1 绪论
1．1 生物技术与生物分离
生物技术(biotechnology)即有机体的操作和应用有机体生产有用物质、改善人类生存环境的技术。
1953年，Watson和Crick提出了脱氧核糖核酸(DNA)的双螺旋结构模型．阐明了DNA是生物遗传信息(基因)的携带者，开辟了现代分子生物学的新纪元，为生物技术及其产业的发展开辟了广阔的空间。20世纪70年代，重组DNA(recombinant DNA，rDNA)技术[1]和蛔／蝗融合技术[：]相继建立，现代生物技术步入了崭新的发展时期。1980年前后，世界主要发达国家先后实施生物技术发展计划，生物技术迎来了日新月异的高速发展阶段。进入21世纪，人类基因组研究取得巨大成就，各染色体测序工作逐步完成[1]迎来了生物技术的后基因组时代，蛋白质组学L5]、药物基因组学、生物信息学和系统生物学研究蓬勃兴起．为生物技术的发展注人了巨大的生机和活力。
生物技术的主要目标是生物物质的高效生产，而分离纯化是生物产品工程(bioproduct engineering)的重要环节。因此，生物分离(bloseparation)是生物技术的重要组成部分[61。在生物技术领域，一般将生物产品的生产过程称为生物加工过程(bioprocess)，包括优良生物物种的选育、基因工程、细胞工程、生物反应过程(酶反应、微生物发酵、动植物细胞培养等)及目标产物的分离纯化过程，后者又称下游加工过程(downstream processing)。生物分离过程包括目标产物的提取(isolation)、浓缩(concentration)、纯化(purification)及成品化(product polishing)等过程．生物分离过程特性主要体现在生物产物的特殊性、复杂性和对生物产品要求的严格性上，其结果导致分离过程成本往往占整个生产过程成本的大部分[71。例如，大多数工业酶(enzyme)的分离过程成本约占生产过程的?o％，而对纯度要求更高的医用酶如天冬酰胺酶(asparaginase)，分离过程成本高达生产过程的85％；基因重组蛋白质药物的分离过程成本一般占85％一90％以上．与此相比，小分子生物产物的分离成本较低，如青霉素的分离过程成奉约占50％，而乙醇的分离过程成本仅占“％．因此，在生物大分子药物的生产过程中，分离过程的质量往往决定整个生物加工过程的成败。开发生物分离工程效的分离技术、设计合理的生物分离过程可大幅度降低生物加工过程成本。提高产品的市场竞争力”促进人类健康水平和生活质量的提高以及社会经济的发展。
1.2 生物物质和生物分离
1.2.1 生物物质
生物物质种类繁多，包括小分子化合物、生物大分子、超大分子、细胞和具有复杂
结构与构成成分的生物体组织，在大小．形态和性质上具有广泛的分布。生物物质的来源包括自然界存在的各种生物资源，但现代生物技术主要通过生物反应过程生产各种有用生物物质，如生物医药、疫苗、诊断试剂、精细生物化学晶、大宗生物化学晶、生物材料、生物能源(生物制氢、生物柴油)、人工器官、药物输送载体、功能食品和添加剂、饲料、化妆品等。常见的生物制品有抗生素、有机酸．氨基酸、多肽、蛋白质(包括酵．抗体)、核苷酸、聚核苷酸，核酸、病毒、糖类、脂类、生物城、糖苷等，其中与人类健康直接相关的治疗药物和疫苗是生物分离工程研究的重要内容。现代生物技术产品的主体是蛋白质药物[8-10]，包括细胞因子(如干扰素、生长因子、红细胞生成素)、激素(in胰岛素、生长激素)、抗体药物(单克隆抗体、抗体片断、基因工程抗体)、酶类药物、溶血栓药物(如尿激酶、组织纤溶酶原激活剂)等。在功舶基因组学和蛋白质组学研究的推动下，蛋白质药物将获得更大发展。近年来，基因工程疫苗、反义核酸药物和核酸疫苗研究进展迅速c，…2l，为治疗和预防各种疑难疾病开辟了新的发展空间．同时，随着2004年初第一个基因治疗药物获得生产批文(”l，基因治疗Pi3也进入了新的发展时期。基因治疗药物的主体是目的基因的载体(vector)。基因治疗载体包括病毒载体(in腺病毒、逆转录病毒)和非病毒载体(in质粒DNA)，其相对分子质量(或颗粒尺寸)均远大于蛋白质(相对分子质量106～107数量级，尺寸30一＼ill30nm)，可称作超大生物分子，其大规模分离纯化为生物分离工程的发展带来了新的机遇和挑战。
1．2．2 生物分离过程
生物分离的原料主要来源于生物反应过程．生物反应的产物一般是由细胞．游离的细胞外代谢产物、细胞内代谢产物、残存底物及惰性组分组成的混合液。常见生物药物和天然药物(中药)的分离制备过程已编辑成书或手册可供参考(15-16．图1．1是通过细胞(包括微生物和动植物细胞)培养生产生物物质的分离过程的一般琉程。首先，将细胞与培养液分离开来．着目标产物存在于细胞 () 论内(胞内产物)，需首先利用细胞破碎等方法将目标产物释放到液相中，除去细胞碎片后进行一系列粗分离和纯化操作(路线1a)；若胞内目标产物是以包古体(inclusionbodies，IBs)形式存在的蛋白质，则需利用盐酸胍等变性剂溶解包含体，然后进行蛋白质的体外折叠复性(1~vitro refo仙ng)，获得具有恬性的目标蛋白质(路线1b)，再进行后续的分离纯化操作．若目标产物为胞外产物，即在细胞培养过程中己分泌到培养液中，则可在除去细胞后直接对上清液进行浓缩、分离和纯化处理，得到一定纯度的目标产物溶液(路线2)。最后经过脱盐、浓缩、结晶和于燥处理，得到最终产品。
从图I．I可以看出，生物分离过程的设计应首先考虑目标产物存在的位置(胞内或胞外)和存在形式(活性表达产物或包含体)，应用的分离纯化技术则取决于产物分子的大小、疏水性、电荷形式、溶解度和稳定性等．此外，生物加工过程的规模、目标产物的商业价值和对纯度的要求也是选择分离纯化技术的重要因素．例如，色
谱技术分离精度很高，多应用于价格较昂贵的生物技术药物和生理活性物质(如荷尔蒙、抗体、细胞因子等蛋白质药物，疫苗，质粒DNA和病毒等基因治疗载体)的分离纯化，但因其生产规模有限，不适用于低价格产物的大规模分离过程。由于生物技术药物是生物技术产品的核心部分，因此，色谱是生物分离过程的核心技术[17]。
1．3 生物分离过程的特点
生物物质，尤其是生物大分子(蛋白质、核酸和病毒类基因治疗载体等)具有生理活性及药理作用，在分离纯化过程中必须根据目标产物的特点，在保持其生物活性和功能的前提下进行分离纯化操作。因此，生物分离具有不同于一般分离过程的显著特点。
①生物物质的生物活性大多是在生物体内的温和条件下维持并发挥作用的，当遇到高温、pH值的改变以及某些化学药物存在等周围环境的急剧变化时极不稳定，容易发生活性降低甚至丧失(变性失活)。同时，原料液中常存在降解目标产物的杂质(例如，可水解蛋白质的蛋白酶)。因此，必须设计合理的分离过程和操作条件，实现目标产物的快速分离纯化，获得高活性目标产品。
②用作医药、食品和化妆品的生物产物与人类生命息息相关。因此，要求分离纯化过程必须除去原料液中含有的热原(pyT。gen)及具有免疫原性的异体蛋白质等有害人类健康的物质，并且防止这些物质在分离操作过程中从外界混入。
③原料液中常存在与目标分子在结构、构成成分等理化性质上极其相似的分子及异构体，形成用常法难于分离的混合物，因此，一般需要利用具有高度选择性的分子识别技术或高效液相色谱技术纯化目标产物。同时，生物产物的原料构成成分复杂，需要采用多种分离技术和多个分离步骤完成一个目标产物的分离纯化任务(如图1．1所示)。由于每一步分离操作的回收率都不能达到100％ (一般为70％一90％)，而整个分离过程的总回收率为
i I Y Y i III = （1.1）
式中，y ；为第i 步操作的回收率；y ，为总回收率。所以，多步操作使产品的最终回收率很低，过程成本显著增大。从式(1．1)可以看出，为了提高最终产品的回收率，一是提高每步操作的回收率，二是减少操作步骤。为实现这些目的，必须优化设计分离过程和各个分离操作，并努力开发和应用新型高效的分离纯化技术。
④原料液中目标产物的浓度一般很低，有时甚至是极微量的，因此，往往需要从庞大体积的原料液中分离纯化目标产物，即需要对原料液进行高度浓缩。这也是造成生物分离成本高的原因之一。根据热力学第二定律，混合过程熵增大，是自发过程。所以，两种互溶的物质相互混合时，不需要外界能量。但是，要使混合的物质得到分离，必须补充使熵减小所需的能量。在恒温条件下使?昆合物中的各组分分离为纯物质所需的最小功Wmm ；与吉布斯自由能变化厶C 相等，即
min 1i i i i
W G x RT n x γ=?=∑ （1.2）
式中，i 为组分数；x 为摩尔分数；γ为活度系数；R 为气体常数；T 为热力学温度。在稀溶液叶，溶剂的摩尔分数近似为1，故1i γ=。所以，得到纯组分i 所需最
小功为
min,1;i i W x RT nx =- （1.3）
从式（1.3）可以看出，纯化1mol 组分i 需要1;RT nx -的功，即得到单位质量物质i 需要的能耗与1n （1/x ）成正比。所以，原料中目标产生物浓度越低，所需能耗越高，分离过程成本越大，图1.2[18]为第千克物产品售价（P ）与原料液中目标产生物质量浓度（c ）的双对数坐标图，从图可知，P 和C 的关系可近似表示为
()cp k =常数 (1.4)
或
k
p
c
（1.5）
即产品的售价与其在原料液中的质量浓度成反比，反映了原料质量浓度对生产过程成本的显著影响。
1.4生物分离技术和原理
物质（包括原子、离子、分子、分子复合物、分子聚集体和颗粒，本书中一般统称溶质)分离的本质是有效识别混合物中不同溶质间物理、化学和生物学性质的差别，利用能够识别这些差别的分离介质和(或)扩大这些差别的分离设备实现溶质问的分离或目标组分的纯化。性质不同的溶质在分离操作中具有不同的传质速率和(或)平衡状态，从而可实现彼此分离。这些性质包括以下几个方面。 1．4．1 物理性质
(1)力学性质包括溶质密度、尺寸和形状。利用这些力学性质的差别，可进行颗粒(如细胞)的重力沉降、分子或颗粒的离心分离和膜分离(筛分)。
(2)热力学性质即溶质的溶蟹度(液固相平衡)、挥发度(气液相平衡)、表面活性及相间分配平衡行为等性质。利用这些性质的分离方法种类最多，如蒸馏、蒸发、吸收、萃取、结晶(沉淀)、泡沫分离、吸附和离子交换等。
(3)传质性质包括黏度、分子扩散系数和热扩散现象等。利用传质速度的差别也可进行分离，但直接应用较少，而传质现象在分离过程中发挥重要作用。因此，除热力学外，传递过程理论[，，]也是生物分离工程的基础。
(4)电磁性质即溶质的荷电特性、电荷分布、等电点和磁性等。电泳、电色谱、电渗析、离子交换、磁性分离等方法利用溶质(或分离介质)的这类性质。 1。4．2 化学性质
化学性质包括化学热力学(化学平衡)、反应动力学(反应速率)和光化学特性(激光激发作用)等。化学吸附和化学吸收是利用化学反应进行分离的典型例证；利用激光激发的离子化作用可进行同位素分离。 1。4．3 生物学性质
生物学性质的应用是生物分离所独有的。利用生物分子(或生物分子的聚集体、细胞)间的分子识别作用，可进行生物分子(如细胞、病毒、蛋白质、核酸、寡聚核苷酸)的亲和分离，亲和色谱是亲和分离的典型代表。另外，利用酶反应(包括微生
物反应)的立体选择性；可对手性分子进行选择性修饰 (如脂化、水解、氨解等)，增大手性分子间理化性质的差别，为利用常规方法 (如色谱)分离手性分子创造条件。
利用目标产物与其他杂质之间的性质差异所进行的分离过程，可以是单一因素单独作用的结果，但更多的情况是两种以上因素共同发挥作用。在生物分离过程中，为达到要求的产品纯度，往往需要利用基于不同分离机理的多种分离技术，实施多步分离操作的串联(图1．1)。
表Ll列出了生物分离过程中常用的分离技术及其分离原理和分离产物。从分离操作的角度，一般可将分离技术分为两大类，一是基于相间分配平衡差异的平衡分离法，二是外力作用下产生的溶质移动速度差别的差速分离法。
表1．1 主要生物分离技术和分离机理
分离技术分离原理生物分离产物举例
离心离心过滤离心力、筛分菌体、细胞碎片
离心沉降离心力菌体、细胞、血球、细胞碎片
超离心离心力蛋白质、核酸、糖类
泡沫分离泡沫分离气液平衡、表面活性蛋白质、细胞、细胞碎片·
膜分离散滤压差、筛分菌体、细胞
超滤压差、筛分蛋白质、多糖，抗生素
反渗透压差、筛分水、盐、糖、氨基酸
透析浓差、筛分尿素、盐、蛋白质
电渗析电荷、筛分氨基酸、有机酸、盐、水
渗透汽化气液相平衡、筛分乙醇
萃取有机溶剂萃取液液平衡有机酸、抗生素、氨基酸
双水相萃取液液平衡蛋白质、抗生素、核酸
液膜萃取液液平衡、载体输送、化学反应氨基酸、有机酸、抗生素
反胶团萃取液液平衡氨基酸、蛋白质、核酸
超临界流体萃取相平衡香料、脂质、生物碱
色谱凝胶过滤色谱浓差、筛分脱盐、分子分级
反相色谱分配平衡甾醇类、维生素、脂质、蛋白质
离子交换色谱静电作用、浓差(pH值、离子强度) 蛋白质、氨基酸、抗生素、核酸、有机酸
亲和色谱生物亲和作用蛋白质，核酸
疏水性色谱疏水作用、浓差(离子强度) 蛋白质、核酸
色谱聚焦静电作用、浓差(pH值) 蛋白质
电泳凝胶电泳筛分、电荷蛋白质、核酸
等电点聚焦筛分、电荷、浓差(pH值) 蛋白质、氨基酸
等速电泳筛分、电荷、浓差(pH值) 蛋白质、氨基酸
二维电泳筛分、电荷、浓差(pH值) 蛋白质
电色谱／色谱电泳电泳，电渗、色谱蛋白质，核酸、糖，手性拆分
结晶／沉淀溶液结晶液固平衡(溶解度) 氨基酸、有机酸、抗生素、蛋白质盐析沉淀液固平衡、疏水作用蛋白质、核酸
等电点沉淀液固平衡、静电作用、疏水作用氨基酸、蛋白质
有机溶剂沉淀液固平衡、静电作用蛋白质，核酸·
(1)平衡分离 平衡分离法根据溶质在两相(如气液、气固、液液、液固、 气固)间分配平衡的差异实现分离。溶质达到分配平衡的推动力仅取决于系统的 热力学性质，．即溶质偏离平衡态的浓度差(化学势差)。显然，溶质达到相间分 配平衡的过程为扩散传质过程，因此，平衡分离又称扩散分离。蒸馏、蒸发、吸 收、萃取、结晶(沉淀)、泡沫分离、吸附和离子交换(色谱)等均为典型的平 衡分离过程。
(2)差速分离 差速分离是利用外力(如压力、重力、离心力、电场力、磁力)驱动溶质迁移产生的速度差进行分离的方法。传统的过滤、重力沉降和离心生物分离工程沉降等非均相物系的机械分离方法根据溶质大小、形状和密度差进行分离，也属差速分离的范畴。其他典型的差速分离法包括超滤、反渗透、电渗析、电泳和磁泳等。 ，
在有些情况下，两种分离原理共同发挥作用，促进分离效率的提高。例如，色谱和电泳相结合的色谱电泳(chromatographic electrophoresis)和电色谱(electrochromatography)过程既利用色谱的平衡分离原理，又利用电泳或(和)电渗的电场驱动作用强化分离。因此，分离技术丰富多彩，并不局限于上述简单的分类。不同分离原理的组合可派生新型高效的分离方法，是生物分离工程研究的重要内容。
大多数分离物系中溶质间性质差别较小，即分离因子较小，单级分离效率很低，故一般需要采用多级分离技术。上述各种平衡分离技术多采用多级分离操作，有些差速分离过程(如膜分离)亦可采用多级分离提高分离效率。
对于特定的目标产物，要根据其自身的性质以及与其共存杂质的特性，选择合适的分离方法和不同分离方法的组合，以获得最佳分离效果，实现高纯度、高收率和低成本的分离目标。
1．5 生物分离效率
生物分离工程的目标是实现生物产品的高效率分离纯化。分离效率可从不同的角度来评价，一是分离方法和设备，二是分离过程和产品。 ·
1．5．1 分离方法和设备
对于特定的分离方法或分离设备(如离心、膜分离、萃取、色谱等)，其评价指标包括分离容量(capacity)、分离速度(speed)和分辨率(resolution)。。分离容量指单位体积的分离设备(或分离介质)处理料液或目标产物的体积或质量；分离速度指单批次分离所需的时间，或连续分离过程的进料速度，批次时间越短，分离速度越快；分辨率指目标产品的纯化效果或杂质的去除能力。具体的分离方法和设备应满足高容量、高速度和高分辨率的要求。，生物分离工程的主要目标就是研究开发高容量、高速度和高分辨率的分离纯化新技术、新介质、新设备。 ． 1．5．2 分离过程和产品
对于具体目标产品的分离纯化，在利用已有的分离技术或新开发建立的分离技术时，需评价具体分离过程对目标产品的浓缩程度、分离纯化程度和回收率。
产品的浓缩程度用浓缩率(concentration factor)表达，是一个以浓缩为目的的分离过程的最重要指标。图1．3表示一个连续稳态的分离过程，其中F 表示流速，C 表示浓度，下标T 和X 分别表示目标产物和杂质，C 、P 和W 分别表示原料、产品和废料。此时，浓缩率m 为
TP T TP
c m c = （1.6a ） XP
X XC c m c = （1.6b ）
目标产物的分离纯化程度用分离因子（separation factor ）a 表达。分离因子又称分离系数，其定义为
/TP tc
T XP XC X c c m a c c m == （1.7）
另外，平衡分离过程（如蒸馏、萃取等）的分离因子常用平衡后两相中的溶质浓度之比表示，若图1.3所示的产品和废料处于相平衡状态，则
//TP TW
XP XW c c a c c = （1.8）
式（1.8）定义的a 在单级平衡蒸馏中相当于相对挥发度；在萃取分离中又称萃取选择性（selectivity ），是目标产物和杂质在两相间分配系数的比值。
式（1.7）表明，产品中目标产物浓度越高，杂质浓度越低，则分离因子越大，分离效率越高。如果,1T X m m a ==则，表明目标产物未得到任何程度的分离纯化。因此，
以分离为目的时。a 值应足够大，以达到高效分离的目的。这时，浓缩率的大小往往成为次要评价指标。
式（1.6）和式（1.7）或式（1.8）也适用于间歇过程浓缩率和分离因子的计算。另外，对于具有生物活性的生物产品（酶、蛋白质药物、柿体等），可用分离前后目标产物的比活（specific activity ）A 之比表示目标产物的分离纯化程度
p
c A a A = （1.9）
常用的比活A 的单位为/U mg （U 为生物活性单位），此时的a 通常称作纯化因子（purification factor ）。
无论是以浓缩还是以分离为目的，目标产物均应以较大的比例回收，即有较高的回收率（recovery ）。图1.3中目标产物的回收率为
PcTP
CcTC F REC F =×100% （1.10）
生物分离操作多为间歇过程（分批操作），若原料液和产品溶液的体积分别为C V 和P V ，则回收率为
PcTP
CcTC V REC V =×100% （1.11）
若以产品活性（activity ）计算收率，则式（1.10）和式（1.11）分别改写为 PaTP
CaTC
F REC F =×100% （1.10a ） PaTP
CaTC V REC V =×100% （11.11a ）
式中，a 为单位积溶液中目标产品的活性，//U mL U L 或。
除上述分离方法、介质和设备外，生物分离工程研究的根本任务是设计和优化分离过程，提高分离效率，减少分离过程步骤，缩短分离操作时间，达到提高产品收率与活性、降低生产成本的目的。
2 细胞分离与破碎
通过微生物发酵或动植物细胞培养得到的原料液，应首先将其中的菌 体或细胞与培养液分离（如图1.1所示）。如果目标产物为胞外物（extra cellular prod-ucts ） ，可直接利用培养液进行后续的分离纯化操作；如果目标产物为胞内物（intracellular products ），则要对菌体或细胞时行适当的处理，释放目标产物，然后队去细菌或其碎片，再进行目标产物的分离纯化。本章介绍分离回收细胞和释放目标产物的各种主要方法和理论。
2.1细胞分离
2.1.1重力沉降
重力沉降是化工过程中常用的所固、液固和液液分离手段，在生物下游加工过程中也是最基本的分离技术之一。以液固沉降为例，重力沉降过程中固体颗粒受到重力、浮力和流体摩擦阻力的作用。对于球形的固体颗粒，各种力的数学表达式如下 重力316g p F d sg πρ= （2.1） 浮力316
b p L F d g πρ= （2.2） 阻力2222248L g p
p L g
s v d d v F ρππρξξ=?= （2.3）
式中，p d 为固体颗料料径，m ；s ρ为固定密度，kg/m 3；L ρ为液体密度，kg/m 3；g
为重力加速度（9.81m/s 2）；g v 为重力沉降速度，/m s ；ξ为阻系数，粒子周围流体的流动处于滞流区时，即雷诺数Re 值的范围为4101e R -<<时。
24
e R ξ= （2.4）
其中
p g e d v L R L ρμ=
其中，L μ为液体黏度。将式（2.4）代入式（2.3）得到
3s L p g F d v πμ= （2.5）
式（2.5）称为Stokes 定律。当浮力，摩擦阻力和重力达到平衡时，固体颗料匀速沉降，沉降速度为
2()18p g d s L g v L ρρμ-= （2.6）
式（2.6）为球形粒子的Stokes 沉降方程，在其他流区内，沉降速度分别为
3110e R <<（过渡区），()0.50.60.27p g e d s L v R L ρρρ??-=?????? （2.7）
3510210e R <
（2.8） 式（2.7）和式（2.8）分别称为Allen 公式和Newton 公式。
对于非球形粒子，需利用当量直径计算沉降速度后，再根据颗粒的形状系数对计算值进行校正。颗粒的形状系数定义为非球形颗粒体积相等的圆球的表面积A 和非球形颗粒的表面积p A 之比
p A
s A Φ= （2.9）
滞流区内形状系数对沉降速度折 影响较小，校正方法可参考相关文献[1]，其中直径p d 用等体积当量直径代替。
菌体细胞的直径很少，重力沉降速度很低，沉降过程满足4101e R -<<的条件，故沉
降速度主要用式（2.6）计算。但是，式（2.6）表示的是单一粒子的沉降速度。当颗 粒浓度较大时，颗粒之间相互碰撞和干扰，影响沉降速度。此时，颗粒的沉降速度比单一颗粒小，需用空隙率函数()f ε对式（2.6）加以校正，即
()1g g v v f ε'= （2.6a ）
式是，()f ε为悬浮液的空隙率（voidage ），即体体积分数。()f ε用Richardson-Zaki 经验方程表达[2]
() 4.65f εε-= （2.10）
菌体和动值物细胞的重力沉降虽然简便易行，但菌体细胞体积很小，沉降速度很慢。因此，实用上需使菌体细胞聚并成较大凝聚体颗粒后再进行沉降操作，提高沉降速度。在中性盐的作用下，可使菌体表面双电层排斥电位降低，有利于菌体之间产生
凝聚。另外，向含菌体的料液中加入聚丙烯酰胺或聚乙烯亚胺等高分子絮凝剂，可使菌体之间产生架桥作用而形成较大的凝聚颗粒。凝聚或絮凝不仅有利于重力沉降，而且还可以在过滤分离中大大提高过滤速度和质量。当培养液中含有蛋白质时，可使部分蛋白凝聚而同时过滤除去。
2.1.2离心沉降
离心沉降是科学研究生生产实践中广泛使用的非均相分离手段，不仅适用于菌体和细胞的分离回收，而且可用于血球、胞内细胞器、病毒以及蛋白质的分离，也广泛用于液液相分离。
2.1.2.1离心沉降速度
离心沉降是在离心力和作用下发生的，单位质量的物质所受到的离心力为 2c F r ?= （2.11）
式中，r 为离心半径，即从旋转轴心到沉降颗粒的距离；?为旋角速度。 2N ?π= （2.12）
式中，N 为离心机的转数，1s -，将式（2.2）代入式（2.11），得到
224c F N r π= （2.13）
离心设备的一个重要技术指标是其所能达到的离心力与重力的比值，称为分离因数，分离因数是衡量离心程度的参数，用Z 表示
224N r
Z g π= （2.14）
科技文献中常将离心操作的条件用多少g （如5000g,10000g 等）表示，就是将离心力用g Z 形式表达的，一般将g Z 称作离心力或离心加速度，离心设备的旋转半径越大，转数越高，离心力越大。
离心沉降和重力沉降只是对沉降的作用力不同，因此，将式（2.6）中的g 用g Z 代替，可得离心沉降速度s v 为
()22229p s d s L N r v L πρρμ-= （2.15）
或将式（2.11）代入式（2.6）得到
()2218p s d s L v r L ρρ?μ-= （2.16）
此外，式（2.16）还可用下式表达
2s dr v Sr dt
?== （2.17） 式中，S 称为沉降系数（sedimentation coefficient ），一般用斯德贝格（Sved-bergs ）单S 表示，1S=10-13s 。S 是溶剂物性的函数，溶剂物性已知时，可用下式计算20℃水中的沉降
系数,20w S
,20,,20,,20
11w L T w L T w v S S v ρμρμ??-=??-???? （2.18） 式中v 为溶质（颗粒）的比体积；,20w ρ和,L T ρ分别表示20℃的水和T ℃的溶剂密度；,20w ρ和,L T ρ分别表示20℃的水和T ℃的溶剂的黏度。
,20w S 亦不是常数，而是溶质（颗粒）浓度C 的函数，随溶质浓度的增大而减小。
,20,201o w w S S kc =+ （2.19）
式中，0,20w S o 0c →时的沉降系数（20℃，水中）
；k 为常数，表2.1列出了一些蛋白质的沉降系数，从表2.1中可以看出，蛋白质相对分子质量越大，沉降系数越大。
表2.1 一些蛋白质的沉降系数
物质
相对分子质量 沉降系数（0,20w S /S ） 细胞色素C
12 400 1.18 股肌红蛋白
16 900 2.04 胰蛋白酶
23 000 2.5 尿激酶
32 000 2.7 卵白蛋白
45 000 3.7 a -淀粉酶 50 000
4.5 血红蛋白 64 550
4.1～4.5 伴刀豆蛋白A （四聚体） 102 300
6.0 lgG 150 000
6.6～
7.3 lgM
900 000～1 000 000
18～20 因此，，若已知0,20w S 和v ，利用溶剂的物性值（,,,L T L T ρμ）和式（2.17）～式（2.19）可计
算溶质（颗粒）的离心沉降速度，此外，通过积分式（2.17），得到溶质完全沉降所需的时间为
()21
21/n R R t S ?= （2.20）
式中，1R 和2R 分别为旋转轴中心到样品液表面和离心管底部的垂直距离
2.1.2.2离心分离法
（1）差速离心分析 差速离心（differential centrifugaion ）是生化工业最常用的离心分离方法。以菌体细胞的收集或除去为目的的固液离心分离是分级离心操作条件[3]可以看出，
菌体和细胞一般在500g～5 000g的离心力下可完全沉降，工业规模的离心操作中，为提高分离速度，所用离心力较大。操作中，根据实际物系的特点（目标产物和其他组分的性质和相互作用等）、分离的目的和所需分离的程度，选择适当的操作条件（离心转数和时间），可使料液中的不同组分得到分级分离。图2.1为差速离心分级细胞破碎液的一例[4]。
(2)区带离心区带心（zonal centrifugation）是生化研究中的重要分离手段，根据离心操作条件不同，又分差速区带离心（rate-zomal density-gradient sedimentation）和平衡区带离心（isopycnic density-gradient sedimentation）。两种区带离心法均事先在离心管中用某种低分子溶质（如蔗糖溶液）调配好密度梯度，在密度梯度之上加待处理的料液后进行离心操作。差速区带离心的密度梯度中的最大密度小于待分离的目标产物的密度，离心操作中，料液中的各个组分在密度梯度中以不同的速度沉降，根据各个组分沉降系数的差别，形成各自的区带。经过一定时间后，从离心管中分别汲取不同的区带，得到纯化的各个组分。平衡区带离心的密度梯度比差速区带离心的密度梯度高，离心操作的结果使料液中的高分子溶质在与其自身密度相等的溶剂密度处形成稳定的区带，区带中的溶质浓度以该密度为中心，呈Gauss 分布。
区带离心的密度梯度一般可用蔗糖配制。事先调配不同浓度(密度)的蔗糖溶液，然后在离心管中依浓度从大到小层层加入即可。将一定浓度的蔗糖溶液经一定时间的高速离心后可制成连续
的蔗糖密度梯度。除蔗糖外，还有许多物质在离心力作用下可自动形成密度梯度，如氯化铯(CsCI，cesiumchloride，可用于核酸的分离)和溴化钠(NaBr，sodiumbromide，可用于脂蛋白的分离)等。
区带离心法可用于蛋白质、核酸等生物大分子的分离纯化，但处理量小，一般仅限于实验室水平。为提高处理量，20世纪60年代开发了区带转子，用其代替离心管可增加处理能力。 2．1．2．3 离心分离设备
离心机是生化实验室及生化工业广泛使用的分离设备。实验室用离心机以离心管式转子离心机为主，离心操作为间歇式。图2．2为各种形式的离心转子[5)。工业用离心设备一般要求有较大的处理能力并可进行连续操作。离心分离设备根据其离心力(转数)的大小，可分为低速离心机、高速离心机和超离心机(u1tracentrifuge)。生化分离用离心机一般为冷却式，可在低温下操作，称为冷冻离心机。各种离心机的离心力范围和分离对象列于表2．3。
工业离心分离设备中，较常用的有管式和碟片式两大类。管式离心机(tubular bowl centrifuge)又称圆筒式离心机(图2．3)，结构比较简单。操作过程中，料液从圆管一端的中心输入，在离心力作用下，管内液面基本上是以旋转轴为中心的圆筒面(斜线部分)，从另一端的中心排出轻相(上清液)。间歇操作时，固体粒子沉降于管壁；连续操作时，从管壁附近的出口排出重相(浓缩的悬浮液)。管式离心机转数可达到2X104r／min以上，离心力较大，但缺点是沉降面积小，处理能力较低。碟片式离心机(disc-type bowl centrifuge)又称分离板式离心机(图2．4)，离心转子中有许多等间隔的碟形分离板，以增大沉降面积，提高处理能力。以连续操作为目的的碟片式离心机设有连续排出重相(浓缩悬浮液)的喷嘴[图2．4(b)]。操作过程中，料液从中心进料口输入，通过转子底部的液孑L进入分离板外径处，进入分离板的间隙。通过分离板的间隙向转子中心移动的过程中，重相(粒子)受离心力作用发生沉降，轻相从转子上部出口排出。连续操作时，重相从喷嘴连续喷出。碟片式离心机结构复杂，离心转数一般较管式离心机低，约1X104r ／min。
如图2.3所示，设管式离心机的旋转轴心到液面的距离（半径）为1r 转筒内径为2r 。对于一个单一粒子，在管内的轴向以与流体流速相同的速度从下向上移动的同时，与流体和转筒相同的角速度旋转，在径向上爱离心力的作用而没降，其移动轨迹如图2.3虚线所示。设管长为L ，料液流量为Q ，轴向坐标为z ，则粒子的径向沉降速度为
2
g s v r dr v dt g ?== （2.21）
轴向移动速度为
()2
221z dz Q
u dt r r π==- （2.22）
粒子到达出口（z L =）前完全沉降的边界条件为
1
20,,z r r z L r r ====
式（2.21）和式（2.22）的左右两端相除后，利用上述边界条年积分，得到使两相完全分离的最大处理流量（即离心机的处理能力）为
()()2222121ln /g L r r Q v g r r π?-= （2.23）
在离心操作中1r 和2r 近似相等，式（2.23）可简化成
2222g lr Q v g π?= （2.23a ） 设22
22Lr g π?=∑ （2.24）
则g Q v =∑ （2.23b ）
∑具有面积的单位，称为离心沉降面积，是离心机结构和操作条件的函数。
用式（2.23）测算的处理能力是理论值，而实际处理能力一般低于理论值。
故需在理论值的基础上乘以一个校正系数ξ,实际处理能力p Q 为
p g Q v ξ=∑ （2.25）
碟片式离心机的处理能力可通过分离板内粒子运动特性测算，离心沉降面积的理论值为 ()332
1223tan n r r g π??-=∑ （2.26）
式中，1r 和2r 分别为分离板的外径和内径；n 为分离板数；?为分离板与旋转轴的夹角[图
2.4(a)]。
碟片式离心机的实际处理能力亦用式（2.25）计算，但离心沉降面积用式（2.26）计算。从式（2.24）、式（2.25）和式（2.26）可知，离心机的处理能力与颗粒和溶剂特性（g v ）、离心机的机械结构和操作条件有关。校正系数ξ的值根据离心机而异，需通过实验测定。 离心机的放大可采用等校正系数法。设两台离心机的处理能力分别为1Q 和2Q ，离心沉降面
积分别为1∑和2∑，则
1
21
2g g Q Q v v ξ==∑∑ 所以，2211Q Q =∑∑ （2.27）
2.1.3 过滤
利用薄片形多孔性介质（如滤布）截留固液悬浮液中的固体粒子，进行固液分离的方法称为
过滤（filtration ）。菌体、细胞及其碎片的分离除离心操
作外，也可采用过滤法。过滤是一种膜分离法，膜分离将在
第4章详细介绍，本小节仅概述菌体、细胞及其碎片的过滤
特性和主要过滤设备。
2.1.
3.1过滤速度
过滤操作一般以压差为透过推动力，只靠重力不通达到足够
大的透过速度。如图2.5所示，过滤操作中固形成分被过滤
介质截留，在介质表面形成滤饼。因此透过速度可用下式表
达
()m c dQ
A p dt
L R R μ?=+
（2.28） 式中，A 为过滤面积，㎡；p ?为操作压力，Pa ；Q 为滤液体积，m 3，L μ为滤液的黏度，;a m c P s R R ?和分别为介质和滤饼的阻力，1m -。过滤操作中，滤饼的阻力占主导地位，因
此了解滤饼的特性对成功的过滤操作非常重要。
滤饼阻力与滤饼干重W （kg ）之间有如下关系
c aW R A
= （2.29） 式中，a 为滤饼的平均比阻，/m kg 。不可压缩性滤饼的a 为常数，而可压缩性滤饼的a 为夺差的函数，经验表达式为
m a k p =? （2.30）
其中，1k p ?=为时的a 值。对于一定的料液，k 为常数，可通过实验测定；m 为压缩指数，一般的0.3～1.2之间。表2.4为一些微生物滤饼的压缩指数以及助滤剂（filte aid ）的影响[6]
。可以看出，坚硬的乳胶（latex ）粒子为不可压缩性，0m =；在助滤剂filter-Cel 的存在下，微生物滤饼
的压缩指数下降。
由式（2.30）可知，可压缩滤饼的比阻值a 随压力提高增大。因此，在过滤操作中，压力是非常敏感和重要的操作参数，特别是可压缩性强（m 值大）的滤饼。一般需缓慢增大操作压力，最终操作压力不能超过0.3～0.4MPa 。
随着过滤操作的进行，滤饼量不断增加，与滤液体积Q 之间有如下关系
1cs s
LQ W c ρβ=- （2.31） 式中，β为湿滤饼和干滤饼的质量比；s c 为料液中固形成分（形成滤饼）的含量（kg 干固形成分/kg 料液）；L ρ为滤液密度；1s c ρ-相当于料液中滤液所占的质量比（料液=滤液+滤饼）。将式（2.31）代入式（2.29），得到
1s
s
L c c c Q a R A ρρ=?- （2.29a ） 将式（2.28）中的m R 亦用式（2.29a ）的形式表达，则
1s
L C m s Q a R c A ρρ=?- （2.29b ）
式中，0Q 为形成相当于过滤介质阻力的滤饼时透过虚拟滤液体积，特定过滤介质的0Q 值为常数。将式（2.29a ）和（2.29b ）代入式（2.28），得到
()20(1)s L L s
A p c dQ
dt Q Q ac βμρ?-=+ （2.32） 上式为过滤基本方程。恒压操作条件下积分式（2.32），可得下式 ()()200Q Q K t t +=+ （2.33）
其中，
()
221s L L s A p c K ac βμρ?-= （2.34）
式中，0t 为透过虚拟滤液量0Q 所需的虚拟时间。
式（2.33）为Ruth 恒压过滤方程，K 称为Ruth 恒压过滤系数微分式（2.33）可得下式。 0
22Q dt
Q
dQ K K =+ (2。35)
由于0Q 为常数，因此可通过恒压操作条件下滤液量Q 与时间关系的数据，得到/dt dQ 与Q 之间的直线关系，直线斜率为2／K ，横轴交点坐标为一0Q ，从而求得0Q 和K ，并利用K 值和式(2，
34)可计算滤饼的比阻a 。
在恒压操作条件下，过滤介质的阻力通常可忽略不计时，式(2．33)可简化为
2Q Kt (2．33a)
此时，利用过滤数据，以/t Q 为横坐标，Q 为纵坐标作图得一直线，从直线斜率也可求得K 值和a 值。
恒压过滤操作中滤饼阻力不断上升，过滤速度不断下降。除恒压过滤外，采用往复式恒流泵可进行恒速过滤，其间操作压力不断上升。忽略过滤介质阻力，恒速过滤方程为
dQ
Q
dt t = (2．36)
提高过滤速度和过滤质量是过滤操作的目标。由于滤饼阻力是影响过滤速度的主要因素，因此在过滤操作以前，一般要对滤液进行絮凝或凝聚等预处理，改变料液的性质，降低滤饼的阻力。此外，可在料液中加人助滤剂(如硅藻土， diatomaceous earth)提高过滤速度。但是，当以菌体细胞的收集为目的时，使用助滤剂会给以后的分离纯化操作带来麻烦，故需慎重行事。
随着过滤介质的不断改进，采用精密微滤膜的错流过滤法已逐渐成为过滤操作的主流。有关内容将在第4章中介绍。 2。1。3．2 过滤设备
生化工业常用的过滤设备主要有加压叶滤机、板框过滤机、旋转真空过滤机等。加压叶滤机由许多滤叶装合而成(图2．6)。每个滤叶以金属管为框架，内装多孔金属板，外罩过滤介质，内部具有空间，供滤液通过。加压叶滤机在密封条件下过滤，适于无菌操作；机体装卸简单，洗涤容易。但过滤介质更换较复杂。
2．2 细胞破碎
许多生物产物在细胞培养过程中不能分泌到胞外的培养液中，而保留在细胞内。如青霉素酰化酶、碱性磷酸酶等胞内酶，大部分外源基因表达产物和植物细胞产物等。这类生物产物需用上节所述方法收集菌体或细胞后，进行细胞破碎 (cell disruption)，使目标产物选择性地释放到液相中。破碎的细胞或其碎片利用上节所述的固液分离方法(主要是离心法)除去后，上清液用于进一步的分离纯化。 2．2．1 细胞的结构’
细胞的结构根据细胞种类而异。动物、植物和微生物细胞的结构相差很大，而原核细胞(prokaryotic cell)和真核细胞(eukaryotie cell)又有所不同。动物细胞没有细胞壁，只有由脂质和蛋白质组成的细胞膜，易于破碎。植物和微生物细胞的细胞膜外还有一层坚固的细胞壁，破碎困难，需用较强烈的破碎方法。
革兰阳性菌的细胞壁主要由肽聚糖(peptidog lycan)层组成，而革兰阴性菌的细胞壁在肽聚糖层的外侧还有分别由脂蛋白和脂多糖及磷脂构成的两层外壁层 (图2．?)。革兰阳性菌的细胞壁较厚，约15～50nm，肽聚糖含量占40％一90％。革兰阴性菌的肽聚糖层约1.5～2.Onm，外壁层约8～lOnm。因此，革兰阳性菌的细胞壁比革兰阴性菌坚固，较难破碎。
酵母的细胞壁由葡聚糖、甘露聚糖和蛋白质构成，比革兰阳性菌的细胞壁厚，更难破碎。例如，面包酵母的细胞壁厚约70nm。其他真菌的细胞壁亦主要由多糖构成，此外还有少量蛋白质和脂质等成分。
原核细胞和真核细胞的细胞膜均由脂质和蛋白质构成，二者之和占细胞膜构成成分的80％～100％。原核细胞和真核细胞的内部结构相差很大。原核细胞结构简单，无细胞核(nucleus)．一般由细胞质(cytoplasm)和核糖体(ribo-sortie)构成。真核细胞的细胞质内包含丰富的细胞器(organelles)，如线粒体(mitochondria)、核糖体、叶绿体、(chloroplast)、内
质网(endoplasmic reticu-lure)和高尔基体
(Golgi’sapparatus)等。图2．8为真核细胞结构示意图。
生物产物存在于细胞壁、细胞膜、细胞质以及线粒体、核糖
体、内质网和高尔基体等细胞器中。破碎细胞的目的就是使
细胞壁和细胞膜受到不同程度的破坏(增大通透性)或破碎，
释放其中的目标产物。
2．2．2 细胞破碎和产物释放原理
细胞破碎主要采用各种机械破碎法(mechanical disruption)和化学破碎法 (chemical
disruption)，或机械破碎法和化学破碎法的结合[7]。机械破碎中细胞所受的机械作用力主要有
压缩力和剪切力。化学破碎又称化学渗透、(chemical permeation)，利用化学或生化试剂(酶)改变细胞壁或细胞膜的结构，增大胞内物质的溶解速率；或者完全溶解细胞壁，形成原生质体(protoplast)后，在渗透压作用下使细胞膜破裂而释放胞内物质。各种作用力的细胞破碎机理示
于图2.9[8]。
假设细胞是直径为d(m)的球体，维持细胞的球体形态所需的综合维持力为()/N m σ，则从作用力平衡关系得到压缩破碎细胞[图2．9(a)]所需的作用力F(Pa)为
4F d σ
（2.37）
如果细胞受到周围流体剪切力()Pa τ的作用[图2．9(b)]，在牛顿流体中
du
dy τμ= （2.38）
则剪切破碎细胞所需的速度梯度为
4du
dy d σ
μ= （2.39）
式中，u 为流体流速，m ／s ；y 为与流速垂直方向的距离，m ；u 为流体黏度， Pa ·s 。 由式(2．37)和式(2．39)可以看出，单纯从细胞直径的角度，细胞越小，所需的压缩力或剪切力越大，即破碎难度越大。
化学破碎将细胞壁溶解和渗透压作用相结合，胞内外的渗透压差π?与胞内外低分子溶质的浓度差c ?成正比化学破碎与机械破碎相结合，可提高破碎效率和速度，减轻对机械破碎的依赖程度。
破碎细胞仅为目标产物的释放创造了条件，而不是最终目的。破碎细胞的目的是释放目标产物，因此，细胞的破碎速率一般用目标产物的释放(溶解)速率评价。破碎方法、细胞种类和目标产物的胞内位置不同，目标产物的溶解速率也不同。所以，细胞破碎和产物溶解过程非常复杂，很难完全定量描述。为此，根据具体物系和破碎方法提出了一些简化的胞内产物释放速率模型，
其中图2．10所示的两步释放过程即为其一[8]。
山科大生物分离工程试题（ A ）卷 一、填充题（40分，每小题2分） 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，和三个步骤； 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； 三.计算题（30分） 1、用醋酸戊酯从发酵液中萃取青霉素，已知发酵液中青霉素浓度为0.2Kg/m3，萃取平衡常数为K=40，处理能力为H=0.5m3/h，萃取溶剂流量为L=0.03m3/h，若要产品收率达96%，试计算理论上所需萃取级数？（10分） 2、应用离子交换树脂作为吸附剂分离抗菌素，饱和吸附量为0.06 Kg（抗菌素）/Kg（干树脂）；当抗菌素浓度为0.02Kg/m3时，吸附量为0.04Kg/Kg；假定此吸附属于Langmuir等温吸附，求料液含抗菌素0.2Kg/m3时的吸附量（10分） 3、一种耐盐细胞其能积累细胞内低分子量卤化物，适应高渗透压，能在含有0.32mol/LNaCl, 0.02mol/LMgCl2, 0.015mol/LCaCl2, 0.01mol/LFeCl3 的培养基这培养，当其从含盐量高的培养基中转移至清水中，在数分钟内能将胞内
第一章绪论 1、何为生化分离技术？其主要研究那些容？生化分离技术是指从动植物组织培养液和微生物发酵液中分离、纯化生物产品的过程中所采用的方法和手段的总称。 2、生化分离的一般步骤包括哪些环节及技术？一般说来，生化分离过程主要包括4 个方面：①原料液的预处理和固液分离，常用加热、调PH、凝聚和絮凝等方法；②初步纯化（提取），常用沉淀、吸附、萃取、超滤等单元操作；③高度纯化（精制），常选用色谱分离技术；④成品加工，有浓缩、结晶和干燥等技术。 3、生化分离工程有那些特点，及其重要性？ 特点：1、目的产物在初始物料（发酵液）中的含量低；2、培养液是多组分的混合物，除少量产物外，还有大量的细胞及碎片、其他代物（几百上千种）、培养基成分、无机盐等；3、生化产物的稳定性低，易变质、易失活、易变性，对温度、pH 值、重金属离子、有机溶剂、剪切力、表面力等非常敏感；4、对最终产品的质量要求高重要性：生物技术产品一般存在于一个复杂的多相体系中。唯有经过分离和纯化等下游加工过程，才能制得符合使用要求的产品。因此产品的分离纯化是生物技术工业化的必需手段。在生物产品的开发研究中，分离过程的费用占全部研究费用的50 ％以上；在产品的成本构成中，分离与纯化部分占总成本的40～ 80 ％；精细、药用产品的比例更高达70 ～90 ％。显然开发新的分离和纯化工艺是提高经济效益或减少投资的重要途径。
4、生物技术下游工程与上游工程之间是否有联系？ 它们之间有联系。①生物工程作为一个整体，上游工程和下游工程要相互配合， 为了利于目的产物的分离与纯化，上游的工艺设计应尽量为下游的分离纯化创造条件，例如，对于发酵工程产品，在加工过程中如果采用液体培养基，不用酵母膏、玉米浆等有色物质为原料，会使下游加工工程更方便、经济；②通常生物技术上游工程与下游工程相耦合。发酵- 分离耦合过程的优点是可以解除终产物的反馈抑制效应，同时简化产物提取过程，缩短生产周期，收到一举数得的效果。 5、为何生物技术领域中往往出现“丰产不丰收”的现象？ 第二章预处理、过滤和细胞破碎 1、发酵液预处理的目的是什么？主要有那几种方法？ 目的：改变发酵液的物理性质，加快悬浮液中固形物沉降的速率；出去大部分可溶性杂质，并尽可能使产物转入便于以后处理的相中（多数是液相），以便于固液分离及后提取工序的顺利进行。 方法：①加热法。升高温度可有效降低液体粘度，从而提高过滤速率，常用于粘度随温度变化较大的流体。控制适当温度和受热时间，能使蛋白质凝聚形成较大颗粒，进一步改善发酵液的过滤特性。使用加热法时必须注意加热温度必须控制在不影响目的产物活性的围，对于发酵液，温度过高或时间过长可能造成细胞溶解，胞物质外溢，而增加发酵液的复杂性，影响其后的产物分离与纯化；②调节悬浮液的pH 值，pH 直接影响发酵液中某些物质的电离度和电荷性质，适当调节pH 可以改善其过滤特性；③凝聚和絮凝；④使用惰性助滤剂。
试卷编号： 一、名词解释题（本大题共3小题，每小题3分，总计9分） 1.Bioseparation Engineering：回收生物产品分离过程原理与方法。 2.双水相萃取：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， 并且在两相中水分均占很大比例，即形成双水相系统(two aqueous phase system)。 利用亲水性高分子聚合物的水溶液可形成双水相的性质，Albertsson于50年代 后期开发了双水相萃取法(two aqueous phase extraction)，又称双水相分配法(two aqueous phase partitioning)。 3.电渗：在电场作用下，带电颗粒在溶液中的运动。 二、辨别正误题并改正，对的打√，错的打×（本大题共15小题，每小题2分，总计30分） 1.壳聚糖能应用于发酵液的澄清处理是由于架桥作用。错（不确定） 2.目前国内工业上发酵生产的发酵液是复杂的牛顿性流体,滤饼具有可压缩性。错 3.盐析仅与蛋白质溶液PH和温度有关，常用于蛋白质的纯化。错 4.超临界流体是一种介于气体和液体之间的流体，可用于热敏性生物物质的分离。 对 5.膜分离时，当截留率δ=1时,表示溶质能自由透过膜。错 6.生产味精时，过饱和度仅对晶体生长有贡献。对 7.阴离子纤维素类离子交换剂能用于酸性青霉素的提取。对 8.卡那霉素晶体的生产可以采用添加一定浓度的甲醇来沉淀浓缩液中的卡那霉 素。 9.凝胶电泳和凝胶过滤的机理是一样的。错 10.PEG-硫酸钠水溶液能用于淀粉酶的提取。对 11.乙醇能沉淀蛋白质是由于降低了水化程度和盐析效应的结果。对 12.冷冻干燥一般在-20℃—-30℃下进行，干燥过程中可以加入甘油、蔗糖等作为保 护剂。对 13.反相层析的固定相和流动相都含有高极性基团，可用来分离生物物质。错 14.大网格吸附剂由于在制备时加入致孔剂而具有大孔径、高交联度，高比表面积 的特点。错（不确定） 15.PEG沉淀蛋白质是基于体积不相容性。错 三、选择题（本大题共10小题，每小题2分，总计20分） 1.对于反胶束萃取蛋白质，下面说法正确的是：A A 在有机相中，蛋白质被萃取进表面活性剂形成的极性核里 B 加入助溶剂，可用阳离子表面活性剂CTAB萃取带正电荷的蛋白质 C 表面活性剂浓度越高越好 D 增大溶液离子强度，双电层变薄，可提高反胶束萃取蛋白质的能力 2.能进行海水脱盐的是：C A 超滤 B 微滤
生化分离 1.动物脏器DNA提取实验中，加入NaCl-SSC缓冲液的原因 答：①形成等渗液②PH中性，维持DNA稳定③抑制DNA酶活 2.动物脏器DNA提取实验中，如何鉴定分析DNA的纯化 答：当A260/A280=→DNA最纯，<混有Pro，>混有RNA，～→较纯 3.DNA提取实验中，加氯仿-异戊醇的作用是什么震荡离心后，分几层每一层的 主要成分是什么 答：使核蛋白质变性、乳化；分三层；上层为DNA和核蛋白的水层，中层为变性蛋白凝胶，下层为氯仿二异戊醇的有机溶剂层。 4.在DNA提取时，RNP（脱氧核糖核蛋白）是如何去除的 答：用氯仿一异戊醇剧烈震荡10min，使其乳化，然后离心除去变性蛋白。 5.茶叶咖啡因提取实验中，加生石灰的作用 答：①吸水②吸收单宁酸③使提取液受热均匀（热缓冲） 6.索氏提取和传统提取有何不同 答：传统提取耗时，效率低。索氏提取利用溶剂回流、虹吸原理，反复多次纯萃取，减短提取时间，节省材料，效率高。 7.茶叶咖啡因提取的原理是什么 答：利用咖啡因易溶于乙醇，易升华等特点，以95%乙醇作溶剂，通过索氏提取、浓缩、焙炒、升华得到纯化咖啡因。 8.离子交换柱层析实验中，离子交换剂为什么要进行预处理 答：①使离子交换剂充分溶胀②酸碱除杂③把活性离子（反离子）转型为clˉ。 9.离子交换柱层析实验中，TCA和丙酮的作用是什么 答：在PH在±时，TCA：使杂质蛋白变性，多得黏蛋白。丙酮：沉淀黏蛋白10.离子交换柱层析实验中，加TCA后，为什么要将PH调 答：①TCA变性能力与PH值密切相关；PH↑，TCA变性能力减弱；PH↓，TCA 变性能力增强 ②当PH在时，黏蛋白是最稳定的，卵清蛋白等杂质蛋白不稳定易沉淀，可得到相对较纯的黏蛋白。 11.离子交换柱层析实验中，为什么要维持PBS的PH在 答：黏蛋白的PI值约，小于，蛋白质带负电，又由于大多杂蛋白PI值约为10，不易于转型的离子交换剂交换而被洗脱时利用交换剂与蛋白结合程度不同而把它们分离开来，达到纯化的目的。 12.请画出离子交换柱层析分离鸡蛋卵黏蛋白的预期实验结果图，并对该图作合 理分析。 答：分析：第一个波峰：稀土ode杂蛋白；第二个波峰：目标蛋白洗脱 13.简述大蒜SOD提取中，SOD活性测定原理。 答：邻苯三酚在碱性条件下自氧化释放O2ˉ，生成有色中间产物，初始阶段中间产物积累在滞留30~45s后，与时间成线性关系（4min内），在420nm有强烈吸光值。当SOD，它催化O2ˉ与H+结合生成O2和H2O2，从而阻止中间产物积累，因此，通过计算可求出SOD酶活。 14.栀子黄色素提取实验中，吸附前为什么滤液PH调制3
生物分离工程复习题 一、名词解释 1.凝聚：在电解质作用下，破坏细胞菌体和蛋白质等胶体粒子的分散状态，使胶体粒子聚集的过程。 2.分配系数：在一定温度、压力下，溶质分子分布在两个互不相溶的溶剂里，达到平衡后，它在两相的浓度为一 常数叫分配系数。 3.絮凝：指在某些高分子絮凝剂存在下，在悬浮粒子之间发生架桥作用而使胶粒形成粗大的絮凝团的过程 4.过滤：是在某一支撑物上放过滤介质，注入含固体颗粒的溶液，使液体通过，固体颗粒留下，是固液分离的常 用方法之一。 5.萃取过程：利用在两个互不相溶的液相中各种组分（包括目的产物）溶解度的不同，从而达到分离的目的 6.吸附：是利用吸附剂对液体或气体中某一组分具有选择性吸附的能力，使其富集在吸附剂表面的过程。 7.反渗析：当外加压力大于渗透压时，水将从溶液一侧向纯水一侧移动，此种渗透称之为反渗透。 8.离心沉降：利用悬浮液或乳浊液中密度不同的组分在离心力场中迅速沉降分层，实现固液分离 9.离心过滤：使悬浮液在离心力场作用下产生的离心力压力，作用在过滤介质上，使液体通过过滤介质成为滤液， 而固体颗粒被截留在过滤介质表面，从而实现固液分离，是离心与过滤单元操作的集成，分离效率更高 10.离子交换：利用离子交换树脂作为吸附剂，将溶液中的待分离组分，依据其电荷差异，依靠库仑力吸附在树脂 上，然后利用合适的洗脱剂将吸附质从树脂上洗脱下来，达到分离的目的。 11.固相析出技术：利用沉析剂（precipitator）使所需提取的生化物质或杂质在溶液中的溶解度降低而形成无定 形固体沉淀的过程。 12.助滤剂：助滤剂是一种具有特殊性能的细粉或纤维，它能使某些难以过滤的物料变得容易过滤 13.色谱技术：是一组相关分离方法的总称，色谱柱的一般结构含有固定相（多孔介质）和流动相，根据物质在两 相间的分配行为不同（由于亲和力差异），经过多次分配（吸附-解吸-吸附-解吸…），达到分离的目的。 14.有机溶剂沉淀：在含有溶质的水溶液中加入一定量亲水的有机溶剂，降低溶质的溶解度，使其沉淀析出。 15.等电点沉淀：调节体系pH值，使两性电解质的溶解度下降，析出的操作称为等电点沉淀。 16.膜分离：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。 17.化学渗透破壁法：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 壁或细胞膜的通透性，从而使胞内物质有选择地渗透出来。 18.超临界流体：超临界流体是状态超过气液共存时的最高压力和最高温度下物质特有的点——临界点后的流体。 19.反渗透：在只有溶剂能通过的渗透膜的两侧，形成大于渗透压的压力差，就可以使溶剂发生倒流，使溶液达到 浓缩的效果，这种操作成为反渗透。 20.树脂工作交换容量：单位质量干树脂或单位体积湿树脂所能吸附的一价离子的毫摩尔数称为树脂交换容量，在 充填柱上操作达到漏出点时，树脂所吸附的量称为树脂工作交换容量。 21.色谱阻滞因数：溶质在色谱柱（纸、板）中的移动速率与流动相移动速率之比称为阻滞因数，以Rf表示。 22.膜的浓差极化：是指但溶剂透过膜，而溶质留在膜上，因而使膜面浓度增大，并高于主体中浓度。 23.超滤：凡是能截留相对分子量在500以上的高分子膜分离过程称为超滤，它主要是用于从溶剂或小分子溶质中 将大分子筛分出来。 24.生物分离技术：是指从动植物与微生物的有机体或器官、生物工程产物（发酵液、培养液）及其生物化学产品 中提取、分离、纯化有用物质的技术过程。 25.物理萃取：即溶质根据相似相溶的原理在两相间达到分配平衡，萃取剂与溶质之间不发生化学反应。 26.化学萃取：则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分子实现溶质向有机相的分配。 27.盐析：是利用不同物质在高浓度的盐溶液中溶解度的差异，向溶液中加入一定量的中性盐，使原溶解的物质沉 淀析出的分离技术。 28.有机聚合物沉析：利用生物分子与某些有机聚合物形成沉淀而析出的分离技术称为有机聚合物沉析。 29.离子交换平衡：当正反应、逆反应速率相等时，溶液中各种离子的浓度不再变化而达平衡状态，即称为离子交 换平衡。 30.功能基团：离子交换树脂中与载体以共价键联结的不能移动的活性基团，又称功能基团 31.平衡离子：离子交换树脂中与功能基团以离子键联结的可移动的平衡离子，亦称活性离子。 32.树脂的再生：就是让使用过的树脂重新获得使用性能的处理过程，树脂的再生反应是交换吸附的逆反应。 33.层析分离：是一种物理的分离方法，利用多组分混合物中各组分物理化学性质的差别，使各组分以不同的程度 分布在两个相中。 34.流动相：在层析过程中，推动固定相上待分离的物质朝着一个方向移动的液体、气体或租临界体等，都称为流 动相。 35.正相色谱：是指固定相的极性高于流动相的极性，因此，在这种层析过程中非极性分子或极性小的分子比极性 大的分子移动的速度快，先从柱中流出来。
分离工程复习题库 第一部分填空题 1、分离作用是由于加入（分离剂）而引起的，因为分离过程是（混合过程）的逆过程。 2、分离因子是根据（气液相平衡）来计算的。它与实际分离因子的差别用（板效率）来表示。 3、汽液相平衡是处理（汽液传质分离）过程的基础。相平衡的条件是（所有相中温度压力相等，每一组分的化学位相等）。 4、精馏塔计算中每块板由于（组成）改变而引起的温度变化，可用（泡露点方程）确定。 5、多组分精馏根据指定设计变量不同可分为（设计）型计算和（操作）型计算。 6、在塔顶和塔釜同时出现的组分为（分配组分）。 7、吸收有（轻）关键组分，这是因为（单向传质）的缘故。 8、对多组分吸收，当吸收气体中关键组分为重组分时，可采用（吸收蒸出塔）的流程。 9、对宽沸程的精馏过程，其各板的温度变化由（进料热焓）决定，故可由（热量衡算）计算各板的温度。 10、对窄沸程的精馏过程，其各板的温度变化由（组成的改变）决定，故可由（相平衡方程）计算各板的温度。 11、为表示塔传质效率的大小，可用（级效率）表示。 12、对多组分物系的分离，应将（分离要求高）或（最困难）的组分最后分离。 13、泡沫分离技术是根据（表面吸附）原理来实现的，而膜分离是根据（膜的选择渗透作用）原理来实现的。 14、新型的节能分离过程有（膜分离）、（吸附分离）。
15、传质分离过程分为（平衡分离过程）和（速率分离过程）两大类。 16、分离剂可以是（能量）和（物质）。 17、Lewis提出了等价于化学位的物理量（逸度）。 18设计变量与独立量之间的关系可用下式来表示（Ni-Nv-Nc 即设计变量数-独立变 量数-约束关系） 19、设计变量分为（固定设计变量）与（可调设计变量）。 20、温度越咼对吸收越（不利） 21、萃取精馏塔在萃取剂加入口以上需设（萃取剂回收段）。 22、用于吸收过程的相平衡关系可表示为（V - SL ）。 23、精馏有（两个）个关键组分，这是由于（双向传质）的缘故。 24、精馏过程的不可逆性表现在三个方面，即（通过一定压力梯度的动量传递）, （通过一定温度梯度的热量传递或不同温度物流的直接混合）和（通过一定浓度梯度 的质量传递或者不同化学位物流的直接混合） 25、通过精馏多级平衡过程的计算，可以决定完成一定分离任务所需的（理论板数）, 为表示塔实际传质效率的大小，则用（级效率）加以考虑。 27、常用吸附剂有（硅胶），（活性氧化铝），（活性炭）。 28、恒沸剂与组分形成最低温度的恒沸物时，恒沸剂从塔（顶）出来。 29、分离要求越高，精馏过程所需的最少理论板数（越多）。 30、回流比是（可调）设计变量。 第二部分选择题 1下列哪一个是速率分离过程（） a. 蒸馏 b.吸收 c.膜分离 d.离心分离
生化分离工程复习 一、名词解释 1.下游技术:Downstream Processing也称下游工程或下游加工过程，是指对于由生物 界自然产生的或由微生物菌体发酵的、动植物细胞组织培养的、酶反应等各种生物工业生产过程获得的生物原料，经提取分离。加工并精制目的成分，最终使其成为产品的技术.（1） 2.双水相萃取:当两种聚合物、一种聚合物与一种亲液盐或是两种盐（一种是离散盐且另 一种是亲液盐）在适当的浓度或是在一个特定的温度下相混合在一起时就形成了双水相系统。利用物质形成的双水相系统进行萃取的方法称为双水相萃取。（待定） 3.超临界流体萃取：Supercritical Fluid Extraction (SFE)是将超临界流体作为萃取 溶剂的一种萃取技术，它兼有传统的蒸馏技术和液液萃取技术的特征，超临界流体（SF）是状态超过气液共存时的最高压力和最高温度下物质特有的点——临界点后的流体。 4.反胶团萃取：Reversed Micellar Extraction反胶团萃取利用表面活性剂在有机相中 形成的反胶团（reversed micelles），从而在有机相内形成分散的亲水微环境，使生物分子在有机相（萃取相）内存在于反胶团的亲水微环境中，消除了生物分子，特别是蛋白质类生物活性物质难于溶解在有机相中或在有机相中发生不可逆变性的现象。 反胶团Reversed Micelles是两性表面活性剂在非极性有机溶剂中亲水性基团自发地向内聚集而成的，内含微小水滴的，空间尺度仅为纳米级的集合型胶体。是一种自我组织和排列而成的，并具热力学稳定的有序构造。 5.膜组件：膜分离装置的核心部分，指膜的规则排列（188） 6.超滤：（Ultrafiltration ,UF）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。（192） 7.反渗透：（RO或HF）在渗透实验装置的膜两侧造成一个压力差，并使其大于 渗透压，就会发生溶剂倒流，使得浓度较高的溶液进一步浓缩的现象。（171）8.微孔过滤：(Microfiltration,MF)主要用于分离流体中尺寸为0.1～10μm的 微生物和微粒子，以达到净化、分离和浓缩的目的。 9.Concentration polarization：浓差极化，是指当溶剂透过膜，而溶质留在 膜上，因而使膜面浓度增大，并高于主体中浓度。这种浓度差导致溶质自膜面反扩散至主体中。（177） 10.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。（195）11.色谱分离：（Chromatographic Resolution,CR）也称为色层分离或层析分离， 在分析检测中常称色谱分析（Chromatographic Analysis,CA）,是一种物理分离方法，利用多组分混合物中各组分物理化学性质（如吸附力、分子极性、分子形状和大小、分子亲和力、分配系数等）的差别，使各组分以不同程度分布在两相中。各组分以不同速率移动时，使物质分离。（252） 12.分配色谱：（Distribution chromatography）是；利用混合物中各组分在两 种互不相容的溶剂中的分配系数不同而得以分离，其过程相当于连续性的溶剂抽提。（264） 13.阻滞因素，阻滞因数：也称比移值，指溶质在色谱柱（纸、板）中的移动速 度与流动相移动速度之比，以R f 表示，因而也称为R f 值。（265）
《生物分离工程》题库 一、填充题 1. 生物产品的分离包括R 不溶物的去除 ，I 产物分离 ，P 纯化 和P 精 制 ； 2. 发酵液常用的固液分离方法有 过滤 和 离心 等； 3. 离心设备从形式上可分为 管式 ， 套筒式 ， 碟片式 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 微滤膜 ， 超滤膜 ， 纳滤膜 和 反渗透膜 ； 5. 多糖基离子交换剂包括 离子交换纤维素 和 葡聚糖凝胶离子交换剂 两大类； 6. 工业上常用的超滤装置有 板式 ， 管式 ， 螺旋式和 中空纤维式 ； 7. 影响吸附的主要因素有 吸附质的性质 ， 温度 ， 溶液pH 值 ， 盐的浓度 和 吸附物的浓度与吸附剂的用量 ； 8. 离子交换树脂由 网络骨架 （载体） ， 联结骨架上的功能基团 （活性基） 和 可 交换离子 组成。 9. 电泳用凝胶制备时，过硫酸铵的作用是 引发剂（ 提供催化丙烯酰胺和双丙烯酰胺聚 合所必需的自由基） ； 甲叉双丙烯酰胺的作用是 交联剂（丙烯酰胺单体和交联剂甲叉双丙烯酰胺催化剂的作 用下聚合而成的含酰胺基侧链的脂肪族长链） ； TEMED 的作用是 增速剂 （催化过硫酸胺形成自由基而加速丙烯酰胺和双丙烯酰胺的 聚合 ）； 10 影响盐析的因素有 溶质种类 ， 溶质浓度 ， pH 和 温度 ； 11.在结晶操作中，工业上常用的起晶方法有 自然起晶法 ， 刺激起晶法 和 晶种起晶法 ； 12.简单地说离子交换过程实际上只有 外部扩散 、内部扩散 和化学交换反应 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c K c q q 0+= 14.反相高效液相色谱的固定相是 疏水性强 的，而流动相是 极性强 的；常用的固定相有C 8 辛烷基 和 十八烷基C 18 ；常用的流动相有 乙腈 和 异丙醇 ； 15.超临界流体的特点是与气体有相似的 粘度和扩散系数 ，与液体有相似的 密度 ； 16.离子交换树脂的合成方法有 加聚法 和 逐步共聚法 两大类；
2007 —2008 学年第1、2学期分离工程课程期末考试试卷（A 卷）答案及评分标准 二、选择题（本大题20分，每小题2分） 1、由1-2两组分组成的混合物，在一定T 、P 下达到汽液平衡，液相和汽相组成分别为 11,y x ，若体系加入10 mol 的组分（1），在相同T 、P 下使体系重新达到汽液平衡，此时汽、液相的组成分别为 ' 1'1,y x ，则 （ C ） （A ）1'1x x >和 1'1y y > （B ）1'1x x <和1'1y y < （C ）1'1x x =和1'1y y = （D ）不确定 2、对于绝热闪蒸过程，当进料的流量组成及热状态给定之后，经自由度分析，只剩下一个自由度由闪蒸罐确定，则还应该确定的一个条件是 （ D ） （A ）闪蒸罐的温度 （B ）闪蒸罐的压力 （C ）气化率 （D ）任意选定其中之一 3、某二元混合物，其中A 为易挥发组分，液相组成5.0=A x 时泡点为1t ，与之相平衡的气相组成75.0=A y 时，相应的露点为2t ，则 （ A ） （A ）21t t = （B ）21t t > （C ）21t t < （D ）不能确定 4、用郭氏法分析可知理论板和部分冷凝可调设计变量数分别为 （ A ） （A ）1，1 （B ）1，0 （C ）0，1 （D ）0，0 5、如果二元物系有最高压力恒沸物存在，则此二元物系所形成的溶液一定是 （ A ） （A ）正偏差溶液 （B ）理想溶液 （C ）负偏差溶液 （D ）不一定 6、用纯溶剂吸收混合气中的溶质，逆流操作，平衡关系满足亨利定律。当入塔气体浓度y 1上升，而其它入塔条件不变，则气体出塔浓度y 2和吸收率的变化为 （ C ） （A ）y 2上升，下降 （B ）y 2下降，上升 （C ）y 2上升，不变 （D ）y 2上升，变化不确定 7、逆流填料吸收塔，当吸收因数A 1且填料为无穷高时，气液两相将在哪个部位达到平衡 （ B ） (A) 塔顶 (B)塔底 (C)塔中部 (D)塔外部 8、平衡常数较小的组分是 （ D ） （A ）难吸收的组分 （B ）较轻组份 （C ）挥发能力大的组分 （D ）吸收剂中的溶解度大 9、吸附等温线是指不同温度下哪一个参数与吸附质分压或浓度的关系曲线。 （ A ） (A) 平衡吸附量 (B) 吸附量 (C) 满吸附量 (D)最大吸附量 10、液相双分子吸附中，U 型吸附是指在吸附过程中吸附剂 （ A ） (A) 始终优先吸附一个组分的曲线 (B) 溶质和溶剂吸附量相当的情况 (C) 溶质先吸附，溶剂后吸附 (D) 溶剂先吸附，溶质后吸附
第一章复习题 1.生物分离工程在生物技术中的地位？ 2.生物分离工程的特点是什么？ 3.生物分离工程可分为几大部分，分别包括哪些单元操作？ 4.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？ 5.生物分离效率有哪些评价指标？ 第二章复习题 1．简述细胞破碎的意义 2．细胞破碎方法的大致分类 3．化学渗透法和机械破碎法相比有哪些优缺点？ 第三章复习题 1．常用的蛋白质沉淀方法有哪些？ 2．影响盐析的主要因素有哪些？ 3．何谓中性盐的饱和度？ 4．盐析操作中，中性盐的用量（40% 硫酸铵饱和度）如何计算？5．简述盐析的原理。6．简述有机溶剂沉析的原理。 7．简述等电点沉析的原理。 第四章复习题 1．膜分离技术的概念 2．膜的概念 3．根据膜孔径大小，膜分离技术的分类 4．基本的膜材料有哪些？ 5．常用的膜组件有哪些？ 6．何谓反渗透？实现反渗透分离的条件是什么？其特点有哪些？ 7．强制膜分离的概念？ 8．电渗析的工作原理？ 9．膜污染的主要原因是什么？常用的清洗剂有哪些？如何选择？ 10．膜分离在生物产物的回收和纯化方面的应用有哪些方面？ 第五章复习题 1.什么是萃取过程？ 2.液－液萃取从机理上分析可分为哪两类？ 3.常见物理萃取体系由那些构成要素？ 4.何谓萃取的分配系数？其影响因素有哪些？ 5.何谓超临界流体萃取？其特点有哪些？有哪几种方法？ 6.何谓双水相萃取?常见的双水相构成体系有哪些？ 7.反胶团的构成以及反胶团萃取的基本原理 第六章复习题 1.影响吸附的主要因素？ 2.亲和吸附的原理和特点是什么？ 3.常用的离子交换树脂类型有哪些？ 4.影响离子交换速度的因素有哪些？ 5.用于蛋白质提取分离的离子交换剂有哪些哪些特殊要求，主要有哪几类？ 第七章复习题
一、填空题（每空2分，共30分） 1．相对挥发度依次降低顺序排列的混合物ABCDEFG分离，要求馏出液中D组 分的浓度≤2.5mol%，釜液中C组分的浓度≤5.0mol%，则轻关键组分 是，重关键组分是。假定为清晰分割，则馏出液中的组分 为 ,釜液中的组分为。 2．利用状态方程法计算汽液相平衡常数K i的公式为；活度系数法 计算汽液相平衡常数的通式是，当汽相为理想气体，液相 为非理想溶液时，活度系数法计算汽液相平衡常数的通式简化 为。 3．萃取精馏中溶剂的作用可以概括为两点： 和，当原有两组分的沸点接近，非理想性不大时，加入溶剂主要目 的是。 4．多组分多级分离严格计算平衡级的理论模型，简称为 方程，分别是、、和 方程。 二、选择题（每题1分，共10分） 1．按所依据的物理化学原理不同，传质分离过程可分为两类，即速率分离过程和（ C ）两大类。 A．机械分离；B．膜分离；C．平衡分离。 2．在多组分精馏中，最小回流比下由于非关键组分的存在使塔中出现（ C ）个恒浓区。 A．3； B．2； C．1； D．4。 3.在化工生产中常常会遇到欲分离组分之间的相对挥发度接近于1或形成共沸 物的系统，如向这种溶液中加入一种新组分，该新组分和被分离系统中的一 个或几个组分形成最低共沸物从塔顶蒸出，这种特殊精馏称为（ D ）。 A.热泵精馏；B．萃取精馏； C．普通精馏；D．共沸精馏。 4．多组分吸收和精馏同属于传质过程，多组分吸收过程中，对操作起关键作用的关键组分有（ C ）个。 A．2； B．3； C．1； D．0。 5．萃取塔内两相之间的相际传质面积愈大，传质效率（ B ）。 A．愈大； B．愈小； C．不变； D．先增大后减小。 6．在给定温度下进行闪蒸计算时，先需核实闪蒸问题是否成立，可采用泡点方 第 1 页共3 页
生化分离工程基本概念复习要点 一类 1、过滤是指利用多孔介质（滤布）截留固液悬浮液中的固体粒子，进行固液分离的方法。速度和质量是过滤操作的指标，滤饼阻力是关键，故先多对滤液絮凝或凝聚处理，或加助滤剂如硅藻土等。 2、广泛用于生化实验室及生化工业的分离设备是离心机，根据其离心力大小可分为: 低速离心机、高速离心机和超离心机。细胞的分离一般可用低速离心机或高速离心机，蛋白质的分离一般要用超离心机。 3、膜在分离过程中功能：①物质的识别与透过；②相界面；3、反应场。 4膜分离过程的实质是物质透过或被截留于膜的过程，按分离粒子大小进行分为微滤（MF）超滤（UF）反渗透（RO）透析（DS）电渗析（ED）和渗透气化（PV）等，其中传质推动力为压差和浓差，适合于有机物与水分离，共沸物分离的是渗透气化（PV）。 5、膜组件主要有管式、中空纤维、螺旋卷绕式、平板式，其共同的特点是尽可能大的膜表面积、可靠的支撑装置、可引出透过液、膜表面浓度差极化达到最小。 6、双水相萃取的特点为：平衡时间短、含水量高、界面张力低、为生物活性物质提供了温和的分离环境。操作简便、经济省时、易于放大。 7、液膜根据结构可分为多种，但具有实际应用价值的主要有三种乳状液膜、支撑液膜、流动液膜。 8、在双水相系统中，影响分配系数的主要因素有，成相聚合物分子质量和浓度、盐的种类和浓度、PH值、温度。 9、溶质、溶剂、萃取剂、萃取相、萃余相 10、超临界流体的密度接近于液体，这使它具有液体溶剂相当的萃取能力；超临界流体的粘度和扩散系数又于气体相近似，而溶剂的低粘度和高扩散系数的性质也是有利于传质。 11、离子交换树脂按活性基团不同可分为强酸性阳离子交换树脂在PH1~14范围内均可使用、弱酸性阳离子交换树脂、强碱性阴离子交换树脂、弱碱性阴离子交换树脂只能在 PH<7的溶液中使用，按理化性质分类透明的凝胶型树脂，吸水后形成微细的空隙，失水后，孔隙消失。适用于吸附交换无机离子等小离子不透明的大孔型树脂外：孔径大，为永久性孔隙，可在非水溶涨下使用，善于吸附大分子有机物。 12、评价离子交换剂性能的重要参数是孔径大小、孔径分布、比表面积和孔隙率。 13、聚苯乙烯型离子交换树脂结构：骨架、活性基团、可交换离子。 14、树脂的交联度越大，则网眼越小，形成的树脂结构紧密，机械强度高。反应的速度慢，树脂的交联度一般为4-14％。 15、对离子交换树脂的选择原则是：被分离物质带正电荷，应采用阳离子交换树脂；强碱性离子宜用弱酸性树脂，弱酸性离子宜用强碱性树脂，吸附大分子离子选择交联度较低的树脂。 16、吸附分离技术的特点操作简便、设备简单、价廉、安全；常用于从大体积料液（稀溶液）中提取含量较少的目的物；不用或少用有机溶剂，吸附和洗脱过程中pH变化小，较少引起生物活性物质
《生物分离工程》练习题 绪论 1.生物分离过程包括目标产物的提取、浓缩、纯化。 2.生物分离过程的显着特点是什么？ 1、条件温和 2、安全性、卫生性要求高 3、方法需要具有高选择性 4、对原 料高度浓缩 3.评价一个分离过程的效率主要有三个标准，目标产物的浓缩程 度、分离纯化程度、回收率。 4.图中F表示流速，c表示浓度；下标T和X分别表示目标产物和杂质。C、P 和W分别表示原料、产品和废料。写出产品浓缩率m、分离因子α、回收率REC 的计算公式。书本第九页 第一章细胞分离与破碎 1.在细胞分离中，细胞的密度ρ S 越大，细胞培养液的密度ρ L 越小，则细 胞沉降速率越大。 2.过滤中推动力要克服的阻力有过滤介质阻力和滤饼阻力，其中滤 饼占主导作用。 3.B可以提高总回收率。 A.增加操作步骤 B.减少操作步骤 C.缩短操作时间 D.降低每一步的收率 4.重力沉降过程中，固体颗粒不受C的作用。 A.重力 B.摩擦力 C.静电力 D.浮力 5.过滤的透过推动力是 D 。 A.渗透压 B.电位差 C.自由扩散 D.压力差 6.在错流过滤中，流动的剪切作用可以B。 A.减轻浓度极化，但增加凝胶层的厚度 B.减轻浓度极化，但降低 凝胶层的厚度 C.加重浓度极化，但增加凝胶层的厚度 D.加重浓度极化，但降低 凝胶层的厚度
7.重力沉降过程中，固体颗粒受到重力，浮力，流体摩擦阻力的 作用，当固体匀速下降时，三个力的关系平衡 8.撞击破碎适用于D的回收。 A.蛋白质 B.核酸 C.细胞壁 D.细胞器 9.区带离心包括差速区带离心和平衡区带离心。 10.管式和碟片式离心机各自的优缺点。 管式，优点:离心力较大缺点：沉降面积小，处理能力降低 碟片式，优点：沉降面积大缺点：转速小，离心力较小 11.单从细胞直径的角度，细胞直径越小，所需的压力或剪切力越大，细 胞越难破碎 12.细胞的机械破碎主要方法有高压匀浆、珠磨、喷雾撞击破碎、 超声波破碎 13.细胞的化学破碎技术包括酸碱处理、酶溶、化学试剂处 理。 第二章初级分离 1.防止蛋白质沉淀的屏障有蛋白质周围水化层和双电层。 2.判断：当蛋白质周围双电层的ζ电位足够大时，静电排斥作用抵御蛋白质分子之间的分子间力，使蛋白质溶液处于稳定状态而难以沉淀。（正确） 3.降低蛋白质周围的水化层和双电层厚度，可以破坏蛋白质溶液的稳定性，实现蛋白质沉淀。 4.常用的蛋白质沉淀方法有：盐析沉淀，等电点沉淀，有机溶剂沉淀。
生化分离工程复习题 2及答案
生化分离工程复习题 一、填空题 1. 生化分离过程主要包括四个方面：预处理、细胞分离、纯化、产品加工。 2. 发酵液常用的固液分离方法有沉淀法和结晶法等。 3. 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； 4. 离子交换分离操作中，常用的洗脱方法简单洗脱和梯度洗脱。 5. 等电聚焦电泳法分离不同蛋白质的原理是依据其各种蛋白质等电点 的不同。 6. 典型的工业过滤设备有板框压滤机和转筒真空过滤机。 9. 超临界流体的特点是与气体有相似的扩散性能，与液体有相似的密度。 二、单选题 1．供生产生物药物的生物资源不包括（ D ） A. 动物 B. 植物 C. 微生物 D. 矿物质 2．下列哪个不属于初步纯化：( C ) A. 沉淀法 B. 吸附法 C. 亲和层析 D. 萃取法 3．HPLC是哪种色谱的简称（ C ）。 A. 离子交换色谱 B.气相色谱 C.高效液相色谱 D.凝胶色谱 4．其他条件均相同时，优先选用那种固液分离手段（ B ） A. 离心分离 B. 过滤 C. 沉降 D. 超滤 5．适合小量细胞破碎的方法是（ C ） A. 高压匀浆法 B. 超声破碎法 C. 高速珠磨法 D. 高压挤压法 6．有机溶剂沉淀法中可使用的有机溶剂为（ D ） A. 乙酸乙酯 B. 正丁醇 C. 苯 D. 丙酮 7．液-液萃取时常发生乳化作用，如何避免（ D ） A. 剧烈搅拌 B. 低温 C. 静止 D. 加热 8．盐析法与有机溶剂沉淀法比较，其优点是（ B ） A．分辨率高 B．变性作用小 C．杂质易除 D．沉淀易分离 9．工业上常用的过滤介质不包括（ D ） A. 织物介质 B. 堆积介质 C. 多孔固体介质 D. 真空介质 10．哪一种膜孔径最小（ C ） A. 微滤 B. 超滤 C. 反渗透 D. 纳米过滤 11．用于蛋白质分离过程中的脱盐和更换缓冲液的色谱是（ C ） A. 离子交换色谱 B. 亲和色谱 C. 凝胶过滤色谱 D. 反相色谱 12．“类似物容易吸附类似物”的原则，一般极性吸附剂适宜于从何种溶剂中吸附极性物质 （ B ） A．极性溶剂 B．非极性溶剂 C．水 D．溶剂 13．下列细胞破碎的方法中，哪个方法属于非机械破碎法( A ) A. 化学法 B. 高压匀浆 C. 超声波破碎 D. 高速珠磨 14．离子交换树脂适用（ A ）进行溶胀 A. 水 B. 乙醇 C. 氢氧化钠 D. 盐酸
二、选择题（本大题20分，每小题2分） 1、由1-2两组分组成的混合物，在一定T 、P 下达到汽液平衡，液相和汽相组成分别为 11,y x ，若体系加入10 mol 的组分（1），在相同T 、P 下使体系重新达到汽液平衡，此时汽、液相的组成分别为 '1'1,y x ，则 （ C ） （A ）1'1x x >和 1'1y y > （B ）1'1x x <和1'1y y < （C ）1'1x x =和1'1y y = （D ）不确定 2、对于绝热闪蒸过程，当进料的流量组成及热状态给定之后，经自由度分析，只剩下一个自由度由闪蒸罐确定，则还应该确定的一个条件是 （ D ） （A ）闪蒸罐的温度 （B ）闪蒸罐的压力 （C ）气化率 （D ）任意选定其中之一 3、某二元混合物，其中A 为易挥发组分，液相组成5.0=A x 时泡点为1t ，与之相平衡的气相组成75.0=A y 时，相 应的露点为2t ，则 （ A ） （A ）21t t = （B ）21t t > （C ）21t t < （D ）不能确定 4、用郭氏法分析可知理论板和部分冷凝可调设计变量数分别为 （ A ） （A ）1，1 （B ）1，0 （C ）0，1 （D ）0，0 5、如果二元物系有最高压力恒沸物存在，则此二元物系所形成的溶液一定是 （ A ） （A ）正偏差溶液 （B ）理想溶液 （C ）负偏差溶液 （D ）不一定 6、用纯溶剂吸收混合气中的溶质，逆流操作，平衡关系满足亨利定律。当入塔气体浓度y 1上升，而其它入塔条件不变，则气体出塔浓度y 2和吸收率的变化为 （ C ） （A ）y 2上升，下降 （B ）y 2下降，上升 （C ）y 2上升，不变 （D ）y 2上升，变化不确定 7、逆流填料吸收塔，当吸收因数A 1且填料为无穷高时，气液两相将在哪个部位达到平衡 （ B ） (A) 塔顶 (B)塔底 (C)塔中部 (D)塔外部 8、平衡常数较小的组分是 （ D ） （A ）难吸收的组分 （B ）较轻组份 （C ）挥发能力大的组分 （D ）吸收剂中的溶解度大 9、吸附等温线是指不同温度下哪一个参数与吸附质分压或浓度的关系曲线。 （ A ） (A) 平衡吸附量 (B) 吸附量 (C) 满吸附量 (D)最大吸附量
题库名称：生物分离工程 一、名词解释 1．质量作用定律：化学反应的速率与参加反应的物质的有效质量成正比。 2．凝聚：在电解质作用下，破坏细胞菌体和蛋白质等胶体粒子的分散状态，使胶体粒子聚集的过程。 3．分配系数：在一定温度、压力下，溶质分子分布在两个互不相溶的溶剂里，达到平衡后，它在两相的浓度为一常数叫分配系数。 4．干燥速率：干燥时单位干燥面积，单位时间内漆画的水量。 5．CM-Sephadex C-50：羧甲基纤维素、弱酸性阳离子交换剂，吸水量为每克干胶吸水五克。6．絮凝：指在某些高分子絮凝剂存在下，在悬浮粒子之间发生架桥作用而使胶粒形成粗大的絮凝团的过程 7．过滤：是在某一支撑物上放过滤介质，注入含固体颗粒的溶液，使液体通过，固体颗粒留下，是固液分离的常用方法之一。 8．萃取过程：利用在两个互不相溶的液相中各种组分（包括目的产物）溶解度的不同，从而达到分离的目的 9．吸附：是利用吸附剂对液体或气体中某一组分具有选择性吸附的能力，使其富集在吸附剂表面的过程。 10．反渗析：当外加压力大于渗透压时，水将从溶液一侧向纯水一侧移动，此种渗透称之为反渗透。 11．离心沉降：利用悬浮液或乳浊液中密度不同的组分在离心力场中迅速沉降分层，实现固液分离 12．离心过滤：使悬浮液在离心力场作用下产生的离心力压力，作用在过滤介质上，使液体通过过滤介质成为滤液，而固体颗粒被截留在过滤介质表面，从而实现固液分离，是离心与过滤单元操作的集成，分离效率更高 13．离子交换：利用离子交换树脂作为吸附剂，将溶液中的待分离组分，依据其电荷差异，依靠库仑力吸附在树脂上，然后利用合适的洗脱剂将吸附质从树脂上洗脱下来，达到分离的目的。 14．固相析出技术：利用沉析剂（precipitator）使所需提取的生化物质或杂质在溶液中的溶解度降低而形成无定形固体沉淀的过程。
作业 1. 生物技术：应用生命科学研究成果，以人们意志设计，对生物或生物的成分进行改造和利用的技术。现代生物技术综合学科技术，可用于研究生命活动的规律和提供产品为社会服务等。2. 生化工程：生物化学反应的工程应用，主要包括代谢工程、发酵工程和生物化学传感器等，生物化学工程和生物医学工程是最初的生物工程学概念，基因重组、发酵工程、细胞工程、生化工程等在21世纪整合而形成了系统生物工程。 3. 生化反应工程：生物化学工程的重要组成部分，是化学反应工程与生物技术结合的产物。它以生物反应器为中心，主要研究发酵动力学、酶动力学，生物反应器中的传递过程，生物反应器的放大规律以及生物反应器的检测和控制等。 4. 生化分离工程：生物化工产品通过微生物发酵过程、酶反应过程或动植物细胞大量培养获得，从上述发酵液、反应液或培养液中分离、精制有关产品的过程。 5. 热源：与工质发生热量交换的物质系统。可分为高温热源和低温热源，或者为热源和冷源。热源是指工质从中吸取热能的物质系统，冷源是指接受工质排出热能的物质系统。 6. 微生物工程：即是指发酵工程，指采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种技术。 7. 生化分离工程的一般工艺流程和所包括的单元操作及其适用范围？ 8.那些单元操作适用于生物小分子物质的提取 层析、离子交换、亲和、疏水、吸附、电泳 9.那些单元操作适用于生物大分子物质的提取 沉淀、吸附、萃取、超滤 10.生物分离工程的发展趋势。 膜分离技术的推广使用、亲和技术的推广使用、优质层析介质的研究、上游技术对生化分离过程的影响、发酵于提取相结和：生物反应器方面 11.说出世界上十家生物工程方面的大公司的名称。 Amgen安进、Roche/Genentech罗氏、基因泰克、Johnson强生、NovoNordisk 诺瓦诺德、EliLilly礼来、Sanofi-Aventis赛诺菲、Abbott雅培、MerckKGaA 德国默克、Schering-Plough先灵宝雅、Wyeth惠氏 作业 1.絮凝：利用絮凝剂（通常是天然或合成的大分量聚电解质以及生物絮凝剂）将胶体粒子交联成网，形成10mm大小的絮凝剂的过程，其中絮凝剂主要起架桥作用。 2.凝聚：在投加的化学物质（例如水解的凝聚剂，像铝、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大小块状凝聚体的过程。 3.凝聚值：电解质的凝聚能力可用凝聚值来表示,使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度(毫摩尔/升),称为凝聚值。