分为微滤膜， 超滤膜，纳滤膜和反渗透膜等。 6. 工业上常用的膜组件有板式，管式，螺旋卷式和中空纤维式。 7. 中空纤维膜组件常用的清洗方式有反洗和循环清洗。 8. 超临界流体的特点是与气体有相似的粘度，与液体有相似的密度； 9. 生物分离工程中常用的萃取方式有有机溶剂萃取，双水相萃取，液 膜萃取，反胶团萃取，和超临界流体萃取。 10.盐析实验中用于关联溶质溶解度与盐浓度的Cohn方程为lgS＝β－ K s I；当保持体系温度、pH值不变，仅改变溶液离子强度进行的盐 析操作称为Ks盐析法；当保持离子强度不变，改变温度、pH值进 行的盐析操作称为β盐析法。 11. 电渗析是利用分子的荷电性质和分子大小的差别进行分离的膜 分离法。 二、讨论题（36分）（参考答案）

1. 以硫酸铵为例简述蛋白质盐析沉淀的方法。（8分） 教材p37. 低离子强度下的盐溶 向蛋白质的纯水溶液中加入电介质后，蛋白质的活度系数降低，蛋白质将吸附盐离子，带电表层使蛋白质分子间产生相互排斥作用，蛋白质分子与水分子间相互作用加强，导致蛋白质的溶解度增大，发生盐溶； 高离子强度下的盐析 溶液主体中那些与扩散层反离子电荷符号相同的电解质离子将把反离子压入（排斥）到双电层中，使蛋白质表面的双电层厚度降低，静电排斥作用减弱；同时，由于盐的水化作用，特别是中性盐的亲水性大，其将争夺蛋白质水化层中的水分子，使蛋白质表面疏水区脱去水化膜而暴露，增大它们之间的疏水性作用而容易发生凝集，进而沉淀。 2. 何谓等电点沉析法。（4分） 答：蛋白质在pH值为其等电点的溶液中净电荷为零，蛋白质之间静电排斥力最小，溶解度最低。利用蛋白质在pH值为其等电点的溶液中溶解度下降的原理进行沉淀分级的方法称为等电点沉析法。 3. 膜分离过程中影响截留率和膜分离速度的主要因素分别有哪些？（10 分） 影响截留率的主要因素: (1). 溶质分子特性 a. 相对分子量

《生物分离工程》课程教学大纲

生物分离工程课程教学大纲 课程名称：生物分离工程 英文名称：Bioseparations Engineering 课程编号：x3030041 学时数：32 其中实验学时数：8 课外学时数：0 课程学分：2.0 适用专业：生物工程 一、课程简介 《生物分离工程》是生物工程专业学生必修的一门专业课。本课程主要讲授生物工程产品分离纯化的基本原理、方法，对分离过程进行设计和优化，并在授课中体现相应分离技术的前沿知识和工业化生产相关信息。 通过《生物分离工程》课程基本理论的学习，一方面可以促进学生对专业知识的掌握，同时培养学生具有正确的认知观和唯物辩证思想方法，为从事物质分离相关领域或行业提供理论支撑和基本保障。另一方面可以培养学生具有一定的分析和解决生物分离单元操作中遇到实际问题的能力，为拓宽学生后续的职业方向奠定坚实的基础。 二、课程目标与毕业要求关系表

三、课程教学内容、基本要求、重点和难点 第一章绪论（2） 1、教学内容：生物分离工程定义、特点与重要性、生物分离流程、分离 技术选择原则、分离步骤设计考量、生物工程未来发展方向。 2、基本要求：了解《生物分离工程》这门课的研究方向和内容；掌握生 物分离工程与生物工程的关系。 3、重点：生物分离工程概念、特点与重要性、生物分离流程。 4、难点：分离步骤设计考量。 第二章发酵液的预处理（2） 1、教学内容：发酵液的基本特性、去除高价无机离子的方法、去除杂蛋 白的方法和原理、减低发酵液黏度的方法、调节pH、絮凝和凝聚的定义、常用试剂和应用领域。 2、基本要求：了解为什么进行预处理和目的；熟悉杂质去除过程；掌握 改善发酵液物理性质的方法。 3、重点：杂质种类、杂蛋白去除方法、发酵液物理性质改善方法。 4、难点：絮凝和凝聚。 第三章细胞的破碎（2） 1、教学内容：微生物（真菌、细菌和酵母菌）的细胞壁结构及组成、细 胞破碎常用技术和方法、每种技术的作用机理以及各自优势、常用设备、破碎技术研究方向。 2、基本要求：了解微生物的细胞壁结构及组成；熟悉细胞破碎的目的； 掌握细胞破碎技术。 3、重点：细胞壁破碎方法。 4、难点：细胞壁破碎方法。 第四章过滤和离心分离技术（2） 1、教学内容：固-液分离的方法、过滤的定义、过滤常用介质、过滤分类、 过滤设备和类型、过滤设备的运行原理、离心的定义和优缺点、离心分类、离心设备。 2、基本要求：了解离心和过滤设备的结构组成及操作过程；掌握离心和 过滤技术。 3、重点：离心与过滤技术。 4、难点：离心与过滤技术。 第五章膜分离技术（4） 1、教学内容：膜的定义和种类、膜制备工艺流程、膜的污染类型和保存 方法、膜分离技术的定义、膜分离技术的特点和原理、膜分离技术的分类和各自原理、膜分离技术的应用领域、膜分离装置及其传质特性和综合性能的比较。

《生物分离工程实验》课程教学大纲

《生物分离工程》实验教学大纲 课程名称（中文／英文）：生物分离工程/ Bioseparations Engineering 课程代码：x3030041 课程类型：专业课 课程性质：必修课设置类别：非独立设课 适用专业：生物工程 课程总学时：32 课程总学分：2.0 实验学时：8 实验学分：0.5 开实验学期：五 一、实验教学的目的与基本要求 《生物分离工程》实验属于生物工程实践教学环节。实验教学目的是配合专业课理论教学，培养学生掌握工程实验的操作技能及独立思考能力，加深对生物分离工程专业课程的基本原理的理解，使学生养成严谨的科学态度、良好的实验习惯，使其以后能独立完成本专业的研究、生产工作。本课程为非独立设课。 基本要求：1、要求学生能正确使用实验仪器设备，掌握相关实验操作。 2、要求学生养成独立思考问题，分析问题，解决问题的习惯。 3、培养学生独立的动手实验能力。 4、要求学生能正确理解和运用生物分离工程的基本原理。 二、课程目标与毕业要求关系表

三、实验项目设置 四、实验报告要求、实验考核方式、内容及成绩评定标准 实验报告要求：字迹工整、书写认真、图形清晰、数据处理准确。 实验考核方式：综合评定考查，占总成绩的5%。 成绩评定标准：实验操作占50%、报告书写和数据处理占50%。 五、实验教材及参考书

《生物工程专业实验》辽宁科技大学自编实验讲义 2019 《生化分离工程》严希康化学工业出版社2001 《生物工程下游技术》（第二版）刘国诠化学工业出版社2003 《生物分离过程科学》刘铮&詹劲等翻译清华大学出版社2004 《生物分离工程》（第二版）孙彦化学工业出版社2005

生物分离工程教学大纲

《生物分离工程》教学大纲 课程名称：《生物分离工程》Bioseparation Engineering 课程性质：必修 适用专业、年级：生物工程专业三年级 开课系及教科组：生物工程系生物分离工程教研室 学分数：3 总学时数：48 要求先修课程：《生物化学》、＜＜物理化学＞＞、《化工原理》 教材：《新编生物工艺学》下册 参考教材： 1.曹学君著，《现代生物分离工程》，华东理工大学出版社，上海，2007年1月 2.严希康著，《生化分离工程》，化学工业出版社，北京，2001年2月 3.孙彦著，《生物分离工程》，化学工业出版社，北京，2005年3月 4.欧阳平凯，胡永红著，《生物分离原理及技术》，化学工业出版社，北京，2006年2月 5.谭天伟著，《生物分离技术》，第二版，化学工业出版社，北京，2007年8月 6.朱志强著，《超临界流体萃取技术原理》，化学工业出版社，北京，2001年8月 7. Industrial Bioseparations: Principles and Practice ，By Daniel Forciniti，Publish Date: 2007-12-31 8. Principles of Bioseparations Engineering，By Raja Ghosh，Publish Date: 2006-10-31 9. Bioseparation Engineering: A Comprehensive Dsp Volumen，Paperback - 2009），by Ajay Kumar，Abhishek Awasthi 10. Process Scale Bioseparations for the Biopharmaceutical Industry，By Abhinav A. Shukla, Mark R. Etzel, Shishir Gadam，Publication Date: 2006-07-07

生物分离工程实验

生物分离工程实验 强调一下：下周一、二下午（3月31日、4月1日）一点半在生物楼411上实验，预习实验一、带讲义、不许迟到。共5次课，缺席一次就没有成绩。 生物分离工程实验 吴国峰郑春英 二零一四年三月 实验一凝胶色谱法分离蛋白质 一、实验目的 1. 掌握凝胶色谱的基本原理； 2. 掌握凝胶色谱的基本操作； 3. 了解物质在色谱柱中的洗脱行为与分配系数的关系。 二、实验原理 本实验将蓝葡聚糖2000（分子质量2000kD ）、细胞色素c （分子质量17kD ）和DNFP-甘氨酸（分子质量0.5kD ）的混合物通过交联葡聚糖凝胶G-50（Sephadex G-50）的色谱柱，以蒸馏水为洗脱溶剂进行洗脱。蓝葡聚糖2000分子量最大，全部被排阻在凝胶颗粒的间隙中，而未进入凝胶颗粒内部，因而洗脱速度最快，最先流出柱，其V e =V o 即K d =0。DNFP-甘氨酸分子量最小，不被排阻而可完全进入凝胶颗粒内部，洗脱速度最慢，最后流出柱，其V e =V i +V o 即K d =1。细胞色素c 分子量在上述二者之间，其洗脱速度居中。可以从蓝、红、黄三种不同颜色直接观察到三种物质分离的情况，并通过洗脱体积计算V i 、V o 和各自的K d 。 d K 与 e V 、0V 和i V 的关系见下式： d K 0 e i V V V -= 式中 K d ——分配系数，表示其被排阻的程度，只与被分离物质分子的大

小和凝胶颗粒孔隙的大小分布有关； V t ——柱体积，从柱的底板到凝胶沉积表面的体积，在色谱柱中充满 凝胶的部分称为凝胶床； V 0——外水体积，色谱柱内凝胶颗粒间隙，这部分体积称外水体积， 亦称间隙体积； V i ——内水体积，因为凝胶为三维网状结构，颗粒内部仍有空间，液 体可进入颗粒内部，即分间隙的总和为内水体积，又称定相 体积（不包括固体支持物的体积g V ）； V e ——峰洗脱体积，指被分离物质通过凝胶柱所需洗脱液的体积。通常情况下，0＜K d ＜1，当K d ＞1时，说明凝胶对组分有吸附作用。在实践中V i 不易准确测定，常用有效分配系数av K (av K 是把整个凝胶相作为 固定相，洗脱剂作为流动相)代替见式d K ，如下式： av K 00 e t V V V V -=- 三、仪器和试剂 1. 仪器电炉子；玻璃色谱柱1cm ×25cm ；蠕动泵；收集器；漏斗。 2. 试剂 ① 2mg/mL 的蓝葡聚糖2000 溶液。 ② 2mg/mL 的细胞色素c 溶液。 ③ DNFP-甘氨酸（二硝基氟苯-甘氨酸）：称取甘氨酸0.15g 溶于 1.5mL 10%NaHCO 3溶液中，此液pH 应在8.5~9.0左右；另取二硝基氟苯（DNFP ）0.15g ，溶于3mL 微热的95%乙醇溶液中，待充分溶解后，立即倒入甘氨酸液管中。将此管置于沸水浴煮沸5min （防止乙醇沸溢），冷却后加2倍体积的95%乙醇，可见黄色DNFP-甘氨酸沉淀，2000r/min 离心1.5min ，弃去上层液，沉淀用95%乙醇洗3～4次，所得沉淀用1mL 蒸馏水溶解即为DNFP-甘氨酸液，备

生物分离工程实验讲义(生工09)

实验一牛乳中酪蛋白的提取 一、实验目的 1、掌握等电点法提取蛋白的基本原理及基本操作； 2、掌握双缩脲法测定蛋白含量的基本原理及基本操作。 二、实验原理 酪蛋白是乳蛋白质中最丰富的一类蛋白质，约占乳蛋白的80~82%，酪蛋白不是单一的蛋白质，是一类含磷的复合蛋白质混合物，以一磷酸酯键与苏氨酸及丝氨酸的羟基相结合。它还含有胱氨酸和蛋氨酸这两种含硫氨基酸，但不含半胱氨酸。它在牛乳中的含量约为35g/L，比较稳定，利用这一性质，可以检测牛乳中是否掺假。 酪蛋白在其等电点时由于静电荷为零，同种电荷间的排斥作用消失，溶解度很低，利用这一性质，经牛乳调到pH4.6，酪蛋白就从牛乳中分离出来。酪蛋白不溶于乙醇，这个性质被利用来从酪蛋白粗制剂中将脂类杂质除去。 在乳制品加工或成品中，酪蛋白含量是一个常需测定的指标。常用于测定酪蛋白的方法是先将酪蛋白在等电点沉淀，再用凯氏定氮法测定。本实验采用双缩脲法测定酪蛋白。其原理为：蛋白质含肽键，肽键在碱性溶液中可与铜离子形成紫红色化合物，在540nm波长处有最大吸收，其颜色深浅与蛋白质浓度成正比，而与蛋白质分子量及氨基酸组成无关。 三、材料与试剂 市售牛奶 10mg/mL酪蛋白标准溶液（用0.1M NaOH配制） 0.1M NaOH溶液、0.2 M pH4.6的HAc－NaAc缓冲液 双缩脲试剂：称取硫酸铜（CuSO4·5H2O）1.5 g，加水100 mL，加热助溶；另称取酒石酸钾钠（NaKC4H4O6·4H2O）6.0g、碘化钾5g溶于500 mL水中。两液混匀后，在搅拌下加入10%NaOH 300 mL，后用水稀释至1000 mL，贮存于塑料瓶中。此液可长期保存，若瓶底出现黑色沉淀则需重新配制。 四、操作步骤 1、牛乳中酪蛋白的等电点沉淀 用量筒量取25 mL牛乳两份分别置于50 mL 烧杯中，水浴加热至40℃，在搅拌下慢慢加入到已预热至40℃的等体积的0.2 M pH 4.6的HAc－NaAc缓冲液中，混匀，冷却静置30 min沉淀酪蛋白后，3000 r/min 离心15 min，弃上清液，收集沉淀。一份沉淀用于“除杂”步骤，另一份沉淀用0.1M NaOH溶液溶解并定容至100 mL，用于“酪蛋白含量测定”步骤。 2、除杂 将上述沉淀捣碎，加入10 mL 95%乙醇，搅拌制成悬浮液。将此悬浮液倾于布氏漏斗中，抽滤除去乙醇溶液，再用10 mL乙醚－乙醇混合液（1∶1）洗涤沉淀两次，最后再用10 mL乙醚洗涤沉淀两次，抽干。

《生物分离工程》题库2

《生物分离工程》题库 一、填充题 1. 生物产品的分离包括R ，I ，P 和P ； 2. 发酵液常用的固液分离方法有和等； 3. 过滤前物料的预处理的方式有、和等； 4. 影响絮凝效果的因素有、、、和。 5. 过滤设备按推动力的不同可分为、、和。 6. 离心设备从形式上可分为，，等型式； 7. 常用的过滤介质有、和等； 8. 常用的工业絮凝剂有和两大类； 9. 典型的工业过滤设备有、和； 10.常用离心设备可分为和两大类； 11.离心沉降设备从型式上可分为、、等型式； 13.膜分离过程中所使用的膜，依据其膜特性（孔径）不同可分 为，，和； 14.多糖基离子交换剂包括和两大类； 15.工业上常用的超滤装置有，，和； 16.影响吸附的主要因素有，，，，和； 17.离子交换树脂由，和组成。 18.电泳用凝胶制备时，过硫酸铵的作用是； 甲叉双丙烯酰胺的作用是； TEMED的作用是； 19.影响盐析的因素有，，和；

20.在结晶操作中，工业上常用的起晶方法有，和； 21.简单地说，离子交换过程实际上只有，和三步； 22.在生物制品进行吸附或离子交换分离时，通常遵循Langmuir吸附方程，其形式 为； 23.反相高效液相色谱的固定相是的，而流动相是的；常用的固定相有 和；常用的流动相有和； 24.超临界流体的特点是与气体有相似的，与液体有相似的； 25.离子交换树脂的合成方法有和两大类； 26.常用的化学细胞破碎方法有，，，， 和； 27.等电聚焦电泳法分离不同蛋白质的原理是依据其的不同； 28.离子交换分离操作中，常用的洗脱方法有和； 29.晶体质量主要指，和三个方面； 30.亲和吸附原理包括，和三步； 31.根据分离机理的不同，色谱法可分为，，和； 32.盐析实验中用于关联溶质溶解度与盐浓度的Cohn方程为； 当称为Ks盐析法； 当称为β盐析法； 33.蛋白质分离常用的色谱法有，，和； 34.S DS PAGE电泳制胶时，加入十二烷基磺酸钠（SDS）的目的是消除各种待分离蛋白的 和差异，而将作为分离的依据； 35.常用的蛋白质沉析方法有，和；

生物分离工程复习资料

《生物分离工程》复习资料 一、名词解释 1、双电层：偏离等电点的蛋白质的净电荷或正或负，成为带电粒子，在电解质溶液中就、吸引相反电荷的离子，由于离子的热运动，反离子层并非全部整齐的排列在一个面上，而是距表面由高到低有一定的浓度分布，形成分散双电层简称双电层。 2、层（吸附层）：相距胶核表面有一个离子半径的平面以内，反离子被紧密束缚在胶核表面。 3、扩散层：在平面以外，剩余的反离子则在溶液中扩散开去，距离越远，浓度越小，最后达到主体溶液的平均浓度。 4、超临界流体萃取：利用超临界流体为萃取剂的萃取操作。 5、细胞破碎：指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 8、凝聚：在化学物质（铝、铁盐等）作用下，胶体脱稳并使粒子相互聚集成１大小块状凝聚体的过程。 9、絮凝：絮凝剂（大分子量聚电解质）将胶体粒子交联成网，形成10大小絮凝团的过程。 10、错流过滤：液体的流向和滤膜相切，使得滤膜的孔隙不容易堵塞。被过滤的发酵液在压力推动下，带着混浊的微粒，以高速在管状滤膜的内壁流动，而附着在滤膜上的残留物质很薄，其过滤阻力增加不大，因而能在长时间内保持稳定不变的过滤速度。

凝聚沉淀法：，废水中悬浮固体浓度也不高，但具有凝聚的性能，在沉淀的过程中，互相粘合，结合成为较大的絮凝体，其沉淀速度是变化的。 道南（）效应：离子和荷电膜之间的作用即相同电荷排斥而相反电荷吸引的作用。电渗析：利用分子的荷电性质和分子大小的差别进行分离的膜分离法。 高效液相色谱：高效液相色谱是色谱法的一个重要分支，以液体为流动相，采用高压输液系统，将具有不同极性的单一溶剂或不同比例的混合溶剂、缓冲液等流动相泵入装有固定相的色谱柱，在柱内各成分被分离后，进入检测器进行检测，从而实现对试样的分析 电渗析：利用分子的荷电性质和分子大小的差别进行分离的膜分离法。 14、截留率：表示膜对溶质的截留能力,可用小数或百分数表示,在实际膜分离过程中,由于存在浓度极化,真实截留率为 R。=1 透过液浓度截留液浓度。 15、截断曲线：通过测定相对分子质量不同的球形蛋白质或水溶性聚合物的截留率，可获得膜的截留率及溶质相对分子质量之间关系的曲线。 16、截断分子量：截留曲线上截留率为0.90（90%）的溶质的相对分子质量叫截断分子量。 17、泡点法：用修正的 M 方程计算液相组成，内层循环用 S 方程迭代计算级温度，外层循环用 H 方程迭代气相流率。 18、浓差极化：在膜表面附近浓度高于主体浓度的现象。当溶剂透过膜而溶质留在膜上，因而使膜面上溶质浓度增大的现象.