《生物分离工程》课程笔记

《生物分离工程》课程笔记
第一章绪论
一、生物分离工程的历史及应用
1. 历史
生物分离工程的历史可以追溯到古代酿酒和面包制作时期，但作为一个独立领域的发展始于20世纪。

早期的生物分离技术主要依靠自然现象，如沉淀、结晶等。

随着科技的发展，尤其是生物技术的崛起，生物分离工程逐渐形成一门独立的学科，并得到了迅速发展。

2. 应用
生物分离技术在医药、食品、农业、环境保护等领域有广泛的应用。

例如，在疫苗生产中，需要从细胞培养液中分离出病毒或细菌；在抗生素提取中，需要从发酵液中提取抗生素；在蛋白质纯化中，需要从混合蛋白质中分离出目标蛋白质；在果汁澄清中，需要去除果汁中的悬浮固体等。

二、生物分离过程的特点
1. 复杂性
生物分离过程涉及生物大分子（如蛋白质、核酸、多糖等）的分离和纯化，这些生物大分子在结构和性质上具有很高的复杂性，因此生物分离过程也具有较高的复杂性。

2. 多样性
生物分离过程中，针对不同的生物大分子和混合物，需要采用不同的分离方法和工艺，因此生物分离过程具有很高的多样性。

3. 灵敏度
生物大分子在分离过程中容易受到外界因素的影响，如温度、pH值、离子强度等，因此生物分离过程需要严格控制条件，具有很高的灵敏度。

4. 易失活性
生物大分子在分离过程中容易发生变性、降解等失活现象，因此生物分离过程需要尽量减少这些失活现象的发生。

5. 高价值
生物大分子往往具有很高的经济价值，如药物、生物制品等，因此生物分离过程需要高效、高收率地分离目标物质，以满足市场需求。

第二章过滤
一、过滤基本概念及预处理
1. 过滤基本概念
过滤是一种基于孔径大小实现固体与流体分离的技术。

在生物分离工程中，过滤技术被广泛应用于细胞培养液、发酵液、酶反应液等混合物的初步分离和纯化。

过滤过程中，混合物通过过滤介质（如滤纸、滤膜等），固体颗粒被拦截在过滤介质上，而流体则通过过滤介质流出，从而实现分离。

2. 预处理
为了提高过滤效率，通常需要对混合物进行预处理。

预处理方法包括调整pH值、温度、添加助滤剂等。

调整pH值可以改变混合物中固体颗粒的电荷性质，促进絮凝作用，有利于过滤。

温度的调整可以改变混合物的粘度，影响过滤速率。

添加助滤剂可以提高过滤介质的过滤性能，减少过滤过程中的阻力。

二、过滤基本理论
1. 滤饼过滤
滤饼过滤是指在过滤过程中，固体颗粒在过滤介质上形成一层滤饼，随着滤饼厚度的增加，过滤阻力逐渐增大，过滤速率逐渐降低。

滤饼过滤适用于固体颗粒含量较高的混合物分离。

2. 深层过滤
深层过滤是指固体颗粒被拦截在过滤介质的深层，而不是形成滤饼。

深层过滤适用于固体颗粒含量较低的混合物分离。

3. 表面过滤
表面过滤是指固体颗粒被拦截在过滤介质的表面，适用于颗粒较小或粘性较大的混合物分离。

4. 过滤速率
过滤速率是指单位时间内流体通过过滤介质的体积。

过滤速率与过滤面积、过滤压力、滤饼阻力等因素有关。

5. 阻力
过滤过程中的阻力包括滤饼阻力、深层阻力和表面阻力。

滤饼阻力与滤饼厚度和颗粒大小有关；深层阻力与过滤介质的孔隙率和颗粒大小有关；表面阻力与过滤介质的表面性质有关。

6. 毛细管作用
毛细管作用是指在细管中，由于表面张力的作用，液体上升或下降的现象。

在过滤过程中，毛细管作用会影响过滤速率和滤饼的形成。

三、连续旋转式过滤机
连续旋转式过滤机是一种高效的过滤设备，通过旋转过滤盘实现连续固液分离。

其主要特点包括：
1. 高效：连续旋转式过滤机具有较高的过滤速率和处理能力，适用于大规模生产。

2. 易清洗：过滤介质可以快速更换和清洗，降低了操作难度和维护成本。

3. 操作简便：连续旋转式过滤机自动化程度较高，操作简便，降低了人工成本。

4. 应用广泛：连续旋转式过滤机适用于不同类型的混合物分离，具有较高的适应性。

第三章离心
一、离心的基本概念
离心是一种利用离心力实现混合物中各组分离的技术。

当混合物在离心机中旋转时，由于离心力的作用，密度较大的组分会向离心轴外部移动，而密度较小的组分则会向离心轴内部移动，从而实现分离。

二、管式离心机与碟片式离心机
1. 管式离心机
管式离心机主要由转筒、螺旋推进器和驱动装置组成。

转筒呈圆柱形，内部装有待分离的混合物。

转筒高速旋转时，混合物在离心力的作用下发生分离，固体颗粒沉积在转筒内壁上形成滤饼，流体则通过滤饼流出。

螺旋推进器将滤饼推向转筒出口，实现连续分离。

2. 碟片式离心机
碟片式离心机主要由转盘、碟片、驱动装置和流体输送系统组成。

转盘上安装有多个碟片，形成一系列分离室。

混合物进入分离室后，在离心力的作用下，固体颗粒向离心轴外部移动，流体则向离心轴内部移动，从而实现分离。

碟片式离心机适用于颗粒较小、浓度较低的混合物分离。

三、离心过滤装置
1. 离心过滤
离心过滤是指利用离心力实现混合物中固体颗粒与流体的分离。

离心过滤装置主要包括离心机和过滤介质（如滤纸、滤膜等）。

混合物在离心力的作用下，固体颗粒被拦截在过滤介质上，而流体则通过过滤介质流出。

2. 离心沉降
离心沉降是指利用离心力实现混合物中固体颗粒的沉降。

离心沉降装置主要包括离心机和沉降室。

混合物在离心力的作用下，固体颗粒向离心轴外部移动，并在沉降室内沉积，从而实现分离。

3. 离心澄清
离心澄清是指利用离心力实现混合物中固体颗粒与流体的分离。

离心澄清装置主要包括离心机和澄清室。

混合物在离心力的作用下，固体颗粒向离心轴外部移动，并在澄清室内沉积，流体则通过澄清室流出。

第四章细胞破碎
一、细胞壁的特点
细胞壁是细胞外层的结构，具有保护细胞、维持细胞形态和稳定性的功能。

不同类型的细胞壁具有不同的结构和成分，主要包括以下几类：
1. 植物细胞壁
植物细胞壁由纤维素、半纤维素、果胶和蛋白质等组成，具有较好的机械强度和稳定性。

纤维素是植物细胞壁的主要成分，形成纤维素微纤丝，赋予细胞壁较强的抗拉强度。

半纤维素和果胶则填充在纤维素微纤丝之间，起到粘合作用。

2. 细菌细胞壁
细菌细胞壁由肽聚糖和蛋白质等组成，具有较好的机械强度和稳定性。

肽聚糖是细菌细胞壁的主要成分，由糖链和肽链交替连接而成，形成稳定的网状结构。

3. 真菌细胞壁
真菌细胞壁由纤维素、几丁质、蛋白质和多糖等组成，具有较好的机械强度和稳定性。

几丁质是真菌细胞壁的主要成分，形成几丁质纤维，赋予细胞壁较强的抗拉强度。

4. 动物细胞壁
动物细胞没有细胞壁，而是由细胞膜包裹。

细胞膜是由磷脂双分子层和蛋白质等组成，具有较好的柔韧性和选择性通透性。

二、常见的化学破碎方法与原理
1. 酶解法
酶解法是利用酶对细胞壁的降解作用实现细胞破碎。

根据细胞壁的成分和结构，选择合适的酶进行降解。

例如，纤维素酶可以降解植物细胞壁中的纤维素，蛋白酶可以降解细菌细胞壁中的肽聚糖。

2. 酸碱处理法
酸碱处理法是利用酸或碱对细胞壁的降解作用实现细胞破碎。

酸处理可以降解细胞壁中的糖类和蛋白质，碱处理可以降解细胞壁中的纤维素和肽聚糖。

三、常见的物理破碎方法与原理
1. 高压均质法
高压均质法是利用高压泵将混合物通过均质阀，产生高速流动和局部压力降低，实现细胞破碎。

高压均质法适用于植物细胞、细菌细胞和酵母细胞等。

2. 超声波破碎法
超声波破碎法是利用超声波在液体中产生空化和剪切力，实现细胞破碎。

超声波破碎法适用于动物细胞、细菌细胞和酵母细胞等。

3. 珠磨法
珠磨法是利用珠磨机中的珠子与混合物剧烈碰撞，产生剪切力和冲击力，实现细胞破碎。

珠磨法适用于植物细胞、真菌细胞和酵母细胞等。

第五章萃取
一、萃取原理
萃取是一种利用两相溶剂的分配系数差异实现目标物质从一相转移到另一相的技术。

在生物分离工程中，萃取技术被广泛应用于抗生素、蛋白质、酶等生物大分子的提取和纯化。

1. 萃取基本原理
萃取过程中，混合物与两相溶剂接触，目标物质在两相溶剂中分配，并达到动态平衡。

根据目标物质在两相溶剂中的溶解度和分配系数，可以选择合适的溶剂和操作条件，实现目标物质的有效分离。

2. 萃取剂选择
萃取剂的选择是影响萃取效果的关键因素。

理想的萃取剂应具有良好的溶解性、选择性、稳定性、挥发性、安全性和经济性等特点。

常用的萃取剂包括水、有机溶剂（如醇、酮、醚、酯等）、超临界流体（如二氧化碳）等。

二、反胶团萃取
1. 反胶团萃取原理
反胶团萃取是利用表面活性剂在有机相中形成的反胶团对水溶性物质进行萃取。

反胶团是由表面活性剂分子在有机相中自组装形成的纳米级胶束，其内部为亲水性空腔，外部为疏水性壳层。

水溶性物质在反胶团中分配，并实现与水相的分离。

2. 反胶团萃取剂选择
反胶团萃取中，常用的表面活性剂包括非离子型表面活性剂（如聚氧乙烯醚类）、离子型表面活性剂（如十二烷基硫酸钠）和Gemini型表面活性剂等。

选择合适的表面活性剂和有机溶剂，可以提高反胶团萃取的效果。

三、超临界流体萃取
1. 超临界流体萃取原理
超临界流体萃取是利用超临界状态下流体的特殊溶解性能进行萃取，具有无溶剂残留、操作温度低等优点。

超临界流体是指温度和压力处于临界点以上的流体，具有介于液体和气体之间的性质。

常用的超临界流体为二氧化碳。

2. 超临界流体萃取设备
超临界流体萃取设备主要包括萃取器、加热器、冷却器、压缩机、储罐等。

萃取过程中，超临界流体与混合物接触，目标物质在超临界流体中溶解，并通过减压蒸发实现分离。

四、双水相萃取
1. 双水相萃取原理
双水相萃取是利用两种水相不互溶的性质实现物质的萃取，适用于生物大分子的分离。

双水相系统由两种水相组成，分别为上水相和下水相。

目标物质在两水相中分配，并通过离心等操作实现分离。

2. 双水相萃取剂选择
双水相萃取中，常用的上水相和下水相溶液包括聚乙二醇（PEG）/盐溶液、乙二醇/磷酸盐溶液等。

根据目标物质的性质和分离要求，选择合适的上水相和下水相溶液，可以提高双水相萃取的效果。

第六章吸附与离子交换
一、吸附
1. 吸附基本原理
吸附是一种利用固体吸附剂对流体中目标物质的吸附作用实现分离的技术。

在生物分离工程中，吸附技术被广泛应用于抗生素、蛋白质、酶等生物大分子的提取和纯化。

2. 吸附剂选择
吸附剂的选择是影响吸附效果的关键因素。

理想的吸附剂应具有良好的吸附性、选择性、稳定性、再生性和经济性等特点。

常用的吸附剂包括活性炭、硅胶、氧化铝、聚酰胺等。

3. 吸附操作
吸附操作包括吸附、洗脱和再生等步骤。

吸附过程中，混合物通过装有吸附剂的吸附塔，目标物质被吸附剂吸附，其他物质则流出。

洗脱过程中，用洗脱剂将吸附的目标物质从吸附剂上洗脱下来。

再生过程中，用再生剂将吸附剂上的洗脱剂和杂质去除，恢复吸附剂的吸附能力。

二、离子交换
1. 离子交换基本原理
离子交换是一种利用离子交换树脂对溶液中离子的选择性吸附和释放实现分离的技术。

在生物分离工程中，离子交换技术被广泛应用于抗生素、蛋白质、酶等生物大分子的提取和纯化。

2. 离子交换树脂选择
离子交换树脂的选择是影响离子交换效果的关键因素。

理想的离子交换树脂应具有良好的交换性、选择性、稳定性、再生性和经济性等特点。

常用的离子交换树脂包括阳离子交换树脂、阴离子交换树脂和混合离子交换树脂等。

3. 离子交换操作
离子交换操作包括吸附、洗脱和再生等步骤。

吸附过程中，混合物通过装有离子交换树脂的交换柱，目标离子被树脂吸附，其他离子则流出。

洗脱过程中，用洗脱剂将吸附的目标离子从树脂上洗脱下来。

再生过程中，用再生剂将树脂上的洗脱剂和杂质去除，恢复树脂的交换能力。

第七章沉析
一、沉析的基础概念和盐析
1. 沉析基本原理
沉析是一种利用溶液中物质的溶解度差异实现分离的技术。

在生物分离工程中，沉析技术被广泛应用于抗生素、蛋白质、酶等生物大分子的提取和纯化。

2. 盐析原理
盐析是通过添加盐类降低物质的溶解度而使其沉淀。

盐析是一种常见的沉析方法，适用于蛋白质、酶等生物大分子的分离。

3. 盐析剂选择
盐析剂的选择是影响盐析效果的关键因素。

常用的盐析剂包括硫酸铵、硫酸钠、硫酸钾等。

选择合适的盐析剂，可以提高盐析的效果。

二、有机溶剂沉淀
1. 有机溶剂沉淀原理
有机溶剂沉淀是利用有机溶剂降低物质的溶解度而使其沉淀。

有机溶剂沉淀适用于蛋白质、酶等生物大分子的分离。

2. 有机溶剂选择
有机溶剂的选择是影响有机溶剂沉淀效果的关键因素。

常用的有机溶剂包括丙酮、乙醇、甲醇等。

选择合适的有机溶剂，可以提高有机溶剂沉淀的效果。

三、等电点沉淀
1. 等电点沉淀原理
等电点沉淀是利用调节pH值使物质达到等电点而沉淀。

等电点是指物质在溶液中带有正电荷和负电荷的数量相等，净电荷为零的状态。

等电点沉淀适用于蛋白质、酶等生物大分子的分离。

2. pH值调节方法
pH值调节方法包括使用酸碱溶液、缓冲溶液等。

根据物质的等电点，选择合适的pH 值调节方法，可以提高等电点沉淀的效果。

一、膜分离的基本概念
膜分离是一种利用半透膜实现混合物中各组分离的技术。

半透膜是一种具有选择性透过性的薄膜，能够允许某些物质通过，而阻止其他物质通过。

膜分离技术包括微滤、超滤、纳滤、反渗透等，广泛应用于生物制品、药品、食品、环保等领域。

二、膜分离组件
1. 微滤膜
微滤膜是一种孔径较大的膜，能够拦截较大的颗粒和悬浮物质。

微滤膜的孔径一般在0.1-10微米之间，适用于细菌、细胞碎片、颗粒等较大的物质的分离。

2. 超滤膜
超滤膜是一种孔径较小的膜，能够拦截较小的颗粒和溶解物质。

超滤膜的孔径一般在0.01-0.1微米之间，适用于蛋白质、酶、病毒等生物大分子的分离。

3. 纳滤膜
纳滤膜是一种孔径更小的膜，能够拦截更小的颗粒和溶解物质。

纳滤膜的孔径一般在1纳米以下，适用于二价离子、有机物等小分子物质的分离。

4. 反渗透膜
反渗透膜是一种孔径极小的膜，能够拦截大部分溶解物质。

反渗透膜的孔径一般在0.1纳米以下，适用于水中的离子、有机物等小分子物质的分离。

三、膜分离的常见类型
1. 微滤
微滤是一种以压力差为驱动力的膜分离过程，主要用于细菌、细胞碎片、颗粒等较大物质的分离。

2. 超滤
超滤是一种以压力差为驱动力的膜分离过程，主要用于蛋白质、酶、病毒等生物大分子的分离。

3. 纳滤
纳滤是一种以压力差为驱动力的膜分离过程，主要用于二价离子、有机物等小分子物质的分离。

4. 反渗透
反渗透是一种以压力差为驱动力的膜分离过程，主要用于水中的离子、有机物等的分离。

一、色谱技术（一）
1. 色谱基本原理
色谱是一种利用固定相（色谱柱）和流动相（溶剂）实现混合物中各组分离的技术。

色谱技术利用不同物质在固定相和流动相之间的分配系数差异，实现各组分的分离。

色谱技术包括气相色谱、液相色谱、离子交换色谱、凝胶过滤色谱等，广泛应用于生物制品、药品、食品、环保等领域。

2. 色谱分类
根据固定相的状态，色谱可分为气相色谱和液相色谱。

气相色谱以气体为流动相，固定相为固体或液体涂覆在载体上；液相色谱以液体为流动相，固定相为固体填充物或液体涂覆在载体上。

二、色谱技术（二）
1. 气相色谱
气相色谱（GC）是一种以气体为流动相的色谱技术，适用于挥发性或可转化为挥发性物质的分离。

气相色谱包括气相色谱仪、色谱柱、检测器等组件。

样品在色谱柱中分离后，通过检测器检测各组分的浓度变化，从而实现分离。

2. 液相色谱
液相色谱（HPLC）是一种以液体为流动相的色谱技术，适用于非挥发性或大分子物质的分离。

液相色谱包括高压输液系统、色谱柱、检测器等组件。

样品在色谱柱中分离后，通过检测器检测各组分的浓度变化，从而实现分离。

三、色谱技术（三）
1. 离子交换色谱
离子交换色谱（IEC）是一种利用离子交换树脂作为固定相的色谱技术，适用于离子的分离。

离子交换色谱利用离子交换树脂对溶液中离子的选择性吸附和释放，实现离子的分离。

2. 凝胶过滤色谱
凝胶过滤色谱（GFC）是一种利用多孔凝胶作为固定相的色谱技术，适用于根据分子大小分离物质。

凝胶过滤色谱利用多孔凝胶的孔径大小，实现不同大小分子的分离。

一、结晶与晶体
1. 结晶基本原理
结晶是一种利用溶液中物质的溶解度差异实现分离和纯化的技术。

在生物分离工程中，结晶技术被广泛应用于抗生素、蛋白质、酶等生物大分子的提取和纯化。

2. 晶体特点
晶体是结晶过程中形成的具有一定形状和结构的固体。

晶体具有规则的晶格结构，由有序排列的原子、分子或离子组成。

晶体具有较高的纯度和稳定性，有利于生物大分子的保存和应用。

二、晶核的形成
1. 晶核形成原理
晶核形成是结晶过程的关键步骤，涉及成核速率、晶核大小等参数。

晶核的形成受温度、溶液浓度、搅拌速度、添加晶种等因素的影响。

2. 晶核生长
晶核形成后，晶核开始生长，逐渐形成完整的晶体。

晶核生长过程中，溶液中的物质向晶核表面迁移，并在晶核表面沉积，形成新的晶体。

晶核生长受温度、溶液浓度、搅拌速度、添加晶种等因素的影响。

三、结晶操作
1. 结晶条件选择
结晶条件的选择是影响结晶效果的关键因素。

根据目标物质的性质和分离要求，选择合适的结晶温度、溶液浓度、搅拌速度、添加晶种等条件，可以提高结晶效果。

2. 结晶方法
结晶方法包括降温结晶、蒸发结晶、搅拌结晶等。

降温结晶适用于溶解度随温度降低而降低的物质；蒸发结晶适用于溶解度随温度升高而降低的物质；搅拌结晶适用于溶解度随温度变化不大的物质。

3. 结晶设备
结晶设备包括结晶釜、搅拌器、冷却器等。

结晶过程中，混合物在结晶釜中进行搅拌和冷却，以促进晶核的形成和生长。

结晶设备的选择应根据结晶规模和操作要求进行。

一、水分与干燥机理
1. 水分特性
水分是生物制品中常见的成分，其含量和性质对生物制品的稳定性和活性有重要影响。

生物制品中的水分主要来源于细胞培养液、发酵液等原料，以及干燥过程中添加的水分。

水分含量过高会导致生物制品的降解和变性，影响其质量和活性。

2. 干燥机理
干燥是一种去除生物制品中水分的技术。

干燥过程涉及水分的蒸发、迁移和扩散。

水分蒸发是干燥过程中最主要的机制，水分从生物制品表面蒸发，通过气相传输到干燥介质中。

干燥过程还包括水分在生物制品内部的迁移和扩散，以及干燥介质与生物制品之间的传热传质过程。

二、干燥设备与过程
1. 干燥设备
干燥设备是实现生物制品干燥的关键设备。

根据干燥方式和操作条件，干燥设备可分为多种类型，包括热风干燥机、真空干燥机、冷冻干燥机等。

干燥设备的选择应根据生物制品的性质和干燥要求进行。

2. 干燥过程
干燥过程是实现生物制品干燥的关键步骤。

干燥过程包括预干燥、恒速干燥和降速干燥等阶段。

预干燥阶段主要是去除生物制品表面的水分，恒速干燥阶段是去除生物制品内部的水分，降速干燥阶段是进一步降低生物制品的水分含量。

3. 干燥条件选择
干燥条件的选择是影响干燥效果的关键因素。

根据生物制品的性质和干燥要求，选择合适的干燥温度、干燥时间和干燥介质等条件，可以提高干燥效果。