生物物质分离工程

1 绪论1

1.1 生物（物）质1

1.2 生物物质分离过程1

1.3 生物技术下游加工过程的特点及其重要性2

1.3.1 发酵液或培养液是产物浓度很低的水溶液2

1.3.2 培养液是多组分的混合物2

1.3.3 生物产品的稳定性差3

1.3.4 对最终产品的质量要求很高4

1.4 生物技术下游加工过程的一般步骤和单元操作4

1.4.1 发酵液的预处理与固?液分离（或称不溶物的去除）4

1.4.2 初步纯化（或称产物的提取）6

1.4.3 高度纯化（或称产物的精制）6

1.4.4 成品加工6

1.5 生物技术产品及下游加工过程的沿革6

1.5.1 生物技术产品的类型6

1.5.2 下游加工过程的沿革6

1.6 生物技术下游加工过程的选择准则8

1.7 生物技术下游加工过程的发展动向10

1.7.1 基础理论研究10

1.7.2 提高分离过程的选择性11

1.7.3 开发分离介质11

1.7.4 提高分离纯化技术11

1.7.5 使用无毒无害物质12

1.7.6 生物分离技术的规模化、工程化研究12

2 提取、分离和精制过程中蛋白质活性的稳定性和保存13

2.1 前言13

2.2 蛋白质的三维结构13

2.2.1 蛋白质的组织层次13

2.2.2 三级结构18

2.2.3 四级结构19

2.2.4 相关的蛋白质20

2.2.5 侧链基团和二级结构21

2.3 蛋白质的失活21

2.3.1 折叠与伸展22

2.3.2 活性的可逆丧失22

2.3.3 蛋白质的稳定23

2.3.4 热稳定蛋白质23

2.4 共价过程中导致的失活24

2.4.1 活性中心上必需基团的反应24

2.4.2 基团的化学修饰对三维结构的维系25

2.5 对策26

3 发酵液的预处理和菌体的回收27

3.1 悬浮液的基本特性27

3.2 悬浮液的预处理28

3.2.1 预处理的目的29

3.2.2 预处理方法29

3.3 悬浮液分离方法和分类31

3.3.1 悬浮液分离过程的基本概念31

3.3.2 固?液分离过程的分类32

3.4 过滤法32

3.4.1 过滤的理论基础32

3.4.2 过滤器的设计33

3.4.3 连续过滤器的设计35

3.4.4 常用新型过滤器36

3.4.5 错流过滤41

4 细胞的破碎与分离43

4.1 概述43

4.2 细胞壁结构和化学组成44

4.2.1 细菌44

4.2.2 真菌和酵母45

4.2.3 藻类46

4.3 细胞壁的破碎46

4.3.1 破碎率的评价46

4.3.2 细胞破碎的方法47

4.4 基因工程表达产物后处理的特殊性55

5 离心分离57

5.1 离心沉降57

5.1.1 离心沉降的原理57

5.1.2 离心沉降的设备58

5.1.3 离心沉降的计算61

5.2 离心过滤63

5.2.1 离心过滤的原理63

5.2.2 离心过滤设备64

5.2.3 离心过滤的计算65

5.3 离心机的选用66

5.4 离心机在生物工业上的应用67

5.5 超离心法68

5.5.1 超离心技术的原理68

5.5.2 超离心技术的分类69

6 膜分离过程73

6.1 概述73

6.2 膜分离过程的类型74

6.2.1 以静压力差为推动力的膜分离过程75

6.2.2 以蒸气分压差为推动力的膜分离过程75

6.2.3 以浓度差为推动力的膜分离过程75

6.2.4 以电位差为推动力的膜分离过程76

6.3 膜及其组件76

6.3.1 膜的定义和类型76

6.3.2 表征膜性能的参数79

6.3.3 膜组件80

6.4 压力特性83

6.5 浓差极化83

6.6 膜的污染84

6.7 膜过滤理论85

6.7.1 微孔模型85

6.7.2 质量传递模型86

6.7.3 阻力模型87

6.7.4 渗透压模型88

6.8 过程讨论89

6.8.1 过程方法89

6.8.2 中空纤维膜组件的工作模式90

6.8.3 超?微滤系统的工厂布置91

6.9 膜分离技术的应用简介93

7 纳米膜过滤技术94

7.1 概述94

7.2 纳滤膜的性质与特点95

7.3 纳米过滤的分离机理98

7.4 纳滤膜的污染及解决方法99

7.5 纳米过滤的应用100

8 膜亲和过滤法102

8.1 亲和膜分离技术102

8.1.1 基本过程和操作方式102

8.1.2 基本理论104

8.1.3 亲和膜制备105

8.2 亲和膜分离技术的应用107

8.3 亲和膜过滤108

8.3.1 亲和膜过滤的特点108

8.3.2 亲和膜过滤过程及其关键问题109

8.3.3 亲和膜过滤技术的基本理论110

8.3.4 亲和膜过滤的应用111

9 渗透蒸发113

9.1 渗透蒸发的原理和特点113

9.1.1 渗透蒸发的定义和基础知识113

9.1.2 渗透蒸发的原理116

9.1.3 渗透蒸发的特点117

9.2 渗透蒸发膜及膜材料的选择117

9.2.1 渗透蒸发膜的分类117

9.2.2 膜材料的选择118

9.2.3 渗透池119

9.3 渗透蒸发过程及其影响因素120

9.3.1 渗透蒸发的分离过程120

9.3.2 操作条件对分离过程的影响120

9.4 渗透蒸发的应用121

9.4.1 渗透蒸发工艺流程实验装置121

9.4.2 渗透蒸发膜分离的应用121

10 溶剂萃取124

10.1 概述124

10.1.1 溶剂萃取的应用124

10.1.2 生物质的萃取与传统的萃取相比较125

10.2 萃取过程的理论基础125

10.2.1 分配定律125

10.2.2 萃取过程取决于溶剂的特性127

10.2.3 弱电解质的萃取过程与水相的特性128

10.3 乳化和去乳化130

10.3.1 乳化和去乳化的本质是表面现象131

10.3.2 乳状液的类型及其消除131

10.4 萃取方式和过程计算132

10.4.1 单级萃取132

10.4.2 多级错流萃取133

10.4.3 多级逆流萃取135

10.4.4 微分萃取137

10.4.5 分馏萃取139

10.5 离子对/反应萃取140

10.5.1 离子对/反应萃取的一般介绍140

10.5.2 离子对/反应萃取的应用141

11 反胶束萃取和浊点萃取142

11.1 反胶束萃取142

11.1.1 反胶束溶液形成的条件和特性142

11.1.2 反胶束萃取蛋白质的基本原理145

11.1.3 反胶束萃取体系及其操作148

11.1.4 反胶束萃取蛋白质的应用152

11.1.5 反胶束萃取蛋白质技术研究的新进展153

11.2 浊点萃取技术154

11.2.1 浊点萃取154

11.2.2 影响浊点萃取效率的因素155

11.2.3 浊点萃取的应用156

12 双水相萃取157

12.1 双水相体系158

12.1.1 双水相的形成158

12.1.2 双水相系统的类型158

12.1.3 混溶性和相平衡160

12.2 双水相萃取过程的理论基础161

12.2.1 表面自由能的影响161

12.2.2 表面电荷的影响161

12.3 影响物质分配平衡的因素161

12.3.1 双水相中聚合物组成的影响162

12.3.2 水相物理化学性质的影响162

12.3.3 盐类的影响162

12.3.4 pH值的影响163

12.3.5 温度的影响164

12.4 双水相萃取过程的选择性164

12.4.1 亲和双水相分配164

12.4.2 液体离子交换剂165

12.5 双水相系统的应用165

12.6 成相聚合物的回收167

12.7 双水相萃取过程的放大与设备167

12.8 双水相萃取技术的发展趋势169

12.8.1 新型双水相系统的开发169

12.8.2 亲和双水相萃取技术170

12.8.3 双水相萃取技术与相关技术的集成170

12.8.4 双水相萃取过程的开发170

12.8.5 双水相萃取相关理论的发展170

13 超临界流体萃取法171

13.1 超临界流体萃取的基本原理171

13.1.1 纯溶剂的行为171

13.1.2 超临界流体的性质172

13.2 超临界流体萃取的热力学基础176

13.2.1 超临界流体的相平衡176

13.2.2 超临界流体溶解度现象的热力学分析179

13.3 超临界流体相平衡的热力学模型181

13.4 超临界流体萃取的基本过程和设备182

13.4.1 超临界流体萃取的基本过程182

13.4.2 超临界流体萃取的设备183

13.5 超临界流体萃取的应用184

13.6 超临界流体萃取的优点和缺点186

13.7 超临界流体萃取今后的主要研究方向187

14 液膜分离法188

14.1 液膜及其分类188

14.1.1 液膜的定义及其组成188

14.1.2 液膜的分类189

14.2 液膜分离的机理189

14.2.1 无流动载体液膜分离机理189

14.2.2 有载体液膜分离机理190

14.2.3 液膜萃取过程的数学模型190

14.3 液膜材料的选择与液膜分离的操作过程194

14.3.1 液膜材料的选择194

14.3.2 液膜分离的操作过程及设备195

14.3.3 影响液膜分离效果的因素196

14.4 液膜分离技术的应用198

14.4.1 液膜分离萃取有机酸198

14.4.2 液膜分离萃取氨基酸199

14.4.3 液膜分离萃取抗生素199

14.4.4 液膜分离进行酶反应200

14.4.5 液膜分离萃取蛋白质200

15 泡沫分离法202

15.1 泡沫分离法的分类202

15.2 泡沫分离技术的基本原理203

15.2.1 表面活性剂及其界面特性203

15.2.2 Gibbs（吉布斯）等温吸附方程203

15.2.3 气泡产生的方法、泡沫的形成与性质204

15.3 泡沫分离的装置、操作方式及其影响因素205

15.3.1 泡沫分离技术的实验室装置205

15.3.2 泡沫分离的操作方式205

15.3.3 影响泡沫分离的因素206

15.4 泡沫分离过程的设计计算207

15.4.1 泡沫液流量和泡沫塔塔径的计算207

15.4.2 理论级数的计算208

15.5 泡沫分离的应用209

16 沉淀法211

16.1 概述211

16.2 蛋白质的溶解特性212

16.3 蛋白质胶体溶液的稳定性213

16.3.1 静电斥力213

16.3.2 吸引力213

16.4 蛋白质沉淀方法214

16.4.1 中性盐盐析法214

16.4.2 等电点沉淀法217

16.4.3 有机溶剂沉淀法218

16.4.4 非离子型聚合物沉淀法219

16.4.5 聚电解质沉淀法220

16.4.6 金属离子沉淀法220

16.5 沉淀动力学220

16.5.1 凝聚动力学221

16.5.2 絮凝体的破碎221

16.5.3 凝聚物的陈化222

16.6 亲和沉淀222

17 吸附与离子交换224

17.1 概述224

17.2 吸附过程的理论基础224

17.2.1 基本概念224

17.2.2 吸附的类型225

17.2.3 物理吸附力的本质226

17.2.4 吸附等温线227

17.3 分批式与连续式吸附230

17.3.1 分批（间歇）式吸附231

17.3.2 连续搅拌罐中的吸附232

17.4 固定床吸附233

17.5 膨胀床（EBA）吸附234

17.5.1 概述234

17.5.2 膨胀床吸附过程的设备与操作235

17.5.3 膨胀床吸附过程的数学分析236

17.5.4 膨胀床吸附技术的应用237

17.6 移动床和模拟移动床吸附238

17.7 离子交换吸附238

17.7.1 离子交换理论238

17.7.2 离子交换材料239

17.7.3 离子交换吸附技术的应用242

17.8 其他类型的吸附242

17.8.1 疏水作用吸附242

17.8.2 盐析吸附243

17.8.3 亲和吸附243

17.8.4 染料配位体吸附244

17.9 免疫吸附245

17.10 固定金属亲和吸附247

17.11 羟基磷灰石和磷酸钙凝胶吸附247

18 色层分离法249

18.1 概述249

18.2 色层分离法的产生和发展249

18.2.1 沿革249

18.2.2 色层分离中的基本概念及其分类250

18.2.3 色谱展开技术250

18.3 色层分离的有关术语252

18.3.1 平衡关系252

18.3.2 局部平衡定律254

18.4 色层分离过程理论255

18.4.1 塔板理论255

18.4.2 色层分离的连续描述258

18.5 各类不同分离机制的色层分离法介绍261

18.5.1 吸附色层分离法261

18.5.2 疏水作用色层分离法261

18.5.3 金属螯合色层分离法263

18.5.4 共价作用色层分离法264

18.5.5 聚焦色层分离法266

18.5.6 离子交换色层分离法268

18.5.7 凝胶过滤色层分离法271

18.5.8 正相与反相层析275

18.5.9 亲和色层分离法275

18.5.1 0连续环状色层分离法277

18.5.1 1拟似移动床型色层分离法278

18.5.1 2灌注色层分离法279

18.6 层析的放大281

19 电泳283

19.1 动电过程283

19.1.1 zeta（ζ）电位是动电现象的根本原因283

19.1.2 动电现象284

19.2 电泳的理论基础285

19.3 影响电泳迁移率的因素286

19.4 电泳的类型288

19.4.1 自由界面电泳289

19.4.2 自由溶液中的区域电泳289

19.4.3 在不同支持物上的区带电泳291

19.4.4 等速电泳295

19.4.5 等电聚焦296

19.4.6 二维电泳298

19.4.7 免疫电泳299

19.4.8 制备连续电泳299

19.5 第二代液相电泳300

19.5.1 毛细管电泳300

19.5.2 自由流电泳301

19.6 电泳的其他用途301

19.6.1 电泳解吸301

19.6.2 电泳浓缩302

20 重组蛋白包含体体外复性303

20.1 包含体的形成及一般特性303

20.1.1 包含体的形成303

20.1.2 包含体的特性303

20.2 包含体蛋白复性的理论基础305

20.2.1 蛋白质折叠机理305

20.2.2 包含体复性的影响因素307

20.3 包含体蛋白的体外复性308

20.3.1 包含体中活性蛋白的回收步骤308

20.3.2 包含体的复性方法310

20.3.3 复性效果的检测与评价313

20.4 蛋白质结构研究技术313

20.4.1 X射线衍射技术313

20.4.2 核磁共振技术314

20.4.3 显微学技术314

20.4.4 光谱技术314a

21 结晶316

21.1 概述316

21.2 结晶的基本原理317

21.2.1 溶液的饱和和过饱和度317

21.2.2 过饱和溶液的形成318

21.2.3 晶核的形成319

21.2.4 晶体的生长321

21.3 结晶的类型323

21.3.1 分类方法323

21.3.2 分批（间歇）结晶323

21.3.3 连续结晶324

21.4 结晶过程的计算325

21.4.1 晶粒大小分布326

21.4.2 溶液结晶过程的数学模型327

21.5 重结晶330

21.6 结晶过程的预测与改善331

21.7 结晶技术的进展332

21.7.1 理论方面的研究333

21.7.2 新技术的推广333

22 成品干燥335

22.1 生物材料水分的性质及基本计算335

22.1.1 生物材料水分的性质335

22.1.2 生物材料干燥时有关基本计算336

22.2 蒸发和干燥速率337

22.3 生物产品的干燥方法339

22.4 对流干燥340

22.4.1 对流干燥过程热计算340

22.4.2 对流干燥器340

22.5 喷雾干燥342

22.5.1 喷雾干燥过程热计算342

22.5.2 喷雾干燥机343

22.6 升华干燥343

22.6.1 升华干燥过程343

22.6.2 升华干燥设备344

22.7 组合干燥346

参考文献347

《生物物质分离工程（第2版）》在保持第一版全面、系统地阐述了传统和现代生物分离技术和工程内容的基础上，根据近年来生物物质分离技术的发展状况，就单元技术水平的提高和几种技术的集成化方向作了适当的修改和补充，还特别新增了蛋白类生物物质的分离、纯化及其在操作过程中的稳定性方面的基本知识和基础理论。　　全书共22章，主要包括培养液的固液分离，细胞破碎技术，产物的初步分离，产物的提纯和产品的精制，以及重组蛋白包含体的体外复性，蛋白质在提取、分离和纯化过程中的稳定性和保存等内容。教材注重以工程观点揭示生物物质分离过程的本质及其规律，促使分离过程与设备设计、放大与操作等方面获得最佳化；教材中也包括了不少深入探讨的理论性内容。　　《生物物质分离工程（第2版）》可供生物化工、生物技术、生命科学专业及化学工程类一级学科及其下属的其他学科包括医药化工、精细化工、石油化工、环境工程等专业本科生使用，也可作为研究生的教材和相关学科科技工作者和工程技术人员的参考书。