生化分离技术讲义(2008)

《生物分离工程》课程教学大纲(2008年)

一、目的

《生物分离工程》是《生物化学》、《物理化学》、《微生物学》、《食品工程原理》或《化工原理》或《化工单元操作》、《化工热力学》等课程的延续和深化课程，为生物工程专业、生化工程专业本科生开设的一门技术基础课程。其目的是使学生系统地学习物质分离和提纯过程中的概念、原理、技术及工艺，了解各种分离技术及其应用，提高学生的科研能力及水平。

二、要求

该课程采取课堂讲授与课堂讨论相结合、讲授与自学相结合的教学方式。要求学生大量阅读参考教材、查阅有关各种分离新技术的文献；在掌握分离技术的共同特征、分类及发展动向的基础上，熟悉并掌握各种分离新技术及其应用。

三、课程主要内容

绪论（2学时）

第一部分萃取分离技术（8学时）

第一章溶剂萃取

1.1萃取过程的理论基础

1.2萃取方式的理论计算

第二章双水相萃取（Two-aqueous phase extraction）

2.1 双水相体系

2.2双水相萃取过程的理论基础

2.3物质分配平衡的因素

2.4双水相萃取技术的应用

2.5水相萃取技术的进展

第三章反胶束萃取

3.1反胶束溶液形成的条件和特征

3.2反胶束萃取蛋白质的基本原理

3.3影响反胶束萃取蛋白质的主要因素

3.4反胶束萃取蛋白质的应用

第四章凝胶萃取

4.1凝胶萃取分离过程

4.2凝胶萃取的理论基础

4.3凝胶萃取的应用

第五章超临界流体萃取

5.1超临界流体的性质

5.2超临界流体萃取的热力学基础

5.3超临界流体萃取过程

5.4超临界流体萃取的应用

第二部分吸附分离、离子交换分离及色层分离技术（8学时）

I.吸附分离和离子交换分离

第一章概述

1.1 吸附分离过程、解吸方法及应用1.2 吸附剂

1.3吸附剂基础性能的测试

第二章吸附平衡

2.1吸附平衡和吸附平衡关系式

2.2 吸附热力学

第三章不等温（变温）吸附分离

3.1气体的净制和回收

3.2吸附干燥剂和吸湿平衡

3.3固定床吸附操作的计算

3.4不等温吸附操作的计算

第四章变压吸附分离

4.1变压吸附分离的应用和发展

4.2变压吸附的操作过程和循环

4.3变压吸附干燥净制和空气分离

4.4变压吸附分离操作的数学模型

第五章离子交换分离技术

5.1离子交换剂

5.2离子交换平衡及交换动力学

II 色层分离技术

第一章色层分离的一般原理

1.1色层分离技术的分类

1.2分配平衡

1.3色层分离效率

第二章离子交换色层分离技术

2.1离子交换色层分离技术概述

2.2离子交换色层分离

第三章萃取色层分离技术

3.1 萃取色层分离技术概述

3.2萃取色层分离与溶剂萃取分离的关系3.3萃取色层分离过程

第四章凝胶色层分离技术

4.1凝胶色层分离技术概述

4.2凝胶和溶剂

4.3凝胶色层分离技术的应用

第五章吸附色层分离技术

5.1吸附色层分离技术概述

5.2吸附剂和溶剂

5.3吸附色层分离技术的应用

第六章亲合色层分离技术

6.1亲合色层分离技术概述

6.2载体、配基和偶联

6.3吸附和解吸

6.4亲合色层分离技术的应用

第三部分膜分离技术（10学时）

第一章概述

1.1膜分离技术发展的历史

1.2膜的概念（定义）、分类、膜材料及膜组件1.3膜分离技术的类型及定义

第二章反渗透

2.1基本概念

2.2反渗透过程的基本流程

2.3反渗透膜

第三章超滤膜、微滤及纳米膜过滤

3.1基本原理

3.2超滤膜、微滤膜及纳米过滤膜

第四章电渗析

4.1电渗析的基本原理

4.2离子交换膜

4.3电渗析过程的极化和结垢问题

4.4电渗析的应用

第五章亲和膜分离及亲和膜过滤

5.1亲和膜分离

5.2亲和-膜过滤

第六章渗透蒸发

6.1原理和特点

6.2渗透蒸发膜及膜材料的选择

6.3应用

第七章其他膜分离过程

7.1膜蒸馏

7.2膜萃取

第八章液态膜分离技术

8.1液态膜及其分类

8.2液态膜分离的机理

8.3液态膜材料的选择与液态膜分离的操作过程8.4应用

第四部分其它现代分离技术（4学时）

第一章包结分离技术

1.1包结分离的基本原理

1.2包结分离技术的应用

第二章结晶分离技术

2.1结晶分离的基本原理

2.2结晶分离过程

2.3结晶分离技术的应用

第三章分子蒸馏分离技术

3.1分子蒸馏的原理和模型

3.2分子蒸馏的应用

四、课程教材

1 孙彦. 生物分离工程. 北京：化学工业出版社

2 严希康. 生化分离技术. 上海：华东理工大学出版社，1996

3 J.D.Seader, Ernest J.Henley. Separation Process Principles(分离过程原理) . 北京：化学

工业出版社

五、主要参考书：

1 E.克雷耳著. 陈甘棠译. 实验室蒸馏指南——中间工厂蒸馏的导论. 北京:化学工业出版社，1986

2 叶振华. 化工吸附分离过程. 中国百化出版社，1987

3 朱长乐等. 化学工程手册（18）. 薄膜过程. 北京：化学工业出版社，1987

4 高明恒等. 膜分离技术基础. 北京：科学出版社，1989

5 叶振华. 吸着分离过程基础工业. 北京：化学工业出版社，1989

6 [美]C.贾德森.金. 分离过程. 北京：化学工业出版社，1990

7 史继芬. 多级分离过程. 北京：化学工业出版社，1991

8 吴俊生等. 分离工程. 上海：华东化工学院出版社，1992

9 蒋维钧. 新型传质分离技术. 北京：化学工业出版社，1992

10 刘茉娥等. 新型分离技术基础. 杭州：浙江大学出版社，1993

11 刘国诠. 生物工程下游技术. 北京：化学工业出版社，1993

12 王学松. 膜分离技术及其应用. 北京：科学出版社，1994

13 陆九芳等. 分离过程化学. 北京：清华大学出版社，1994

14 高孔荣等. 食品分离技术. 广州：华南理工大学出版社，1998

15 King C J. Separation Process. 2nd ed. New York:Mc Graw-Hill,1980

16 D M Ruthven, Principles of Adsorption and Adsorption Processes, New York:John Wiley and sons, 1986

17 King C J. Separation & Purification-Critical Needs Opportunities. Washington

D C:National Academy Press,1987

18 Belter P A,Cussler E L,Hu W. Bioseparation-Downstream Processing for

Biotechnology. New York:John Wiley,1988

19 F L Slejko , Adsorption Technology, New York:Marcel Dekker, 1990

20 Asenjo Juan A. Separation Processes in Biotechnology. New York:Marcel

Dekker,1990

21 Weather L R. Engineerin Processes for Bioseparation.

London:Butterworth-Heineman,1994

第一章绪论

1.1 生物技术和生物分离技术

生物技术：有机体的操作和应用有机体生产有用物质、改善人类生存环境的技术。

生物加工过程（bioprocess）,包括选育、基因工程、细胞工程、生物反应过程。

生物分离过程，包括提取、浓缩、纯化、成品化过程。

1.2 生物分离的一般过程

1. 一般过程

发酵液→预处理→分离→破碎→碎片分离→初步纯化→精制→制成品

培养液加热沉淀匀化离心沉淀分子筛无菌过滤

酶反应调pH 离心超声萃取吸附离子交换超滤絮凝过滤胞溶过滤萃取亲和冻干

错流过滤研磨错流过滤超滤吸附喷干

憎水结晶

电泳

2. 几个概念

1）生物分离工程的定义：为提取生物产品时所需的原理、方法、技术及相关硬件设备的总称，指从发酵液、动植物细胞培养液、酶反应液和动植物组织细胞与体液等中提取、分离纯化、富集生物产品的过程(Downstream Processing) 生物技术下游工程

2）Downstream（下游）与上游相对的概念，一般而言，上游指基因克隆、细胞培养等目的产物表达工序，下游指从表达有目的产物的复杂的混合液中分离纯化得到符合要求的目的产物的一系列步骤。美、日、欧等发达国家生物技术产品工业化的实践证明：生物技术产品的产业化高度依赖于基因工程下游工序技术及设备的进步。

3）单元操作：完成一道工序所需的一种方法和手段。

1.3 历史沿革

1、古代：酿酒、酱油、醋、干酪等（蒸馏或过滤）；

2、1860起：发现微生物导致发酵，工业生产酒精、丙酮、丁醇（压滤、蒸馏、精馏）；

3、1940起：青霉素、链霉素等抗生素、氨基酸、有机酸、酶制剂、单细胞蛋白。提出单元操作概念，引入下游加工过程。

4、1970起：基因工程、酶工程、细胞工程等发展，现代生物技术产品的要求。

1.4 生化产品的类型

1. 按用途分类

食品类

保健品类

医用类产品（1998年，719种）

抗生素112种

农业用产品（1998年，36种）

生物试剂类（1998年，975种）

2. 按分子量大小分类

Mass < 1000D：抗生素、有机酸、aa、多肽类等

Mass > 1000D：酶、抗原、抗体、多肽、蛋白质类

3. 按发酵时目的产物所在的位置分类

cell内：胰岛素、白细胞介素、干扰素、重组蛋白质

cell外：抗生素（青霉素、红霉素）、胞外酶（α-淀粉酶）等

1.5 生化产品的特点

1. 应用面广。医药卫生、环保、动植物生长调节、食品和试剂等

2. 种类繁多。分子量X0–X,000,000，结构功能复杂，生物活性各异。

3. 目的产物在初始物料中的含量低。青霉素（

4.2%）、庆大霉素（0.2%）、干扰素（<50ug/ml）。

4. 产品价格与产物浓度呈反比:

5. 初始物料成分复杂。除少量产物外，还有大量的细胞及碎片、其他代谢物（几百上千种）、培养基成分、无机盐等。

6. 生物活性物质的稳定性低。易变质、易失活、易变性，对温度、pH值、重金属离子、有机溶剂、剪切力、表面张力等非常敏感。

7. 产品的质量要求高，尤其是药品等。成品青霉素对其强致敏原--- 青霉噻唑蛋白必须控制RIA值（放射免疫测定）小于100（1.5*10-6），蛋白类药物（杂质< 2%）、重组胰岛素（Humulin）中杂蛋白小于0.01%。

1.6 生物分离工作的重要性

1. 生化产品的必经的过程(一夫挡关)。

2. 回收率不高。抗生素(80%左右)，蛋白质(60-90%)。意义?

3. 分离纯化昂贵。下游研究费用占整个R&D费用的50%以上；产品的成本构成中分离纯化的成本站全部成本的40-80%; 精细和药用产品的成本比率更高; 大多数酶70%。意义?

4. 基因工程的R&D费用，下游占50-80%。基因工程表达产品成本85-90%；劳动力和物力成本占整个劳动力的70-90%。意义?

5. 中药现代化的重要技术平台。农学、分离科学、生化分析、药学等

6. 提供产品竞争力的关键技术之一。WTO，降低生产成本、提高产品标准。

7. 环境污染的治理（慢性铅中毒）

1.7 生物分离工程的分类

原理技术应用

Phase change 1)、蒸馏乙醇

沸点和蒸汽压2)、精馏有机溶剂回收

0h 3)、蒸发制盐、抗生素富集

Extraction 1)、液-液萃取抗生素

分配系数2)、液-固萃取中药分离

4h 3)、双水相萃取酶

4)、反胶束萃取DNA重组蛋白质

5)、超临界萃取中药提取

Density difference 1)、常规离心细胞分离

比重、密度2)、高速离心细胞、病毒分离

2h 3)、超速离心病毒,细胞器,DNA

Membrane 1）、常规过滤发酵液

膜分离2）、微滤细菌、细胞碎片

3）、超滤蛋白质、酶

4h 4）、纳滤有机物回收,污水治理

5）、反渗透海水淡化、污水处理

Solubility 1）、结晶味精

溶解度2）、盐析蛋白质、酶

4h 3）、有机试剂蛋白质

4）、等电点法蛋白质、酶

Absorbance 1）、非特异性吸附抗生素

(吸附) 2）、特异性吸附抗体

2h 3）、亲和吸附抗原抗体

4）、离子交换抗生素

Chromatography 1）、凝胶抗生素、蛋白质

(色谱或层析) 2）、亲和色谱抗体

6h 3）、离子交换蛋白质

Electric Field 1）、磁性免疫微球抗原抗体

(场致分离) 2）、区带电泳蛋白质

6h 3）、等速电泳蛋白类

4）、等点聚焦电泳蛋白类

1.8 方法选择的基本原则

1)、尽可能简单、低耗、高效、快速。

反面例子---- 中药现代化、超临界萃取；

正面例子

2)、分离步骤尽可能少。Why?

A)、

φn为总回收率，λn为各单元回收率。意义？

分离步骤越多，回收率越低；如φ10 = 0.9510 = 0.63，φ5 = 0.955 =0.77

B)、分离步骤多，设备投入大，人员物资消耗大，生产周期长

How ?

3)、避免相同原理的分离技术多次重复出现

比喻，分子筛和超滤技术按分子量大小分离，重复应用两次以上，意义就不大了。

4)、尽量减少新化合物进入待分离的溶液。

A)、引起新的化学污染；B)、蛋白质的变性失活

5)、合理的分离步骤次序。

原则是：先低选择性，后高选择性；先高通量，后低通量；先粗分，后精分；先低成

本，后高成本。

1.9 设计前应了解的信息

1）、在设计前，首先要掌握的产物物化性质，主要包括：

(1)、溶解度及影响因素，包括温度、pH值、有机溶剂和盐等；

(2)、分子量和分子形状。对于高分子物质非常有意义；

(3)、沸点和蒸汽压。对于热稳定的小分子物质非常有意义；

(4)、极性大小；

(5)、分子电荷及影响因素，包括pH值和盐等；

(6)、功能团。功能团为萃取剂和特异性吸附的选择提供依据；

(7)、免疫原性。设计亲和色谱；

(8)、稳定性及其影响因素，包括温度、pH值、毒性试剂等(如青霉素低pH不稳定)；

(9)、分子的淌度及影响因素，包括pH值、离子强度和盐等；

(10)、等电点pI；

2）、成品规格（或产品质量标准）

表1.3 五肽胃泌素的上海市药品标准（1993年版32页）

指标名称指标

含量（C37H49N7O9S）97.0-103.0

比旋光度-25? ~ -29?

吸收值比A(280nm):A(288nm) = 1.12-1.22

氨基酸各氨基酸之比为1

干燥失重，% 0.5

3）、进料的组成和物性

(1)、目的产物的浓度。高？低？

(2)、物料中的与目的产物相近物质组成的物理化学性质。

(3)、目的产物的定位。是胞内还是胞外？

(4)、菌种的种类和形态。

(5)、微生物的含量和发酵液的黏度。

4）、生产规模

5）、危害性

(1)、离心产生的气溶胶、发酵产生的废气、干燥产生的粉尘等。

(2)、目的产物本身的危害性；抗肿瘤代谢类药物，类固醇类抗生素，激素类药物等。

(3)、试剂危害。萃取试剂CCl4、甲苯、苯、二甲苯、CNBr。

(4)、微生物的危害。重组DNA工程菌不能任意排放。这一菌种为新的物种，不能排除对生态系统和人的危害。

6）、分批分离还是连续纯化

1.10 对环境的考虑

1）、废水

A、除菌过滤和灭菌处理；

B、符合BOD的要求；

2）、废料

A、灭菌处理；

B、综合利用：动物饲料、饲料添加剂，有机肥料

3）、废气

A、除菌过滤和灭菌处理；

B、废气（有机溶剂）回收

4）、溶剂的回收

A、减少环境排放，减少污染；

B、循环利用，减低成本

1.11 分离效率的评价

1）、浓缩率（富积率，concentration factor）

原料(Raw material) 分离器产品(Product)

FW, VW, cT,W, cX,W

废液(Waste fluid)

意义：1）、如mT >1，则目标产物得到富积；2）、如mT = mX，则目标产物未得到分离纯化。

2) 分离因子(separative factor)，或分离系数(separative coefficient)

意义：A、目标产物浓度↑，杂质浓度↓，则分离因子大，分离效率↑；B、α = 1时，则未分离。故在分离为主要目的时,α↑↑

3) 回收率(recovery)：

4) 纯化因子(purification factor)

对于具有生物活性的蛋白质或酶，常常用分离前后目标产物的比活2. A [in U/mg]之比表示目标产物的分离纯化程度，

1.12 生物分离技术的发展趋势

存在的问题：研发费用高、成本高、周期长——生物工程发展的瓶颈

如何解决？

1)、加强基础理论研究

A、研究非理想溶液中溶质与添加物料之间的选择性机制、影响因素1.

B、研究界面的结构、动力学和传质机制，以及影响因素2.

C、下游加工过程的数学模型的建立和计算机模拟。难

2)、完善老技术：正确对待―新‖、―老‖分离技术

第二章细胞分离与破碎

2.1 固液分离的分类

1、过滤(重力过滤器、压滤器、真空过滤器)

2、离心

3、重力沉降

4、气悬浮

2.2 发酵液的组成

悬浮液：指固体颗粒在0.1μm以上的固液分散体系。生物细胞培养液基本上也是悬浮液。培养液的组成：

水70-80% +

固体细胞及碎片20-30%(对微生物发酵)+

少量的代谢成物+

细胞破裂后的内容物+

残存的培养基成分

2.3 培养液的基本特征

A、细胞成分及碎片大小不一，颗粒大小↓，分离成本↑。

B、固液密度相近，黏度高：沉降和离心分离困难

C、固体成分可压缩可变形+ 高黏度：过滤困难，黏附在滤布，错流过滤形成凝胶层

D、动植物细胞抗剪切力差：错流膜过滤和离心等不适

E、流变性复杂，非牛顿型流体，青霉素发酵液为卡森型流体，120h链霉素发酵液为拟塑性流体，灰色链丝菌发酵液为塑性流体。

2.4 悬浮液的预处理

预处理的目的:

改变发酵液的物理性质(黏度、颗粒↑、颗粒稳定性等)，固液分离速度↑，分离器分离效率↑；

目标产物转移其中一相(多数为液相)；

去杂质

预处理方法

加热：最简单和最廉价的处理方法。↓黏度、促凝聚、↓固体成分体积、破坏凝胶结构、增加空隙率、去蛋白

调pH值：方法简单有效、成本低廉；

凝聚：在凝聚剂(如铝盐、铁盐、石灰和NaCl)作用下, 细胞蛋白质等(准)胶体去稳定，并聚集成1mm大小的凝聚块的过程。

凝聚剂种类：A、无机盐类，如硫酸铝、明矾、硫酸铁、硫酸亚铁、FeCl3、AlCl3、ZnCl、硫酸镁等；B、无机碱，如Al(OH)3、Fe(OH)3、Ca(OH)2、CaO等；C、聚合无机盐，如聚合铝、聚合铁。

机理：A、破坏双电层，B、水解后胶体吸附，C、氢键结合等。

絮凝：在絮凝剂高分子聚合电解质的作用下，胶体颗粒和聚合电解质交连成网，形成10 mm大小的絮凝团过程。

絮凝剂种类：A、阳离子类，如聚丙烯酰胺(+)、聚苯烯酸二烷基胺乙酯、聚二烯丙基四

胺；B、阴离子类，如聚丙烯酸纳、聚苯乙烯磺酸、聚丙烯酰胺(-)；C、非离子类，如聚丙烯酰胺(0)、环氧化乙烯。

机理：絮凝剂主要起中和电荷、桥架和网络作用

惰性助滤剂：一种颗粒均匀、质地坚硬的粒状物质，用于扩大过滤表面的适应范围，减轻细小颗粒的快速挤压变形和过滤介质的堵塞。

使用方法：A、预涂层；B、按一定比率混合。

助滤剂种类：硅藻土、膨胀珍珠岩、石棉、纤维素、未活化的炭、炉渣、重质碳酸钙，及它们的混合物等。

用量标准：A、单位质量助滤剂所产生的最大滤液产量(最常用)；B、或最长周期；C、或最快流速；D、或滤饼的最大空间利用度。

2.5 过滤基础理论

Darcy定理、Kozeny’s 方程、比阻定义、Ruth’s 方程、恒压过滤方程

2.6 常用新型过滤器

2.7 过滤器的选择

2.8 中试设计的路线

2.9 细胞的破碎和分离

见生化分离技术第二章第三节内容

3.3 细胞破碎技术

1)、固体剪切法(珠磨法, c最有效的物理破碎法)

2)、液体剪切法(最常用的方法之一)

3) 撞击破碎法

操作：细胞喷雾高速冻结

300 m/s氮气流

优点：

A、细胞破碎仅发生在撞击的一瞬间，破碎程度均匀，避免反复和过度破碎；

B、破碎的程度可无级调节，避免细胞内部结构的破坏，特别适合于细胞器的回收；

C、实验室和工业规模均可应用，细胞浓度在10-20%，实验室规模的间歇处理能力在50-500 mL/h，工业规模的连续处理在10,000 mL/h 以上。

4) 超声破碎法(15—25kHz)

机理：在超声作用下产生的空穴化作用(cavitation)，空穴的形成和闭合产生极大的冲击波和剪切力。

优点：适合于多种细胞的破碎

缺点：A、影响因素多，如振幅、黏度、表面张力、液体体积和流速、探头材料和形状；B、超声产生超氧离子毒害作用；C、有效能量的利用率低；D、产热大，需控温；E、不易放大，仅应用于实验室规模的细胞破碎。

5) 化学破碎法

酶溶法、酸碱法、有机溶剂胞溶法、表面活性剂法

酶溶法：利用酶分解细胞壁上特出的化学键，使细胞壁破碎。

优点：

A、产品释放的选择性；

B、提取速度和收效高；

C、产品的破坏小；

D、对外界环境，如pH和温度等要求低；

E、不残留细胞碎片。

物理破碎法缺点：

A、高能、高温、高噪音、高剪切力(四高)，易使产品变性失活；

B、非专一性，胞内产物均释放，分离纯化困难；

C、细胞碎片大小不一，难分离。

化学破碎法缺点：

A、费用高；

B、引起新的污染，尤其是其他化学方法；

C、一般只有有限的破碎，常需与其他物理法连用。

3.5 破碎方法的选择

选择的一般原则

A、提取产物在细胞质内，用机械法破碎

B、提取产物在细胞膜附近，用化学法

C、提取产物与细胞膜和细胞壁结合，可采用化学法和机械法结合的方法

破碎技术杂交研究应注意的问题

A、杂交技术可产生很大优势。如

B、破碎技术对下游分离技术的影响。破碎颗粒清除，产物的分离纯化

C、在发酵阶段，考虑到发酵过程和环境对破碎难易程度的影响

D、菌种的培育，胞内产物 胞外产物

第三章离心分离

Questions

1 过滤技术难处理的发酵液如何处理

2 液液分离，并含少量固体颗粒

3 细胞器的分离

4 大分子物质分子量的测定

5 DNA半保留复制

3.1 概论

3.2 离心分离原理

3.3 离心技术分类

用途分类

1)、分析性：超速离心机

2)、制备性：A、实验室用；B、工业用

工业应用分类

1)、管式离心机

2)、多室离心机（管式离心机的变形）

3)、碟式离心机：Ａ、人工排渣式, Ｂ、喷嘴排渣式, Ｃ、活塞排渣式

4)、螺旋卸料沉降离心机

5)、离心过滤

6)、三足式离心机

3.4 管式离心机

3.5 多室离心机（管式离心机的变形）

3.6 碟式离心机

3.7 螺旋卸料沉降离心机

3.8 离心过滤

3.9 离心设备的选择

3.10 超速离心技术--DNA半保留复制

第四章膜分离技术

问题：

A、100多年以后，淡水资源枯竭；

B、现存的问题是：北方严重缺水

解决之道

A、节约用水

B、南水北调

C、海水淡化

Questions:

A、海水如何淡化?

B、30万人/年肾衰病人；约1/6肾移植，生命如何延长?

4.1 概论

优点:

1)、能耗低。膜分离不涉及相变，对能量要求低，与蒸馏、结晶和蒸发相比有较大的差异；

2)、分离条件温和，对于热敏感物质的分离很重要；

3)、操作方便，结构紧凑、维修成本低、易于自动化。

缺点

1)、膜面易发生污染，膜分离性能降低，故需采用与工艺相适应的膜面清洗方法；

2)、稳定性、耐药性、耐热性、耐溶剂能力有限，故使用范围有限；

3)、单独的膜分离技术功能有限，需与气他分离技术连用。

4.2 膜分离技术的类型

以推动力的过程分类

以浓度差为推动力的过程：A、透析技术(Dialysis, DS)

以电场力为推动力的过程：A、电透析，B、离子交换电透析

以静压力差为推动力的过程：A、微滤(microfiltration)，B、超滤(untrafiltration)，C、反渗透(reverse osmosis)

以蒸气压差为推动力的过程：A、膜蒸馏，B、渗透蒸馏

以分离应用领域过程分类

微滤(micro-filtration, MF)

超滤(untra-filtration, UF)

反渗透(reverse osmosis, RO)

透析(Dialysis, DS)

电透析(electro-dialysis, ED)

纳米膜分离(Selective, RO)

亲和过滤(affinity filtration, AF)

渗透气化(pervaporation, PV)

4.3 微滤(MF)

4.4 超滤(UF)

4.5 反渗透(RO)

4.6 透析(DS)

4.7 电透析(ED，IEED)

4.8 膜材料的要求

4.9 膜材料的种类

4.10 膜结构特征

4.11 超滤膜的分子截留作用

4.12 膜组件

膜分离法与物质大小的关系

4.3 微滤(MF)

原理：筛分，同一般过滤有很大重叠。

操作：同一般过滤。膜两侧的渗透压可忽略，操作压在0.05-0.5Mpa。

用途：除去0.1um—10um的颗粒，用于细胞、细菌、细胞器的分离。

4.4 超滤(UF)

原理：筛分

操作：一般采用切向流体，以减少固相沉积。膜两侧的渗透压很小，操作压在0.1-1.0MPa。应用：A、高分子溶质之间，以及高分子与小分子溶质之间的分离；B、Pro浓缩，C、病毒的分离和富积，C、回收细胞，处理胶体悬浮液。

计算：Carman-Kozeny方程(见上)。

优点：A、消除了滤饼的阻力，过滤效率高；B、超滤回收率高；C、滤液的质量好；D、减少处理步骤

4.5 反渗透(RO)

意义：

A、膜的选择性。

B、压力的选择性。压力越高，透过液中溶质的浓度越低。因此，提高反渗透的压力有利于实现溶质的高度浓缩，或提高海水淡化质量。

应用：

A、海水淡化，

B、超纯水制备，

C、抗生素和氨基酸等浓缩，

D、回收有机溶剂，如乙醇、丁醇和丙醇等。

4.6 透析(DS)

原理：浓差扩散

操作：

用途：

A、人工肾，腹膜透析；

B、样品脱电解质；

C、浓缩富积；

D、气体分离(利用透析袋对不同气体的通透性)

优点：

A、方法和设备简单，价格低廉；

B、实验室最常用的样品脱盐方法

缺点：

A、透析的速度缓慢；

B、溶质稀释。

4.7 电透析(ED，IEED)

电透析(Electro-dialysis, ED)

原理：在透析的基础上加上直流电，极大加快离子的透析速度。

操作：

用途：样品快速脱盐。

优点：

A、设备简单，

B、透析速度极快（提高几十倍），

C、电流直接指示电透析终点，

D、减轻溶质的稀释。

终点判断：

A、Cl- + Ag+ = AgCl ;

B、电导恒定.

5.7 离子交换电透析(IEED)

机理：透析膜经化学处理后带有正电荷(如季铵基—N+R3)或负电荷基团如(磺酸基—SO-3)。操作：几百对

用途：A、海水淡化，B、苦水淡化，C、血浆、IgG、其他蛋白质的分离，D、氨基酸和有机酸分离纯化。

优点：可大规模生产

缺点：能耗高

4.8 膜材料的要求

生物分离过程中，对膜料要有如下要求：

A、起过滤作用的有效膜厚度小，超滤和微滤的孔隙率高，过滤阻力小；

B、不吸附被分离物质，从而膜不易污染和堵塞；

C、使用的pH和温度范围广，耐高温灭菌，耐酸碱清洗，稳定性高

D、使用寿命长：经济；

D、易通过清洗恢复透过性能；

E、适应性广：满足实现分离的各种要求，如对菌体细胞的截留，对生物大分子的通透性或截留作用。

4.9 膜材料的种类

无机材料

种类：陶瓷、微孔玻璃、不锈钢和碳素等。目前实用化有孔径>0.1um微滤膜和截留>10kD 的超滤膜，其中以陶瓷材料的微滤膜最常用。多孔陶瓷膜主要利用氧化铝、硅胶、氧化锆和钛等陶瓷微粒烧结而成，膜厚方向上不对称

优点：机械强度高、耐高温、耐化学试剂和有机溶剂。

缺点：不易加工，造价高。

复合材料

种类：如将含水金属氧化物（氧化锆）等胶体微粒或聚丙烯酸等沉淀在陶瓷管的多空介质表面形成膜，其中沉淀层起筛分作用。

优点：此膜的通透性大，通过改变pH值容易形成和除去沉淀层，清洗容易。

缺点：稳定性差。

4.10 膜结构特征

孔道结构

核孔微滤膜(nuclepore membrane)

孔形整齐，孔道直通，呈圆柱形，孔径分布范围小。在分离性能、通透性和耐污染方面优于一般的微孔滤膜，但造价较高。

对称膜(symmetric membrane)

膜截面的膜厚度上孔道结构均匀。早期的膜多为对称膜。缺点：传质阻力大，通透性低，且容易污染阻塞，清洗困难。

不对称膜(asymmetric membrane)

膜在厚度上的孔道结构不均匀，不对称膜主要由起膜分离作用的表面活性层(0.2-0.5um)和起支撑作用的惰性层(50-100um)构成。惰性层孔径很大，对通过流体阻力很小。由于不对称膜起膜分离作用的表面活性层很薄，孔径微细，因此透通量大，膜孔不易阻塞，易冲洗。目前的超滤膜和反渗透膜多为不对称膜。一般而言，超滤膜多为指状结构，反渗透膜多为海绵状结构，微滤膜以对称结构为主，新型无机陶瓷膜多为不对称膜。

第五章萃取

1 分类

按参与溶质分配的两相不同而分为

液-液萃取(liquid-liquid extraction)

液-固萃取(liquid-solid extraction)

固相萃取(solid phase extraction, SPE)

双水相萃取(two water phase extraction)

超临界流体萃取(supercritical fluid extraction)

按原理不同分为

传统萃取技术

溶剂液-液萃取

液-固萃取

固相萃取

双水相萃取

液膜萃取(liquid membrane extraction)

反胶团萃取(reversed micellar extraction)

超临界萃取

2 优点

1萃取过程具有选择性

2能与其他纯化方法相配合

3通过相转移，减少目标产物的降解

4规模放大极为容易

5传质快、生产周期短

6便于连续操作、易于计算机控制

7无相变、能耗低、成本低

8方法成熟、易于设计

3操作的一般过程

萃取(Extraction)：利用溶质在互不相溶的两相之间分配系数的不同而使溶质得到纯化或浓缩的方法称为萃取。

萃取剂(extractant)、轻相(light phase)、萃取相(solvent phase)、萃余相、重相(heavy phase)。液液萃取：以液体为萃取剂，当含有目标产物的原料也为液体时，则为液液萃取。

液固萃取或浸取（Leaching）：含有目标产物的原料为固体，则为液固萃取。

萃取速率可用下式表示：

c: 料液相溶质浓度(mol/l), c*: 与萃取相中的溶质浓度呈相平衡的料液相溶浓度(mol/l), t: 时间(s), k: 传质系数(m/s), a: 以料液相体积为基准的相间接触比表面积(m-1)

3 操作的一般过程

反萃取(Back extraction)：

当萃取操作后，为进一步纯化目标产物或便于下步分离操作，往往需要将目标产物转移到水相。这种调节水相条件，将目标产物从有机相转入水相的萃取操作称为反萃取。

洗涤操作(washing processing)：对于一个完整的萃取过程，常在萃取和反萃取之间增加洗涤操作

萃取–洗涤–反萃取

物理萃取：溶质根据相似相溶的原理在两相间达到分配平衡，萃取剂与溶质之间不发生化学反应。例如，用乙酸丁酯萃取青霉素。

化学萃取：用脂溶性萃取剂与溶质之间的化学反应生成脂溶性复合分子实现溶质向有机相的分配。萃取剂与溶质之间的化学反应，包括离子交换和络合反应等。如用萃取剂季铵盐(氯化三辛基甲铵，R+Cl-)萃取氨基酸A-。

稀释剂(diluent)：化学萃取中通常用煤油、已烷、和苯等溶解萃取剂，改善萃取相的物理性质，此时的有机溶剂称为稀释剂。

4 分配定律与分配平衡

分配定律(distribution law)

在恒温恒压下，溶质在互不相溶的两相中达到分配平衡时，溶质在两相中的平衡浓度之比为常数

适应条件：相同分子形态（相对分子质量相同）存在于两相中的溶质浓度之比。不适合于化学萃取，因溶质在各相中并非以同一种分子形态存在。

分配系数(distribution coefficient)或分配比

溶质在两相中的总浓度之比

适应条件：高低浓度

线性平衡：

适应条件：低浓度

Langmuir型平衡

适应条件：高低浓度

a, b和n为常数

5 弱电解质的分配平衡

6 化学萃取

化学萃取目的

由于氨基酸aa和一些极性较大的抗生素的水溶性很强，在有机相中的分配系数很小甚至为零，利用一般的物理萃取效率很低，甚至无法萃取。

这种情况可用化学萃取解决。

应用

1)、碱性aa的萃取：Arg

2)、酸性aa的萃取：Phe

3)、aa之间的萃取分离

4）、链霉素萃取在中性条件下，链霉素与月桂酸[CH3(CH2)10COOH]可形成易溶于丁醇、

乙酸丁酯和异辛醇的复合物。

反萃取：此复合物在酸性(pH5.5-5.7)条件下可分解。因此用酸性水溶液进行反萃取，使复合物分解，链霉素重新溶于水相中。

5）、柠檬酸萃取柠檬酸在酸性条件下与磷酸三丁酸反应生成中性络合物，该各性络合物易溶于有机相。

然后，反萃取。

6）、青霉素萃取

青霉素为有机酸，可与四丁胺、正十二烷胺等脂肪碱通过离子键结合而容易溶于氯仿中。因此，对于在一定pH下容易物理分配于有机相中的目标产物(如青霉素)，可通过加入萃取剂，增大其在不同的pH的水相中对有机相的分配系数，使其在稳定性高的pH下进行萃取操作。

7 有机溶剂或稀释剂的选择

选择原则：根据相似相溶的原理(最重要参数：介电常数，极性)，选择与目标产物性质相近的萃取剂，可以得到较大分配系数。此外，有机溶剂还应满足以下要求：

1)、价廉易得；

2)、与水相不互溶；

3)、与水相有较大的密度差，并且粘度小，表面张力适中，相分散和相分离较容易；

4)、容易回收和再利用；

5)、毒性低，腐蚀性小，闪点低，使用安全；

6)、不与目标产物发生反应。

常用于抗生素类萃取剂有：丁醇等醇类、乙酸乙酯、乙酸丁酯和乙酸戊酯等乙酸酯类以及甲异丁基甲酮（methyl isobutyl ketone）等。

化学萃取aa的稀释剂主要有: 煤油、乙烷、异辛烷、正十二烷等。

8 乳化现象

乳化：水或有机溶剂以微小液滴形式分散于有机相或水相中的现象。常常发生在实际发酵产物的萃取操作中。产生乳化后使有机相和水相分层困难，出现两种夹带：①发酵液中夹带有机溶剂微滴，使目标产物受到损失；②有机溶剂中夹带发酵液给后处理操作带来困难。

产生原因：是发酵液中存在的蛋白质和固体颗粒等物质，这些物质具有表面活剂性的作用，使有机溶剂和水的表面张力降低，水易于以微小液滴的形式分散于油相称为油包水型W/O 乳浊液；相反，为O/W型乳浊液。

乳化处理

1)、在操作前，对发酵液进行过滤或絮凝沉淀处理，可除去大部分蛋白质及固体微粒，防止乳化现象的发生。

2)、乳化产生后，采取适当的破乳手段。

A 如果乳化现象不严重，可采用过滤或离心沉降的方法。

B 对于O/W型乳浊液，加入亲油性表面活性剂，可使乳浊液从O/W型转变成W/O型，但由于溶液条件不允许W/O型乳浊液的形成，即乳浊液不能存在，从而达到破坏的目的。

C 相反，对于W/O型乳浊液，加入亲水性表面活性剂，如SDS可达到破乳的目的。

第六章吸附与离子交换

1 概述

吸附(adsorption)：溶质从液相或气相转移到固相的现象。