12级生物分离工程期中复习题.docx
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12级生物分离工程期中复习题
12级生物分离工程期中复习题
第一章绪论
1.简述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是利用培养微生物、动物细胞、植物细胞来生产对人有用的产品,而分离纯化过程是生物产品工程的重要环节。
因此,生物分离工程是生物技术的重要组成部分,是生物技术转化为生产力所不可缺少的重要环节,在生物技术研究和产业发展中发挥着重要作用,其技术进步程度对于保持和提高各国在生物技术领域内的经济竞争力有至关重要的作用。
2.生物分离工程的特点是什么?
答:
生物分离是从生物材料、微生物的发酵液、生物反应液或动植物细胞的培养液中分离并纯化有关产品(如具有药理活性作用的蛋白质等)的过程,又称为下游加工过程。
生物工程的主要特点是生物制品多种多样;常无固定操作方法可循;生物材料组成非常复杂,分离操作步骤多,不易获得高收率;培养液(或发酵液)中所含目的物浓度很低,而杂质含量却很高;分离进程必须保护化合物的生理活性;生物活性成分离开生物体后,易变性、破坏。
3.生物分离工程都有哪些单元操作?
请举例说明。
发酵液的预处理、产物的提取、产物的精制、成品的加工处理。
不溶物的去除包括过滤、离心和细胞破碎,通过这些单元操作使产物浓度和质量得到了提高。
产物分离包括离子交换吸附、萃取等。
其中萃取又分为溶剂萃取、反微团萃取、 超临界流体萃取和双水相萃取等。
以上分离过程不具备特异性,只是进行初分 可提高产物浓度和质量。
产品的纯化包括色谱、电泳、沉淀等单元操作,这些技术具有产物的高选择性和杂质的去除性。
产品的精制包括结晶及干燥等单元操作。
第二章发酵液的预处理与细胞破碎
1、发酵液有那些特性?
v1、发酵产物浓度较低。
v2、发酵液是含有细胞、细胞碎片、蛋白质、核酸、脂类、糖类及无机盐等多种物质的混合物。
且悬浮物颗粒小,固体粒子可压缩性较大。
v3、发酵液性质和产物性质不稳定。
其性质易受空气氧化、微生物污染以及蛋白酶水解等作用的影响;各批次发酵液的性质也不尽相同;pH值、离子强度和温度等变化常常造成产物的失活。
这些特性使得发酵液的过滤与分离相当困难;发酵产品的价格也较高。
2、改变发酵液过滤特性的主要方法有哪些?
<1>、加热法
<2>、凝聚(电解质的作用)和絮凝(大分子化合物的敏化作用)
<3>、调节悬浮液的pH值
<4>、添加助滤剂
3、除去发酵液中杂蛋白质的主要方法有哪些?
v⑴沉淀法
(凝聚和絮凝及沉淀反应)
v⑵变性法
(如加热法、调节悬浮液的pH法、加入有机溶剂和表面活性剂等)
v⑶吸附法
(加入某些吸附剂或沉淀剂吸附蛋白质而将其除去)
4、试述常用细胞破碎方法(珠磨法、高压匀浆法、超声破碎法、酶溶法和化学渗透法)的原理、特点及适用性。
(1)酶解法
v酶解法是利用生物酶将菌体的细胞壁和细胞膜消化、溶解的方法。
v细胞壁主要成分是肽聚糖。
能够破坏它们之间连接键的酶可以去除细胞壁。
常用的酶有溶菌酶、蜗牛酶等。
v因酶的价格较高,只能小规模应用。
(2)化学渗透法
v某些有机溶剂、表面活性剂及变性剂等化学试剂可以改变细胞壁的通透性,从而使细胞内含物有选择性地释放出来,故称为化学渗透法。
v化学渗透法释放率低,而且某些化学试剂对生物活性物质有毒性。
(3)超声波破碎
v超声波是指频率在15~25kHz范围内的声波。
v超声波破碎的机理与由空穴化现象引起的冲击波及剪切力有关。
v超声波破碎的效率与声频、声强、处理时间、细胞种类和浓度等因素有关。
v超声波振荡器分为槽式和探头直接插入式两种。
后者破碎效果较好。
v超声波破碎主要用于实验室。
(大规模装置的能量传递和散热问题难以解决而受到限制。
)
(4)高速珠磨法
由于圆盘的高速旋转,细胞悬浮液与玻璃小珠、石英砂或氧化铝一起快速搅拌或研磨,使细胞得以破碎。
第三章萃取技术
1、什么叫溶质、稀释剂和萃取剂?
•溶质:
混合液中被分离出的物质,以A表示;
•稀释剂(原溶剂):
混合液中的其余部分,以B表示;
•萃取剂:
萃取过程中加入的溶剂,以S表示。
2、什么叫萃取相、萃余相?
什么叫萃取液、萃余液?
原料液与萃取剂混合,经过一段时间后会分成比较明显的上下两层,上层为萃取相,下层为萃余相。
萃取相分离出萃取剂后,剩余的为萃取液。
萃余相分离出萃取剂后,剩余的为萃取液。
3、简述溶剂萃取的基本原理和单级萃取的基本流程。
原理:
在液体混合物中加入与其不完全混溶的液体溶剂(萃取剂),形成液-液两相,利用液体混合物中各组分在两液相中溶解度的差异而达到分离的目的。
流程:
萃取剂和料液混合后,通过混合澄清槽分层,分离出萃取液得到溶质B的过程。
4、三角形坐标图中的组成是如何表示的?
(1)三角形的三个顶点分别表示A、B、S三个纯组分。
(2)三条边上的任一点代表某二元混合物的组成,不含第三组分。
(3)三角形内任一点代表某三元混合物的组成。
5、什么叫做分配系数?
一定温度下,A组分在互成平衡的两液相中的浓度比
6、溶媒萃取设备一般由哪几部分组成?
混合设备、分离设备和溶剂回收设备。
7、什么叫液-固萃取?
简述其方法
应用溶液将固体原料中的可溶组分提取出来的操作。
常用于中药制药过程。
方法:
(1)润湿:
溶剂从溶剂主体传递到固体颗粒的表面;扩散渗入固体内部和内部微孔隙内;
(2)溶解:
溶质溶解进入溶剂;
(3)扩散:
通过固体微孔隙通道中的溶液扩散至固体表面并进一步进入溶剂主体。
(费克定律)
(4)置换:
关键在于保持最大的浓度梯度。
8、什么叫做固相萃取(SPE)?
SPE就是利用固体吸附剂吸附液体样品中的目标物,使目标物与样品的基体和干扰化合物分离,然后再用洗脱液洗脱或加热解吸附,达到分离和富集目标物的目的。
9、什么叫做临界温度?
临界温度:
温度超过374.4℃,水分子有足够的能量来抵抗压力的升高,使分子之间保持一定的距离,即使密度与液态水接近,也不会液化。
这个温度称为水的临界温度。
10、什么叫做超临界流体?
它有那些特点?
超临界流体:
处于超临界状态时,气液界面消失,体系性质均一,既不是气体也不是液体,呈流体状态,故称为超临界流体
11、什么叫做超临界萃取?
超临界萃取有那些优点?
答:
超临界萃取就是利用超临界流体的特殊性质,使之在高压条件下与待分离的固体或液体混合物相接触,萃取出目的产物,然后通过降压或升温的办法,降低超临界流体的密度,从而萃取物得到分离。
超临界萃取作为一种分离工艺的开发和应用的根据是,一种溶剂对固体和液体的苯取能力和选择性在其超临界状态下铰之在其常温常比条件下可获得极大的提高。
优点:
Ø超临界流体的密度与溶解能力接近于液体,而又保持了气体的传递特性,故传质速率高,可更快达到萃取平衡;
Ø操作条件接近临界点,压力、温度的微小变化都可改变超临界流体的密度与溶解能力,故溶质与溶剂的分离容易,费用低;
Ø超临界萃取具有萃取和精馏的双重特性,可分离难分离物质;
Ø超临界流体一般具有化学性质稳定、无毒无腐蚀性、萃取操作温度不高等特点,故特别适用于医药、食品等工业;
Ø超临界萃取一般在高压下进行,设备投资较大。
第四章膜分离
1.什么叫做膜分离?
常用的膜分离过程有哪几种?
常用的膜分离设备又有哪几种形式?
膜分离是以对组分具有选择性透过功能的膜为分离介质,通过在膜两侧施加(或存在)一种或多种推动力,使原料中的某组分选择性地优先透过膜,从而达到混合物的分离,并实现产物的提取、浓缩、纯化等目的的一种新型分离过程。
反渗透(RO)、纳滤(NF)、超滤(UF)、微滤(MF)、普通过滤
板式、管式、螺旋卷式和中空纤维式
2.膜分离过程有哪些特点?
v1、膜过程装置简单,操作容易;
v2、不发生相变化,节能,高效,经济性较好;
v3、选择合适的膜与操作参数,可得到较高的回收率;
v4、可常温连续操作,特别适用于热敏性物质的分离浓缩;
v5、系统可密闭循环,防止外来污染;
v6、有较好的选择性,并可在分离、浓缩的同时达到部分纯化的目的;
v7、不外加化学物质,透过液可循环使用,减少了对环境的污染;
v8、适用范围广。
在微生物下游工程、食品加工、医药、生化技术领域有其独特的适用性。
3.什么叫做膜?
膜分离过程对膜有哪些基本要求?
定义:
v广义的“膜”是指分隔两相界面,并以特定的形式限制和传递各种化学物质一个薄的阻挡层。
v它可以是均相的或非均相的;对称型的或非对称型的;固体的或液体的;中性的或荷电性的。
v其厚度可以从几微米(甚至到0.1微米)到几毫米。
工业应用的膜应该具有:
较大的透过速度和较高的选择性。
此外还应具备:
v机械强度好;
v耐热;
v化学性能稳定;
v不被细菌污染等条件。
4.试述超滤的操作原理,并举例说明超滤在微生物工程中的应用。
v操作原理:
在静压差为推力的作用下,原料液中溶剂和小溶质粒子从高压的料液侧透过膜到低压侧,一般称为滤出液或透过液,而大粒子组分被膜所阻拦、使它们在滤剩液中浓度增大。
应用:
超滤技术分离、浓缩与纯化酶制剂
v对产于扩展青霉PF868的碱性脂肪酶,发酵液经板框压滤机压滤后,滤液直接用于超滤浓缩,并将中空纤维式、圆盒式、管式3种类型的超滤装置的超滤效果、操作条件和性能进行了比较和分析。
结果表明:
v中空纤维式超滤装置具有单位体积中所含超滤面积大、滤液通量大、操作压力低、动力消耗低、可以逆洗、酶活回收率较高的优点,但料液需预处理,使用时每隔一定时间需逆洗,单根纤维损坏不能调换,需调换整个膜件。
第五章蒸发
1、什么叫生蒸汽、二次蒸汽?
二次蒸汽:
由溶液蒸发出来的蒸汽
加热蒸汽(生蒸汽):
加热物料用的蒸汽
2、什么叫多效蒸发?
它有哪些优点?
多效蒸发:
采用多个蒸发器连用,将前一个蒸发器产生的二次蒸汽用作后面一个蒸发器的加热蒸汽,二次蒸汽经过反复利用,直到二次蒸汽无法再利用为止的工艺。
优点:
多效蒸发可提高生蒸汽的利用率(经济性),即同样数量生蒸汽可蒸发比单效蒸发器更多的水分。
3、真空蒸发有那些优点?
⑴降低了物料的沸腾温度,避免或减少了物料受高温所
产生的质变;
⑵由于沸腾温度降低,提高了热源与物料间的温度差,
增加了传热强度,加速了蒸发过程;
⑶为二次蒸汽的利用创造条件,可采用双效、多效真
空蒸发,提高了热能的利用率;
⑷由于沸腾温度降低,蒸发器的热损失较小。
4、发酵产品为何要采用真空蒸发?
感觉同上3
5、物料在管式薄膜蒸发器中是如何被浓缩的?
料液经预热至接近沸点后加入器底。
器底的料液受热汽化,二次蒸汽在管内以很高的速度上升,并夹带着部分料液以液膜的形式沿着管内壁上升,且边上升边被浓缩。
被二次蒸汽带出的浓缩液在器顶的汽-液分离器中进行分离,二次蒸汽在分离器顶部被引出并在冷凝器中冷凝,浓缩液在分离器底部被引入浓缩受槽。
6、简述离心式薄膜蒸发器的工作原理。
v利用离心力对溶液的周边分布作用而形成薄膜,并在碟片表面受热蒸发浓缩,浓溶液垂直上升到环形液槽,由吸料管抽出到浓缩液贮罐,并由螺杆泵抽送到下一工序。
v从碟片表面蒸发出的二次蒸汽通过碟片中部大孔上升,汇集进入冷凝器。
v加热蒸汽转鼓通入;冷凝水从固定中心管排出。
第六章结晶
1.简述结晶的定义和分类,并说明什么是溶液结晶。
●由蒸汽、溶液或熔融物中析出固态晶体的过程称为结晶。
●根据析出固体的原因不同,可将结晶操作分为溶液结晶、熔融结晶、升华结晶、反应沉淀、盐析等多种类型。
●采用降温或浓缩的方法使溶液达到过饱和状态,析出溶质,以大规模地制取固体产品的方法。
2.物质的溶解度如何表示?
它和饱和曲线有何关系?
饱和曲线又称为溶解度曲线,它表示某种物质的溶解度随温度的变化(见图中的曲线a)。
多数物质的溶解度随温度升高而增大,少数物质则相反,或在不同的温度区域有不同的变化趋向。
通常以饱和浓度作为在该条件下物质溶解度的量度。
3.在溶液结晶操作过程中,过饱和溶液是如何形成的?
请举例说明。
形成:
当溶液浓度大于溶解度时,称为过饱和溶液。
v1、直接冷却法:
假设溶解度随温度的增加而增加,直接降低溶液温度,达到过饱和状态,溶质结晶析出,此亦称为冷却结晶。
这就是在图中直线eg所代表的过程;
v2、蒸发浓缩法:
溶剂的蒸发以除去部分溶剂,这就是在图中直线ef所代表的过程;
具有陡峭的溶解度曲线的物系选用降温(即eg线)的方法较为有利,
而溶解度与温度关系不大的体系则适宜用浓缩(ef线)的方法。
v工业生产上,除了单独使用上述各法外,还常将上述几种方法合并使用,强化过饱和程度。
4.选择结晶设备时要考虑哪些因素?
v⑴对于溶解度随温度降低而大幅度降低的物系可选用冷却结晶器或真空结晶器,而对于溶解度随温度降低而降低很小、不变或少量上升的物系则可选择蒸发结晶器。
v⑵要考虑结晶产品的形状、粒度及粒度分布的要求。
要想获得颗粒较大而且均匀的晶体,可选用具有粒度分级作用的结晶器。
v⑶结晶器的选择还须考虑设备投资费用和操作费用的大小,以及操作弹性等因素
5.举例说明结晶工艺在微生物工程中的应用和发展前景。
1、柠檬酸的生产:
将真空蒸发设备出来的二次浓缩液送至结晶工序。
将溶液冷却并加入晶种,在不断搅拌下继续慢慢冷却,结晶,然后在离心机中分离出晶体,并用少量冷水洗涤,最后得到含水量为2%~3%的晶体,再送去干燥处理。
2、谷氨酸的生产:
可用阳离子交换树脂(如732)来提取吸附谷氨酸发酵液中的谷氨酸阳离子,并可用热碱洗脱下来,冷却后加盐酸调pH值至3.0~3.2进行结晶,再用离心机分离即可得谷氨酸结晶。
3、抗生素的精制:
抗生素的精制常用的结晶方法有:
改变温度结晶、利用等电点结晶、加成盐剂结晶、加入不同溶剂结晶等。
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