1緒論
1.1生物技術與生物分離
1.2生物物質和生物分離
1.2.1生物物質
1.2.2生物分離過程
1.3生物分離過程的特點
1.4生物分離技術和原理
1.4.1物理性質
1.4.2化學性質
1.4.3生物學性質
1.5生物分離效率
1.5.1分離方法和設備
1.5.2分離過程和產品
1.6本章總結
參考文獻
2細胞分離與破碎
2.1細胞分離
2.1.1重力沉降
2.1.2離心沉降
2.1.3過濾
2.2細胞破碎
2.2.1細胞的結構
2.2.2細胞破碎和產物釋放
2.2.3細胞破碎技術
2.2.4目標產物的選擇性釋放
2.3本章總結
習題
參考文獻
3初級分離
3.1沉澱分級
3.1.1蛋白質的表面特性
3.1.2鹽析沉澱
3.1.3等電點沉澱
3.1.4有機溶劑沉澱
3.1.5熱沉澱
3.1.6其他沉澱法
3.2泡沫分離
3.2.1泡沫分離原理
3.2.2泡沫分離設備和過程
3.2.3泡沫分離的應用
3.3本章總結
習題
參考文獻
4膜分離
4.1各種膜分離法及其原理
4.1.1反滲透
4.1.2超濾和微濾
4.1.3透析
4.1.4電滲析
4.1.5滲透汽化
4.2膜材料及其特性
4.2.1膜材料
4.2.2膜的結構
4.2.3水通量
4.3膜組件
4.3.1管式膜組件
4.3.2平板式膜組件
4.3.3螺旋卷式膜組件
4.3.4中空纖維(毛細管)式膜組件
4.4操作特性
4.4.1濃度極化模型
4.4.2超濾膜的分子截留作用
4.5影響膜分離速度的主要因素
4.5.1操作形式
4.5.2流速
4.5.3壓力
4.5.4料液濃度
4.6膜分離過程
4.6.1分離操作
4.6.2錯流過濾過程的流體力學
4.7膜的污染與清洗
4.8應用
4.8.1菌體分離
4.8.2小分子發酵產物的回收
4.8.3蛋白質的回收、濃縮與純化
4.8.4膜生物反應器
4.9本章總結
習題
參考文獻
5萃取
5.1基本概念
5.1.1萃取
5.1.2反萃取
5.1.3物理萃取和化學萃取
5.2分配定律與分配平衡
5.3有機溶劑萃取
5.3.1弱電解質的分配平衡
5.3.2化學萃取平衡
5.3.3溶劑萃取操作
5.4液液萃取操作
5.4.1混合.澄清式萃取
5.4.2多級錯流接觸萃取
5.4.3多級逆流接觸萃取
5.4.4分餾萃取
5.4.5微分萃取
5.5雙水相萃取
5.5.1雙水相繫統
5.5.2雙水相中的分配平衡
5.5.3影響分配繫數的各種因素
5.5.4雙水相萃取操作
5.6液膜萃取
5.6.1液膜的種類
5.6.2液膜萃取機理
5.6.3液膜萃取操作
5.7反膠團萃取
5.7.1反膠團及其基本性質
5.7.2反膠團的溶解作用
5.7.3反膠團萃取操作
5.8液固萃取(浸取)
5.8.1液固萃取操作及設備
5.8.2浸取劑
5.9超臨界流體萃取
5.9.1超臨界流體的性質
5.9.2超臨界流體萃取操作
5.9.3應用
5.10本章總結
習題
參考文獻
6吸附分離技術和理論基礎
6.1吸附分離介質
6.1.1吸附劑
6.1.2離子交換劑
6.2吸附平衡
6.2.1吸附等溫線
6.2.2離子交換的計量置換模型
6.2.3空間質量作用模型
6.3吸附過程傳質動力學
6.3.1液相擴散
6.3.2固相擴散
6.4固定床吸附
6.5固定床吸附過程理論
6.5.1表面吸附速率控制
6.5.2液膜擴散速率控制
6.5.3內擴散速率控制
6.6其他吸附操作
6.6.1膨脹床吸附
6.6.2移動床和模擬移動床吸附
6.6.3攪拌釜吸附
6.7本章總結
習題
參考文獻
7色譜
7.1色譜原理與分類
7.1.1原理
7.1.2分類
7.2色譜過程理論基礎
7.2.1平衡模型
7.2.2理論板模型
7.2.3傳質速率模型
7.3分離度
7.4凝膠過濾色譜
7.4.1原理與操作
7.4.2凝膠過濾色譜介質
7.4.3影響分離的因素
7.4.4凝膠過濾色譜的應用
7.4.5凝膠過濾色譜的特點
7.5離子交換色譜
7.5.1原理與操作
7.5.2線性梯度洗脫色譜
7.5.3逐次洗脫色譜
7.5.4離子交換色譜的應用及特點
7.6疏水性相互作用色譜
7.6.1原理
7.6.2疏水性吸附劑
7.6.3色譜操作
7.6.4疏水性相互作用色譜的特點
7.7色譜聚焦
7.7.1原理與操作
7.7.2多緩衝劑與多緩衝離子交換劑
7.7.3色譜聚焦的應用
7.8反相色譜
7.9羥基磷灰石色譜
7.10流通色譜
7.11置換色譜
7.12本章總結
習題
參考文獻
8親和色譜
8.1生物親和作用
8.1.1親和作用的本質
8.1.2影響親和作用的因素
8.1.3親和作用體繫
8.2親和色譜原理
8.3親和色譜介質
8.3.1親和配基
8.3.2親和吸附劑及其制備方法
8.3.3間隔臂的作用
8.4親和吸附平衡
8.4.1親和吸附等溫線
8.4.2色素親和吸附平衡
8.5親和色譜過程和應用
8.5.1親和色譜過程
8.5.2親和色譜的應用
8.6親和膜色譜
8.6.1原理和特點
8.6.2應用
8.7本章總結
習題
參考文獻
9蛋白質復性
9.1包含體的形成和性質
9.1.1包含體的形成
9.1.2包含體的性質
9.1.3包含體的胞內抑制
9.2包含體的純化和溶解
9.2.1包含體的分離純化
9.2.2包含體的溶解
9.3蛋白質復性
9.3.1稀釋復性
9.3.2輔助因子的作用
9.3.3分子伴侶和人工分子伴侶
9.3.4復性色譜
9.3.5反膠團溶解復性
9.3.6荷電粒子促進同電荷蛋白質
復性
9.4本章總結
習題
參考文獻
10結晶
10.1結晶原理
10.1.1溶解度
10.1.2過飽和溶液與介穩區
10.1.3成核
10.2結晶的生長
10.2.1生長速率
10.2.2ΔL定律
10.3結晶過程設計基礎
10.3.1晶體粒度分布
10.3.2粒數衡算方程
10.4結晶器
10.4.1冷卻結晶器
10.4.2蒸發結晶器
10.5結晶操作及其應用
10.5.1結晶操作特性
10.5.2應用
10.6本章總結
習題
參考文獻
11干燥
11.1干燥速度
11.1.1傳導干燥
11.1.2對流干燥
11.2濕空氣和物料中水分的性質
11.2.1濕空氣的性質
11.2.2物料中的水分
11.3干燥過程
11.3.1盤架傳導干燥
11.3.2球形粒子對流干燥
11.4干燥設備及其應用
11.4.1盤架干燥器
11.4.2冷凍干燥器
11.4.3傳送帶式干燥器
11.4.4轉筒干燥器
11.4.5氣流干燥器
11.4.6流化床干燥器
11.4.7噴霧干燥器
11.5本章總結
習題
參考文獻
部分習題答案

第三版前言
近十年來，我國生物工程高等教育發展迅速。據報道，截至2012年中國大陸已有290個高等院校設立了“生物工程”本科專業，與其密切相關的“生物技術”本科專業更多，達到345個高校。隨著生物工程一級學科的設立，生物工程本科教育所面臨的主要課題將是整合資源，提高教育教學質量，滿足社會需求。教材建設是其中重要的一環。
本書初版於1998年面世，距今已過去14年,多年來，本書得到了有關教育界和科技界的關注。期間，國內各大學從事“生物分離工程”教學的同事們向作者提出了許多寶貴的意見和建議，使作者受到很大啟發。同時，作者在教學和科研工作中也發現了一些問題和不足。例如，本書涉及的部分理論內容難度較高，主要適用於研究生教學參考；有些內容涉及的生物分離技術處在研究發展階段，並未在生產實踐中應用。這些內容並不適合本科生學習掌握。因此，本書第三版除整體內容的更新外，還重點進行了以下4個方面的修訂。
（1）刪除部分理論性較強的內容，包括大部分模型的推導、第5章中部分與萃取動力學相關的內容、第6章的吸附過程傳質動力學理論、第7章的置換色譜理論、第8章的親和色譜過程分析等。
（2）刪除或簡化了對某些分離方法的介紹，如刪除了第二版的第9章“電泳和電色譜”和第8章的“其他親和分離技術”一節；簡化了對第6章中“膨脹床吸附”以及第7章中“流通色譜”和“置換色譜”的講解。
（3）補充和更新了部分內容，如第5章中的雙水相膠團繫統，第9章中的荷電粒子促進同電荷蛋白質復性等內容。
（4）在每章的最後，增加“本章總結”一節，概括一章的重點和有關分離技術的關鍵點，並展望有關生物分離技術和理論的發展。其中所引的文獻可供教師在教學中參考使用，或方便學生進一步閱讀學習。
在第三版即將付梓之際，作者衷心感謝清華大學瀋忠耀教授！14年前瀋先生為本書初版撰寫的序言，至今仍然激勵著作者積極投身於生物分離工程研究和教學工作。同時，感謝我在天津大學和國內其他單位的同事、同行、學長和領導多年來的支持和鼓勵。此外，我要感謝過去近20年從本實驗室畢業的一百多名研究生以及目前在讀的三十多名研究生。除了感謝他們中的部分人（見前兩版的前言）對本書第三版所做的付出外，還要感謝他們所有人對實驗室的發展和生物分離工程研究所做的貢獻！最後，仍然需要特別感謝我的家人多年來對我的關懷和支持，使我有充足的時間和精力投身於教學科研工作。


孫彥2012年初鼕於天津大學
第二版前言
近30年來，以基因工程為標志的現代生物技術迅速發展，成為影響世界經濟的主要科學技術之一。進入21世紀，隨著人類基因組工程取得巨大成就，生物技術步入了後基因組時代。蛋白質組學、藥物基因組學、生物信息學和繫統生物學研究蓬勃興起，為生物技術的發展注入了巨大的生機和活力。生物技術的主要目標是生物物質的高效生產，而分離純化過程是生物產品工程的重要環節。因此，生物分離工程是生物技術的重要組成部分，在生物技術研究和產業發展中發揮著重要作用。生物分離工程的根本任務是設計和優化分離過程，提高分離效率，降低過程成本；而研究開發高容量、高速度和高分辨率的新技術、新介質和新設備則是生物分離工程發展的主要目標。
《生物分離工程》出版6年來，得到了有關教育界和科技界的廣泛關注，多次重印。但是，初版中多有不完備之處；同時，與生物技術同步，近年來生物分離工程研究也取得了長足的發展。因此，有必要重新修訂，以提高其作為生物工程及相關學科領域本科生與研究生教材的水平，並充分反映生物分離工程研究的最新進展。
本書第二版保留了初版的大部分內容。除文字方面的全面修訂、部分章節標題的改動和章節次序的改變外，主要修訂工作集中在以下4點。
（1）在第2章中刪除了“包含體的分離和蛋白質的復性”一節，新增“蛋白質復性”一章（第10章），以突出蛋白質復性在生物分離過程中的重要性。
（2）吸附和色譜是生物分離過程的核心技術，為加強有關部分的繫統性，對第6章至第8章進行了重點修訂。在第6章中增加了“吸附平衡理論”和“吸附過程傳質動力學”的內容，充實了近年來發展較快的“膨脹床吸附”部分的內容；在第7章中增加了“置換色譜”一節，充實了“流通色譜”（原名“灌注層析”）一節的內容；將第8章標題改為“親和色譜”，突出了色譜方法作為親和分離純化技術主體的重要地位，並增加了親和吸附平衡方面的內容。
（3）第9章更名為“電泳和電色譜”，對內容也進行了部分修訂，強調了電場存在下的色譜方法在生物分離技術中的重要性。
（4）第3章更名為“初級分離”，將“沉澱”部分合並為一節，新增“泡沫分離”一節。
在第二版即將付梓之際，作者對國家自然科學基金委員會、國家教育部、天津市科委和天津市教委等部門多年來提供的基金資助表示誠摯的謝意，該書中有關作者的研究成果都是在上述多項基金資助下取得的。同時，作者衷心感謝國家教育部將此書列為國家“十五”規劃教材並提供基金資助；天津大學也對本書出版提供了大力支持，激勵作者盡最大努力完成了修訂工作。史清洪博士在繁忙的教學科研工作之餘通讀了書稿，提出許多修改意見，作者對其敬業精神和辛勤勞動深表謝意。在書稿整理過程中，本室研究生楊征、楊坤、施揚、佟曉鼕和孫國勇等同學在文獻整理和繪圖等方面提供了大力協助，在此一並表示感謝。最後，特別感謝我的家人多年來對我的關懷和支持，使我有充足的時間和精力投身於教學科研工作。


孫彥2004年9月於天津大學
初版前言
分離過程貫穿於人們的日常生活以及社會的生產實踐中，在化學工業、生物工業、資源開發和環境保護等領域發揮著重要作用。就生產實踐而言，分離過程的重要性在於，天然的以及化學和生物過程所產生的物質，均不同程度地與其他物質以混合物的形式存在。有用物質的最終產品需要達到較高的純度，而有害物質需要充分淨化和妥善處理，這些都必須借助各種分離操作加以實現。混合物的分離不能自發進行，需要外界能量。這種能量可以儲存於分離介質中，或者通過分離設備以熱能和（或）機械能的形式提供。因此，高效分離介質、分離技術與設備的開發和設計是生產實踐的重要環節。對於生物物質，由於其性質和用途的特殊性，需要特殊的分離技術和更多步驟的分離過程，進一步增加了分離操作的難度，使分離過程在生物技術產業中的地位愈顯重要。近30年來，高效生物分離技術的研究開發一直是產學界注目的焦點，取得了許多重要研究成果。可以預計，隨著21世紀生物技術產業的飛速發展，生物分離技術的研究開發將得到更廣泛的重視，人纔需求將不斷增長，競爭更趨激烈。因此，生物化工高等教育面臨著更大的機遇和挑戰。
作者從1993年春開始為天津大學生物化工專業碩士研究生開設“高等生物分離工程”學位課，其間深感由於教學資料零散給學生掌握授課內容帶來的困難。有鋻於此，從1993年夏起，作者結合科研工作，著手“生物分離工程”講義的編寫。1995年後，由於生物化工專業本科生“生化分離工程”教學的需要，又對原講義內容做了全面充實，加強了內容的繫統性和完整性，形成本書的初稿。後經反復增刪，並請資深教授審閱，最終完成了本書的修改工作。與此同時，書稿經過近年本科生和研究生課教學實踐的檢驗，收到了良好的教學效果。因此，本書的大部分章節可作為本科生教材，部分章節可用於研究生的教學參考書。
本書重點闡述了近年來生物物質、特別是蛋白質類生物大分子的分離技術和理論的重要發展，如新型液液萃取、膜分離、色譜、電泳和親和分離純化技術等。對於涉及“化工原理”教材中較多的內容，如離心分離、過濾和干燥等從簡介紹，僅針對其在生物過程中的應用背景略做闡述。
全書共分11章，其中第4章至第9章是本書的核心。第1章概述生物分離過程（生物下遊加工過程）、分離操作和各種生物物質；第2章介紹了細胞分離和破碎的主要方法，以及基因重組包含體蛋白質的復性；第3章以鹽析沉澱為主，簡述蛋白質的各種沉澱分級方法和動力學；第4章闡述了萃取的原理和萃取過程的設計基礎，萃取方法既包括傳統的溶劑萃取和浸取，也包括雙水相萃取、液膜萃取、反膠團萃取和超臨界流體萃取等新型萃取技術；第5章以超濾和微濾為中心，介紹各種膜分離技術的原理、特點和應用；第6章以固定床吸附過程理論為重點，介紹了主要吸附劑和離子交換劑、吸附和離子交換平衡、膨脹床和流化床等新型吸附分離方法；第7章以凝膠過濾和離子交換層析為重點，介紹層析過程的基本理論和各種層析方法的原理、層析介質、特點和應用；第8章闡述了生物親和作用的本質，重點介紹了親和層析的相關技術和過程理論，並概述了近年來不斷發展的其他親和純化技術的原理和研究現狀；第9章介紹了蛋白質的各種電泳分離方法；第10章介紹結晶原理、結晶動力學、主要工業結晶器和結晶操作與應用；第11章簡要介紹干燥的一般原理、干燥過程的基礎理論和生物過程中的主要干燥設備。
清華大學瀋忠耀教授、天津大學王世昌教授和王靜康教授在百忙中審閱了本書稿，提出許多寶貴的意見和建議。瀋忠耀教授欣然為本書作序，體現了老一代科學家對青年教師的熱情支持與鼓勵。作者謹向三位先生表示崇高的敬意和衷心的感謝。作者還特別感謝天津市教委和天津大學分別將本書作為重點教材立項，使其得以順利出版。
在本書整理過程中，本研究室歷屆研究生何利中、史清洪、李凌燕、李玉龍和金仙華等同學參與了部分書稿的計算機文字處理工作。化學工業出版社領導對本書的出版給予了大力支持，在此謹向他們表示真誠的謝意。另外，借此機會，作者向各界朋友、老師、學長、同事以及天津大學各級領導多年來給予作者的支持、鼓勵和教誨表示感謝。
生物分離工程是蓬勃發展中的學科領域，由於作者知識和經驗有限，加之時間較短，書中錯誤和不足之處在所難免，敬請讀者給予批評指正。如果本書能激發更多青年學子投身於生物工程研究和生產實踐，並成為生物工程研究和教育工作者的實用參考書，將是作者編著此書的最大收獲。


孫彥1998年盛夏於天津大學