三、問答題
1、什麼是生物技術下游加工過程？
從發酵液或酶反應液或動植物細胞培養液中提取、分離、純化、富集生物產品的過程。
2、針對分離物件而言，生物分離過程有何特點
（1）發酵液或培養液是產物濃度很低的水溶液：發酵液中生物產品的濃度很低，而雜質含量卻很高，如發酵液 (0.1-10g/l) 或培養液(5-50mg/l)，青黴素（4.
2%）、慶大黴素（0.2%）、干擾素（<50ug/ml，0.005%）胰島素0.
002%。這使分離所需能量以及產品**大大提高。
（2）培養液是多組分的混合物：培養液是乙個複雜的多相體系，含有菌體、未消耗盡的固體培養基等固體成分和大量的液相；未消耗完的培養基成分，包括各種無機鹽和有機物；除所需產物外，還含有其他副產物以及色素等雜質，有些雜質的性質與產物很接近。很難通過單一手段將產物分離和純化。
（3）生化產品的穩定性差：許多發酵產品具有生理活性，很容易變性失活，如原料液中常存在降解目標產物的蛋白酶、菌體也可能自溶、容易被雜菌汙染：遇熱、極端ph值、有機溶劑會引起失活或分解，特別是蛋白質的生物活性與一些輔因子、金屬離子的存在和分子的空間構型有關。
甚至剪下力也會影響空間構型和使分子降解，對蛋白質的活性有很大影響，因此，分離過程中的ph值、溫度和攪拌等條件必須特別注意。發酵液放罐後，應及時快速操作，要求採用快速的分離純化方法除去影響目標產物穩定性的雜質。
（4）對最終產品的質量要求高：對產物的要求：保持生物產物的活性、純度要求高，當生物技術產品是食品或藥物時，要求無汙染物、無對映體、無病毒、無熱原、無致敏原等。
3、生物分離工程的一般步驟是什麼？各步驟中的單元操作主要有哪些？
一般包含四個步驟，如圖所示。
預處理中有加熱、調ph、絮凝等單元操作；細胞分離中有沉降、離心、過濾、錯流過濾等操作步驟；細胞破碎中有均質化、研磨、溶胞等單元操作；細胞碎片分離中有離心、萃取、過濾、錯流過濾等單元操作；初步純化中有沉澱、吸附、萃取、超濾等單元操作；高度純化中有層析、離子交換、親和、疏水、吸附、電泳等單元操作；成品加工中有無菌過濾、超濾、冷凍乾燥、噴霧乾燥、結晶等單元操作。
4、生物分離過程的選擇準則是什麼？
（1）採用步驟數最少；（2）次序要相對合理：避免相同原理的分離技術多次重複出現。儘量減少新化合物進入待分離的溶液。
合理的分離步驟次序。原則是：先低選擇性，後高選擇性；先高通量，後低通量；先粗分，後精分；先低成本，後高成本。
（3）適應產品的技術規格。（4）生產規模：在分離過程的第乙個步驟（發酵液的預處理和固液分離）中，使用的離心和過濾等方法能夠適應很寬的規模範圍，因此對於不同規模的產物分離影響不大。
但在後續步驟中，技術方法的選擇和生產規模關係密切。從技術的成本和產品的價值方面綜合考慮。（5）進料組成：
從目的產物的濃度高低、物料中的與目的產物相近物質組成的物理化學性質、目的產物的定位、菌種的種類和形態、微生物的含量和發酵液的黏度等方面綜合考慮。（6）產品形式：產物的用途（醫藥、食品或化工品等）、形式（液體、結晶或無定性）以及最低純度標準確定了純化過程的最後要求，也是確定分離過程方案的主要依據。
（7）產品的穩定性。（8）物性：根據產物的溶解度可以考察各種方法中ph、溫度等條件對沉澱過程或萃取過程的影響；根據分子帶電性質可以採用何種離子交換介質進行分離；根據分子大小的不同可以採用膜過濾或凝膠過濾層析將產物與雜質進行分離。
（9）環保和安全要求：離心產生的氣溶膠、發酵產生的廢氣、乾燥產生的粉塵等；目的產物本身的危害性；試劑危害；微生物的危害等。（10）生產方式。
5、通過本課程的學習，談談你對生物技術下游加工過程今後發展動向的理解。
（1）加強基礎理論研究
研究非理想溶液中溶質與新增物料之間的選擇性機制、影響因素；研究介面的結構、動力學和傳質機制，以及影響因素；下游加工過程的數學模型的建立和計算機模擬。
（2）傳統分離技術的提高和完善
蒸餾、蒸發、過濾、離心、結晶和離子交換等傳統技術由於應用面廣且相對成熟，對它們的提高和完善將會推動大範圍的技術進步。適合於大規模工業化生產的傳統技術經過改造提高後，適應面會更寬，效率會更高，仍然顯示出強勁的生命力。
（3）新技術的研究與開發
隨著生物技術的發展，出現了許多新產品，獲得了過去無法得到的、分子結構複雜的大分子物質，為了適應於新產品後處理過程的需要，出現了許多新的物化分離方法。雙水相萃取、反膠團萃取、膜分離、色譜、親和分離、電泳等都是在生物分離過程研究開發中十分活躍的領域。如：
新型分離介質的研究開發
子代分離技術：各種分離純化技術相互結合、交叉、滲透，形成形成了所謂融合技術或子代分離技術。如膜技術和萃取、蒸餾、蒸發技術相結合形成了膜萃取技術、膜蒸餾及滲透蒸發技術；又如膜分離過程與親和配基相結合，形成了親和膜分離過程；離心分離與膜分離過程相結合，形成了膜離心分離過程等等。
新興下游技術：超臨界流體萃取、反膠團萃取、液膜分離、磁性親和分離、聚焦色譜、高速逆流色譜、徑向流色譜、連續環狀色譜、擬移動床色譜等。
（4）生物技術下游工程與上游工程相結合
這是當今生物技術領域裡的熱點之一。
利用基因工程對產物進行了改造以使下游分離過程大大簡化。
發酵和分離耦合：該研究早在20世紀70年代就已開始進行，人們將這個思路用於厭氧發酵生產乙醇，取得了令人滿意的效果，近年來又逐漸發展到用於好氧發酵過程中來，如發酵－吸附分離、發酵－膜分離、發酵－萃取分離等，既可減少產物的反饋抑制效應，提高轉化率，同時可簡化產物提取過程，縮短生產週期，增加產率。
培養基和發酵條件：直接決定著輸送給下游的發酵液質量，如採用液體培養基，不用酵母膏、玉公尺漿等有色物質和雜蛋白等為原料，控制比生長速率、消沫劑用量，放罐時間等發酵條件，可使分離過程方便、經濟。
代謝工程：菌種選育和工程菌構建一般以提高目的產物量為目標，現在應該轉變觀念，從整體出發，除了達到以上目標外，還應設法增加產物的胞外分泌量，減少非目的產物的分泌（如色素、毒素、降解酶及其他干擾性雜質等）以及賦於菌種或產物以某種有益的性質以改善產物的分離特性，從而簡化下游加工過程。
（5）強化物理化學作用的影響
物理作用：將微波、超聲波、電磁等應用於分離：微波萃取、微波蒸餾、超聲波萃取、磁性親和分離
化學作用：選擇適當的分離劑，增大分離因子，增加對目的組分的選擇性；向分離體系投入附加組分，改變原來體系的化學位，從而增大分離因子。強化化學作用對相介面傳質速率的影響：
利用一些相轉移促進劑來增大相間的傳質速率。若把這類相轉移促進劑結合在固相的介面上，便形成各類「親和」分離過程，如親和色譜、親和萃取、親和錯流過濾、親和膜分離等，這是強化分離過程的乙個前沿研究方向。
（6）生物分離過程的高效整合化
生物分離過程的高效整合化的含義在於利用已有的和新近開發的生化分離技術，將下游過程中的有關單元進行有效組合 (整合 )，或者把兩種以上的分離技術合成為一種更有效的分離技術，達到提高產品收率、降低過程能耗和增加生產效益的目標。按此定義，生物分離過程的高效整合化技術包括生化分離技術的整合化和生物分離過程的整合化兩方面的內容，這種只需一種技術就達到完成後處理過程中幾步或全部操作的方法，充分體現了過程整合化的優勢。
（7）清潔生產
清潔生產是指將綜合防護的環境保護策略持續應用於生產過程和產品中，以期減少對人類和環境的風險。它包括三方面的內容，即清潔生產工藝技術和過程、清潔產品、清潔能源、。清潔生產工藝是生產全過程控制工藝，包括節約原材料和能源，淘汰有毒害的原材料，並在全部排放物和廢物離開生產過程以前，盡最大可能減少它們的排放量和毒性，對必須排放的汙染物實行綜合利用，使廢物資源化。
目前，生物工業的產品大多數是通過液態發酵獲得的。產物在發酵液中的濃度很低，酒精、谷氨酸和檸檬酸的發酵液濃度較高，也只有10%左右，其他一般只有2~5%，有的甚至更低。因而，單位產品排放的廢液量也非常大，環境汙染問題日益突出。
在我國輕工行業，已成為僅次於造紙廢水的第二大廢水汙染工業。如將微生物製藥工業廢水計入在內，就更大了。這不僅給社會造成了危害，也反過來成為生物工業進一步發展的嚴重制約因素。
清潔生產將是協調生產和環境的最有效方法。我國在酒精、味精和檸檬酸工業上都相繼開展了清潔生產研究，並取得較大進展，已進入或接近工業化階段。儘管清潔生產研究尚屬起步階段，在技術和理論上尚未完善，但它的重要性已日顯突出。
在生物分離過程中充分考慮到清潔生產已勢在必行。
6、在進行產品的分離純化製備之前，為什麼要對發酵液進行預處理？
預處理的目的：促進從懸浮液中分離固形物的速度，提高固液分離的效率：（1）改變發酵液的物理性質，包括增大懸浮液中固體粒子的尺寸，降低液體黏度，促進從懸浮液中分離固形物的速度，提高固液分離器的效率；（2）盡可能使產物轉入便於後處理的一相中（多數是液相）；（3）相對純化，去除發酵液中的部分雜質（**無機離子和雜蛋白質），以利於後續各步操作。
7、什麼是封頭過濾？什麼是錯流過濾？
封頭過濾：一般過濾中，濾液的流動方向與濾餅基本垂直，稱為封頭過濾。錯流過濾：
在壓力推動下，懸浮液以高速在管狀濾膜的內壁作切向流動，利用流動的剪下作用將過濾介質表面的固體（濾餅）移走，而附著在濾膜上的濾餅很薄，因而能在長時間內保持穩定不變的過濾速度
8、發酵液預處理中，凝聚和絮凝的作用機理有何不同？
凝聚指在電解質作用下，由於膠粒之間雙電層電排斥作用降低，電位下降，而使膠體體系不穩定的現象。絮凝指在某些高分子絮凝劑存在下，基於橋架作用，使膠粒形成較大絮凝團的過程。
9、中性鹽沉澱蛋白質的基本原理是什麼？
蛋白質和酶均易溶於水，因為該分子的－cooh、－nh2和－oh都是親水基團，這些基團與極性水分子相互作用形成水化層，包圍於蛋白質分子周圍形成1nm～100nm顆粒的親水膠體，削弱了蛋白質分子之間的作用力，蛋白質分子表面極性基團越多，水化層越厚，蛋白質分子與溶劑分子之間的親和力越大，因而溶解度也越大。親水膠體在水中的穩定因素有兩個：即電荷和水膜。
因為中性鹽的親水性大於蛋白質和酶分子的親水性，所以加入大量中性鹽後，奪走了水分子，破壞了水膜，暴露出疏水區域，同時又中和了電荷，破壞了親水膠體，蛋白質分子即形成沉澱。
10、硫酸銨是蛋白質鹽析中最常用的鹽類，為什麼？
（1）溶解度大；（2）分離效果好；（3）不易引起變性，有穩定酶與蛋白質結構的作用；（4）**便宜，廢液不汙染環境。
生物分離工程答案
生物分離工程 練習題一 第1 3章 一 選擇題 1 下列物質不屬於凝聚劑的有 c a 明礬 b 石灰 c 聚丙烯類 d 硫酸亞鐵 2 發酵液的預處理方法不包括 c a.加熱 b絮凝 c.離心 d.調ph 3 其他條件均相同時，優先選用那種固液分離手段 b a.離心分離 b過濾 c.沉降 d.超濾 4...
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