分离工程思考题

第一章

1、生物技术与生物分离的关系是什么？为什么说生物分离过程是生物技术的重要组成部分？

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的重要环节。因此，生物分离是生物技术的重要组成部分。

2、生物物质有哪些？现代生物技术产品的主体是什么？

生物物质总类繁多，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组成成分的生物体组织。

现代生物技术产品的主体---蛋白质类药物.

1) 细胞因子:干扰素、生长因子、红细胞生成素 2) 激素：胰岛素、生长激素

3) 抗体药物：单克隆抗体、抗体片段 4) 酶类药物：尿激酶 5) 基因工程疫苗 6) 基因治疗

3、生物分离过程设计应考虑哪些因素？为什么色谱是分离过程的核心技术？ 考虑因素：

1) 目标产物的存在位置：胞内或胞外

2) 目标产物的存在形式：活性表达产物或包含体

3) 目标产物分子的大小、疏水性、电荷性质、溶解度和稳定性 4) 目标产物的商业价值和对纯度的要求

4、生物分离过程有哪些特点？

1) 生化产物的稳定性差，产物可能失活

2) 分离难度大，一般需用特殊的高效分离技术

3) 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

4) 对最终产物的质量要求很高 5) 需对原料液进行高度浓缩

5、生物分离过程中需要考虑分离对像的哪些性质？ 1) 根据物理性质的差异实现分离

i. 力学性质：密度、尺寸和形状。用于重力沉降、离心、膜分离等 ii. 热力学性质：溶解度、挥发度等。用于如蒸馏、蒸发、结晶、吸附

和离子交换等

iii. 传质性质：粘度、扩散系数、热扩散现象等。即利用传质速度的差

别进行分离

iv. 电磁性质：荷电性质、电荷分布、等电点等。用于电泳、电渗析、

离子交换、磁性分离等

2) 根据化学性质的差异实现分离

i. 化学性质包括热力学(化学平衡)、反应动力学(反应速率)和光化学特

性等。

ii. 化学吸附和化学吸收即利用化学性质实现分离。 3) 根据生物学性质的差异实现分离

a) 生物分子间的识别作用，如亲和色谱

b) 利用酶的立体选择性，如对手性分子进行选择性修饰后以增大分子间差

异，从而用常规方法进行分离

6、什么是平衡分离？什么是差速分离？ 差速分离（速度分离）

分离机理：根据溶质在外力作用下产生的移动速度的差异实现分离。传质推动力主要有压力差、电位梯度和磁场梯度等；分离方法：超滤、反渗透、电渗析和电泳等；

扩散分离（平衡分离）

分离机理：根据溶质在两相中分配平衡状态的差异实现分离。传质推动力为偏离平衡态的浓度差；分离方法：萃取、结晶、吸附和离子交换等。

7、如何对分离效率进行评价？ 1) 从分离方法和设备的角度

i. 分离容量：单位体积的分离设备处理料液或目标产物的体积或质量； ii. 分离速度：单批次分离所需时间；

iii. 分辨率：目标产品的纯化效果或杂质的去除能力 2) 从分离过程和产品的角度

i. 浓缩程度

ii. 分离纯化程度 iii. 回收率

8、为什么分离因子α要足够大？

ccm

??TPTC?T cXPcXCmX cTPcTW?? cXPcXW

A ??PAC

9、如何确定产品的回收率？

第二章

1、细胞重力沉降速度的计算

2、离心沉降速度的计算

3、常用离心分离设备有哪些？

实验室主要使用离心管式转子离心机；生化上需用冷冻离心机；工业上较常用的有管式和碟片式两大类。

4、离心机的处理能力如何计算？如何放大？ 管式 碟式;

332 2?n(r1-r2)?22Q=?g?, ?= (2.26)2?Lr2? Q?vg?vg? (2.23)3gtan?g 式中，r1和r2分别为分离板的外径和222?Lr2? ??内径；n为分离板数；?为分离板与 g旋转板轴的夹角

离心机的放大：采用等校正系数法

Q2Q Q1==?, ?2=?12 (2.27) ?g?1?g?2Q1

5、导出恒压过滤速度基本方程，如何确定过滤系数K？ 2A?p(1-?cs)dQ = (2.32)?L(Q+Q0)?L?cs dt 恒压条件下： (Q+Q0)2=K(t+t0) (2.33) 其中： 2AΔp(1-βcs) K= (2.34)μLρLαcs

上式中，cs为料液中固形成分(形成滤饼) 的含量，?为湿滤饼和干滤饼的质量比， Q为形成相当于过滤介质阻力的滤饼时0

透过的虚拟滤液体积， t0为透过虚拟滤液

量Q0所需的虚拟时间。 对2.33微分可得： dt2Q2Q0=+ 2.35 dQKK 由2.35式可计算K和Q0

6、细胞破碎的原理是什么？什么是机械破碎？什么是化学破碎？

机械破碎：原理是细胞在机械作用力下受到压缩和剪切而破碎。细胞越小，所需压缩或剪切力越大，越难破碎。

化学破碎又称化学渗透：其原理是利用化学或生化试剂（酶）改变细胞壁或细胞膜结构，增大胞内物质的溶出速率；或者完全溶解细胞壁，形成原生质体后，在渗透压作用下使细胞膜破裂而释放胞内物质。

7、为什么细胞直径越小，越难破碎？

4?du4?

F= (2.37)= (2.39) ddy?d由2.37和2.39可见，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，即破碎的难度越大

8、在产物释放速度模型中，什么是破碎速度控制过程？什么是释放速度控制过程？

由式2.41~2.43可得： d2cdc+(k+k)=kDkR(cM-c) (2.44)DR dt2dt 上式即为两步释放过程的速率方程。如果细胞破碎和产物

释放的其中一步很快，则成为表观一级释放过程，速率方

程分别为：dc 破碎速率控制过程： =kD(cM-c) (2.44a)dt

dc 释放速率控制过程： =kR(cM-c) (2.44b)dt

9、各种机械破碎方法的原理是什么？各有何优缺点？

机械破碎处理量大、效率高、速度快，是工业规模细胞破碎的主要手段 1高压匀浆

破碎原理：主要利用细胞悬液在高压作用下液相剪切力以及细胞与固定表面的撞击力而使之破碎。 特点：适用于酵母和大多数细菌细胞的破碎，不宜用于团状或丝状菌的破碎；由于操作中温度会升需对料液作冷却处理，保护目的产物活性。 2珠磨破碎

破碎原理：利用在高速搅拌作用下，细胞和微球相互磨擦碰撞而破碎。 特点：适用范围较广；但有效能量利用率很低， 设计操作时应充分考虑冷却系统的热交换能力；影响破碎率的操作参数较多，过程优化设计较复杂。 3撞击破碎

破碎原理：细胞冷冻后成为易于破碎的刚性球体，高速撞击固定的撞击板使其破碎。特点：细胞破碎均匀；可通过调节载气压力控制细胞破碎程度；适用于细胞器（如线粒体、叶绿体）的回收。 4超声波破碎

破碎原理：超声波作用下液体发生空化作用，产生极大的冲击波和剪切力，使细胞破碎。 特点：它是很强烈的破碎方法；适用范围广；但有效能量利用率极低，对冷却的要求相当苛刻，故不易放大，多在实验室使用。