生物分离工程(孙彦)(三版)

　　本书以生物大分子分离纯化技术为核心，系统介绍了生物产物分离纯化的基本原理、分离操作、过程理论及应用。本书共11章，即绪论、细胞分离与破碎、初级分离、膜分离、萃取、吸附分离技术和理论基础、色谱、亲和色谱、蛋白质复性、结晶和干燥等。其中第2章和第3章主要介绍了生物分离过程的前处理以及沉淀分级和泡沫分离等初级分离技术；第4章介绍了各种膜分离方法、特点及其在生物分离中的应用；第5章介绍了各种萃取方法，特别是可用于生物大分子分离纯化的双水相萃取和反胶团萃取技术；第6章至第9章阐述了吸附（包括离子交换）、色谱和蛋白质复性等生物分离过程的核心技术的基本原理、特点、基础理论和应用，内容包括近年来该领域的*研究进展，是本书的核心部分；最后两章介绍了结晶和干燥的基础理论及其在生物分离中的应用。
　　本书主要作为高等院校生物工程和生物技术等相关专业本科生的教材，也可供相关专业研究生以及生物技术、生物化工和生物制药领域的科研、技术和管理人员使用和参考。

1绪论
1.1生物技术与生物分离
1.2生物物质和生物分离
1.2.1生物物质
1.2.2生物分离过程
1.3生物分离过程的特点
1.4生物分离技术和原理
1.4.1物理性质
1.4.2化学性质
1.4.3生物学性质
1.5生物分离效率
1.5.1分离方法和设备
1.5.2分离过程和产品
1.6本章总结
参考文献
2细胞分离与破碎
2.1细胞分离
2.1.1重力沉降
2.1.2离心沉降
2.1.3过滤
2.2细胞破碎
2.2.1细胞的结构
2.2.2细胞破碎和产物释放
2.2.3细胞破碎技术
2.2.4目标产物的选择性释放
2.3本章总结
习题
参考文献
3初级分离
3.1沉淀分级
3.1.1蛋白质的表面特性
3.1.2盐析沉淀
3.1.3等电点沉淀
3.1.4有机溶剂沉淀
3.1.5热沉淀
3.1.6其他沉淀法
3.2泡沫分离
3.2.1泡沫分离原理
3.2.2泡沫分离设备和过程
3.2.3泡沫分离的应用
3.3本章总结
习题
参考文献
4膜分离
4.1各种膜分离法及其原理
4.1.1反渗透
4.1.2超滤和微滤
4.1.3透析
4.1.4电渗析
4.1.5渗透汽化
4.2膜材料及其特性
4.2.1膜材料
4.2.2膜的结构
4.2.3水通量
4.3膜组件
4.3.1管式膜组件
4.3.2平板式膜组件
4.3.3螺旋卷式膜组件
4.3.4中空纤维(毛细管)式膜组件
4.4操作特性
4.4.1浓度极化模型
4.4.2超滤膜的分子截留作用
4.5影响膜分离速度的主要因素
4.5.1操作形式
4.5.2流速
4.5.3压力
4.5.4料液浓度
4.6膜分离过程
4.6.1分离操作
4.6.2错流过滤过程的流体力学
4.7膜的污染与清洗
4.8应用
4.8.1菌体分离
4.8.2小分子发酵产物的回收
4.8.3蛋白质的回收、浓缩与纯化
4.8.4膜生物反应器
4.9本章总结
习题
参考文献
5萃取
5.1基本概念
5.1.1萃取
5.1.2反萃取
5.1.3物理萃取和化学萃取
5.2分配定律与分配平衡
5.3有机溶剂萃取
5.3.1弱电解质的分配平衡
5.3.2化学萃取平衡
5.3.3溶剂萃取操作
5.4液液萃取操作
5.4.1混合.澄清式萃取
5.4.2多级错流接触萃取
5.4.3多级逆流接触萃取
5.4.4分馏萃取
5.4.5微分萃取
5.5双水相萃取
5.5.1双水相系统
5.5.2双水相中的分配平衡
5.5.3影响分配系数的各种因素
5.5.4双水相萃取操作
5.6液膜萃取
5.6.1液膜的种类
5.6.2液膜萃取机理
5.6.3液膜萃取操作
5.7反胶团萃取
5.7.1反胶团及其基本性质
5.7.2反胶团的溶解作用
5.7.3反胶团萃取操作
5.8液固萃取(浸取)
5.8.1液固萃取操作及设备
5.8.2浸取剂
5.9超临界流体萃取
5.9.1超临界流体的性质
5.9.2超临界流体萃取操作
5.9.3应用
5.10本章总结
习题
参考文献
6吸附分离技术和理论基础
6.1吸附分离介质
6.1.1吸附剂
6.1.2离子交换剂
6.2吸附平衡
6.2.1吸附等温线
6.2.2离子交换的计量置换模型
6.2.3空间质量作用模型
6.3吸附过程传质动力学
6.3.1液相扩散
6.3.2固相扩散
6.4固定床吸附
6.5固定床吸附过程理论
6.5.1表面吸附速率控制
6.5.2液膜扩散速率控制
6.5.3内扩散速率控制
6.6其他吸附操作
6.6.1膨胀床吸附
6.6.2移动床和模拟移动床吸附
6.6.3搅拌釜吸附
6.7本章总结
习题
参考文献
7色谱
7.1色谱原理与分类
7.1.1原理
7.1.2分类
7.2色谱过程理论基础
7.2.1平衡模型
7.2.2理论板模型
7.2.3传质速率模型
7.3分离度
7.4凝胶过滤色谱
7.4.1原理与操作
7.4.2凝胶过滤色谱介质
7.4.3影响分离的因素
7.4.4凝胶过滤色谱的应用
7.4.5凝胶过滤色谱的特点
7.5离子交换色谱
7.5.1原理与操作
7.5.2线性梯度洗脱色谱
7.5.3逐次洗脱色谱
7.5.4离子交换色谱的应用及特点
7.6疏水性相互作用色谱
7.6.1原理
7.6.2疏水性吸附剂
7.6.3色谱操作
7.6.4疏水性相互作用色谱的特点
7.7色谱聚焦
7.7.1原理与操作
7.7.2多缓冲剂与多缓冲离子交换剂
7.7.3色谱聚焦的应用
7.8反相色谱
7.9羟基磷灰石色谱
7.10流通色谱
7.11置换色谱
7.12本章总结
习题
参考文献
8亲和色谱
8.1生物亲和作用
8.1.1亲和作用的本质
8.1.2影响亲和作用的因素
8.1.3亲和作用体系
8.2亲和色谱原理
8.3亲和色谱介质
8.3.1亲和配基
8.3.2亲和吸附剂及其制备方法
8.3.3间隔臂的作用
8.4亲和吸附平衡
8.4.1亲和吸附等温线
8.4.2色素亲和吸附平衡
8.5亲和色谱过程和应用
8.5.1亲和色谱过程
8.5.2亲和色谱的应用
8.6亲和膜色谱
8.6.1原理和特点
8.6.2应用
8.7本章总结
习题
参考文献
9蛋白质复性
9.1包含体的形成和性质
9.1.1包含体的形成
9.1.2包含体的性质
9.1.3包含体的胞内抑制
9.2包含体的纯化和溶解
9.2.1包含体的分离纯化
9.2.2包含体的溶解
9.3蛋白质复性
9.3.1稀释复性
9.3.2辅助因子的作用
9.3.3分子伴侣和人工分子伴侣
9.3.4复性色谱
9.3.5反胶团溶解复性
9.3.6荷电粒子促进同电荷蛋白质
复性
9.4本章总结
习题
参考文献
10结晶
10.1结晶原理
10.1.1溶解度
10.1.2过饱和溶液与介稳区
10.1.3成核
10.2结晶的生长
10.2.1生长速率
10.2.2ΔL定律
10.3结晶过程设计基础
10.3.1晶体粒度分布
10.3.2粒数衡算方程
10.4结晶器
10.4.1冷却结晶器
10.4.2蒸发结晶器
10.5结晶操作及其应用
10.5.1结晶操作特性
10.5.2应用
10.6本章总结
习题
参考文献
11干燥
11.1干燥速度
11.1.1传导干燥
11.1.2对流干燥
11.2湿空气和物料中水分的性质
11.2.1湿空气的性质
11.2.2物料中的水分
11.3干燥过程
11.3.1盘架传导干燥
11.3.2球形粒子对流干燥
11.4干燥设备及其应用
11.4.1盘架干燥器
11.4.2冷冻干燥器
11.4.3传送带式干燥器
11.4.4转筒干燥器
11.4.5气流干燥器
11.4.6流化床干燥器
11.4.7喷雾干燥器
11.5本章总结
习题
参考文献
部分习题答案

第三版前言
近十年来，我国生物工程高等教育发展迅速。据报道，截至2012年中国大陆已有290个高等院校设立了“生物工程”本科专业，与其密切相关的“生物技术”本科专业更多，达到345个高校。随着生物工程一级学科的设立，生物工程本科教育所面临的主要课题将是整合资源，提高教育教学质量，满足社会需求。教材建设是其中重要的一环。
本书初版于1998年面世，距今已过去14年,多年来，本书得到了有关教育界和科技界的关注。期间，国内各大学从事“生物分离工程”教学的同事们向作者提出了许多宝贵的意见和建议，使作者受到很大启发。同时，作者在教学和科研工作中也发现了一些问题和不足。例如，本书涉及的部分理论内容难度较高，主要适用于研究生教学参考；有些内容涉及的生物分离技术处在研究发展阶段，并未在生产实践中应用。这些内容并不适合本科生学习掌握。因此，本书第三版除整体内容的更新外，还重点进行了以下4个方面的修订。
（1）删除部分理论性较强的内容，包括大部分模型的推导、第5章中部分与萃取动力学相关的内容、第6章的吸附过程传质动力学理论、第7章的置换色谱理论、第8章的亲和色谱过程分析等。
（2）删除或简化了对某些分离方法的介绍，如删除了第二版的第9章“电泳和电色谱”和第8章的“其他亲和分离技术”一节；简化了对第6章中“膨胀床吸附”以及第7章中“流通色谱”和“置换色谱”的讲解。
（3）补充和更新了部分内容，如第5章中的双水相胶团系统，第9章中的荷电粒子促进同电荷蛋白质复性等内容。
（4）在每章的最后，增加“本章总结”一节，概括一章的重点和有关分离技术的关键点，并展望有关生物分离技术和理论的发展。其中所引的文献可供教师在教学中参考使用，或方便学生进一步阅读学习。
在第三版即将付梓之际，作者衷心感谢清华大学沈忠耀教授！14年前沈先生为本书初版撰写的序言，至今仍然激励着作者积极投身于生物分离工程研究和教学工作。同时，感谢我在天津大学和国内其他单位的同事、同行、学长和领导多年来的支持和鼓励。此外，我要感谢过去近20年从本实验室毕业的一百多名研究生以及目前在读的三十多名研究生。除了感谢他们中的部分人（见前两版的前言）对本书第三版所做的付出外，还要感谢他们所有人对实验室的发展和生物分离工程研究所做的贡献！最后，仍然需要特别感谢我的家人多年来对我的关怀和支持，使我有充足的时间和精力投身于教学科研工作。

孙彦2012年初冬于天津大学
第二版前言
近30年来，以基因工程为标志的现代生物技术迅速发展，成为影响世界经济的主要科学技术之一。进入21世纪，随着人类基因组工程取得巨大成就，生物技术步入了后基因组时代。蛋白质组学、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入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，在生物技术研究和产业发展中发挥着重要作用。生物分离工程的根本任务是设计和优化分离过程，提高分离效率，降低过程成本；而研究开发高容量、高速度和高分辨率的新技术、新介质和新设备则是生物分离工程发展的主要目标。
《生物分离工程》出版6年来，得到了有关教育界和科技界的广泛关注，多次重印。但是，初版中多有不完备之处；同时，与生物技术同步，近年来生物分离工程研究也取得了长足的发展。因此，有必要重新修订，以提高其作为生物工程及相关学科领域本科生与研究生教材的水平，并充分反映生物分离工程研究的最新进展。
本书第二版保留了初版的大部分内容。除文字方面的全面修订、部分章节标题的改动和章节次序的改变外，主要修订工作集中在以下4点。
（1）在第2章中删除了“包含体的分离和蛋白质的复性”一节，新增“蛋白质复性”一章（第10章），以突出蛋白质复性在生物分离过程中的重要性。
（2）吸附和色谱是生物分离过程的核心技术，为加强有关部分的系统性，对第6章至第8章进行了重点修订。在第6章中增加了“吸附平衡理论”和“吸附过程传质动力学”的内容，充实了近年来发展较快的“膨胀床吸附”部分的内容；在第7章中增加了“置换色谱”一节，充实了“流通色谱”（原名“灌注层析”）一节的内容；将第8章标题改为“亲和色谱”，突出了色谱方法作为亲和分离纯化技术主体的重要地位，并增加了亲和吸附平衡方面的内容。
（3）第9章更名为“电泳和电色谱”，对内容也进行了部分修订，强调了电场存在下的色谱方法在生物分离技术中的重要性。
（4）第3章更名为“初级分离”，将“沉淀”部分合并为一节，新增“泡沫分离”一节。
在第二版即将付梓之际，作者对国家自然科学基金委员会、国家教育部、天津市科委和天津市教委等部门多年来提供的基金资助表示诚挚的谢意，该书中有关作者的研究成果都是在上述多项基金资助下取得的。同时，作者衷心感谢国家教育部将此书列为国家“十五”规划教材并提供基金资助；天津大学也对本书出版提供了大力支持，激励作者尽最大努力完成了修订工作。史清洪博士在繁忙的教学科研工作之余通读了书稿，提出许多修改意见，作者对其敬业精神和辛勤劳动深表谢意。在书稿整理过程中，本室研究生杨征、杨坤、施扬、佟晓冬和孙国勇等同学在文献整理和绘图等方面提供了大力协助，在此一并表示感谢。最后，特别感谢我的家人多年来对我的关怀和支持，使我有充足的时间和精力投身于教学科研工作。

孙彦2004年9月于天津大学
初版前言
分离过程贯穿于人们的日常生活以及社会的生产实践中，在化学工业、生物工业、资源开发和环境保护等领域发挥着重要作用。就生产实践而言，分离过程的重要性在于，天然的以及化学和生物过程所产生的物质，均不同程度地与其他物质以混合物的形式存在。有用物质的最终产品需要达到较高的纯度，而有害物质需要充分净化和妥善处理，这些都必须借助各种分离操作加以实现。混合物的分离不能自发进行，需要外界能量。这种能量可以储存于分离介质中，或者通过分离设备以热能和（或）机械能的形式提供。因此，高效分离介质、分离技术与设备的开发和设计是生产实践的重要环节。对于生物物质，由于其性质和用途的特殊性，需要特殊的分离技术和更多步骤的分离过程，进一步增加了分离操作的难度，使分离过程在生物技术产业中的地位愈显重要。近30年来，高效生物分离技术的研究开发一直是产学界注目的焦点，取得了许多重要研究成果。可以预计，随着21世纪生物技术产业的飞速发展，生物分离技术的研究开发将得到更广泛的重视，人才需求将不断增长，竞争更趋激烈。因此，生物化工高等教育面临着更大的机遇和挑战。
作者从1993年春开始为天津大学生物化工专业硕士研究生开设“高等生物分离工程”学位课，其间深感由于教学资料零散给学生掌握授课内容带来的困难。有鉴于此，从1993年夏起，作者结合科研工作，着手“生物分离工程”讲义的编写。1995年后，由于生物化工专业本科生“生化分离工程”教学的需要，又对原讲义内容做了全面充实，加强了内容的系统性和完整性，形成本书的初稿。后经反复增删，并请资深教授审阅，最终完成了本书的修改工作。与此同时，书稿经过近年本科生和研究生课教学实践的检验，收到了良好的教学效果。因此，本书的大部分章节可作为本科生教材，部分章节可用于研究生的教学参考书。
本书重点阐述了近年来生物物质、特别是蛋白质类生物大分子的分离技术和理论的重要发展，如新型液液萃取、膜分离、色谱、电泳和亲和分离纯化技术等。对于涉及“化工原理”教材中较多的内容，如离心分离、过滤和干燥等从简介绍，仅针对其在生物过程中的应用背景略做阐述。
全书共分11章，其中第4章至第9章是本书的核心。第1章概述生物分离过程（生物下游加工过程）、分离操作和各种生物物质；第2章介绍了细胞分离和破碎的主要方法，以及基因重组包含体蛋白质的复性；第3章以盐析沉淀为主，简述蛋白质的各种沉淀分级方法和动力学；第4章阐述了萃取的原理和萃取过程的设计基础，萃取方法既包括传统的溶剂萃取和浸取，也包括双水相萃取、液膜萃取、反胶团萃取和超临界流体萃取等新型萃取技术；第5章以超滤和微滤为中心，介绍各种膜分离技术的原理、特点和应用；第6章以固定床吸附过程理论为重点，介绍了主要吸附剂和离子交换剂、吸附和离子交换平衡、膨胀床和流化床等新型吸附分离方法；第7章以凝胶过滤和离子交换层析为重点，介绍层析过程的基本理论和各种层析方法的原理、层析介质、特点和应用；第8章阐述了生物亲和作用的本质，重点介绍了亲和层析的相关技术和过程理论，并概述了近年来不断发展的其他亲和纯化技术的原理和研究现状；第9章介绍了蛋白质的各种电泳分离方法；第10章介绍结晶原理、结晶动力学、主要工业结晶器和结晶操作与应用；第11章简要介绍干燥的一般原理、干燥过程的基础理论和生物过程中的主要干燥设备。
清华大学沈忠耀教授、天津大学王世昌教授和王静康教授在百忙中审阅了本书稿，提出许多宝贵的意见和建议。沈忠耀教授欣然为本书作序，体现了老一代科学家对青年教师的热情支持与鼓励。作者谨向三位先生表示崇高的敬意和衷心的感谢。作者还特别感谢天津市教委和天津大学分别将本书作为重点教材立项，使其得以顺利出版。
在本书整理过程中，本研究室历届研究生何利中、史清洪、李凌燕、李玉龙和金仙华等同学参与了部分书稿的计算机文字处理工作。化学工业出版社领导对本书的出版给予了大力支持，在此谨向他们表示真诚的谢意。另外，借此机会，作者向各界朋友、老师、学长、同事以及天津大学各级领导多年来给予作者的支持、鼓励和教诲表示感谢。
生物分离工程是蓬勃发展中的学科领域，由于作者知识和经验有限，加之时间较短，书中错误和不足之处在所难免，敬请读者给予批评指正。如果本书能激发更多青年学子投身于生物工程研究和生产实践，并成为生物工程研究和教育工作者的实用参考书，将是作者编著此书的最大收获。

孙彦1998年盛夏于天津大学