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第一章绪论一、生物分离工程概述1.生物分离在生物技术中所占位置(1) 生物技术(biotechnology)所谓生物技术就是指有机体的操作（如：培养微生物、动物细胞、植物细胞）和利用有机体生产有用物质、改善人类生存环境的技术。
其主要目标是生物物质的高效生产。
因而，按上述定义，早在公元前428年就有了应用生物技术酿酒、制奶酪等的记载。
狭义生物技术的产物仅为化学产品，约有100年的历史。
(2)生物加工过程（bioprocess）即生物技术领域生物产品的生产过程，包括优良生物物种的选育、基因工程、细胞工程、生物反应过程（酶反应、微生物发酵、动植物细胞培养）及目标产物的分离纯化过程(3)生物技术的下游加工过程（downstream processing）：即目标产物的分离纯化过程，也就是生物分离工程因此，生物分离处于生物技术的下游加工过程。
(4)生物技术的上中下游上游：菌种选育，基因工程，分子生物学，遗传学中游：微生物发酵工程，动植物细胞，海洋生物培养——生物反应过程下游：生物分离工程(5) 获得产品的有效途径原料、预处理、生物反应、生物分离、产品工程2. 什么是生物分离工程（Bioseparation Engineering）？从微生物、动植物细胞及其生物化学产品中提取有用物质的技术，包括目标产物的提取（isolation）、浓缩（concentration）、纯化（purification）及成品化（product polishing）等过程。
生物分离工程的发展历史已经有几百年的历史了——最早的分离技术有蒸馏(从鲜花和香草料中提取天然的香料)、过滤等原始方法。
其特性主要体现在生物产物的特殊性、复杂性和对生物产品要求的严格性上。
分离过程的成本往往占整个生产过程成本的大部分。
而分离过程的质量往往决定整个生物加工过程的成败。
3.生物分离的应用（1）医药：抗生素、激素、维生素（2）食品：乳酪（3）化工：氨基酸（4）精细化工：化妆品、香料（5）农业：农药（6）生物：酶4.生物分离的历史生物分离工程的发展已经有几百年的历史了——最早的分离技术有蒸馏、过滤等原始方法如：从牛奶中提取奶酪；16世纪人们发明了用水蒸气蒸馏从鲜花与香草料中提取天然香料的方法；近代生物分离技术是在欧洲工业革命以后逐渐发展形成的最早的开发是由于发酵制酒精以及有机酸分离提取的需要；20世纪40年代初，开始出现大规模深层发酵生产抗菌素；近年来发展起来的利用基因工程菌生产人造胰岛素，人与动物疫苗等产品5．生物物质和生物分离（1）生物物质A. 种类繁多，包括小分子化合物、生物大分子、细胞、生物体组织等B. 来源：自然界存在的各种生物资源、生物反应过程生产的各种有用生物物质，如生物医药、疫苗、生物材料、食品添加剂、饲料、化妆品等等，其中与人类健康直接相关的治疗药物和疫苗是生物分离工程研究的重要内容。
生物分离工程（最好能有时间过过ppt）1.定义：生产粗原料的过程及其之后的目标产物的分离纯化过程，即下游加工过程；2.下游加工过程：目标产物的分离纯化。
包括目标产物的提取、浓缩、纯化及成品化等3.特点及其重要性：(1)发酵液或培养液是产物浓度很低的水溶液；(2)培养液是多组分的混合物；(3)生化产物的稳定性差——易引起产物失活；(4)对最终产品的质量要求很高。
4.下游加工过程的一般流程:(1)下游加工过程的一般流程;（2）初步纯化;（3）高度纯化与精制;（4）成品加工5.分离效率的评价:目标产品的浓缩程度/分离纯化程度/回收率6.提高回收率的方法：（1）提高每步回收率，（2）减少操作步骤；（3）开发新型高效的分离方法第二章发酵液预处理和固液分离首先要进行培养液的预处理和固液分离，才能进行后续操作：对于胞外产物，可先将菌体或其他悬浮杂质去除，才能从澄清的滤液中提取代谢产物。
对于胞内产物，首先富集菌体，再进行细胞破碎和碎片分离，然后提取胞内产物。
1.发酵液的基本特性：发酵产物浓度较低，大多为1-10%；悬浮物颗粒小，细胞的相对密度与培养液相似；固体粒子可压缩性大；液相粘度大，大多为非牛顿型流体，不易过滤；悬浮状态稳定：双电层、水化膜、布朗运动成分复杂，杂质较多。
2.预处理的目的：促进从悬浮液中分离固形物的速度，提高固液分离的效率：⑴改变发酵液的物理性质，包括增大悬浮液中固体粒子的尺寸，降低液体黏度；⑵相对纯化，去除发酵液中的部分杂质（高价无机离子和杂蛋白质），以利于后续各步操作；⑶尽可能使产物转入便于后处理的一相中（多数是液相）。
3.预处理手段：絮凝与凝聚处理过程就是将化学药剂预先投加到悬浮液中，改变细胞、菌体和蛋白质等胶体粒子的分散状态，破坏其稳定性，使其聚集起来,增大体积以便固液分离。
常用于菌体细小而且黏度大的发酵液的预处理中。
其余手段：加热，调节pH。
凝聚：胶体粒子在中性盐促进下脱稳相互聚集成大粒子（1mm），机理：1）中和粒子表面电荷;2）消除双电层结构;3）破坏水化膜。
膜分离过程概述利用具有一定选择性透过的过滤介质进行物质分离的技术。
膜分离的特点（1）能耗低，无相变（2）操作条件温和（3）污染难清除，不能耐受极端条件（4）需与其它技术结合应用膜分离技术膜分离的概念：利用膜的选择性（孔径大小），以膜的两侧存在的能量差作为推动力，由于溶液中各组分透过膜的迁移率不同而实现分离的一种技术。
在一种流体相间有一层薄的凝聚相物质，把流体相分隔开来成为两部分，这一薄层物质称为膜。
膜本身是均一的一相或由两相以上凝聚物构成的复合体，被膜分开的流体相物质是液体或气体膜的厚度应在0.5mm以下，否则不能称其为膜。
膜分离技术的类型和定义膜分离过程的实质是物质透过或被截留于膜的过程，近似于筛分过程，依据滤膜孔径大小而达到物质分离的目的，故而可以按分离粒子大小进行分类：膜分离与物质分子大小渗透（osmosis）和透析（dialysis）渗透（osmosis）：是一个扩散过程，在膜两边渗透压差的作用下溶剂产生流动。
透析（dialysis）：是利用膜两边的浓度差从溶液中分离出小分子物质的过程。
透析过滤在过程中不断加入水或缓冲液，保持较高的通量。
透析过程与渗透过程相互重叠。
微滤（microfiltration）：以多孔细小薄膜为过滤介质，压力为推动力，使不溶性物质得以分离的操作，孔径分布范围在0.025~14.000μm之间；超滤（ultrafiltration）：分离介质同上，但孔径更小，为0.001~0.020 μm，分离推动力仍为压力差，适合于分离酶、蛋白质等生物大分子物质；反渗透（reverse osmosis）：是一种以压力差为推动力，从溶液中分离出溶剂的膜分离操作，孔径范围在0.0001~0.0010 μm之间；（由于分离的溶剂分子往往很小，不能忽略渗透压的作用，故而成为反渗透）纳滤：以压力差为推动力，从溶液中分离300~1000小分子量的膜分离过程，孔径分布在平均2nm；电渗析：（electrodialysis）以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性，从溶液中脱除或富集电解质的膜分离操作；6. 气体透过（gas permeation）利用微孔或无孔膜进行气体分离膜的分类按孔径大小：微滤膜、超滤膜、反渗透膜、纳滤膜按膜结构：对称性膜、不对称膜、复合膜按材料分：合成有机聚合物膜、无机材料膜对称膜结构与方向无关的膜，孔径不规则或一定非对称膜分离层（活性膜）和多孔支持膜、活性膜要朝向待浓缩的原液层、两层膜是同一种材料复合膜活性膜层沉积于具有微孔的底膜（支撑层）表面上、表层与底层是不同的材料、膜的性能与活性膜和底层膜都有关系荷电膜（离子交换膜）含有溶胀胶载着固定的正电荷或负电荷阴离子交换膜：带正电荷阳离子交换膜：带负电荷微孔膜（0.05~20 m）动态膜在多孔介质上沉积一层颗粒物作为有选择作用的膜沉积层与溶液处于动态平衡可在高温下应用，膜更新容易，不稳定膜材料的特性对于不同种类的膜都有一个基本要求：（1）耐压：膜孔径小，要保持高通量就必须施加较高的压力，一般模操作的压力范围在0.1~0.5MPa 反渗透膜的压力更高，约为1~10MPa（2）耐高温:高通量带来的温度升高和清洗的需要（3）耐酸碱：防止分离过程中，以及清洗过程中的水解；（4）化学相容性：保持膜的稳定性；（5）生物相容性：防止生物大分子的变性；（6）成本低；各种膜材料有机高分子膜：纤维素酯膜、缩合系聚合物（聚砜类）、聚烯烃及其共聚物、脂肪族或芳香族聚酰胺类聚合物、全氟磺酸共聚物和全氟羧酸共聚物、聚碳酸酯；无机多孔膜：陶瓷膜膜过滤的基本概念和理论超滤和反渗透目的：将溶质通过一层具有选择性的薄膜，从溶液中分离出来。
第一章生物分离工程概述1.1生物分离在生物技术中所占位置1生化分离工程的定义：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。
2、单元操作：完成一道工序所需的一种方法和手段。
3、生物技术：即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。
4、生物技术的目标：就是指利用培养微生物、动物细胞、植物细胞来生产对人有用的产品。
生物技术的主要目标是生物物质的高效生产，分离纯化是生物产品工程的重要环节，因此生物分离是生物技术的重要组成部分。
5、狭义生物技术的产物仅为化学产品，约有100年的历史。
6、获得产品的有效途径：原材料、预处理、生物反应、生物分离、产物7、传统发酵与现代发酵比较1.2 生物物质和生物分离1.2.1 生物物质种类繁多，包括自然界存在的各种生物资源。
现代生物技术主要通过生物反应过程生产各种物质。
现代生物技术产品的主体是蛋白质药物。
1.2.2 生物分离过程1.3生物分离的特点：A生物工程的主要特点是生物制品多种多样。
产品的多样性导致分离方法的多样性。
B绝大多数生物分离方法来源于化学品的分离方法。
C生物分离一般比化工分离难度大。
a成分复杂,固体成分包括完整有机体、培养基及底物中的不溶物，液体成分包括底物可溶物、代谢中产物及目标产物。
b悬液中的目标产物浓度低.1.4生化产品的类型：按用途分类：食品类。
保健品类。
医用类产品。
农业用产品。
生物试剂类。
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2.生物分离与一般化学分离方法的比较2.1、分离过程的分类：•机械分离（离心、过滤）•传质分离（平衡分离、速率分离）▪平衡分离—萃取、吸附、沉淀、结晶、层析等▪速率分离—膜分离、电渗析、透析2.2生物产品特点：①产物浓度低的水溶液(原因：a 氧传递限制；b 细胞量; c 产物抑制②组分复杂(a 大分子; b 小分子; c 可溶物; d 不可溶物; e 化学添加物③产物稳定性差( a 化学降解(pH , 温度); b 微生物降解（酶作用，染菌）④分批操作，生物变异性大⑤质量要求高（药品或食品）2.3生物产品要求高质量：纯度、卫生、生物活性分离过程的成本占产品总投资的大部分，因此必须仔细考虑和设计产品的回收和纯化过程。
