理论课教案
院（系、所、部） 生 物 系 教 研 室 生 物 技 术 课 程 名 称 生物工程下游技术 授 课 对 象 生 物 技 术 专业 职 称 职 务 副 教 授
2007年1月22日
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《生物工程下游技术》课程教学进度表
班级名称 0403 主讲教师 石鹤 总讲 实 上 其 周学生人数 45 辅导教师 学 学开课学期 20071 开课系部 生物系 时 授 验 机 它 时 系部 生物系 专业名称 生物技术
48 48 3
周学时数 次 讲实上其主要教学内容 其它教学活动 备注 授 验 机 它 1 4 绪论2 09.03-09.09 2 2 下游技术的理论基础4 09.10-09.16 3 4 发酵液预处理3 09.17-09.23 4 2 微生物细胞破碎2 09.24-09.29 5 4 国庆放假 10.01-10.07 6 2 萃取法8 10.08-10.14 7 4 沉淀法和吸附法3 10.15-10.21 8 2 膜分离过程4 10.22-10.28 9 4 液膜分离3 10.29-11.04 10 2 离子交换法6 11.05-11.11 11 4 色谱分离3 期中考试 11.12-11.18 12 2 酒精差压蒸馏技术2 11.19-11.25 13 4 结晶技术3 11.26-12.02 14 2 蒸发与干燥3 12.03-12.09 15 4 清洁生产导论2 12.10-12.16 16 2 12.17-12.23 17 4 12.24-12.30 18 2 12.31-01.06 19 2 01.07-01.13 20 01.14-01.20 21 期末复习 01.21-01.27 22 期末考试 01.28-02.03 小计 52 教研室主任 系主任 填写日期 06年 9月 8日 2
授课章节 教学目标与要求 教学重点与难点 教学方法 第一章 绪 论 1. 了解生物工业下游技术的工作领域 2. 生物工业下游技术的一般工艺过程 3. 生物工业下游技术的发展动态 1. 原料及产品特性 2.下游技术的一般工艺过程 讲授；多媒体教学 Section 1: 生物工业下游技术的工作领域 ◆技术范畴 ◆生物工业下游技术的发展历程 Section 2: 生物工业下游技术的一般工艺过程 学时 2 主要 教学内容 ◆原料及产品特性 ◆下游技术的一船工艺过程 Section 3: 生物工业下游技术的发展动态 ◆传统分离技术的提高和完善 ◆新技术的研究和开发 ◆清洁生产 需掌握的专业词汇 Cell; Cell biology; Cell theory 研究进展和参考资料 韩贻仁．分子细胞生物学．第二版．北京：科学出版社，2001 汪堃仁，薛绍白，柳惠图．细胞生物学．第二版．北京：北京师范大学出版社，1998 课后复习题 纵观cell biology发展简史，你认为该学科近百年来快速发展的主要原因是什么？
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生物工业下游技术
第一章 绪 论
下游技术：对于由生物界自然产生的或由微生物菌体发酵的、动植物细胞组织培养的、酶反应等各
种生物工业生产过程获得的生物源料，经提取分离、加工并精制目的成分，最终使其成为产品的技术，通常称为下游技术，也称为下游工程或下游加工过程。
很多工业生物技术产品，包括现代发酵工业产品，其质量的优劣、成本的高低、竞争力的大小，往往与下游技术直接相关。
第一节 生物工业下游技术的工作领域
一、技术范畴
从“下游技术“的含义上来说，除“物质分离”外，还涉及到“产品加工”，目前人们理解的下游技术大多数属于“物质分离”范畴。
❖ 分离是混合的逆过程。由热力学第二定律可知，混合过程是一个墒增加的过程，它是一个自发的过程。而它的逆过程——分离过程，不能自发进行，需要作功才能实现，而且需要有专门的过程和设备。例如将酒精与水分开。 ❖与目的产物混合的杂质包括：
1.生物反应过程中的副产物； 2.未消耗完毕的原料；
3.生产过程中加入的化学试剂； 4.生产设备材料物质。
二、生物工业下游技术的发展历程 1．古代酿造业 2．第一代生物技术 3．第二代生物技术 4．第三代生物技术 (1)固液分离技术 (2)细胞破碎技术
(3)初步分离纯化技术 (4)高度分离纯化技术 (5)其他新型分离技术
第二节 生物工业下游技术的一般工艺过程
一、原料及产品特性
1、杂质：粗原料中带入大量的不参与发酵过程的可溶性杂质和不溶性悬浮物，给下游过程的分离提
取带来了不小的困难，增加了下游操作成本，包括发酵废液的处理成本。
2、产品浓度很低：一些新兴生物技术产品，待处理物料中产品浓度很低，往往低于杂质含量，如L—
异亮氨酸为2.4％，青霉素为3.6％，每千克产品中核黄素仅含几克、胰岛素仅含几十毫克，而且对热、PH、有些甚至对光不稳定。
3、易挥发和氧化：用萃取技术提取有效成分(风味物质)时，如啤酒花需要先进行粉碎，般粉碎机的
机械冲击点处温度高达300℃左右，风味物质极易挥发和氧化造成损失。
4、小分子产品：因分子结构简单，性质相对稳定， 分离技术的可选范围较大。
5、大分子产品：如酶蛋白，除具有一定氨基酸排列的一级结构外，还具有一定立体构象的二、三级
结构，甚至于四级结构，才呈现出生物活性。为保持分离操作后 这些生物活性物质的功能，甚至过度增加剪切率的操作也是不适合的。
6、产物为菌体细胞时：当发酵液进入旋转构件，以及菌体泥浆排出时存在的附加剪切力也会导致菌
体死亡。
7、产品的稳定性：生物活性物质的活性还易受温度、pH、金属离子、无机盐浓度、有机溶媒等环
境因素的影响。制约了下游技术的可选范围。
8、产品安全性：当生物技术产品是食品或药物时，溶媒的使用受到一定的限制，应考虑它们在品质
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或气味上是否污染产物。萃取及色谱的分离介质甚至于膜分离技术
中膜材料的选择，有时也受到限制。
二、下游技术的一船工艺过程
某一具体产品的分离提取工艺与下列情况有关： (1)是胞内产物还是胞外产物； (2)原料中产物和主要杂质浓度；
(3)产物和主要杂质的物理化学特性及差异； (4)产品用途和质量标准； (5)产品的市场价格； (6)废液的处理方法等。
生物工业下游技术大致可分为4个阶段 (1)预处理和固液分离：
固液分离以除去发酵液中的不溶性固形物杂质和菌体细胞。过滤和离心相比，无论是投资费用还是运转费用，前者都要小得多，因而首选方法应是过滤。 (2)提取(初步分离)：
目的是除去与产物性质差异较大的杂质，是目的产物要求有较大浓缩比的过程。 (3)精制(高度纯化)：
目的是去除与产物的物理化学性质比较接近的杂质。通常采用色谱分离，结晶特别是重结晶。 (4)成品制作：
成品形式与产品的最终用途有关，有液态产品也有固态产品，美观的产品形态也是产品档次的一个标志。
第三节 生物工业下游技术的发展动态
一、传统分离技术的提高和完善
蒸馏、蒸发、过滤、离心、结晶和离子交换等传统技术由于应用面广且相对成熟，对它们的提高和完善将会推动大范围的技术进步。 二、新技术的研究和开发 1．新型分离介质的研究开发
膜、树脂和凝胶是目前主要的新型分离介质。 2．子代分离技术
各种分离纯化技术相互结合、交叉、渗透，形成子代分离技术。膜萃取技术；膜蒸馏及渗透蒸发技术；离子交换色谱等。 3．其他新兴下游技术
双水相萃取、超临界ＣＯ２萃取、反胶团萃取。 三、清洁生产
清洁生产(Cleaner Production)：是指将综合预防的环境保护策略持续应用于生产过程和产品中，以期减少对人类和环境的风险。
❖它包括三方面内容，即清洁生产工艺(技术)、清洁产品、清洁能源。
❖清洁生产工艺是生产全过程控制工艺，包括节约原材料和能源，淘汰有毒害的原材料，并在全部排放物和废物离开生产过程以前，尽最大可能减少它们的排放量和毒性，对必须排放的污染物实行综合利用，使废物资源化。
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授课章节 教学目标与要求 第二章 下游技术的理论基础 1. 了解下游技术中的物理学过程 2. 了解下游技术中的化学过程 3. 了解下游技术中的生物学过程 1. 平衡论； 2.传递现象； 3.下游技术中的化学反应。 讲授；多媒体教学 Section 1: 下游技术中的物理学过程 ◆基础物性 ◆分类 ◆平衡论 ◆传递现象 学时 2 教学重点与难点 教学方法 主要 教学内容 Section 2: 下游技术中的化学过程 ◆化学性分子识别 ◆下游技术中的化学反应 Section 3: 下游技术中的生物学过程 ◆特异性相互作用 ◆亲和色谱 需掌握的专业词汇 Cell; Cell biology; Cell theory 研究进展和参考资料 韩贻仁．分子细胞生物学．第二版．北京：科学出版社，2001 汪堃仁，薛绍白，柳惠图．细胞生物学．第二版．北京：北京师范大学出版社，1998 课后复习题 纵观cell biology发展简史，你认为该学科近百年来快速发展的主要原因是什么？
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第二章 下游技术的理论基础
❖ 生物工业下游技术：尚无一个严格意义上的定义，本课程中所涉及的内容有许多在本质上属于物
质分离的范畴。因此，本章及后续内容将会经常使用“分离”一词。 第一节 下游技术中的物理学过程 第二节 下游技术中的化学过程 第三节 下游技术中的生物学过程
第一节 下游技术中的物理学过程
一、基础物性
“分离”可利用各种物质固有性质的差异。物性差异越大，利用价值越大。 二、分类
以物理学过程为基础的分离操作，大致可分为以下三类： 1．平衡分离过程
建立在相平衡关系上的。利用相的组成差别进行混合物体系的分离。表2—1为平衡分离的代表性单元操作。
2．拟平衡(速度差)分离操作
在混合物体系本身所占有的空间之外加一个能引起物质分离的势能场，在它的作用下，形成分离场。如表2—2所示。 3 ．非平衡分离操作 1、2以外均划归其中，利用物质移动速度差和广义的、基于“屏蔽效应”的分离操作。如表2—3所示。 三、平衡论 1．相平衡基础
多组分混合物体系达到气液、液液、固液、气固二相平衡的条件是各相温度、压力相等，各相中各成分的逸度相等。
F=C一P十2 F—自由度；C—组分数；P—相数。 2 ．气液平衡
非理想溶液： pi＝ pi*ai= pi*ri xi ；
式中： pi* —纯组分i的饱和蒸气压；
a i—组分i的活度，而ai ＝ ri xi ；
ri—组分i的活度系数．可由有关公式求得。 当ri ＝1时，即为理想溶液，则；
pi ＝ pi* xi （即拉乌尔定律）
3．溶解度
(1)气体在液相中的溶解度：
pi＝ y i p＝H xi
式中： pi—组分i的气相分压 p—总压
H—亨利常数
xi, ， y i —分别为组分i的液相和气相摩尔分数 (2)固体在液相中的溶解度(ci)
H T -In(ri ci)＝ —— (1 - — ) R Tm 式中 Tm—固体熔点，详情可参考有关专著 R —摩尔气体常数
H —固体摩尔融解热焓
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4．高压气体中的溶解度
超过临界温度和临界压力的气体称为超临界气体，其特征是各种物质在超临界气体中的溶解度较大，而且在临界点附近溶解度变化很大，利用这个性质的萃取技术称为超临界萃取技术。
5．液液平衡
XA rB 分配系数K=—— = —— XB rA
XA ,XB — 溶质在A、B两相的平衡浓度。 rA、 rB — 活度。
6．吸附平衡
物质从流体相(气、液)浓缩到固体表面从而达到分离的过程称为吸附过程。 气相： Q＝kp1/n 液相： Q＝kc1/n
Q — 吸附量(mol/kg吸附剂) k— 吸附平衡常数 p— 吸附质分压 c — 吸附质浓度 n— 大于1的常数。 7．固体吸收平衡
气体、液体成分移向固体的过程称为(固体)吸收。 P
c= — =Sp H C—固体中的溶质浓度 P——气相溶质分压 H——亨利常数 S——溶解度系数
CD∞Kp 全吸收量 C = CH+CD=Sp+ ———— 1+Kp CH— 亨利型吸收量 CD — 吸附型吸收量
CD∞— 最大吸附型吸收量(事实上为一常数） K — 常数
四、传递现象
平衡(包括拟平衡)操作中，分离体系在达到平拖之前，要经历一个非平衡过程。趋向平衡态
的速度取决于体系内各组分的质量传递的阻力。严格地说，达到平衡态的时间要无限长。但从工业生产角度，达到适当平衡度即可。达到这个适当平衡度的速度越快，生产效率越高。 另一方面，对于利用组分传递速度差进行分离精制的非平衡(速度差)操作，一个产生速度差
的组分传递阻力差的存在是不可缺少的。只要适当的分离场的状态参数(全压、组成、温度、外部势能场等)保持不变，各组分间的物质相对传递速度差就保持不变。
因对流传递的阻力比扩散传递的阻力小得多，界面流体的境界膜厚度（膜内为扩散传递）
要尽量薄。
1．传递通量
流体在分离场内的传递现象可用经典流体力学中动量(通量)传递、热量(通量)传递和质量t通量)传递规律(见表2—4)和作用于分离场的外加势能场来描述。
存在异相传递的情况下，物质在异相之间的境界膜中的扩散速度往往成为物质传递速度的限制性因素。
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进一步分析可知，动量是朝着动量浓度降低的方向传递的；热(能)量是从高能量(温度)区向低能量区传递的；而组分A向浓度梯度下降的方向运动。
2．固相内的分子扩散
如浸取操作。由于固体中存在大量的水分，溶质通过这些水溶液进行的扩散符合Fick定律。 对于溶质A的扩散通量，简化后为： dcA NA＝-DAB—— dH
式中： DAB— A通过B的扩散系数(m2／s)，通常为常数 H— 距离
CA—固体中的溶质浓度。 3．多孔体内的扩散运动
在具有连续空隙的多孔体(含粒子充填层)内，分子在这种细孔中的移动，可分为“细孔扩散”
和“表面扩散”两种机理。
(1)微孔内扩散： 设多孔体内的空隙为，有效扩散系数为De，则：
D
De= —— d
式中 D——细孔空间的流体相中运动分子的扩散系数
d—— 与扩散有关的细孔曲折系数
(2)表面扩散： 细孔内物质运动的第二种形式是细孔内壁表面物理吸附的分子在保持被吸附状态下
进行的运动，称为表面扩散。
吸附相＝狭义吸附相+毛细管凝结相 4．粒子充填床层中的物质扩散
实体粒子充填床层内的扩散现象与多孔体内的情况基本相同。例外的情况是，当粒子充填层中的空隙比多孔体粒子内空隙大得多时，会引起流体透过方向上的返混。返混的规模与粒径大致成一定比例。
在多孔性粒子的充填层内，粒子间的一次空隙与粒子内的二次空隙构成二元结构细孔网络。在这种场合下，质量传递阻力应分别讲行考察。 5．膜内物质的质量传递
均质膜和多孔性膜中的质量传递机理不同。
均质膜持别是均质高分子膜内的质量传递是很复杂的，物质通过膜的传递速度是用膜两端的
浓度差和膜内溶解分子的扩散系数来表达的。扩散系数与穿膜物质的种类和浓度有关。 均质膜并非绝对 “均质 ”，也会有布朗运动和反混现象。 多孔性膜基本上与多孔体内质量传递相同。
第二节 下游技术中的化学过程
一、化学性分子识别
液液萃取：利用物质在溶剂中溶解度不同的分离。
如果在萃取溶剂中加入对原料中目标物质有特异性作用的成分(萃取剂、抽提剂)，能达到高
选择性。
1．分子间相互作用
分子间的相互作用力除了众所周知的范德华力、氢键力等，近年来备受注目的分子间作用力
是疏水性相互作用力。 2 ．分子识别
酶和底物的专一性结合。钥匙和锁的关系。只有底物分子才能进入这个口袋。酶分子正是通
过对底物的多点识别才显示出它高效、专一的底物识别功能。 环状糊精也有一定的分子识别功能。
它是由6—8个葡萄糖环状结合而成的低聚糖．筒状，内部具空洞结构。 “皇冠醚”
皇冠醚有多种，均为大环状化合物。中心开孔，一些金属离子和氨基酸分子等正好
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能进入其中。
泡沸石（无机吸附剂如）
具有细孔结构的氧化铝、硅石类陶瓷，孔径接近分子水平时，则可用做分子筛。
二、下游技术中的化学反应
选择性分离纯化：
如柠檬酸工业中常用钙盐沉淀，以便于与发酵液中残糖及其他可溶性杂质的分离。
利用草酸与Ca2+反应，生成不溶性钙盐可除去杂质Ca2+ 。ZnSO4和黄血盐用于除去杂氨基酸和杂蛋白。 产品制造：
氨基酸或短肽能络合或螯合某些金属离子生产保健产品。补充人体缺乏又不易被人体吸收的钙、铁、锌等微量元素，山梨醇和木糖醇可以通过葡萄糖和木糖经金属镍催化加氢工艺(高压)获得。
第三节 下游技术中的生物学过程
一、特异性相互作用(锁钥关系）
（一）可逆性结合作用（除共价结合外） 1．离子间的相互作用 2．氢键结合
3．硫水性相互作用 4．对金属原子配伤 5．弱共价键结合
影响蛋白质立体构象的环境因素：
(1)热： 热是影响蛋白质构象的最普通的因素。
(2)温度： 温度的上升，使原子、分子的热运动更活泼，离子间的相互作用、氢键、金属原子配位作
用等变弱。但疏水性的相互作用因温度上升而加强。
(3)PH ： PH对离子问的作用影响很大，pH也对蛋白质侧短上的氨基酸残基的离解度影响很大。 (4)静电性的环境变化： 如在溶液中加入在水中能离解为阳离子和阴离子的强电解质(如食盐等无机
盐)。溶液离子强度增加，离子间相互作用变弱，氢铰也受到同样影响。
(5)试剂： 在试剂中，尿素、盐酸肌、十二烷基磺酸钠等会对蛋白质构象造成影响。 二、亲和色谱
利用某些生物物质之间特异的亲和力进行选择性分离的色谱技术。
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授课章节 教学目标与要求 教学重点与难点 教学方法 第三章 发酵液预处理 1. 掌握发酵液过滤特性的改变的方法 2. 掌握发酵液的相对纯化的方法 3. 掌握固液分离工程及设备 1. 凝聚与絮凝； 2.离心和过滤分离。 讲授；多媒体教学 Section 1: 发酵液过滤特性的改变 ◆微生物发酵液的特性 ◆改善发酵液过滤特性的物理化学方法 ◆凝聚与絮凝 学时 2 主要 教学内容 Section 2: 发酵液的相对纯化 ◆高价无机离子的除去 ◆杂蛋白质的除去 Section 3: 固液分离工程及设备 ◆离心分离 ◆过滤分离 需掌握的专业词汇 Cell; Cell biology; Cell theory 研究进展和参考资料 韩贻仁．分子细胞生物学．第二版．北京：科学出版社，2001 汪堃仁，薛绍白，柳惠图．细胞生物学．第二版．北京：北京师范大学出版社，1998 课后复习题 纵观cell biology发展简史，你认为该学科近百年来快速发展的主要原因是什么？
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第三章 发酵液预处理
发酵液成分：微生物菌体及残存的固体培养基外，还有未被微生物完全利用的糖类、无机盐、蛋白
质，以及微生物的各种代谢产物。
目的：分离菌体和其他悬浮颗粒，除去部分可溶性杂质和改变滤液的性质，以利于提取和精制后继
各工序的顺利进行。
方法选择：对于胞外产物，经预处理应尽可能使目的产物转移到掖相，然后经固液分离除去固相；
对于胞内产物，则应首先收集菌体或细胞，经细胞破碎后,目的产物进入液相，随后再将细胞碎片分离。
第一节 发酵液过滤特性的改变
微生物发酵液的特性可归纳为：
①发酵产物浓度较低，大多为1％一10％，悬浮掖中大部分是水； ②悬浮物颗粒小，相对密度与液相相差不大； ③固体粒子可压缩性大；
④液相粘度大，大多为非牛顿型流体；
⑤性质不稳定，随时间变化，如易受空气氧化、微生物污染、蛋白酶水解等作用的影响。
这些特性使得发酵液的过滤与分离相当困难。 改善发酵液过滤特性的物理化学方法：
通过对发酵液进行适当的预处理，即可改善其流体性能，降低滤饼比阻，提高过滤与分离的速率。
一、降低液体粘度：加水稀释法和加热法 二、调整pH：等电点沉淀法 三、凝聚与絮凝
四、加入助滤剂：助滤剂是一种不可压缩的多孔微粒，它能使滤饼疏松，滤速增大。如：硅藻土、
纤维素、石棉粉、珍珠岩、白土、炭粒、淀粉等。
五、加入反应剂：不影响目的产物，可消除发酵液中某些杂质对过滤的影响，提高过滤速率。
凝聚与絮凝
凝聚：指在电解质作用下，由于胶粒之间双电层电排斥作用降低，电位下降，而使胶体体系不稳定
的现象。
凝聚值：使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度。反离子的价数越高，该值就越小，即凝聚能力越
强。
絮凝：指在某些高分子絮凝剂存在下，基于桥架作用，使胶粒形成较大絮凝团的过程。
絮凝剂：是一种能溶于水的高分子聚合物，其相对分子质量可高达数万至一千万以上，它们具有长
链状结构，其链节上含有许多活性官能团，包括带电荷的阴离子或阳离 子基团以及不带电荷的非离子型基团。
目前，最常用的絮凝剂是有机合成的聚丙烯酰胺。
第二节 发酵液的相对纯化
发酵液中杂质很多，其中有些杂质不仅直接影响产品质量利收得率，同时对后继提取和精制有很大影响。
一、高价无机离子的除去
发酵液中主要的无机离子有：Ca2+；Mg2+；Fe2+等。 二、杂蛋白质的除去
(1) 沉淀法：蛋白质是两性物质，在酸性溶液中，能与一些阴离子（三氯乙酸盐、水扬酸盐）形成沉
淀；在碱性溶液中，能与一些阳离子（Ag+、Cu2+、Zn2+、Fe3+等）形成沉淀。
(2) 变性法：使蛋白质变性的方法很多，如：加热，调节PH，有机溶剂，表面活性剂等。其中最常
用的是加热法。
(3) 吸附法：加入某些吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋白质而除去。
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第三节 固液分离工程及设备
范围：培养基、发酵液、某些中间产品和半成品。其中发酵液由于种类多、粘度大和成分复杂，分
离最为困难。
方法：分离筛、重力沉降、浮选分离、离心分离和过滤等，其中用于发酵液固液分离的主要是离心
分离和过滤分离。 一、离心分离 二、过滤分离 一、离心分离
原理：利用转鼓高速转动所产生的离心力．来实现悬浮液、乳浊液的分离或浓缩。 优点：分离速率快、分离效率高、液相澄清度好等。
缺点：设备投资高、能耗大。此外，连续排料时，固相干度不如过滤设备。 种类：多，按其作用原理不同，可分为过滤式离心机和沉降式离心机两大类。 1．碟片式离心机 2．管式离心机 3．倾析式离心机
二、过滤
原理：悬浮液通过过滤介质时，固态颗粒与溶液分离。过滤操作可分为澄清过滤和滤饼过滤两种。 澄清过滤：所用的过滤介质为硅藻土、砂、颗粒活性炭、玻璃珠、塑料颗粒等，填充于过滤器内即
构成过滤层；也有用烧结陶瓷、烧结金属、粘合塑料及用金属丝绕成的管于等组成的成型颗粒滤层。
滤饼过滤：过滤介质为滤布，包括天然或合成纤维织布、金属织布，及毡、石棉扳、玻璃纤维纸、
合成纤维等无纺布。滤饼过滤按推动力的不同可以分为四种，即重力过滤、加压过滤、真空过滤和离心过滤。 1．板框过滤机 2．真空转鼓过滤机 3．硅藻土过滤机
硅藻土：较纯二氧化硅矿石。化学性能稳定，具有极大的吸附和渗透能力，是良好的介质和助
滤剂。
使用方法：
(1)作为深层过滤介质，以过滤含少量(＜0．1％)悬浮固形物的液体。硅藻土不规则粒子间形成许多曲折的毛细孔道，藉筛分和吸附作用除去悬浮液中的固体粒子。 (2)在支持介质(滤布)的表面上预涂硅藻土薄层(预涂层)，以保护支持介质的毛细孔道在较长时间内不被悬浮液中的固体粒子所堵塞，从而提高和稳定过滤速率。
(3)将适当的硅藻土分散在待过滤的悬浮液中，使形成的滤饼具有多孔隙性，降低滤饼的可压缩性，以提高过滤速率和延长过滤操作的周期。
用量：预涂，500g/m2左右，2-4mm厚；加入， 0．1％左右。 三、其他固液分离方法
1．切向流过滤：又称错流过滤、交叉过滤和十字流过滤，是一种维持恒压下高速过滤的技术。其
操作特点是使悬浮液在过滤介质表面作切向流动，利用流动的剪切作用将过滤介质表面的固体(滤饼)移走，过滤速率就近似恒定。 (1)用泵循环使悬浮液流经过滤介质。
(2)在过滤介质表面加以搅拌造成流动，产生切向流。 2．双水相萃取
3．吸附法：优点在于设备简单、能耗低，主要的问题是很难选择合适的吸附剂，以保证目的产物不致于被吸附而损失。
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授课章节 教学目标与要求 教学重点与难点 教学方法 第四章 微生物细胞破碎 1. 掌握微生物细胞壁的组成与结构 2. 掌握微生物细胞壁的常用破碎方法 3. 了解细胞壁破碎率的测定与破碎技术的研究方向 1. 细胞壁结构与细胞破碎； 2.珠球法和酶溶法。 讲授；多媒体教学 Section 1: 细胞壁的组成与结构 ◆细菌细胞壁主要化学成分 ◆酵母细胞壁主要化学成分 ◆霉菌细胞壁主要化学成分 Section 2: 细胞壁的常用破碎方法 学时 2 主要 教学内容 ◆珠磨法 ◆高压匀浆法 ◆超声破碎法 ◆酶溶法 ◆化学渗透法 Section 3: 破碎率的测定与破碎技术的研究方向 ◆破碎率的测定 ◆破碎技术的研究方向 需掌握的专业词汇 Cell; Cell biology; Cell theory 研究进展和参考资料 韩贻仁．分子细胞生物学．第二版．北京：科学出版社，2001 汪堃仁，薛绍白，柳惠图．细胞生物学．第二版．北京：北京师范大学出版社，1998 课后复习题 纵观cell biology发展简史，你认为该学科近百年来快速发展的主要原因是什么？
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第四章 微生物细胞破碎
微生物代谢产物大多分泌到细胞外，如大多数小分子代谢物、细茵产生的碱性蛋白酶、霉菌产生的糖化酶等，称为胞外产物。但有些目的产物存在于细胞内部、如大多数酶蛋白、类脂和部分抗生素等，称为胞内产物。
许多基因工程产品都是胞内产物。分离提取胞内产物时，首先必须将细胞破碎，使产物得以释放，才能进一步提取。因此细胞破碎是提取胞内产物的关键步骤。
第一节 细胞壁的组成与结构
细胞破碎的主要阻力来自于细胞壁，不同类型的微生物其细胞壁的结构特性是不同的。 一、细菌细胞壁主要化学成分：肽聚糖；主要阻力脓聚糖的网状结构。 二、酵母茵细胞壁主要化学成分：葡聚糖(30％一34％)、甘露聚糖(30％)、蛋白质(6％一8％)和脂类；
主要阻力壁结构交联的紧密程度和它的厚度。
三、霉茵细胞壁主要化学成分：几丁质和葡聚糖；主要阻力几丁质或纤维素的纤维状结构。
细胞壁结构与细胞破碎：细胞个体小、球形、壁厚、聚合物交联程度高是最难破碎的。
第二节 常用破碎方法
方法很多，按其是否使用外加作用力可分为机械法和非机械法两大类。 机械法：有珠磨法、高压匀浆法、超声破碎法等。
在机械破碎法中，由于稍耗的机械能转为热量会使温度上升，在大多数情况下要采用冷却措施，以防止生物产品受热破坏。
非机械法：有酶溶法、化学法、物理法和干燥法等，其中某些方法的应用受到限制。 目前人们仍在探寻新的细胞破碎方法。 一、珠磨法 二、高压匀浆法 三、超声破碎法
超声破碎通常采用的超声破碎机在15—25kHz的频率下操作。其破碎机理尚未完全清楚，可能与空化现象引起的冲击波和剪切作用有关。
超声破碎的效率与声频、声能、处理时间、细胞浓度及菌种类型等因素有关。对不同菌种的发酵液．超声破碎的效果差别较大。一般地，杆菌比球菌较易破碎，革兰氏阴性细菌细胞比革兰氏阳性细菌细胞较易破碎，对酵母菌的效果较差。 优点：操作简便，液量损失少，适合实验室规模。
缺点：易引起温度的剧烈上升，在大规模操作中，声能传递和散热困难，产生的化学自由基团能使
某些敏感性活性物质失活。 四、酶溶法
利用酶反应,分解破坏细胞壁上的特殊键，从而达到破壁的目的。
1 外加酶法：常用的溶酶有溶菌酶、 β-1 ， 3-葡聚糖酶、 β-1，6-葡聚糖酶、蛋白酶、甘露糖酶、糖苷酶、肽键内切酶、壳多糖酶等，而细胞壁溶解酶是几种酶的复合物。其中溶菌酶主要用于细菌类，其他酶对酵母作用较显著。
2．自溶法：影响自溶过程的主要因素有温度、时间、pH、激活剂和细胞代谢途径等。微生物细胞的自溶法常采用加热法或干燥法。 五、化学渗透法
(1)表面活性物质：可促使细胞某些组分溶解，其增溶作用有助于细胞的破碎。
(2)EDTA螯合剂： 革兰氏阴性菌的外层膜结构通常靠二价阳离子Ca2+或Mg2+结合脂多糖和蛋白质来维持，一旦EDTA将Ca2+或Mg2+ 螯合，大量的脂多糖分子将脱落，使细胞壁外层膜出现洞穴。这些区域由内层膜的磷脂来填补，从而导致内层膜通透性的增强。 (3)有机溶剂：能分解细胞壁中的类脂。
(4)变性剂：变性剂与水中氢键作用，削弱溶质分子间的疏水作用，从而使疏水性化合物溶于水溶液。 化学渗透法有如下优缺点： 优点：
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(1)对产物释放具有一定选择性。
(2)细胞外形保持完整，碎片少，浆液粘度低，易于固液分离和进一步提取。 缺点：
(1)通用性差，某种试剂只能作用于某些特定类型的细胞。 (2)时间长，效率低，一般胞内物质释放率不超过50％ 。
(3)有些化学试剂有毒性，在其后的产物提取精制过程中需设法分离除去。
第三节 破碎率的测定与破碎技术的研究方向
一、破碎率的测定 1．直接测定法 2．目的产物调定法 3．导电串测定法 二、破碎技术的研究方向
1．多种破碎方法相结合 2．与上游过程相结合 3．与下游过程相结合
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授课章节 第五章 萃取法 1. 掌握溶剂萃取法 2. 了解超临界流体萃取法 3. 了解双水相萃取法 4. 了解反胶团萃取法 5. 掌握浸取法 1. 溶剂萃取方法的应用和操作； 学时 2 教学目标与要求 教学重点与难点 2.乳化与破乳化； 3.超临界流体萃取理论； 4.浸取速率。 讲授；多媒体教学 Section 1: 溶剂萃取法 ◆溶剂萃取过程的理论基础 ◆工业萃取方式和理论收得率 ◆乳化和去乳化 教学方法 Section 2: 超临界流体萃取法 ◆超临界流体的苹取原理 ◆超临界CO2的溶剂特征 ◆SC—C02萃取以及拖带剂的作用 ◆超临界流体萃取的热力学基础 ◆SC—C02萃取流程及在生物、食品工业中的应用 Section 3: 双水相萃取法 ◆双水相分离理论 ◆双水相萃取技术的应用 Section 4: 反胶团萃取法 ◆反胶团的形成 ◆生理活性物质的分离农缩 ◆在分离工艺中的应用 Section 5: 浸取法 ◆浸取过程的应用 ◆浸取速率 Cell; Cell biology; Cell theory 主要 教学内容 需掌握的专业词汇 研究进展和参考资料 韩贻仁．分子细胞生物学．第二版．北京：科学出版社，2001 汪堃仁，薛绍白，柳惠图．细胞生物学．第二版．北京：北京师范大学出版社，1998 17
课后复习题 纵观cell biology发展简史，你认为该学科近百年来快速发展的主要原因是什么？ 第五章 萃取法
萃取：指任意两相之间的传质过程。 第一节、溶剂萃取法
第二节、超临界流体萃取法 第三节、双水相萃取法 第四节、反胶团萃取法 第五节、浸取法
第一节 溶剂萃取
溶剂萃取法是利用一种溶质组分(如产物)在两个互不相溶的液相(如水相和有机溶剂相)中竞争性溶解和分配性质上的差异来进行分离的操作。
优点：比化学沉淀法分离程度高；比离子交换法选择性好、传质快；比蒸馏法能耗低。 另外它还有生产能力大、周期短、便于连续操作、容易实现自动化控制等优点。 一、溶剂萃取过程的理论基础
1．物质的溶解和相似相溶原理
从热力学角度考虑，一个过程要能自动进行，体系的自由能应下降，自由能的变化包括焓变化和嫡变化两部分： 为了简单起见，忽略嫡的变化，井忽略压力和体积变化(一般溶解过程压力和体积的变化很小)，这样只要考虑体系能量的变化即可。
溶解过程的三个能量变化过程
(1)溶质B各质点的分离 ； 原先是固态或液态的溶质B．先分离成分子或离子等单个质点。此过程需要吸收能量，这种能量的大小通常与分子之间的作用力有关，一般顺序为： 非极性物质＜极性物质＜氢键物质＜离子型物质
(2)溶剂A在溶质B的作用下形成可容纳B质点的空位；此过程也需要吸收能量，其大小与溶剂分子A之间的相互作用力有关，一般顺序与上述相同： 非极性物质＜极性物质＜氢键物质 该能量还与溶质分子B的大小有关。
(3)溶质质点B进入溶剂A形成的空位； 此过程放出能量，放出能量的大小有以下规律： A、B均为非极性分子＜一非极性分子、另一极性分子 ＜均为极性分子＜B被A溶剂化 “相似相溶”原理”
分子之间可以有两方面的相似：一是分子结构相似，如分子的组成、官能团、形态结构的相似；二是能量(相互作用力)相似，如相互作用力有极性的和非极性的之分，两种物质如相互作用力相近，则能互相溶解。与水“相似”的物质易溶于水，与油“相似”的物质易溶于油就是相似相溶原理的表现。 2．溶剂的互溶性规律
物质分子之间的作用力与物质种类有关，包括较强的氢键力和较弱的范德华力。氢键力与化合键能相比较弱，但比范德华力要强得多。按照生成氢键的能力，可将溶剂分成四种类型。 (1)N型溶剂 不能形成氢键，如烷烃、四氯化碳、苯等,称惰性溶剂。
(2)A型溶剂 只有电子受体的溶剂，如氯仿、二氯甲烷等，能与电子供体形成氢键。
(3)B型溶剂 只有电子供体的溶剂，如酮、醛、醚、酯等，萃取溶剂中的TBP(磷酸三丁酯)、叔胺
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等。
(4)AB型溶剂 同时具备电子受体A—H和供体B的溶剂,可缔合成多聚分 子，因氢
键的结合形式不同又可分成三类：
AB(1)型：交链氢键缔合溶剂，如水、多元醇、多元羧酸、多酚等。 AB(2)型：直链氢键缔合溶剂，如醇、胺、羧酸等．
AB(3)型：生成内氢键分子，例如邻硝基苯酚等，这类溶剂中的电子受体A—H因已形成内氢键而
不再起作用。故AB(3)型溶剂的氢键性质与N型或B型相似。
3．溶剂的极性
溶剂萃取的关键是萃取溶剂的选择，而选择的依据是“相似相溶”的原则。 “相似”有两个方面： 一是分子结构相似，这相对容易考察；另一个是分子间作用能相似，即分子问相互作用力相似。在生物工业上，对后一点考察较多的是分子极性。
介电常数是一个化合物摩尔极化程度的量度，如果已知介电常数，就能预测该化合物是极性的还是非极性的。物质的介电常数可通过测定该物质在电容器 二极板间的静电容量C来决定。
根据萃取目标物质的介电常数，寻找极性相接近的溶剂作为萃取溶剂，也是溶剂选择的重要方法之一。
一个良好溶剂要满足的要求：
(1)有很大的萃取容量，即单位体积的萃取溶剂能萃取大量的产物； (2)有良好的选择性，理想情况是只萃取产物而不萃取杂质；
(3)与被萃取的液相互溶度要小，且粘度界面张力小或适中，有利于相的分散和两相分离； (4)溶剂的回收和再生容易；
(5)化学稳定性好，不易分解，对设备腐蚀性小； (6)经济性好．价廉易得；
(7)安全性好，闪点高，对人体无毒性或毒性低。 4．分配定律和分离因数
分配定律：在一定温度一定压力的条件下，溶质分配在两个互不相溶的溶剂中，达到平衡时溶质在两相中的活度之比为一常数。如果是稀溶液，活度可用浓度代替，则达到平衡时溶质在两相中的浓度之比为一常数。称之为分配系数K，即有
应用条件：(1)稀溶液；(2)溶质对溶剂之互溶度没有影响； (3)必须是同一种分子类型，即不发生缔合或离解。 分离因数(β)
萃取剂对溶质A和B分离能力的大小可用分离因数 (β)来表征：
若原来料液中除溶质A以外，还含有溶质B，则由于A、B的分配系数不同，萃取相中A和B的相对含量就不同于萃余相中A和B的相对含量。如A的分配系数较B大，则萃取相中A的含量(浓度)较B多，这样A和B就得到了一定程度的分离。
β越大，A、B的分离效果越好，即产物与杂质越容易分离。
5．水相条件的影响
发酵液中存在与产物性质相近的杂质、未完全利用的底物、无机盐、供微生物生长代谢的其他营养成分等。必须考虑这些物质对萃取过程的影响。 (1)pH值 直接影响表观分配系数。对选择性有影响。
pH值还应尽量选择在使产物稳定的范围内。
(2)温度 温度会影响生化物质的稳定性，所以一般在室温或低温下进行。影响分配系数K 。
(3)盐析 硫酸铵、氯化钠等可降低产物在水中的溶解度，有机溶剂在水相中的溶解度。但过多可能
促使杂质一起转入溶剂相，必要时要考虑回收。
(4)带溶剂 能和产物形成复合物，使产物更易溶于有机溶剂相中，提高分配系数。复合物又要容易
分解。
二、工业萃取方式和理论收得率
工业上萃取操作通常包括三个步骤：
(1)混合 (2)分离 (3)溶剂回收
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1．单级萃取
萃取操作理论收得率的计算须符合以下两个假定：
(1)萃取相和萃余相很快达到平衡，即每一级都是理论级；(2)两相完全不互溶，在分离器中能完全分离。
理论收得率E为： 1—＝E／(E+1) 2．多级萃取
（1）多级错流萃取，特点：溶剂消耗量大，萃取液产物平均浓度较稀，但萃取较完全。 （2）多级逆流萃取，特点：萃取剂消耗少，萃取液产物平均浓度高，产物收率最高。 三、乳化和去乳化 1．乳化
乳化是一种液体(分散相)分散在另一种不相混溶的液体(连续相)中的现象。
害处：乳化产生后会使有机溶剂相和水相分层困难，发酵液废液中夹带有机溶剂微滴和溶剂相中央
带发酵液的微滴，前者意味着发酵单位的损失；后者会给以后的精制造成困难。 原因：表面活性剂的存在。蛋白质是引起乳化的最重要的表面活性物质。
2．破乳化
由蛋白质引起的乳化多为O/ W型，其粒径在2．5—30微米之间。亲水基团强度大于亲油基团。 破乳方法：
1.过滤或离心分离破乳法；
2.化学法：加电解质个和离子型乳油液的电荷； 3.物理法：加热、稀释、吸附等；
4.顶替法：加入表面活性更大，但因其碳链较短难以形成坚固的保护膜的物质，取代界面上的乳化
剂；
5.转型法：如在o／w中加入亲油性乳化刑，使乳化液有生成w／o的倾向，但又不稳定，从而达到
破乳目的。
最好的方法是防止乳化，如蛋白质是乳化起因，就应设法去除蛋白质。
四、萃取设备简介 1．单级萃取设备
在单级萃取基本完全的情况下，用一套混合器和分离机即可。混合、萃取和分离也可在同一
台设备(如Alfa—Laval萃取机)内完成。 2．多级萃取设备 (1)脉动筛板塔 (2)转盘塔
第二节 超临界流体萃取
一. 序 言
超临界流体萃取:是将超临界流体作为萃取溶剂的一种萃取技术，它兼有传统的蒸馏和液液萃取的特征，是适用面更广的一门新型分离技术。
超临界流体：是状态超过气液共存时的最高压力和最高温度下物质特有的点——临界点后的流体。 也有人将超临界流体萃取称为“超临界气体萃取”或“高密度气体苹取”的，这虽不如前者严格，但有时却有利于理解超临界流体的苹取原理。 二、 超临界流体的苹取原理
真空“溶解”物质的能力极低。加入超临界气体萃取溶剂（接近于液体密度），溶质的溶解度与真空中的溶解度相比，大幅度增加（一亿多倍）。
物质之间的溶解能力主要取决于物质分子之间的相似性，一是分子结构相似，二是分子间的作用力相似。而分子结构之间的相似相溶在很大程度上也可以归结到作用能相似上。真空或萃取剂分子密度极低，溶剂对溶质的作用能极小，溶质的溶解度也就极小了。
在超临界流体萃取中，主要是溶剂流体密度的大幅度增加导致溶剂对溶质的作用力大幅度增加，从而形成了溶解物质的能力，这个特性给溶剂流体回收、溶剂与溶质分离带来方便。
在超临界萃取后的分离操作中．可在与萃取温度相同的条件下，降低压力使溶剂的密度下降，
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引起其溶解物质的能力下降，就可以方便地进行萃取物与溶剂的分离。
三、 超临界CO2的溶剂特征 １、超临界CO2 的相图：
在临界点附近，密度线聚集于临界点周围，压力或温度小范围的变化，就会引起CO2 密度的大幅度变化。由于CO2溶解、萃取物质的能力与CO2 本身的密度成正比，这就意味着只要通过改变压力或温度来改变溶剂CO2 的密度，就可以改变其对物质的溶解能力。 特性：
通过压力或温度的改变可有效地萃取和分离溶质。 ２、萃取溶剂CO2 的性质：
无毒，无腐蚀性，不可燃烧，纯度高且价格低。有优良的传质性能，扩散系数大；粘度低，与其他超临界流体溶剂相比， CO2 具有相对较低的临界压力和临界温度，适于处理热敏性生物制品和天然物产品。
四、SC—C02萃取以及拖带剂的作用 １、 SC—C02萃取：
天然产品中通常含有许多不同的化学成分；对同一天然产品用不同方法或不同萃取剂提取得到的制品，其组分是不同的。逐步增加溶剂C02 的溶解能力，可以获得各种质量不同的萃取产物。 ２、拖带剂的作用：
添加拖带剂即辅助溶剂，可增加物质的溶解度和萃取选择性。如在C02 中添加约14％的丙酮后，甘油酯的溶解度增加22倍。纯C02几乎不能从咖啡豆中萃取咖啡因，但在加湿(水)的SC—C02 中，因为生成了具有极性的H2CO3，在一定的条件下，能选择性地溶解萃取极性的咖啡因。
五、超临界流体萃取的热力学基础简介 １、固体溶质在超临界流体中的溶解度： y2＝(p2*／p) E
y2— 固态组分2在气相中的溶解度；
p2*— 体系温度下纯固态组分2的饱和蒸气压； p— 体系总压
E— 增强因子，直接影响溶解度的大小。溶质2在气相中的逸度系数2对其影响最大；溶质
与溶剂之间相互作用能越大，E就越大。
2、液体溶质在超临界流体中的溶解度： x2r2f2*＝y22p 式中 x2— 溶质2在液相中的组成
r2 — 溶质2在液相中的活度系数 f2*— 体系温度下纯溶质2的逸度
六、SC—C02萃取流程及在生物、食品工业中的应用
１．SC—C02萃取流程：
萃取流程基本上是由萃取工段和分离工段(溶质和C02的分离)组合而成。代表性的三种流程的模式图。
２． 在生物、食品等工业中的应用： 1）生物活性物质和生物制品的提取 2）超临界状态下的酶促反应 3） SC—C02的细胞破壁技术 SC—C02作为酶促反应介质的优点：
①与水相比较，脂溶性底物和产物可溶于SC—C02 中，酶蛋白不溶解，有利于三者的分离。 ②产品回收时，不需要处理大量的稀水溶液，因而不产生废水污染问题。
③与其他非水相有机溶剂中的酶催化反应相比，SC—C02更适合与生物、食品相关的产品体系，产物分离简单。
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④与萃取一样， SC—C02中的质量传递速度快，在临界点附近，溶解能力和介电常数对温度和压力敏感，可控制反应速度和反应平衡。 3） SC—CO2的细胞破壁技术
SC—CO2的以下一些性质有利于细胞破碎：
①在近临界点，SC—CO2 的微小压力变化导致其体积变化很大，其能量变化很大，所以SC—CO2
可破坏较厚的细胞壁，如常见的酵母等。
② SC—CO2 对细胞壁中的少量脂类有萃取作用，会破坏细胞壁的化学结构，造成细胞壁在某些位置上的损坏。这种方式破坏的细胞壁碎片较大，使下游分离过程易于进行。
③ SC—CO2 节流膨胀是吸热降温过程，这个性质可防止通常破碎过程升温而引起的热敏性物质的破坏。
第三节、双水相萃取技术
溶液的分相不一定完全依赖于有机溶剂，在一定条件下，水相也可以形成两相(即双水相系统)甚至多相。于是有可能将水溶性的酶、蛋白质等生物活性物质从一个水相转移到另一水相中，从而完成分离任务。 聚合物的不相溶性：
主要是由于聚合物分子的空间阻碍作用，相互间无法渗透，当聚合物的浓度达到一定值时，就不能形成单一的水相，所以具有强烈的相分离倾向。
另外，某些聚合物的溶液与某些无机盐的溶液相混合时，只要浓度达到一定值，也会形成两相，即聚合物—盐双水相体系，成相机理尚不清楚，一种解释为“盐析”作用。
一、 双水相分离理论 1、双水相的形成
当两种聚合物互相混合时，究竟是否分层或混合成一相，取决于两种因素：一为体系嫡的增加，二为分子间作用力。
嫡的增加涉及到分子数量，与分子大小无关。当分子的物质的量相同时，大分子与小分子间的混合，嫡的增加是相同的。
分子间的作用力可看作分子中各基团间相互作用力之和。分子量越大，分子间的作用力也越大。大分子间混合，分子间作用力决定混合效果。混合分子间如存在空间排斥力，它们的线团结构无法互相渗透，则在达到平衡后就有可能分成两相，形成双水相。
2、相图
水性两相的形成条件和定量关系常用相图表示。
它是一条双节线。双节线下方为一相区，双节线上方即为两相区，两相分别有不同的组成和密度。
上相组成用T(Top)表示，下相组成用B(Bottom)表示。由图7-2可知，上相主要含PEG， 下相主要含Dex。
3、物质在两相中的分配
和溶剂萃取法一样，物质在两水相中的分配用分配系数K表示。
CT
K= —— CB
Ct、CB——分别代表上相、下相中溶质的浓度
K——与温度、压力以及溶质和溶剂的性质有关，与溶质的浓度无关。 1）表面自由能的影响 2）表面电荷的影响 3）综合考虑
4）影响分配平衡的参数
(1)聚合物的影响； (2)体系中无机盐离子的影响； (3)体系PH的影响； (4)体系温度的影响； (5)体系中微生物的影响。
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二、 双水相萃取技术的应用
双水相萃取技术目前较多地应用于胞内酶的提取和精制上。 要成功地运用双水相萃取方法，应满足下 列条件： (1)欲提取的酶和细胞碎片应分配在不同的相中；
(2)酶的分配系数应足够大，使在一定的相体积比时，经过—次萃取，就能得到较高的收率； (3)两相用离心机很容易分离。 双水相提取胞内酶的具体操作 基本流程：（图、表） 1 ． 萃取和平衡 2．上下相的分离 (1)重力沉降
(2)离心分离（图） 3．多聚物的分离
三、 双水相苹取技术的发展
双水相萃取应用得最多的是胞内酶的提取。这种温和的萃取不仅有利于保护目的物的生物活性，而且目的蛋白得率高，纯度高，但目的物还含有少量的核酸和多糖，进一步提高目的蛋白的纯度，可从双水相体系和萃取操作方式两方面进行改进。
PEG衍生物：在PEG上引入亲和基团或离子基团；采用多级萃取。
第四节、反胶团萃取
一、概述
反胶团(Reversed Micelles)是两性表面活性剂在非极性有机溶剂中亲水性基团自发地向内聚集而成的，内含微小水滴的，空间尺度仅为纳米级的集合型胶体。是一种自我组织和排列而成的，并具热力学稳定的有序构造。
反胶团的微小界面和微小水相具有两个特异性功能：
(1)具有分子识别并允许选择性透过的半透膜的功能；
(2)在疏水性环境中具有使亲水性大分子如蛋白质等保持活性。 反胶团萃取的优点：
(1)有很高的萃取率和反苹取率并具有选择性； (2)分离、浓缩可同时进行，过程简便；
(3)能解决蛋白质(如胞内酶)在非细胞环境中迅速失活的问题；
(4)由于构成反胶团的表面活性剂往往具有细胞破壁功效，因而可直接从完整细胞中提取具有活
性的蛋白质和酶；
(5)反胶团萃取技术的成本低，溶剂可反复使用等。 二、反胶团的形成 1、反胶团的构造：
在胶体化学中我们知道，如向水溶液中加入表面活性剂，并使其浓度超过一定数值时，表面活性剂就会在水相中形成胶体或微胶团，它是表面活性剂的聚集体。其亲水性的极性端向外指向水溶液，疏水性的非极性“尾”向内相互聚集在一起。
当向非极性溶剂中加入表面活性剂，并使其浓度超过一定数值时，也会在非极性溶剂内形成表面活性剂的聚集体。与在水相中不同的是，其疏水性的非极性尾部向外，指向非极性溶剂，而极性头向内，与在水相中形成的微胶团方向相反，因而称之为反胶团或 反向胶团。
几种可能的表面活性剂聚集体的微观构造。 表面活性剂的类型： 1、阴离子型； 2、阳离子型； 3、非离子型。
分离蛋白质时， 使用最多的是阴离子型表面活性剂AOT。 2、反胶团的物理化学特性及制备 （1）．反胶团的物理化学特性 ① 反胶团的临界胶团浓度
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② 反胶团含水率W （2 ）．反胶团的制备 ①注入法 ②相转移法 ③溶解法
三、 生理活性物质的分离农缩 1、反胶团萃取原理 2、蛋白质的溶解 3、反胶团萃取
1） 氨基酸分离特性 2）酶、蛋白质萃取特性 ①静电性相互作用 ②立体性相互作用 ③其他的相互作用 四、 在分离工艺中的应用
1、通过三步分离操作分离了核糖核酸酶a、细胞色素c和溶菌酶。（图）
2、使用二级混合-分离型萃取流程，用TOMAC/0.1%辛醇-异辛烷的溶液体系连续分离-淀粉酶，浓缩了17倍。(图)
五、 在液膜分离法中的应用
利用含有反胶团的有机相作为液膜，从一水相中向另一水相择性地输送生理活性物质的液膜分离方法，和通常的液液萃取法相比，具有以下一些特征： 1、正萃取和反萃取能同时在一个装置内进行； 2、表面活性剂的使用量及其损失较少； 3、从原理上来看，速度差分离也是可能的。 图8—14的形式相当于乳化液膜型。
有研究表明，用容积(Bulk)液膜的形式，反胶团萃取分离蛋白质和核酸是可能的。
第五节 浸 取
浸取：也称之为浸出，用某种溶剂把有用物质从固体原料中提取到溶液中的过程。 一、浸取过程的应用 前加工：
干燥：有助于细细胞膜的破裂，溶剂也容易进入细胞内部直接溶解溶质。
滚压：将原料滚压成片，使其减小到o．1一o．5mm，则大豆及许多植物种子的细胞壁极大地破
裂，植物油容易进入溶剂。
切片：减小水溶剂从水相主体扩散到每个细胞的距离，细胞基本上保持完好，水溶性物质可以通
过半透性细胞膜扩散进入水溶剂中，蛋白质和胶体组分因透不过细胞膜而不能溶入水相。
二、浸取速率 浸取过程：
(1)溶剂从溶剂主体传递到固体颗粒的表面； (2)溶剂扩散渗入固体内部和内部微孔隙内； (3)溶质溶解进入溶剂；
(4)通过固体微孔隙通道中的溶液扩散至固体表面并进一步进入溶剂主体。 一般而言．第一、二两步都很迅速，不是浸取过程总速率的控制性步骤。
溶质通过多孔固体的扩散可用有效扩散系数来描述，而有效扩散系数与Fick定律有关。
三、浸出的其他问题
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1．相平衡
浸取过程中的相平衡用分配系数KD表示 KD ＝y / x
y——达到平衡时溶质在浓相中的浓度 x——平衡时溶质在固相中的浓度
2．溶剂的选择
KD大且对目的物质的选择性高，溶剂的价格应低廉，无腐蚀性，无毒，闪点高，无爆炸性，
产品中易去除,容易回收。 3．增溶作用
原先不溶或难溶性的生物大分子物质向可溶性的、分子量较小的生物物质转变。 4．固体原料的顶处理： 如粉碎、干燥等。
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授课章节 教学目标与要求 教学重点与难点 教学方法 第六章 沉淀法和吸附法 1. 掌握沉淀法分离生物物质的原理和方法 2. 掌握吸附法分离生物物质的原理和方法 1. 生成盐复合物沉淀； 2.影响吸附过程的因素。 讲授；多媒体教学 Section 1:沉淀法 ◆盐析法 ◆有机溶剂沉淀法 ◆等电点沉淀法 学时 2 主要 教学内容 ◆生成盐复合物沉淀法 Section 2: 吸附法 ◆吸附过程的基础理论 ◆吸附类型 ◆影响吸附过程的因素 ◆大网格聚合物吸附 需掌握的专业词汇 Cell; Cell biology; Cell theory 研究进展和参考资料 韩贻仁．分子细胞生物学．第二版．北京：科学出版社，2001 汪堃仁，薛绍白，柳惠图．细胞生物学．第二版．北京：北京师范大学出版社，1998 课后复习题 纵观cell biology发展简史，你认为该学科近百年来快速发展的主要原因是什么？ 26
第六章 沉淀法和吸附法
第一节、沉淀法 一、盐析法；
二、有机溶剂沉淀法； 三、等电点沉淀法；
四、生成盐复合物沉淀法。 第二节、吸附法
一、吸附过程的基础理论 二、吸附类型
三、影响吸附过程的因素 四、大网格聚合物吸附
第一节、 沉 淀 法
沉淀是通过改变条件或加入某种试剂，使溶液中的溶质由液相转变为固相析出的过程。 优点：成本低、设备简单、收率高、浓缩倍数高和操作简单。 ①盐析法；多用于分离纯化各种蛋白质和酶。 ②有机溶剂沉淀法：多用于生物小分子、多糖及核酸等产品的分离纯化，也有用于蛋白质的沉淀。 ③等电点沉淀法：用于氨基酸、蛋白质及其他两性物质的沉淀。
④生成盐复合物沉淀法：用于多种化合物，特别是小分子物质的沉淀。 一、 盐析法 1、盐析原理
高浓度的中性盐能破坏蛋白质、酶等的胶体性质，中和微粒上的电荷，促使蛋白质等发生沉
淀或絮凝现象。
IogS＝ß一Ks•Ⅰ
S—离子强度为Ⅰ时的蛋白质的溶解度； Ks—盐析常数，与温度和pH无关；
ß值—是溶质的特征常数，对于蛋白质而言，其大
小主要取决于不同蛋白质的性质，它也与溶液的温度和pH值有关，但与盐的种类无
关；
为便于计算，用盐的摩尔数m代替离子强度Ⅰ，则 IogS＝ß一Ks• m 2、影响盐析的主要因素
1 ） 蛋白质浓度与盐析的关系：高浓度蛋白质溶液可以减少盐的用量，但蛋白质浓度太高，会发生
严重的共沉作用。
2） 离子强度和种类的影响：离子强度越大，蛋白质的溶解度越低。不同蛋白质盐析所需离子强度不同。可用不同的盐浓度将各种蛋白质分别沉淀析出。
3 ）温度对盐析的影响：升温，可增加许多无机盐和小分子有机物的溶解度。但在高盐浓度中，蛋
白质等生物大分子物质的溶解度随温度的升高反而减小。
4 ） PH对盐析的影响：盐析pH的选择要以不降低产物的活性为原则。由于蛋白质在等电点时最
易沉淀，可选择等电点的PH作为盐析的pH。 二、等电点沉淀法 等电点沉淀法：
是利用两性电解质在电中性时溶解度最低的原理进行物质分离纯化的方法。
中性盐的浓度增加时，相应于最低溶解度的pH值向偏酸方向移动；同时最底溶解度会有所增大。
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等电点沉淀法应在低离子强度下操作。许多蛋白质的等电点都在偏酸性的范围内。 优点：许多无机酸的价格低廉，并能为食品标准允许。
缺点：酸化时，容易引起蛋白质失活，因为蛋白质对低PH比较敏感。 三、有机溶剂沉淀法 1、有机溶剂沉淀的原理
许多水溶性有机溶剂如丙酮、乙醇、甲醉等能使溶于水的小分子生物物质以及核酸、多糖、蛋白质等生物大分子发生沉淀作用。其主要作用是降低水溶液的介电常数。
优点：分辨能力比盐析法高；一‘种溶质只在一个比较窄的有机溶剂范围内沉淀；沉淀不需脱盐；有
机溶剂密度低，与沉淀物密度差大，容易进行固液分离；有机溶剂容易蒸发，不会在成品中残留，因此适用于食品、药品的制备。
缺点：容易引起蛋白质变性失活，有机溶剂易燃、易爆，对安全要求较高。需冷却、降温、低温操
作。
对同一种溶剂，蛋白质的分子质量越大，沉淀所需有机溶剂的量越少。 2、影响有机溶剂沉淀的因素
1、有机溶剂的种类：选择的溶剂必须能与水互溶，但与产物如蛋白质等不发生反应。
2、温度：降低温度可以增加收率。同时许多生物分子如蛋白质、核酸等对温度特别敏感，温度稍有
升高，便发生变性；
3、pH：选择溶解度最低时的pH，有助于提高沉淀效果。因此在接近等电点处，以引起沉淀所需有
机溶剂的量较少。合适的PH也可大大提高分离的分辨能力。
4、样品浓度和分子质量：低浓度样品需用有机溶剂的量较大，但共沉作用小，有利于提高分离的效
果；但低浓度样品损失较大，回收率低，具有生理活性的样品容易产生稀释变性。
5、金属离子和离子强度：Mn2+、Fe2+、Co2+、Zn2+等阳离子能与蛋白质中的羧基、氨基和含有氮杂
环的化合物结合，形成难溶复合物，有利于沉淀。但离子强度过大，不利分离。
四、生成盐复合物沉淀 （柠檬酸钙盐沉淀） 1、工艺流程：
2、提取过程的化学反应：
2C6H8O7•H2O+3CaCO3→Ca3(C6H5O7)2•4H2O+3CO2↑+H2O
Ca3(C6H5O7)2•4H2O+3H2SO4+ 4H2O → 2C6H8O7•H2O+3CaSO4 •2H2O
3、中和与酸解
中和：滤液中除含柠檬酸外，还含可溶性的残糖以及蛋白质、金属离子等杂质。利用 柠
檬酸钙难溶于水的特点，与杂质分离的过程。
酸解：中和所得钙盐经过滤、洗涤，与硫酸反应生成柠檬酸和硫酸钙沉淀，过滤，滤 液
含较纯的柠檬酸。 4、生产设备及操作
1）调浆：调浆罐，30—50%浓度；
2）中和：中和罐，滤液、钙浆泵入，搅拌，70-90℃ ，控制 终点； 3）过滤：过滤槽、带式过滤机， 90℃热水逆流洗涤；
4）酸解：酸解罐，搅拌，稀酸调浆，加热，加硫酸，控制终点；
5）过滤：过滤槽、带式过滤机， 90℃热水逆流洗涤，至PH大于4。
第二节、吸附法
选择性吸附法用于：分离精制各种产品、空气的净化、除菌、脱色、除热源、去组胺等杂质。 一、吸附过程的基础理论
吸附作用：物质从流体相(气体或液体)浓缩到固体表面的过程。 吸附剂：在表面上能够发生吸附作用的固体。
吸附物：被吸附的物质。不同固体物质的表面自由能不同，所以对其他物质的吸附能力不同，表面
自由能越高，吸附能力越强。
吸附作用力也是范德华力．它是一组分子引力的总称，包括三种力，即定向力、诱导力
28
和色散力。
1、定向力：是极性分子之间产生的作用力，是极性分子间的静电引力，分子的极性越大，力也越大。 2、诱导力：指极性分子和非极性分子之间的吸引力，极性分子产生的电场作用会诱导非极性分子极
化，两者之间相互吸引而发生吸附作用。这种力与温度无关。
3、色散力：是非极性分子之间的引力，当分子外围电子运动及原子核在零点附近震动，正负电荷中
心出现瞬时相对位移时，产生快速变化的瞬时偶极矩，能使外 围非极性分子极化，反过来又影响瞬时偶极矩的变化而产生这种色散力。这种力也与温度无关。
此外，还有氢键力，这是介于库仑引力和范德华力之间的定向力，比诱导力和色散力都大。 二、吸附类型 1、物理吸附：
吸附剂和吸附物通过分于间的引力产生的吸附。 特点：
① 吸附作用不仅局限于活性中心，而是整个自由界面； ② 分子被吸附后，一般动能降低，所以吸附是放热反应；
③ 物理吸附的吸附热较小，吸附物分子的状态变化不大，所需活化能很小，多数在较低的温度下进
行；
④ 物理吸附是可逆的，吸附作用一般没有选择性。 2、化学吸附
吸附剂与吸附物之间由于电子转移发生化学反应产生的吸附。 特点：
⑴ 需要一定的活化能；
⑵ 具有显著的选择性，即一种吸附剂只对某种或某几种物质有吸附作用； ⑶ 吸附速度较慢，升高温度速度增加；
⑷ 吸附后也较稳定，不易解吸，且解吸具有选择性； ⑸ 吸附热较大。
物理吸附与化学吸附虽有区别，但有时很难严格划分，也可以在同—‘体系中向时发生。 三、 影响吸附的因素
溶液中，固体吸附剂的吸附要考虑三种作用力： 1、界面层上固体与溶质之间的作用力； 2、固体与溶剂之间的作用力； 3、溶质与溶液之间的作用力。 影响吸附的因素： 1、吸附剂的性质； 2、吸附物的性质； 3、溶液PH的影响； 4、温度的影响；
5、溶液中其他溶质的影响。 四、大网格聚合物吸附
大网格聚合物吸附剂：大网格离子交换树脂去其功能基团，仅保留其多孔骨架，不能发生离子交换，
依靠树脂骨架与溶质分子之间的分子吸附。
优点：选择性好、容易解吸、机械强度高、可反复使用、流体阻力较小等。特别是其孔隙大小、骨
架结构和极性均可按需要、通过原料和合成条件的改变而获得，因此可适用于各种有机物的吸附纯化。
按其骨架的极性强弱分为三类：
1、非极性吸附剂：用苯乙烯和二乙烯聚合而成，故也称为芳香族吸附剂。
2、中等极性吸附剂：以多功能团的甲基丙烯酸甲酯作为树脂结构，也称作脂肪族吸附剂。 3、极性吸附剂：用氧化氮类、乙烯、吡啶等好骨架聚合而成。
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授课章节 教学目标与要求 第七章、膜分离过程 1. 了解膜和膜分离过程的分类与特性 2. 掌握膜分离过程的机理及膜的性能、参数 3. 了解膜的应用 1. 膜分离过程的机理； 2.膜的性能、参数； 3.膜组件的结构和特点。 讲授；多媒体教学 Section 1: 膜和膜分离过程的分类与特性 ◆膜的分类 ◆膜的制造 Section 2: 膜的基本理论 ◆膜分离过程的机理 ◆膜的性能、参数 学时 2 教学重点与难点 教学方法 主要 教学内容 ◆膜的使用寿命 Section 3:膜的应用 ◆膜组件的结构和特点 ◆反渗透 ◆超滤 ◆微孔过滤 ◆纳米过滤 需掌握的专业词汇 研究进展和参考资料 Cell; Cell biology; Cell theory 韩贻仁．分子细胞生物学．第二版．北京：科学出版社，2001 汪堃仁，薛绍白，柳惠图．细胞生物学．第二版．北京：北京师范大学出版社，1998 30
课后复习题 纵观cell biology发展简史，你认为该学科近百年来快速发展的主要原因是什么？ 第七章、膜分离过程
膜（“死”膜—人工合成的无生命的膜）：
两相之间的不连续区间。是指分隔两相界面并以特定的形式限制和传递各种化学物质。它可以是均相的或非均相的，对称型的或非对称型的，中性的或荷电性的，固体的或液体的。
优点：过程一般较简单，费用较低，效率较高，往往没有相变，可在常温下操作，既节省能耗又特
别适用于热敏性物质的处理．在食品加工、医药、生化技术领域有其独特的适用性。
第一节 膜和膜分离过程 的分类与特性
一、膜的分类
(1)对称膜：结构与方向无关的膜，孔经可一致，结构可不规则；
(2)非对称膜：分离层很薄，较致密，为活性膜，孔径的大小和表皮的性质决定分离特性，厚度决定
传递速度，朝向待浓缩液；多孔的支持层只起支撑作用，使膜具有必要的机械强度。
(3)复合膜：选择性膜层(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，
膜的性能不仅取决于有选择性的表面薄层而且受微孔支撑层的影响。
(4)荷电膜：离交膜，含有高度的溶胀胶载着固定电荷的对称膜。 (5)液膜：将在有关章节中讨论。
(6)微孔膜：孔径为0．05—20微米的膜。
(7)动态膜：在多孔介质(如陶瓷管)上沉积一层颗粒物(如氧化锆)作为有选择作用的膜，此沉积层与溶
液处于动态平衡。
膜分离过程
1．渗透和透析：渗透是一个扩散过程，在膜的两旁，渗透压差的作用下溶剂产生流动。
透析是利用膜两侧的浓度差从溶液中分离出小分子物质的过程。如：医疗上用于处理肾功
能衰竭病人。
2．反渗透和超滤、微过滤： 外加压力差大于渗透压，就会发生溶剂倒流，高浓度溶液进一步浓
缩，反渗透。使不溶物浓缩过滤的操作为微过滤；分离溶液中微粒和大分子的膜分离操作为超滤；从溶液中分离出溶剂的膜分离操作为反渗透。
3 电渗析：在电场中交替装配阴离子和阳离子交换膜，使溶液中的离子有选择地分离或富
集。
4．气体分离： 利用微孔或无孔膜进行气体分离。膜的材料可以是高分子聚合物膜，也可以是金属
膜或玻璃膜，主要用于合成氨工业中氢的回收。
二、膜的制造 膜应具备的条件：
有较大的透过速度和较高的选择性。
机械强度好，耐热，耐化学和细菌侵蚀，耐净化和杀菌处理，成本低。 膜按制造材料可分为：
(1)改性天然物： 醋酸纤维素；醋酸纤维素将纤维素与醋酐、醋酸和硫酸相作用进行乙 酰化而制得。
(2)合成产物： 聚砜（耐热、耐酸碱、耐生物腐蚀）； (3)特殊材料：多孔玻璃，氧化石墨。 醋酸纤维素膜的优、缺点
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优点：
①水渗透流率高，裁留率也好，适宜于制备反渗透膜； ②原料来源丰富．价格便宜；
③无毒，制膜工艺简单，便于工业化生产。 缺点：
①热稳定性差，使用温度不能过高，在低温下容易招 致细菌生长。 ②抗氧化性能差，造成膜的使用寿命降低。
③易水解，易压密。水解是酯化的逆反应，在碱性镕液中反 应是不可逆的。 由于大多数清洗剂是酸性，造成了清洗困难。 ④抗微生物侵蚀性能较弱，因而难以贮存。 膜的制造方法
1．相转变法：浇铸液支持物上捕开蒸发—部分溶剂凝胶形成热处理(退火)。 2．烧结法： 膜材料粉模具内严格控制温度和压力 由软变熔 形成多孔体
机械加工。
3．核径迹法：厚为5-15m薄膜粒子(如a粒子或中子)照射化学键断裂形成径迹酸碱液腐蚀
形成孔道。
4．拉伸法： 晶态聚烯烃在低熔融温度下挤压成膜 延伸得到高的熔融应力 无张力条件下
退火拉伸。
5．复合膜的制备：是相转变膜的继续发展，制造非常薄的特征分离层。在多孔支撑层上制作聚合物
膜。
第二节、膜的基本理论
一、膜分离过程的机理
1．膜分离过程的基本传质形式
(a)被动传递：为热力学“下坡”过程，其中膜的作用就像是一物理的平板屏障。所有通过膜的组分均以化学势梯度为推动力，可以是膜两侧的压力差、浓度差或电势差。
(b)促进传递：各组分通过膜的推动力仍是膜两侧的化学势梯度。组分由特定的载体带人膜中，具有高选择性的被动传递。
(c)主动传递：推动力是由膜内某化学反应提供，主要存在于生命膜。 2．膜分离过程的机理
(1)膜过程中的物质传递 (用典型的非对称膜为例)
①主流体系区间(1)：溶质的浓度均匀，垂直于膜表面的方向无浓度梯度。
②边界层区间(1)：有浓度极化现象，是造成膜或膜体系效率下降的主要因素，是不希望有的现象。 ③表面区间(1)：溶质扩散的同时有对流现象；溶质吸附表面而溶入膜中。在膜的致密表层靠近边
界的溶质浓度比在溶液中边界层的溶质浓度低得多。
④表皮层区间：非对称膜皮层的特征是对溶质的脱除性。愈薄愈好，可增加膜的渗透率。镕质和
渗透物质的传递是以分子扩散为主。
(2)孔模型
孔模型用来描绘微孔过滤、超滤等过程所用的高孔率膜。
以压力为推动力的膜分离技术，按不同膜孔径来选择分离溶液中的微粒或大分子，比膜孔小
的物质和溶剂(水)一起运过膜而较大的物质则被截留。 溶剂的渗透流率取决于膜的孔隙率、孔径、溶液的粘度、溶剂在膜中的扩散曲折途径和膜上、
下游压力差。
通量和压力成正比，和粘度成反比。 溶液通量
εd2△p 溶液通量：J[m3／(m2·s)]= ————— 32 µ L
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式中：
ε—— 膜的孔隙率
d —— 圆柱型孔道的直径(m)
L—— 膜的有效厚度，为扩散曲折率膜厚( m) △p——膜两侧压力差(kPa) µ —— 溶液的粘度(Pa·s) (3)溶解—扩散模型
在均相的，高选择性的膜（如反渗透膜）中，溶质和溶剂都能溶解于均质的非多孔膜表面，
然后在化学势推动下扩散通过膜，再从膜下游解吸。
物质的渗透能力，不仅取决于扩散系数，而且还决定于它在膜中的溶解度。 溶剂质量通量：Jl=Al(△p- △p渗) Al—溶液渗透系数；
△p —膜上下游压力差； p渗—渗透压。 溶质质量通量：J2= -B△c △c—膜厚乘两边浓度差； B—含膜厚、分配、扩散系数
当压力升高对，溶剂质量通量线性增加，但溶质通常与压力无关，因而透过液浓度降低。 (4)优先吸附——毛细管流动模型
溶解—扩散模型适合无机盐的反渗透过程，但对有机物常不能适用。当压力升高对，某些有
机物透过液浓度反而升高。
膜的表面如对料液中某一组分（有机物）的吸附能力较强，则该组分就在膜面上形成一层吸
附层。在压力下通过毛细管。
例如用醋酸纤维膜处理—氯酚溶液时，由于后者的亲水性，使透过液中的浓度反而增大。 二、膜的性能、参数
1．孔道特征
孔道特征包括孔径、孔径分布和孔隙度，是膜的重要性质。
孔径：有最大孔径和平均孔径，它们都在一定程度上反映了孔的大小，但各有其局限性。
孔径分布：指膜中一定大小的孔的体积占整个孔体积的百分数，由此可以判别膜的好坏，即孔径分
布窄的膜比孔径分布宽的膜要好。 孔隙度：指整个膜中孔所占的体积百分数。
孔径的测定可用压汞法、泡压法、电镜观测法等。 2．水通量
水通量：每单位时间内通过单位膜面积的水体积流量，也叫透水率，即水透过膜的速率。
其大小取决于膜的物理特性(如厚度、化学成分、孔隙度)和系统的条件(如温度、膜两侧的
压力差、接触膜的溶液的盐浓度及料液平行通过膜表面的速度)。
在实际使用中，水通量将很快降低，通量决定于膜表面状态，在使用时，溶质分子会沉积
在膜面上，因此虽然各种膜的水通量有所区别，而在实际使用时，这种区别会变得不明显。
3．截留率和截断分子量
截留率：是指对一定相对分子质量的物质，膜能截留的程度。
= 1 - Cp / CB
Cp—透过液浓度； CB —截留液浓度。 如 ＝1，则Cp ＝0，表示溶质全部被截留；
如 ＝0，则Cp ＝ CB，表示溶质能自由透过膜。 截断曲线：截留率与相对分子质量之间的关系。
截断分子量(MWCO)：定义为相当于一定截留率(通常为90％或95％)的相对分子质量。 截留率不仅与溶质分子的大小有关，还受到下列因素的影响： (1)分子的形状 (2)吸附作用 (3)其他高分子溶质的影响 (4)其他因素 三、膜的使用寿命
1．膜的压密作用：控制操作压力和温度，改进膜结构。 2．膜的水解作用：控制进料PH和温度。
3．浓差极化：造成截留率、水通量降低，结垢阻塞。
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4．膜污染：产生附着层和堵塞。 (1)减轻膜污染的方法 ①料液的有效处理 ②改善膜的性质 ③改变操作条件 (2)膜污染的处理
①物理清洗方法， ②化学清洗方法。
第三节、膜的应用
一、膜组件的结构和特点
膜组件：膜的规则排列，是膜分离装置的核心部分。 良好的膜组件应具备下列条件：
(1)沿膜面的流动情况好，以利于减少浓差极化，例如 沿膜面切线方向的流速相当快，或有较高的
剪切率。
(2)较大的膜面积与压力容器体积比，即单位体积中所含的膜面积较大。 (3)组件的价格低。
(4)清洗和膜的更新方便。 (5)保留体积小，且无死角。
根据膜的形式或排列方式，可以把膜区分为管式、中空 纤维式、平板式和螺旋卷绕式四种。 二、反渗透（RO或HF）
反渗透法比其他的分离方法(如蒸发、冷冻等方法)有显著的优点。 优点：
相态不变，无需加热，设备简单，效率高，占地小，操作方便，能量消耗少等。 应用：
如海水的脱盐，食品医药的浓缩，超纯水的制造，以及对微生物的分离控制等许多方面。 基本性能：一般包括透水率、透盐率和抗压密性等。
常见的四种基本流程形式：
(1)一级流程 (2)一级多段流程 (3)二级流程 (4)多级流程 三、超滤
超滤：能截留相对分子质量在500以上的高分子的膜分离过程。
优点：相态不变．无需加热，所用设备简单，占地面积小，能量消耗低。操作压力低，泵与管对材
料要求不高等。
反渗透法必须施加较高的压力，而超滤的操作压力较小。 基本性能：水通量（cm3／cm2·h);截留率(％),合适的孔径尺寸,孔径的均一性,孔隙率,及物理化学稳定
性。
材料：主要有醋酸纤维、聚矾、芳香聚酰胺、聚丙烯、聚乙烯。高分子物质极易粘附和沉积，造成
严重的浓差极化和堵塞。
原液最好进行前处理，提高原液的流量，采用湍流促进器。 过滤方式：间歇和连续操作。间歇操作分浓缩模式和透析过滤。
问题：与反渗透法相比，水通量大得多，其动力费用较大。和其他浓缩方法相比，通常只能浓缩到
一定程度。 四、微孔过滤(MF)
微孔过滤主要分离流体中尺寸为0.1—10um的微生物和微粒子。 优点：膜厚度薄，孔径均一，空隙率高，滤速快，吸附少和无介质脱落。
膜材料：纤维素酯类，再生纤维素，聚氯乙烯，聚四氟乙烯，聚丙烯，聚碳酸酯等。 问题： 膜性脆易碎，机械强度差，须把它衬贴在平滑的多孔支 撑体上。 应用： 实验室中，主要用于微生物检测、微粒子检测。
工业上，主要用于灭菌液体的生产；反渗透及超滤的前处理；电子工业中超纯水制造和空气
过滤。
五、纳米过滤（NF）
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纳米过滤：是介于超滤和反渗透之间，以压力差为推动力，从溶液中分离出300-1000相对分子质量
物质的膜分离过程。
特点：
(1) 能截留小分子的有机物，并可同时透析出盐，即集浓缩与透析为一体。 (2)操作压力比反渗透低，因无机盐能通过。节约动力。
膜材料：具有良好的热稳定性、pH稳定性和对有机溶剂的稳定性。
纳米过滤具有很好的工业应用前景，目前已在许多工业中得到有效的应用，见表9—3。
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授课章节 教学目标与要求 教学重点与难点 教学方法 第八章、液膜分离 1. 掌握液膜的概念及液膜的膜相组成 2. 掌握乳化液膜的制备与分离机制 1. 液膜的膜相组成； 2.乳化液膜的分离机制和制备。 讲授；多媒体教学 Section 1: 概 论 ◆液膜的分类 ◆液膜的膜相组成 ◆与生物膜的相似性 Section 2: 乳化液膜的制备与分离机制 ◆乳化液膜的制备 ◆乳化液膜的分离机制 学时 2 主要 教学内容 Section 3: 载 体 Section 4:乳化液膜分离技术的工艺流程及其应用 ◆一般工艺流程 ◆解乳化(破乳)工程 Section 5: 液膜过程不利因素 ◆膜破裂 ◆膜膨胀 ◆选择性载体的开发 需掌握的专业词汇 研究进展和参考资料 Cell; Cell biology; Cell theory 韩贻仁．分子细胞生物学．第二版．北京：科学出版社，2001 汪堃仁，薛绍白，柳惠图．细胞生物学．第二版．北京：北京师范大学出版社，1998 36
课后复习题 纵观cell biology发展简史，你认为该学科近百年来快速发展的主要原因是什么？ 第八章、液膜分离
第一节 概 论
液体膜(简称液膜)：是从生物膜奇妙的选择性输送功能上得到启发而模仿的一种人工膜。
首先在金属离子的分离、浓缩等方面活跃起来，而后在冶金、医药、环保、原子能、石油化工、生物技术领域也蓬勃开展起来，如在生物医学的应用上，防止用药过度和药物的释出。在生物分离技术上，如氨基酸、有机酸、抗生素、脂肪酸、酶等蛋白质、生物活性物质等分离方面的研究都很活跃。 一、液膜的分类
(1)整体液膜：主要用于载体的开发和基础性研 究上，如分离机制、传递速度和载体选择性等。 (2)支持液膜：进行工业性应用研究的主要是乳化液膜，其次是支持液膜。
(3 )乳化液膜：膜相通常由烷烃类物质组成，所以有时也称为油相，在油相中还需添加一些
表面活性剂以增加膜的稳定性。
乳化液膜系统由三相组成，即膜相、外相和内相。最常见的外相是水溶液。水性的外相中含
有乳化小油珠，小油珠中又含有更小的具有特定性质的微水滴，称为内水相。 二、液膜的膜相组成
膜相是一层很薄的液体，这层液体既可以是水溶液也可以是有机溶液。它能把两个互溶但组成不同的溶液隔开，并通过这层液膜实现物质选择性分离。
通常被隔开的两个溶液是水溶液(内、外水相)，膜相则是与内外水相都不互溶的油性物质。 膜相组成： 1．膜溶剂 2．表面活性剂 3．流动载体 4．膜增强剂
—般而言，膜相中表面活性剂占1％一5％，流动载体（萃取剂）占1％—5％，9％左右是
膜溶剂。
三、与生物膜的相似性
液膜与生物膜在结构上有许多相似之处。
含有表面活性剂的膜溶剂相当于生物膜的类脂体； 而液膜中的流动载体即相当于生物膜中的蛋白质载体。
第二节 乳化液膜的制备与分离机制
一、乳化液膜的制备
在一强烈的剪切率下，缓慢添加水相(内水相)于一含有表面活性剂的油相中，形成动力学上稳定的油包水(w／o)乳化液，再通过一温和搅拌将油包水乳化液分散于一连续水相(外水相)中，膜相充当了两水相的隔离层，因而内相不含有外相水溶液。 二、乳化液膜的分离机制 1 无载体扩散迁移
(1)单纯扩散迁移： 属于这种分离机制的液膜中不含流动载体，内、外水相中也无与待分离物质发生化学反应的试剂。依靠待分离组分在膜中的溶解度和扩散系数的差异，导致透过膜的速度不同而实现的一种液膜分离过程。
(2)内相化学反应促进迁移：采用在溶质的接受相(如内相)添加与溶质能发生化学反应的试剂，通过化学反应来促使溶质高效快速迁移来实现高效分离。
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2．载体促进传递机制
在膜相中加入一种可自由流动被称为“载体的化合物，它能选择性地与外相中的待分离物质结合后透过膜相并将它送人内水相。
如：C+（亲油性物质，载体）可结合外水相中苯丙氨酸负离子成为电中性，而运载到内水相。内水相中的Cl-换入外水相。
载体促进传递有三种不同的表现形式： (1)载体促进扩散传递： (2)载体促进并流传递： (3)载体促进逆流传递：
第三节 载 体
载体在载体促进传递机制中占有重要地位。
载体分子中通常含有较长的亲油性烷烃链，因而具有一定的表面活性。 载体可根据其螯合性能分为两大类，即螯合物载体和非螯合物载体。 1．螯合物类
(1)羟基肟(卧)： (2)8—羟基喹啉： (3)磺胺喹啉： (4)-二酮： 2．非螯合物类 (1) 酸性磷酸酯： (2)酸性磷酸酯： (3)三级胺： (4)四级铵盐：
第四节 乳化液膜分离技术的工艺流程及其应用一、一般工艺流程
1．工艺流程及膜相实例 乳化液膜的优点： (1)具有选择性； (2)较高的浓缩能力； (3)·连续运转的可能性；
(4)前处理方便或无需前处理； (5)经济性好。 操作原理：如图。
工艺流程一般由三部分组成。
①乳化液制备；②分离浓缩；③解乳化。 膜相成分的要求（工业规模应用）
(1) w/O乳化小球在一定的搅拌强度下保持稳定。 (2)在解乳化工程中破乳容易，内相容易和膜相分开。 (3)有一定的抑制外相的水渗入内相的作用。 (4)化学性质稳定，价廉且易获得。 2．解乳化(破乳)工程
破乳方法通常有： (1)高速离心法； (2)加热法； (3)相转移法； (4)电破乳法。
二、乳化液膜技术的应用
1、回收抽丝工段排放废水中的锌；
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2、用TOA(三辛胺)作为载体，分离柠檬酸；
3、酶的固定化液膜技术；结合反胶团的乳化液膜技术萃取分离蛋白质; 4、在医学上的应用： ①液膜人工肺； ②掖膜人工肝； ③液膜人工肾；
④液膜解毒及缓释药物．
液膜技术不仅在帮助排除体内有毒物质中有用，反之也能给体内添加某些有益物质。液膜牙药膏是一例。易被胃酸作用失效但又必须到肠道中才起功效的微生物制剂和某些功能性活性因子能否采用液膜技术也是个值得探讨的课题。
第五节 液膜过程不利因素
一、膜破裂
原因：搅拌产生的剪切力，过大的内相尺度，粗劣的膜相组成。 有害影响：
1、内相包含的内容物释放进入外相。把已分离进入内相的溶质又送回了外相，从而降低了分离
的效率。
2、内相中所含试剂随着膜的破裂进入外相，可能改变外相的条件，严重时使得进一步分离不能
送行。
3、破裂也可能造成外相的污染，如人工肺的血液的处理。 预防措施：
可通过改变膜配方来增加膜的粘度，增加表面活性剂浓度或改变类型，改变乳化相比等来避
免。 二、膜膨胀
1、表而活性剂水(合)化机理：
2．外相水溶液的反胶团传递机理：
在水活度较高的外相一侧形成反胶团，而在水活度较低的内相一侧反胶团被脱水。不同于
水合表面活性剂的是反胶团除能传递水外，同时也能传递少许待分离物质。
三、选择性载体的开发
1、应用于化学分析、湿法冶金或核燃料的再生而开发的选择性载体。 2、适宜于工业生物技术产物分离的高度专一性的裁体。 还需要进行系统性的研究开发。
液膜技术在废水处理、湿法冶金和医疗等领域中已展示其诱人的应用前景。
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授课章节 教学目标与要求 教学重点与难点 教学方法 第九章 离子交换法 1. 掌握离子交换原理及分类 2. 掌握离子交换过程的理论 3. 了解离子交换的应用 1. 离子交换原理； 2.离子交换选择性。 讲授；多媒体教学 Section 1: 离子交换原理及分类 ◆离子交换原理 ◆离子交换树脂分类 ◆其他类型的树脂 学时 2 Section 2: 离子交换树脂的理化性能和测定 ◆离子交换树脂的理化性能 ◆主要理化性能的测定 ◆离子交换过程和速度 Section 3: 离子交换过程的理论基础 主要 教学内容 ◆离子交换平衡 ◆离子交换选择性 Section 4: 离子交换的应用 ◆离子交换装置 ◆离子交换树脂的工作过程 ◆树脂和操作条件的选择 ◆软水和无盐水的制备 ◆离子交换技术在生物工程的应用 Section 5: 生化用离子交换剂的特点和种类 ◆生化用离子交换剂的特点 ◆生化用离子交换剂的种类 ◆选择性载体的开发 需掌握的专业词汇 研究进展和参考资料 Cell; Cell biology; Cell theory 韩贻仁．分子细胞生物学．第二版．北京：科学出版社，2001 汪堃仁，薛绍白，柳惠图．细胞生物学．第二版． 40
纵观cell biology发展简史，你认为该学科近百年来快速发展的主要原因是什么？ 课后复习题
第九章 离子交换法
优点：成本低，工艺操作方便，提炼效率较高，设备结构简单，以及节约大量的有机溶液等。 缺点：不一定能找到合适的树脂，生产周期长，生产过程中pH值变化较大。 第一节 离子交换原理及分类
第二节 离子交换树脂的理化性能和测定 第三节 离子交换过程的理论基础 第四节 离子交换的应用
第一节 离子交换原理及分类
一、离子交换原理
离子交换树脂：是一种不溶于酸、碱和有机溶剂的固态高分子材料。它的化学稳定性良好，且有一
定孔隙度。其巨大的分子可以分成两部分：
一部分是不能移动的，多价的高分子基团，构成树脂的骨架，使树脂具有上述的溶解度和
化学稳定的性质；
另—部分是可移动的离子，称为活性离子，它在树脂的骨架中进进出出，就发生离子交换现
象。或者说，其结构由三部分组成： ①不溶性的三维空间网状骨架； ②连接在骨架上的官能团；
③官能团所带的相反电荷的可交换离子。 离子交换的推动力
根据树脂所带的可交换的离子性质，离子交换树脂大体上可分为阳离子交换树脂和阴子交换树脂。
骨架上的活性离子可扩散到溶液中；溶液中的同类型离子也能扩散到骨架的网格或孔内。 当这两种离子浓度差较大时，就产生一种交换的推动力，使它们之间产生交换作用。 浓度差越大，交换速度越快。
利用这种浓度差的推动力能使树脂上的可交换离子发生可逆交换反应。 离子树脂的交换反应与溶液中的置换反应相似。 二、离子交换树脂分类 1 强酸性阳离子树脂：
这类树脂含有强酸性基团，如磺酸基—SO3H。能在溶液中离解H+而呈强酸性。 反应简式为：
树脂中的SO3 -基团能吸附溶液中的其他阳离子如：
强酸性树脂的离解能力很强，在酸性或碱性溶液中都能离解和产生离子交换作用，因此使
用时的pH没有限制。
以磷酸基一PO(OH)2和次磷酸基一PHO(OH)作为活性基团的树脂具有中等强度的酸性。 树脂在使用一段时间后，要进行再生处理，即用化学药品使树脂的官能团回复原来状态再
次使用。强酸性阳离子树脂是用强酸进行再生处理。
2．弱酸性阳离子树脂：
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这类树脂含有弱酸性基团，如羧基—COOH、酚羟基—OH，能在水中离解出H+而呈弱酸性。
反应简式为：
只能在碱性、中性或微酸性溶液中发挥作用(羧基pH＞6，酚羟基PH＞9)。这类树脂也是用
酸进行再生。
3．强碱性阴离子树脂：
这类树脂含有强碱性基团，如季铵基—NR3OH，能在水中离解出—OH-而呈碱性，反应简式为：
离解性很强，使用的pH范围没有限制，再生一般用强碱。 4．弱碱性阴离子树脂：
这类树脂含有弱碱性基团，如伯胺基(—NH2)、仲胺基(—NHR)或叔胺基(—NR2)，反应简式为：
离解能力较弱，只能在低pH值下工作，可用弱碱再生。 4种基本类型树脂的实用型
1）将强酸性阳离子树脂与NaCl作用，转变为钠型树脂；避免了溶液PH值下降和由此产生的副作
用，如对设备的腐蚀。进行再生时，用盐水而不用强酸。
2）弱酸性树脂生成的盐RCOONa很易水解，呈碱性，所以用水洗不到中性，一般只能洗到pH9—10
左右。但是弱酸性树脂和氢离子结合能力很强，再生成氢型较容易，耗酸量少。
3）强碱性阴离子树脂可先转变为氯型，工作时用Cl-交换其他阴离子，再生只需用食盐水。
4 ）弱碱性树脂生成的盐RNH3 Cl同样易水解。这类树脂和OH-离子结合能力较强，所以再生成羟
型较容易，耗碱量少。
强酸性树脂和强碱性树脂在转变成钠型和氯型后，在使用时就不再有强酸性及强碱性．但
它们仍具有这些树脂的其他典型性能，如强离解性和工作的pH范围宽等。 凝胶型和大孔型树脂
按骨架结构不同，离子交换树脂可分为凝胶型和大孔型树脂。
凝胶型树脂：是以苯乙烯或丙烯酸与交联剂二乙烯苯 聚合得到具有交联网状结构的聚合体。这种聚
合体一般是呈透明状态的，在它的高分子骨架中，没有毛细孔，而在吸水润胀后，才在大分子链节间形成很微细的孔隙，通常称为显微孔。这类树脂适用于吸附交换无机离子等小离子。 大孔型树脂：是由苯乙烯或丙烯酸与交联剂二乙烯苯的异构体聚合，再经特殊的物理处理，使其形
成大网孔，再导入交换基团制成，它内部并存有微细孔和大量的粗孔，较善于吸附大分子有机物，耐有机物的污染。 三、其他类型的树脂 1．两性离子交换树脂：
将两种性质相反的阴、阳离子交换官能团连接在同一树脂 骨架上，就构成两性树脂。这
种树脂骨架上的两种类型官能团彼此接近，在与溶液里的阴阳离子交换以后，只要通过水，稍稍改变体系的酸碱条件即可发生相反的水解反应，恢复树脂原来的形式。 2．选择性离子交换树脂：
这类树脂又叫整合性离子交换树脂，它与金属离子形成整合物的基团，是一种对某些离子
有特殊选择性的树脂，其选择性高于一般的强酸性和弱酸性树脂。树脂内如含有可与其中某一离子生成整合物的有机分子基团，则在交换中可以选择性地优先与这种离子结合。利用这种选择性反应，可制备含某一金属离子的树脂来分离含某些有机官能团的化合物，如用含汞的树脂分离含巯基的辅酶A、半胱氨酸、谷胱甘肽。
3．吸附树脂：
这类树脂又称为“脱色树脂”，它有较大的表面积，具多孔性，吸附能力强，但交换离子的
能力很小，甚至不能交换。在发酵工业多用于脱色，吸附大分子的产物和除去蛋白质等。如近来出现的大网格树脂，孔隙大，树脂内表面积大，适宜于吸附大分子和用作催化剂。 4．电子交换树脂：
这类树脂的作用不是进行离子交换而是电子转移。能起氧化还原作用，所以也称为氧化还
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原树脂。根据活性基团的性质，可分为两种类型。
一种其活性基团是树脂母体的一部分聚合物，其电子交换反应如下：
另一种类型的活性基是一种加在树脂上的离子，反应时离子不发生交换，但可进行氧化还
原反应。如吸附有亚硫酸根的强碱性阴离子交换树脂，反应后可用氧化剂或还原剂再生。 四、树脂的命名
根据离子交换树脂官能团的性质，将其分为强酸、弱酸、强碱、弱碱、整合、两性及氧化
还原等7类。规定如下：
离子交换树脂的全名由分类名称、骨架(或基团)名称、基本名称(离子交换树脂)排列组成。 由于氧化还原树脂与离子交换树脂的特性不同．故在命名的排列上也有不同，其命名由基本
名称、骨架名称、分类名称和树脂两字排列组成。
凡属酸性的应在基本名称前加一“阳”字；凡属碱性的，在基本名称前加一“阴”字。 离子交换树脂的型号由3位阿拉伯数字组成。第1位数字代
表产品的分类，第2位数字代表骨架结构的差异，第3位数字为顺序号，用以区别基团、交联剂等的不同。
为了区别凝胶型和大孔型离子交换树脂，在全名前加 “D”表示大孔型树脂。凝胶型树脂，在
型号后面用“x”号联接阿拉伯数字，表示交联度。国内生产的树脂仍沿用习惯命名。
第二节 离子交换树脂的理化性能和测定
(1)外观：
离子交换树脂是一种透明或半透明的物质，有白、黄、黑及赤褐色等几种颜色。一般颜色
与性能关系不大。
树脂的颗粒大小，对树脂的交换能力、树脂层中溶液流动分布均匀程度、溶液通过树脂层
的压力及交换和反冲时树脂 的流失等都有很大影响。一般树脂为球形，可减少流体阻力。颗粒大小一般选用20一60目(0.25—0.8mm)。 (2)交联度：
其大小决定着树脂机械强度以及网状结构的疏密。交联度大，网孔小，结构紧密，树脂机
械强度大；交联度小， 树脂网孔大，结构疏松，强度小。同时，交联度的变化，使离子交换树脂对大小不同的各种离子具有选择性通过的能力。
(3)化学稳定性：
树脂应有较好的化学稳定性，不易分解破坏。缩聚树脂的化学稳定性一般较差，在强碱溶
液中，缩聚阳树脂会破坏，共聚阳树脂对碱抵抗能力较强，但不应与浓度大于2mol/L的减液长期接触。阴树脂对碱敏感，处理时，碱液浓度不宜超过1mol/L。强碱树脂稳定性较差。羟型阴树脂即使在水中也不稳定，因此常以氯型保存。 (4)机械强度：
树脂必须具有一定的物理稳定性，以避免或减少在使用过程中破损流失。一般来说，膨胀
度越大，交联度小的树脂，机械强度就越差。 (5)交换量：
树脂在应用时，希望有较大的交换容量，也即在实际应用中具有多少可以交换离子的能力。
为了能有较大的交换容量，在制造时应使单位质量树脂所含的官能团尽可能多。 树脂不仅吸附量要很多，·即交换容量和选挥性好，而且要容易解吸，即应有良好的可逆性。
一般来说，吸附容易的解吸就比较困难。 主要性能测定
1）含水量：将树脂在105—110℃干燥至恒重就可以测定其含水量。将树脂离心 (400g, 30min), 所失去的水分称为溶胀水。它和树脂的交联度有关，可作为测定交联度的一种方法。
2)膨胀度：干树脂加水，不时摇动，24h后，测定树脂体积，前后体积之比，称为膨胀系数。膨胀系数与交联度、交换量、可交换容量、溶液中离子性质有关。 3)密度：树脂的密度有干真密度、湿真密度、视密度等。
湿真密度：取所需型式的湿树脂，在布氏漏斗中抽干。迅速称取2—5g抽干树脂，入密度瓶中，
加水至刻度称重，计算。
4)交换容量： 交换容量是表征树脂性能的重要数据．它用单位质量干树脂或单位体积湿树脂所能
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吸附的1价离子的毫摩尔数米表示。
5)滴定曲线 ：和无机酸、碱一样，离子交换树脂也有滴定曲线。与离子强度、种类、树脂官能团强度有关。由滴定曲线的转折点，可估计其总交换量；而由转折点的数目，可推知官能团的数目。曲线还表示交换容量随pH值的变化，所以滴定曲线较全面地表征树脂官能团的性质。
第三节 离子交换过程的理论基础
一、离子交换平衡
离子交换反应是可逆反应，但是，这种可逆反应并不是在均相溶液中进行，而是在固态的树脂和水溶液接触的界面间发生的。 在水溶液中，离子交换是由于树脂上的宫能团B+与溶液中的同类型离子A+之间的浓度差推动着它们之间的交换，当这种交换反应进行到一定程度时，就建立了离子交换平衡状态，使树脂上和溶液中都同时含有A+和B+两种离子。
离子交换树脂对有机大分子吸附时，会存在假平衡。主要是由于：
①树脂的活性中心受空间排列的影响不能全部吸附有机大分子，
②树脂颗粒度影响对大分子的交换，当树脂的颗粒较大时，有机大分子在树脂的内部扩散速度很慢，达到平衡需要的时间较长。当树脂的颗粒度减小时，交换速度和交换量都会有所增加。 二、离子交换选择性 离子交换选择性：
在实际应用中，溶液中常常同时存在着很多离子。离子交换树脂能否将所需离子从溶液中吸
附出或将杂质离子全部(或大部)吸附住， 具有更大的实际意义。这就是离子交换选择性。 离子选择系数K： B
KA越大，离子交换树脂对B离子的选择性越大(相对于A离子而言)；反之，小于1，树脂对A离子的选择性大。
离子选择系数定性地表示离子交换剂的选择性，因此又称分配系数或交换势。 影响离子交换树脂选择性的因素：
1．离子价数：离子交换树脂总是优先选择高价离子。
阳离子的被吸附顺序为： Fe3+＞AI3+＞Ca2+＞Mg2+＞Na+ 阴离子顺序为： 柠檬酸根＞硫酸根＞硝酸根
2 溶液浓度：树脂对离子交换吸附的选择性，在稀溶液中比较大，而在浓溶液中较小。因此可将溶液稀释，树脂选择吸附高价离子。
3 离子的水化半径：离子在水溶液中的大小应用水化半径来表征，而不是原子量。水化半径较小的离子优先吸附。
4．树脂物理结构：通常，交联度高的树脂对离子的选择性较强。大孔型树脂的选择性低于凝胶型树脂。但对于大分子的吸附，情况较复杂。
5．有机溶剂：有机溶剂常会使树脂对有机离子的选择性降低，而容易吸附无机离子，可利用有机溶剂从树脂上洗脱难洗脱的有机物质。
6 ．树脂与交换离子间的辅助力：凡能与树脂间形成辅助力（氢键、范德华力等）的离子，树脂对其吸附力就大；能破坏这些辅助力，离子从树脂上易洗脱。
三、离子交换过程和速度
离子交换反应是在动态下进行的，不论溶液的运动情况怎样，在树脂表面上始终存在着一层薄膜，起交换的离子只能借分子扩散而通过这层簿膜。
离子交换速度：在单位时间内，溶液中A+浓度减少或B+浓度增加的量。 实际交换过程由以下相对速度组成：
1)溶液中的谷氨酸离子从溶液通过液膜扩散到树脂表面； 2)穿过树脂表面向树脂孔内部扩散，到达有效交换位置； 3)谷氨酸离子与树脂中的H+进行离子交换； 4) H+从树脂内部向树脂表面扩散； 5) H+穿过树脂表面的液膜进入水溶液。
其中步骤(1)、(5)称为外扩散或膜扩散；(2)、(4)称为内扩
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散或粒扩散；(3)称为交换反应。一般反应速度很快，而扩散速度很慢，因此，离子交换反应的速度
主要取决于扩散速度。 影响交换速度的因素 1．树脂颗粒
离子的外扩散速度与树脂颗粒大小成反比，而粒子的内部扩散速度与粒径倒数的高次方成
正比，粒度减少，交换速度加快。 2．树脂的交联度
交联度降低，树脂易膨胀，树脂内扩散较容易，交换速度提高。 3．溶液流速
外扩散随溶液过柱流速的增加而增加，内扩散基本不受其影响。 4．溶液浓度
溶液中离子浓度低，对外扩散速度影响较大，对内扩散影响较小；离子浓度较高，对内扩
散影响较大，对外扩散影响较小。 5．温度
溶液的温度提高，扩散速度加快。 6．离子的大小
大分子受空间阻碍，在树脂内的扩散速度特别慢。小离子快。 7．离子的化合价
离子与树脂骨架间存在库仑引力，化合价越高，扩散越慢。
第四节 离子交换的应用
一 、离子交换装置：
按操作方式分为：间歇式分批操作及柱式操作两种。 按是否敞口分为：有开放式(即敞口式)和密闭式两种。
开放式：便于树脂的装入、吸出，只能在常压下操作。柱的反洗和清污容易，但由于敞口，易混
入外界杂质。
密闭式：上下全封，能克服开放式的缺点，但清污和装住较麻烦。 按装树脂方式分为：单床(只装一种树脂)和复床(两种以上树脂分层装在同一校内)反移动床(树脂的使
用、再生和清洗不在同一柱内)等几种。
材质：通常中小型离子交换柱用有机玻璃或硬质聚氯乙烯制成，大型柱用钢板焊接制成，内壁涂衬
上耐酸、碱的防腐蚀物。
树脂装量：一般发酵工业用的离子交换柱中装载树脂层的高度通常为1一1．5m，柱体总高度约为
树脂层的2倍。如果树脂的粒度较大，阻力较小，高径比可提高(4-5：1) 。一般正上拄有效树脂体积约为柱的70％，倒上柱约为60。
二、离子交换树脂的工作过程 1．树脂预处理：
去除未参与聚合反应的低、高分子成分的分解产物，铁、铜、铝等金属物质及灰尘； 装柱，
去离子水浸泡12h，2-3倍10%食盐水浸泡4h；水洗，酸、碱处理，调pH。 2．上柱交换：
关键，可采用正上柱或倒上柱 ，柱上树脂分三层： 已交、交换、未交。交换带逐渐下移，
达底部称漏出点。交换带一般0.2—1m。B离子浓度高、操作温度低、料液流速高、树脂老化等都会使交换带加宽，不利；应控制，但有限。 3 ．洗脱：
用亲和力更大的离子取代产物。生物大分子分离纯化有两种方式：
① “正吸附”，产物离子化，被交换。优点是目的产物纯度高，可浓缩，宜处理浓度低、量大的
溶液；
② “负吸附”。吸附杂质。宜处理浓度高溶液；产物纯度不高，不浓缩。 4 ．树脂的再生：
交换吸附的逆反应。水洗，再生剂再生，清水洗至所需PH值。 钠型强酸性树脂用NaCI再
生；氢型强酸性树脂用强酸再生，氯型强碱性阴树脂主要用NaCI溶液再生，羟型强碱性阴树脂用Na0H溶液再生。恢复程度为70％一80％。
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三、树脂和操作条件的选择 树脂选择：
1、强碱性离子宜用弱酸性树脂； 2、弱碱性离子宜用强酸性树脂； 3、弱酸性离子宜用强碱性树脂； 4、强酸性离子宜选用弱碱性树脂；
5、大分子离子应选择交联度较低的树脂； 6、小分子离子应选择一定交联度的树脂。 原因：
1、4，强酸对强碱，解吸较困难；
2、3，弱酸对弱碱，形成的盐易水解，不易吸附；
5，低交联度便于大分子扩散到树脂内部，但交联度过低，会影响树脂的选择性和机械强度； 6，交联度过高，树脂在清洗再生及转型过程中， 膨胀度较大，对设备造成损坏。 合适操作条件的选择： ①PH：合适的PH值应具备3个条件：pH值应在产物的稳定范围内；使产物离子化；使树脂能解离。 ②树脂的型式：对弱酸性和弱碱性树脂，为使树脂能离子化，应采用钠型或氯型；而对强酸性和强碱性树脂，可以采用任何形式；但如产物在酸性、碱性条件下易破坏，则不宜采用氢型或经型树脂。
③溶液中产物浓度：低价离子增加浓度有利于交换上树脂，高价离子在稀释时容易被吸附。 ④洗脱条件：洗脱条件应尽量使溶液中被洗脱离子的浓度降低。
洗脱条件一般应和吸附条件相反。如吸附在酸性下进行，解吸应在碱性下进行；吸附在碱性，解吸应在酸性。为使pH变化不致过大，可选用缓冲液作洗脱剂。PH变化不行时，可用能和水混合、且对产物溶解度较大的有机溶剂洗脱。洗脱前，树脂的洗涤工作相当重要，很多杂质可以在洗涤时除去，洗涤可以用水、稀酸和盐类溶液等。 四、软水和无盐水的制备
软水：利用钠型阳离子交换树脂去除钙、镁离子后的水。
主要是用于锅炉给水，钙、镁离子是锅炉结垢的主要成。
经钠盐型离子交换树脂床的原水，硬度可降至.05mmol/L以下，甚至可完全消除。但原
水中的碱度保持不变。
树脂可用工业食盐水溶液(10％一15％)再生，可反复使用。 无盐水：除去原水中所有的溶解性盐类、游离的酸、碱离子。
无盐水的用途十分广泛，如高压锅炉的补给水、实验室用的去离子水，制药、食品等各行
业都需要无盐纯水。
离子交换法制备无盐纯水是将原水通过氢型阳离子交换树 脂和羟型阴离子交换树脂，经
过离子交换反应，将水中的阴、阳离子除去，从而制得纯度很高的无盐纯水。 阳离子交换树脂用一定浓度的盐酸或硫酸再生。强碱阴树脂用5％一8％ NaOH 再生，费
用高；弱碱阴树脂用1％一3％ NaOH再生，但不能除硅等弱酸性阴离子。可根据水质要求而组合。
五、离子交换技术在生物工程的应用
1、.氨基酸：是一类两性化合物，在不同的pH条件下能以正离子、负离子或两性离子的形式存在。
可用阳离子交换富集分离。
例如，谷氨酸，当pH＜3．22时，呈阳离子状态，可用732强酸性阳离子树脂选择性吸附，与发酵液中妨碍谷氨酸结晶的残糖及糖的聚合物、蛋白质、色素等非离子性杂质分离，达到浓缩提纯的目的。
2、抗生素：一些具有酸性基团，在中性或弱碱条件下以负离子的形式存在，可用阴离子树脂提取分
离，如苄基青霉素；
氨基糖苷类抗生素，如红霉素、链霉素、卡那霉素，在中性或弱酸性条件下以阳离子形式存在，可用阳离子树脂提纯。
还有一些抗生素为两性物质，如四环素族，在不同PH下，形成正离子或负离子，分别用阳树脂或阴树脂素分离与纯化。
3、有机酸：可用阳树脂除去有机酸溶液中的阳离子杂质，达到纯化的目的。如柠檬酸，用阳树脂脱
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除酸液中的金属离子。
4、其他：核苷酸与氨基酸相似，两性化合物； 利用吸附树脂可自发酵液中吸附提取维生素、酶、辅酶等，均取得良好效果。
第五节 生化用离子交换剂的特点和种类
一、生化用离子交换剂的特点：
1．亲水性及生物相容性：以亲水性骨架衍生的离子交换剂为生物大分子提供适宜的微环境，有很好的生物相容性； 2．孔结构：生化用离子交换剂在分离中兼有分子筛与离子交换的双重作用，要求孔径分布更加均匀。 3．电荷密度：电荷密度要适当。过大，生物大分子多个带电荷的残基与个官能团结合，可能使其发生构象变化，导致失活。
4．粒度：生物大分子扩散速率小，运动阻力大，要提高交换速度只能减小粒径，一般在20一30m范围内。
5．纯度：生化用介质可分以下几个等级。
(1)工业级：适用于要求纯度不高或用量很大的抗生素、氨基酸； (2)分析级：适用于分析试验；（经过有机溶剂等处理后的产品）
(3)生物技术级：适用于一般生化过程及从非离子生化产物中去离子。经过特殊纯化处理与灭菌
(<100个/g )。
(4)分子生物级：这类介质的物化性能与一般离子交换剂无明显差异。无核酸内切酶、外切酶，也
无连接酶抑制。
二、生化用离子交换剂的种类
通用型树脂在生化中主要用于从发酵液中提取分离抗生素、有机酸、氨基酸，以及天然资
源中有效成分的提取分离。
以天然多糖为骨架的离子交换剂仅用于生化分离，还有些全合成或半合成的介质也是为生
化分离而研制。这两类介质均称为生化专用离子交换剂。
(1)纤维素类：离子交换纤维是最早用于生物大分子分离的介质，具有松散的亲水网络、大孔、大的
表面积等优点。
(2)葡聚糖系离子交换剂：不溶于水及各种溶剂。避免强酸强碱溶液，中性pH值时可用
120℃消毒30min。消毒时放出微量糖，用无菌缓冲液洗即可。有两种孔度，具有较 高的容量。
另外，还有琼脂糖系离子交换剂，Momo Beads系离子交换剂，聚丙烯酸羟乙基酯系离子交
换剂等。
生物工程下游技术练习题
名词解释：乳化 浸取 吸附作用 浓差极化 无盐水 判断：离子交换的推动力是离子浓度差。
离子交换树脂的交联度大，其网孔大，机械强度大。 在蛋白质盐析操作中，溶液中蛋白质浓度越高越好。 有机溶剂沉淀法与盐析法相比，分辨能力高。 简答：柠檬酸钙盐沉淀提取法的化学反应式。 影响吸附作用的因素有那些？ 膜分离过程的三种基本传质形式。 离子交换树脂分那四种基本类型？
在膜分离过程中，通过膜相际有那些基本传质形式？ 溶剂萃取法有那些优点？
分析液液萃取和浸取操作的异同点。
论述：论述反渗透、超滤、微孔过滤、纳米过滤的异同点。
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授课章节 教学目标与要求 教学重点与难点 教学方法 第十章 色谱分离 1. 掌握色谱分离的原理和特点 2. 掌握色谱分离的分类 3. 了解色谱分离的应用 1. 色谱分离方法的选择； 2.柱色谱和亲和色谱分离法。 讲授；多媒体教学 Section 1: 概 述 ◆色谱分离的原理 ◆色谱分离的基本特点 ◆其他类型的树脂 学时 2 Section 2: 色谱分离的分类 ◆按分离机理不同分类 ◆按固定相形状不同分类 ◆其他分类方法 Section 3: 生物工业中的色谱分离 主要 教学内容 ◆色谱分离的规模 ◆离子交换选择性 ◆色谱分离方法的选择 ◆分析色谱与制备色谱及工业色谱的比较 Section 4: 色谱分离的基本原理 Section 5:柱色谱分离法 ◆层析剂 ◆装置 ◆操作技术 ◆洗脱色谱动力学 ◆径向色谱 Section 6: 亲和色谱 ◆基本原理 ◆亲和层析剂 ◆亲和色谱操作中的洗脱方法 需掌握的专业词汇 研究进展和参考资料 Cell; Cell biology; Cell theory 韩贻仁．分子细胞生物学．第二版．北京：科学出版社，2001 48
汪堃仁，薛绍白，柳惠图．细胞生物学．第二版． 纵观cell biology发展简史，你认为该学科近百年来快速发展的主要原因是什么？ 课后复习题
第十章 色谱分离
第一节 概 述
色谱分离也称为色层分离或层析分离，在分析检测中则常称为色谱分析。它是一种物理的分离方法。
原理：利用多组分混合物中各组分物理化学性质(如吸附力、分子极性、分子形状和大小、分子亲和
力、分配系数等)的差别，使各组分以不同程度分布在固定相和流动相中；当多组分混合物随流动相流动时、由于各组分物理化学性质的差别，而以不向的速率移动，使之分离。 其中团定的称为固定相；流过固定相的称为流动相。 色谱分离的基本特点：
(1)分离效率高： 色谱分离的效率是所有分离纯化技术中最高的。如果用理论塔板数来表示色谱柱的效率，则每米柱长可达几千至几十万的塔板数。
(2)应用范围广： 色谱分离的应用范围极广，从极性到非极性、离子型到非离子型、小分子到大分子、无机到有机及生物活性物质，以及热稳定到热不稳定的化合物。尤其是对生物大分子样品的分离，是其他方法无法代替的。
(3)选择性强：色谱分离可变参数之多也是其他分离技术无法相比的，因而具有很强的选择性。 (4)高灵敏度的在线检测： 与其他分离方法相比，色语分离具有高灵敏度在线检测的特性。
(5)快速分离：高效细颗粒层析剂和高压液相色谱分离技术的采用，保证了在高分离效率前提下的高分离速率，从而可以提高单位时间的产量。
(6)过程自动化操作：计算机的应用使色谱分离过程自动化。最初计算机的应用仅限于简单的数据处理。目前已发展到用计算机作为操作的控制控制中心，使色谱分离过程可以按事先设置的程序进行完全自动化的操作，包括自动进样、分离后的样品馏分自动收集、未达到要求纯度的馏分的再循环分离等。这种高度的自动化操作保证了产品的质量，提高了产率，节省了大量的劳动力，降低了生产成本。
第二节 色谱分离的分类
一、按分离机理不同分类：（溶质与固定相相互作用的机理）
(一)吸附色谱分离：由于固定相对不同物质吸附力不同而使混合物分离的方法。
(二)分配色谱：又称为液液色谱，利用混合物中各物质在两液相中的分配系数不同而分离。其操作方法分两种：
1、柱（纸或板）色谱分离法：固定相是将与流动互不相溶的液体涂渍到载体上形成的； 2、逆流分配法：其固定相和流动相都放在一组特别的分配管中。 (三)离子交换色谱：树脂上可电离的离子与流动相中具有相同电荷的溶质离子进行可逆交换，混合物
中不同溶质对交换剂具有不同的亲利力而将它们分离。
(四)凝胶色谱：以凝胶为固定相，是一种根据各物质分子大小不同而进行分离的色谱技术，因而又树
为分子筛色谱。 (五)亲和色谱：把与目的产物具有特异亲和力的生物分子固定化后作为固定相，可把目的产物从混合
物中分离出来。如抗原与抗体，酶蛋白与辅酶。
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二、按固定相形状不同分类 1、柱色谱分离
在柱中进行的色谱分离。优点：进样量大，回收容易。 2、纸上色谱分离
以滤纸为载体的分配色谱。优点：设备简单，操作方便，分离效率高，所需样品量少。 3、薄层色谱分离
将固定相在玻璃平板上铺成薄层而进行的色谱分离。 优点：操作简便，分离效率高，分离速率快，适用广。 三、其他分类方法
1、根据流动相的物态不同，可分为气相色谱分离，液相色谱分离，超临界色谱分离。 2、根据操作压力不同，可分为低压色谱分离（<0.5MPa），中压色谱分离（0.5-5MPa），高压色谱分离（5-50MPa）。
3、根据洗脱操作时展开方式不同，可分为洗脱展开法，前沿分析法，置换展开法。
第三节 生物工业中的色谱分离
一、色谱分离的规模
色谱分析： <10mg； 半 制 备： 10-50mg； 制 备： 1.0-10g； 工业生产： >20g/d。 二、色谱分离方法的选择
1、目的产物的分子结构，物理化学特性，分子量的大小；
2、分子结构，理化特性，大小与目的产物相近的杂质的成分和含量。 3、目的产物在色谱分离过程中生理活性的稳定性。 三、分析色谱与制备色谱及工业色谱的比较
1、应用色谱技术范围的不同：制备、工业，色谱主要是采用以液相为流动相的柱上色谱。 2、操作上的不同：制备和工业色谱中，则要求进样量越多越好，色谱柱也应适当大些。 3、色谱分离理论上的不同：
①理论塔板数的不同；②分配系数的不同；③样品保留值与峰高的不同。
第四节 色谱分离的基本原理
若各组分对固定相的亲和力大小不同，则各组分的移动速率就不同，从而使各组分在色谱柱内分层而得以分离，这就是色谱分离的基础。
第五节 柱色谱分离法
工业规模的色谱分离大多采用柱色谱分离法。 一、层析剂
用于色谱分离技术中的团定相或分离介质，总称为层析剂。 它由基质和表面活性官能团(或活动中心)组成。生物产品所需团定相或层析剂应具备下列特
性：
(1)不溶于流动相，且具有较好的化学稳定性和机械强度； (2)具有较大的表面积和孔隙度．且粒度、孔径分布均匀；
(3)有较高的回收率和负载量，能达到所需的分离效率，且重现性好；
(4)有些分离过程，层析剂使用前后需要高压消毒．此时层祈剂应具有较好的热稳定性； (5)无毒性，分离过程不引起目的产物的变性或失活； (6)成本较低，价格合理。 层析剂种类
层析剂的种类很多。
按化合物的种类可分成无机基质层析剂和有机基质层析剂两大类；
按色谱分离机理可分成吸附、分配、离子交换、凝胶和亲和层析剂五类； 按形状可分成球形和无定形两类；
按硬度可分成硬质层析剂、半硬质凝胶层析剂及一些如琼脂糖的生物软胶； 按结构可分成表面多孔薄层层折剂和完全多孔层析剂两类。 常用层析剂：
无机：硅胶，氧化铝，活性炭，多孔玻璃，羟基磷灰石；
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有机：琼脂糖，葡聚糖，纤维素，聚丙烯酰胺凝胶，聚乙烯醇。 二、装置
1、进样及流动相供给装置； 2、色谱柱；
3、检测器与流分收集器。 三、操作技术
(一)样品溶解与进样方法：
采用色谱方法分离和纯化生物大分子物质时，制备合适的样品溶液是成败的关键之一。
样品中应不夹带固体颗粒，包括沉波和菌体碎片等。 (二)展开操作：
1 ．洗脱展开法 2．前沿分析法 3．置换展开法 四、洗脱色谱动力学 五、径向色谱
第六节 亲和色谱
亲和色谱是专门用于纯化生物大分子的色谱分离技术，它是基于固定相的配基与生物分子
间的特殊生物亲和能力的不同来进行相互分离的。
亲和色谱的显著特点：具有其他分离技术所不能比拟的高选择性，且色谱过程操作条件温
和，能有效地保持生物大分子高级结构的稳定性，活性样品的回收率也比较高。
所以亲和色谱被广泛用于酶、治疗蛋白、抗体、核酸、辅助因子等生物大分子以及细胞、
细胞器、病毒等超分子物质的分离与纯化。
特别是对分离含量极少而又不稳定的活性物质最有效，经一步亲和色谱即可提纯几百至几
千倍。 一、基本原理
亲和色谱也属于一种吸附色谱，但它的吸附作用主要靠生物分子对它的互补结合体(配基)
的生物识别能力。
生物活性物质的专一性是由分子中有关作用基团(官能团)的化学结构与它们的空间排列决
定。
例如，酶和底物的专一性结合。 亲和色谱的基本过程：
把具有特异亲和力的一对分子的任何一方作为配基，在不伤害其生物功能情况下，与不溶
性载体结合，使之固定化，装入色谱柱，然后把含有目的物质的混合液作为流动相，在有利于固定相配基和目的物质形成络合物的条件下进入色谱柱。
目的物质被吸附，杂质直接流出。变换过柱溶液，使配基与其亲和物分离，获纯化的目的
产物。
亲和色谱分离中经常采用的生物亲和关系
①酶：底物、底物类似物、抑制剂、辅酶、金属离子； ②抗体：抗原、病毒、细胞；
③激素、维生素：受体蛋白、载体蛋白；
④外源凝集素：多糖、糖蛋白、细胞表面受体蛋白、细胞； ⑤核酸：互补碱基链段、组蛋白、核酸聚合酶、核酸结合蛋白； ⑥细胞：细胞表面特异蛋白、外源凝集素。 二、亲和层析剂 制备过程：
1、载体的选择；2、载体的活化；3、配基的连接。 理想载体的特性： 1、不溶性；
2、渗透性，即具有琉松的网状结构，容许大分子自由通过； 3、高硬度及适当的颗粒形式，最好为均匀的珠状； 4、最低的吸附力；
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5、较好的化学稳定性； 6、抗微生物和酶的侵蚀； 7、亲水性；
8、具有大量的供反应的化学基团，能与大量配基共价连接。 （一）琼脂糖；（二）硅胶；（三）合成高分子。 三、亲和色谱操作中的洗脱方法
在亲和色谱洗脱操作中，洗脱方法有两类，即普通洗脱法和专一性洗脱法。
普通洗脱法：与其他色谱分离方法一样，可以通过改变溶剂或缓冲液的类型，改变缓冲液的pH和离子强度，改变洗脱温度，以及添加促溶剂等措施进行洗脱。 专一性洗脱法：是指溶液中的配基、抑制剂或半抗原等物质与
亲和层析剂上的配基，同时对生物活性物质产生竞争性的结合，从而达到沈脱的目的。一般说来，专一性洗脱可以获得很高的分辨能力。
但是，专一性洗脱剂的价格都比较昂贵，所以常与普通洗脱条件配合作用。
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授课章节 教学目标与要求 教学重点与难点 教学方法 第十一章 酒精差压蒸馏技术 1. 掌握差压蒸馏的基础理论 2. 掌握差压蒸馏的工艺特征 1. 多效蒸馏的原理和工艺流程； 2.差压蒸馏的工艺特征。 讲授；多媒体教学 Section 1: 蒸馏的基本原理 ◆挥发系数K ◆杂质的精馏系数K’ ◆杂质的分类 学时 2 Section 2: 差压蒸馏的基础理论 ◆热力学分析 ◆多效蒸馏的原理 ◆多效蒸馏的工艺流程 主要 教学内容 Section 3: 差压蒸馏的工艺特征 ◆加压精馏塔回流比的确定 ◆减压条件下杂质的分布 ◆低压降塔板的应用 ◆差压蒸馏的动态控制 Section 4: 酒精差压蒸馏的发展动态 ◆我国酒精工业蒸馏技术现状 ◆国际上先进的差压蒸馏技术 ◆国内差压蒸馏工艺流程 需掌握的专业词汇 研究进展和参考资料 Cell; Cell biology; Cell theory 韩贻仁．分子细胞生物学．第二版．北京：科学出版社，2001 汪堃仁，薛绍白，柳惠图．细胞生物学．第二版． 53
纵观cell biology发展简史，你认为该学科近百年来快速发展的主要原因是什么？ 课后复习题
第十一章 酒精差压蒸馏技术
蒸馏是分离液体温合物的典型化工单元操作，它利用液体混合物中各组分挥发性的不同，达到将各组分分离的目的。 酒精蒸馏包括两个过程：
一是将酒精和所有易挥发性物质从发酵醒掖中分离出来的过程，称之为粗馏；
二是进一步提高酒精浓度，并除去粗酒精中的杂质，使之成为各种规格的成品酒精， 称之为精馏。
第一节 蒸馏的基本原理 第二节 差压蒸馏的基础理论 第三节 差压蒸馏的工艺特征 第四节 酒精差压蒸馏的发展动态
第一节 蒸馏的基本原理
酒精发酵醪液蒸馏的理论基础是拉乌尔定律。拉乌尔定律指出：混合液中，蒸气压高的组
分，在气相中的含量总是比液相中的高；反之，蒸气压低的组分，在液相中的含量总是比气相中的高。在酒精发酵醪液中，由于酒精和其他各组分的挥发性能不同，经过多次反复汽化和冷凝，使酒精得以增浓和提纯。 一、挥发系数K
在发酵酵液沸腾时的平衡系统中，用1表示气相中酒精含量(质量分数)，用2表示液相中的酒精含量(质量分数)，两者的比值称为挥发系数，用K表示。 二、杂质的精馏系数K’
杂质的精馏系数是指杂质的挥发系数和酒精的辉发系数之比。
三、杂质的分类
根据杂质的精馏系数可以把杂质分为头级杂质、尾级杂质和中级杂质三大类。
第二节 差压蒸馏的基础理论
一、热力学分析
蒸馏过程的节能途径归纳起来有3个方面：
(1)蒸馏过程热能的充分回收利用，使散失到系统之外的热量降到最低限度；如酒糟、馏出液的显热回收，以及塔顶酒精蒸气潜热的回收，这是以热力学第一定律为基础的。该类节能途径已被普遍采用，并收到一定的节能效果，但热能的废弃、有效能的损失仍很严重，其中有些回收的低温热能，往往只能作为另一个过程的热能，因此，它属于“回收型”节能途径。
(2)减少蒸馏过程本身需要的热量，如采用最佳回馏化、适当的塔板结构和塔板数等。 (3)提高蒸馏系统的热力学效率，是以热力学第二定律为基础的。 二、多效蒸馏的原理
多效蒸馏是以多塔代替原先的单塔，使各塔在不同压力下工作，前一效压力高于后一效的
压力，前一效塔顶蒸汽冷凝温度略高于后一效塔釜液体的沸腾温度。
第一效塔釜用蒸汽加热，塔顶蒸汽作为第二效塔釜再沸器的加热介质，蒸汽在塔釜再沸器
中冷凝。依次逐效进行，直到最后一效塔顶蒸汽用外来冷却水冷凝。
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这样，就有效地利用了固定冷、热介质之间的过剩温差，使得总能量逐塔、逐级降低，充
分利用了各级品位的能量，从而降低了有效能的损失，提高了热力学效率。
三、多效蒸馏的工艺流程
多效蒸馏中最常用的工艺流程为双效蒸馏。 进料方式和气液之间相互流动方式组合方式：
(1)并流型； (2)逆流型； (3)混流1型； (4)混流2型； (5)分流型。 操作压力组合方式：
(1)加压一常压； (2)加压一减压； (3)常压—减压； (4)减压一减压。 选用工艺流程方案和操作压力的限制因素： (1)体系的相对挥发度； (2)板效率；
(3)物科的热状态；
(4)进科中低、高沸点物质的组成； (5)热源蒸汽压力和冷却介质温度； (6)现有塔设备的利用。
第三节 差压蒸馏的工艺特征
一、加压精馏塔回流比的确定； 二、减压条件下杂质的分布； 三、低压降塔板的应用； 四、差压蒸馏的动态控制；
在酒精差压蒸馏过程中，经常采用控制压力、流量以及回流比等方案，以消除各和因素对
蒸馏稳态的影响。
有条件的情况下应采用计算机控制。
第四节 酒精差压蒸馏的发展动态
一、我国酒精工业蒸馏技术现状
我国酒精总产量已达360万吨，但经济水平较落后，与发达国家比，原料利用率相差无几，
但在能耗方面要高50％以上。
在酒精生产过程中，蒸馏能耗占总能耗的60％-70％。
我国的酒精蒸馏技术主要采用传统的常压蒸馏，蒸馏汽耗为4.5—6. 0t/t酒精，而发达国家采
用差压蒸馏技术的蒸馏汽耗仅为2.0—2.4 0t/t酒精。 二、国际上先进的差压蒸馏技术
1．二塔差压蒸馏生产燃科酒精工艺流程 2．四塔差压蒸馏生产优质酒精工艺流程 3．无水酒精差压蒸馏工艺流程 三、国内差压蒸馏工艺流程
1，针对糖蜜和玉米原料的四塔差压蒸馏流程 2．针对薯于原料的三塔差压蒸馏流程
3．差压蒸馏在造纸废液发酵酒精蒸馏上的应用
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授课章节 教学目标与要求 教学重点与难点 教学方法 第十二章 结晶技术 1.掌握饱和曲线和过饱和曲线与结晶的关系 2.了解结晶动力学 3.掌握结晶操作和常用结晶设备 1. 饱和曲线和过饱和曲线； 2.晶核的形成和二次成核。 讲授；多媒体教学 Section 1: 基本概念 ◆晶体性状 ◆饱和曲线和过饱和曲线 ◆结晶过程 学时 2 Section 2: 结晶动力学 ◆晶核的形成 主要 教学内容 ◆二次成核现象 ◆晶体的生长 ◆杂质对晶体生长速率的影响 Section 3: 结晶操作和结晶设备 ◆分批结晶 ◆连续结晶 ◆结晶设备 需掌握的专业词汇 研究进展和参考资料 Cell; Cell biology; Cell theory 韩贻仁．分子细胞生物学．第二版．北京：科学出版社，2001 汪堃仁，薛绍白，柳惠图．细胞生物学．第二版． 56
纵观cell biology发展简史，你认为该学科近百年来快速发展的主要原因是什么？ 课后复习题
第十二章 结晶技术
生物工业的固体产品又可分为结晶型和无定型两类。
区别：构成单位（原子、分子或离子）的排列方式是规则的—结晶；不规则的—无定型。
蔗糖、食盐、氨基酸、柠檬酸等都是结晶形，而淀粉、酶制剂、蛋白质和某些喷雾干燥获得
的产品是无定型物质。
形成晶形物质的过程称为“结晶”；而得到无定型物质的过程称为“沉淀”。
结晶是同类分子或离子的规则排列，具有高度的选择性，结晶操作能从杂质含量相当多的发酵液或溶液中形成纯净的晶体。
结晶产品外观优美，它的包装、运输、贮存和使用都很方便。
第一节 基本概念
一、晶体性状
晶体是内部结构中的质点(原子、离子、分子)作规律排列的固态物体。 如果生长环境好，则可形成有规则的多面体外形多面体。
结晶多面体的面称为晶面，棱边称晶棱。
从溶液中结晶的晶体具有以下一些性质： (1)自范性：晶体具有自发地生长为多面体结构的可能性。即晶体常以平面作为与周围介质的分界面。这种性质称为晶体的自范性。
(2)各向异性：几何特性及物理性质应随方向而有差异。
(3)均匀性：晶体中每一宏观质点的物理性质和化学组成都相同(因内部品格相同)。正因为有了晶体的均匀性这一性质，才保证了工业生产的晶体产品具有高的纯度。 二、饱和曲线和过饱和曲线
饱和溶液：溶液恰好饱和，溶质既无溶解也无结晶，即溶质与溶液处于平衡状态，此溶液称为饱和
溶液；
未饱和溶液：若添加固体则固体溶解；
过饱和溶液：超过饱和点的溶质迟早要从溶液中沉淀出来。
要使溶质从溶液中结晶出来，须首先使溶液成为过饱和状态，也即必须设法产生一定的过
饱和度作为推动力。
溶液的过饱和度与结晶的关系： AB为饱和曲线；CD为过饱和曲线。
AB和CD将图分为：稳定区、介稳区和不稳区。 稳定区：溶液尚未饱和，没有结晶的可能。
介稳区：也不会自发产生晶核，但如已有晶核，则晶核长大而吸收溶质直至浓度回落到饱和线上。 不稳区：能自发产生晶核。
如E点是溶液的原始末饱和状态， E H是冷却结晶线，F点是饱和点，不能结晶，到达G
点时，自发产生晶核。 三、结晶过程 1、结晶过程：
①首先是产生晶核；
②晶核在良好的环境中长大。动力是溶质的浓度差△C＝C-C ‘，过饱和度的大小会影响晶核的形成速度和晶体的长大速度，影响最终晶体产品的粒度和晶体粒度分布。
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混品现象：溶解度相差不大，晶格相近的杂质。 2．晶体纯度的影响因素
(1)母液在晶体表面的吸藏。杂质甚至会机械地陷入晶体。吸藏的杂质可以通过重结晶酌方式除去 (2)形成晶簇。细小晶体易形成晶簇，常机械地包含母液，这种情况也称为包藏。粒度大且较均匀的晶体夹带母液较少。
(3)晶习。晶体外形叫晶习。如谷氨酸结晶，存在-结晶(体)和-结晶(体) 。 -结晶呈颗粒状，晶体产品质量好； -结晶呈片状、针状，比表面大，易包含杂质和母液。
影响晶习的因素： ①溶液性质、杂质和溶剂等。②操作条件如温度、搅拌程度、冷却或浓缩方式、PH的调整等。 3．成核现象 三种形式：
(1)初级均相成核：溶液在不合外来物体时自发产生晶核，称为初级均相成核。
(2)初级非均相成核：在外来物体(如大气微尘)诱导下产生晶核的现象称为初级非均相成核。
(3)二次成核：溶液中已有溶质晶体存在的条件下形成晶核的现象称为二次成核。二次成核中又以接触成核占主导。 接触成核：新生的晶核是晶浆(有晶体存在的结晶溶液)中已有的晶体颗粒，在结晶器中与其他固体接
触碰撞时产生的晶体表层的碎粒。
晶核生成速率过高，它容易导致晶体产品的粒度及粒度分布不合格。需要认真考虑对待的
问题。
第二节 结晶动力学
一、晶核的形成：
通常用成核速率来表示晶核的生成速度，即：
成核速率＝新生成晶检数／(单位时间x单位体积溶液）
1．初级均相成核：工业上罕见．也不受欢迎 2．临界粒度及粒度对溶解度的影响： 晶体的生存理论：
小粒子具有较大的表面能，其溶解度高于粒度较大的晶体。如溶液中同时存在大、小晶粒，则微小晶粒溶解而大晶粒长大，直至微小品粒完全消失。颗粒只有大至某一临界粒度值(m级）才能成为继续长大的稳定的晶核。理论上可推导出临界粒度值。除颗粒大小外，还有许多因素 对溶解度产生影响，如溶质的同离子、盐、溶剂种类、pH等。 3 ．初级非均相成核：
外来物体，如大气灰尘污染，小菌体，溶液中其他不溶性固体微粒都会诱导生成晶核。在
工业规模的结晶过程中，一般不应以初级成核作为晶核的来源。 二、二次成核现象 二次成核：
受已存在的宏观晶体的影响而形成晶核的现象。
是绝大多数工业结晶器中晶核的主要来源。
①液体剪应力成核：过饱和溶液以较大流速扫过正在生长的晶体表面时，液体边界层存在剪切应力(速度差引起)，将附着于晶体之上的粒子扫落，大的作为晶核生成长大，小的则溶解。
②接触成核(碰撞成核)：晶体在与外部物体(包括另一粒晶体)碰撞时会产生大量碎片，其中较大的就是新的晶核。
实际经验指出，晶核生成量与搅拌强度有直接关系接触成核。
接触成核在工业结晶过程中被认为是获得晶核最简单、最好的方法。 优点：
①动力学级数较低，即溶液过饱和度对成核影响较小。 ②在低过饱和度下进行，能得到优质结晶产品。
③产生晶核所需要的能量非常低，被碰撞的晶体不会造成宏观上的磨损。 在工业生产中，接触成核有以下4种方式： (1)晶体与搅拌螺旋桨间的碰撞； (2)湍流下晶体与结晶器壁间的碰撞； (3)湍流下晶体与晶体的碰撞；
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(4)沉降速度不同，晶体与晶体的碰撞。 其中以第1种方式为主。 2．影响接触成核速率的因素
(1)过饱和度的影响：产生的晶粒数N是过饱和度S的函数。无论哪一类晶体，晶核生成量与晶体生长速率成正比。
(2)碰撞能量E的影响：碰撞能量纯越大，产生的品粒数越多。
(3)螺旋桨的影响：螺旋桨对接触成核的影响最大，主要体现在它的转速和桨叶端速度上。
(4)晶体粒度的影响：晶体粒度大，碰撞能量大，则晶核生成量增加。当悬浮晶粒随溶液循环而流经桨叶的旋转平面时，并非所有粒度的晶粒都有机会与桨叶相接触。只有当晶体大于某一粒度值后才能和桨叶碰撞产生二次品核。也就是说小品粒在循环中难与螺旋桨接触。
(5)螺旋桨材质的影响：聚乙烯桨叶与不锈钢桨叶相比晶核生成量相差4倍以上，软的桨叶吸收了大部分碰撞能量，使晶核生成量大幅度减少(也有晶核的生成与材质无关的报道)，一般情况下，低转速时，桨叶材质的影响要突出些。 3 工业结晶过程中控制成核现象的措施
(1)维持稳定的过饱和度，防止结晶器在局部范围内产生过饱和度的波动，例如蒸发面、冷却表面、不同浓度的两股流混合区内(如谷氨酸结晶时加酸调pH的酸液流附近)。
(2)限制品体的生长速率，即不以盲目提高过饱和度的方法，达到提高产量酌目的。 (3)尽可能减低晶体的机械碰撞能量及几率，长桨叶、慢搅拌是常用的方法。 (4)对溶液进行加热、过滤等预处理，以消除溶液中可能成为晶核的微粒。 (5)使符合要求的晶粒得以及时排出，而不使其在器内继续参与循环。
(6)将含有过量细晶的母液取出后加热或稀释，使细晶溶解(细消)，然后送回结晶器。 (7)调节原料溶液的pH值或加入某些具有选择性的添加剂，以改变成核速率。 三、晶体的生长
晶体的生长有以下3个步骤：
(1)溶液主体的溶质传递主要靠对流，但在靠近晶体表面有一静止液层，称为境界膜，待结晶的溶质只能借扩散穿过境界膜时，才能到达晶体表面，这是一个扩散传质过程。
(2)到达晶体表面的溶质在适当的晶格位置长入晶面，使晶体增大，同时放出结晶热。这是一个表面反应过程。
溶液过饱和度过大时，成核和长大连率过快，结晶热必须以很快的方式放出，以适应快速
成核和迅速长大的需要。因为比表面越大，放热越快，这样，就容易形成比表面大的片状、针状结晶或树枝状晶簇，这种结晶或晶簇易包裹母液，因而结晶质量大幅度地下降。 (3)放出来的结晶热借热传导方式放到溶液中。
表面反应速率与结晶温度的关系很大，结晶温度升高，表面反应速率加快，扩散速率基本
不变，有利于晶体生长。 四、杂质对晶体生长速率的影响
杂质对晶体生长速率的影响途径有以下几点： (1)通过改变溶液的结构或平衡饱和浓度，改变晶体与溶液之间 的界面上液层的特性，影响溶质长入晶面。
(2)杂质本身在晶面上吸附，产生阻挡作用(如带菌发酵液直接结晶时，菌体钻附在晶体表面)。
(3)如晶格有相似之处，杂质有可能长入晶体内。晶体生长过快产生晶体缺陷和位错时，晶格不同也可能产生吸藏现象，杂质质点陷入产品晶体中。
杂质对结晶操作尤其是对晶习的影喧，有重要意义
第三节 结晶操作和结晶设备
结晶操作既要满足生产规模的要求，又要符合产品质量要求。 发酵产品的结晶过程分分批操作和连续结晶。
连续结晶操作有很多显著的优点，特别是大规模生产更合理。 优点：
(1)冷却法及蒸发法(真空冷却法除外) 操作费用低，经济性好。 (2)结晶工艺简化，相对容易保证质量。 (3)生产周期短，节约劳动力费用。
(4)结晶设备的生产能力可比分批操作提高数倍甚至数十倍。
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(5)操作参数相对稳定，易于实现自动化控制。 缺点：
(1)换热面和器壁上容易产生晶垢，后期的操作条件和产品质量逐渐恶化，清理机会少于分批操作。 (2)和操作良好的分批结晶相比，产品平均粒度较小。 (3)操作控制上比分批结晶因难，要求严格。 一、分批结晶
为了控制晶体的生长，获得粒度较均匀的产品，必须尽一切可能防止不需要的晶核生成。 小心地将溶液的状态控制在介稳区内。有时可在适当时机向溶液中添加适量的晶种，使被结
晶的溶质只在晶体表面上生长。用温和的搅拌，使晶体较均匀地悬浮在整个溶液中，并尽量避免二次成核现象。
不同的操作方式对分批冷却结晶过程的影响： 1.速冷，不加晶种； 2.缓冷，不加晶种； 3.速冷，加晶种； 4.缓冷，加晶种。 二、连续结晶 操作要求：
1.符合质量要求的产品粒度分布； 2.高的生产强度；
3.尽量降低晶垢产生速度，以延长连续结晶的操作周期； 4.维持结晶器的操作稳定性。 方法：
1．细晶消除：根据淘析原理，在结晶器内部或下部建立一个澄清区，在此区域内，晶浆以很低的速度上流，细小晶粒则随着溶液从澄清区溢流而出，进入细晶消除系统。以加 热或稀释的办法使之溶解，然后经循环泵重新回到结晶器。
2．产品粒度分级排料：将结晶器中流出的产品先流过分级排料器，小于产品分级粒度的晶体截留后返回结晶器继续长大。
3．清母液溢流：调节结晶器内晶浆密度的主要手段有时与细品消除相结合。一部分排出结晶系统；另一部分则进入细晶消除系统，消除细晶后再回到结晶器中。 三、结晶设备
1．立式搅拌结晶罐：
最简单的一种分批式结晶器，它的操作比较容易，谷氨酸和柠檬酸结晶中都采用。搅拌转速一般较慢。 2 ．卧式结晶槽：
它的容积较大，转速很慢，既可作结晶用，也可作蒸发结晶操作的辅助冷却结晶器，又可作为结晶分离前的晶浆贮罐。 3．真空结晶器：
结晶速度较快，容易自然起晶，晶体产品要求颗粒粗大时，往往采用真空结晶器。味精厂的味精结晶设备多采用此结晶器。
以上3种结晶器在发酵上业上使用比较成熟。 4．孪生式结晶器：
由两个互相连通的A、C结晶槽组成，两槽的操作温度不同，C中的工作温度低于槽A。温度高的料液进入A槽，与循环晶浆混合，在搅拌器作用下，通过水冷式循环管，冷却的晶浆一部分流人槽C，与C槽中的循环晶浆混合；一部分流回A槽。
5．Oslo型结晶器：
此类结晶器在我国的 NH4Cl等工业生产上曾得到较广泛应用。历史虽较长，但性能有不足
之处，人们有较成熟操作经验。 6．DTB型结晶器：
连续结晶器的主要形式之一，可用于真空冷却法、蒸发法、直接接触冷冻法及反应法的结晶操作。性能良好，能生产较大晶粒，器内不易结晶疤。它的构造如图14—10所示，环型挡板将结
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晶器分隔为晶体生长区和澄清区， 使晶体得以从母液中沉降分离，只有微晶可随母液从澄清区的顶部排出器外，从而实现对微晶量的控制。结品器的上部是气液分离空间，以防止雾沫夹带而造成溶质的损失。 7．DP型结晶器：
与DTB型结晶器在构造上很相近，可看作是其改进型。很大程度上降低了二次成核，的速率，晶体平均粒度增大，生产能力提高，其他优点与DTB型结晶器相近。但大螺旋桨的制造较困难，是个缺点。 授课章节 教学目标与要求 教学重点与难点 教学方法 第十三章 蒸发与干燥 1.掌握蒸发的基本流程、操作方法和蒸发器 2. 掌握干燥工艺、干燥器及操作方法 1. 单效蒸发和多效蒸发； 2.干燥工艺和设备。 讲授；多媒体教学 Section 1: 前 言 Section 2: 蒸 发 ◆蒸发的基本流程 ◆蒸发的操作方法 ◆蒸发器及蒸发系统 学时 2 主要 教学内容 ◆蒸发的应用及节能 Section 3: 干 燥 ◆干燥的方法 ◆干燥的基本概念和原理 ◆干燥器 ◆干燥工艺 ◆生物工业常用的干燥技术 ◆干燥的应用及节能 需掌握的专业词汇 研究进展和参考资料 Cell; Cell biology; Cell theory 韩贻仁．分子细胞生物学．第二版．北京：科学出版社，2001 汪堃仁，薛绍白，柳惠图．细胞生物学．第二版． 61
纵观cell biology发展简史，你认为该学科近百年来快速发展的主要原因是什么？ 课后复习题
第十三章 蒸发与干燥
第一节 前 言
蒸发：使含有不挥发溶质的溶液沸腾汽化并移出蒸汽，从使溶液中溶质浓度提高的过程。蒸发所用
设备称为蒸发器。 目的：
1、增加溶质浓度，减少溶液体积，以便进一步分离提纯； 2、蒸发得到的溶剂较为纯净，可以再利用或无污染排故。
干燥：指利用热能位湿物料中湿分汽化并排除蒸汽，从而得到较干物料的过程。干燥所采用的设备
称为干燥器。 目的：
1、产品便于包装贮存运输；
2、许多生物制品在湿分含量较低的状态下较为稳定，从而使生物制品有较长的保质期。 蒸发和干燥是能耗较高的单元操作，在完成基本任务的同时降低操作的能耗具有重要的意义，同时生物制品多具有热敏性，如何减少蒸发和干燥过程中的损失也是必须注意的。
第二节 蒸 发
一、蒸发的基本流程
蒸发过程的两个必要组成部分： 1、加热使溶液沸腾汽化； 2、不断排除水蒸气。
与此相应的蒸发系统是由蒸发器和冷凝器两部分组成的。
蒸发器是一个换热器，它由加热室和气液分离器两部分组成，加热沸腾产生的二次蒸汽经
气液分离器与溶液分离后引出。
冷凝器实际上也是换热器，它有直接接触式和问歇式两种类型，二次蒸汽在冷凝器内冷凝
后排出系统。
蒸发系统总的蒸发速度是内蒸发器的蒸发速度和冷凝器的冷凝速度共同决定的。 二、蒸发的操作方法
1．常压蒸发和减压蒸发：
真空蒸发时冷凝器和蒸发器溶液侧的操作压力低于大气压、此时系统中的不凝性气体必须
用真空泵抽出。
目的：降低溶液的沸点。与常压蒸发相比，它有以下优点：
(1)溶液沸点低，可用温度较低的低压蒸汽或废蒸汽作加热蒸汽。 (2)溶液沸点低，同样蒸汽，所需的传热面小。
(3)沸点低，有利于处理高温下易分解和变质的热敏性物料。 (4)蒸发器的操作温度低，系统的热损失小。 真空蒸发的缺点：
(1)溶液温度低，粘度大热系数小。
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(2)蒸发器和冷凝器的内压力低于大气压，完成液和冷凝水需用泵或大气腿徘出。 (3)需用真空泵抽出不凝性气体，保持一定真空度，需多耗能。
真空蒸发的 真空度取决于冷凝器中水的冷凝温度和真空泵的能力。最低极限是冷凝水的饱
和蒸汽压。
2 单效蒸发和多放蒸发
根据二次蒸汽是否用来作为另一蒸发器的加热蒸汽，蒸发过程可分为单效蒸发和多效蒸发。 1）单效蒸发：约1kg蒸汽可蒸发1kg水。
2）多效蒸发：第一个蒸发器(称为第一效)中蒸出的二
次蒸汽用作第二个蒸发器(第二效)的加热蒸汽，第二个蒸发器蒸出的二次蒸汽用作第三个
蒸发器(第三效)的加热蒸汽，依此类推。
三、蒸发器及蒸发系统
1．蒸发器的分类：分为膜式蒸发器和非膜式蒸发器两大类。 2．膜式蒸发器的结构与特征：
1)升膜蒸发器：垂直长管组成，长3-15m，直径25-50mm。适用于较稀的溶液，热敏性及易生泡沫的溶液，不适浓溶液。
2)降膜蒸发器：蒸发器顶部须设液体分布器。降膜蒸发器宜于浓度、粘度较大的溶液。1)， 2)都不宜易析晶或易结垢溶液。
3)旋转刮板蒸发器：宜于处理易结晶、易结垢、高粘度的溶液。
4)板式蒸发器：体积小，停留时间短，传热系数高， 加热面积可调，易拆洗，宜于热敏性料液。缺点：密封边长，压力小。
3．蒸发工艺的确定： (热敏性成分的损失和蒸发的能耗等）
(1)料液的性质：成分组成，粘度，热稳定性，发泡性，腐蚀性，是否易结垢、结晶，是否含有固体悬浮初等。
(2)工程技术要求：处理量，蒸发量，料掖进出口的浓皮和温度，安装现场的面积和高度，设备投资，要求连续或间歇生产等；
(3)公用系统的情况：热源，蒸汽供应量及压力，能利用的冷却水之水量、水质和温度等。
四、蒸发的应用及节能 1、蒸发系统的节能技术：
料液蒸发时，能耗非常大。采用蒸发的节能技术则可大大降低蒸发的能耗，蒸发节能主要有以下几种： (1)多效蒸发
(2)二次蒸汽的再压缩 (3)额外蒸汽
(4)冷凝水显热的利用 2．蒸发技术的应用：
抗生素生产中，薄膜蒸发日前广泛应用于链霉素、庆大霉素、春雷霉素、新霉素、博莱霉素、丝裂霉素、杆菌肽等抗生素料液的浓缩。
在酒精、味精、柠檬酸工业中，采用膜式多效蒸发系统浓缩高浓度有机废水。
第三节 干燥
一、概述
(一)干燥的方法
按照热能供给湿物料的方式不同，干烘可分为以下儿类： 1．导热干燥
热能通过传热壁面以传导的方式传给湿物料，使其中的水分汽化，然后，所产生的蒸汽被干燥介质带走，或用真空泵抽走的干燥操作过程。又称间接加热干燥。热能利用较高，但与传热壁面接触的物料在干燥时易局部过热而变质。 2 辐射干燥
热能以电磁波的形式由辐射器发射至湿物料表面后，被物料所吸收转化为热能，而将水分加
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热汽化，达到干燥的目的。
有电能辐射器(如专供发射红外线的灯泡)和热能辐射器。 3．介质加热干燥
介电加热干燥是将需要干燥的物料置于高频电场内，利用高频电场的交变作用将湿物料加热，水分汽化，物料被干燥。
由于干燥时物料内部温度较高，因此，这种方法一般不用于热敏性物料的干燥。 4．对流干燥
热能以对流给热的方式出热下燥介质(通常是热空气)传给湿物科，使物料中的水分汽化，物料内部的水分以气态或液态形式扩散至物料表面，然后汽化的蒸汽从表明扩散至下操介质主体，再由介质带走的干燥过程称为对流干燥。 (二)干燥的基本概念和原理 1．固体物料中的湿分：
(1)按照物料和水分于间的结合方式分：
化学结合水、物理化学结含水、机械结合水。 (2)按照物料中所含水分去除难度分： 结合水和非结合水。
(3)根据物料在一定条件下，水分能否用干燥方法除去分： 平衡水和自由水。 2 干燥的基本过程：（固体物料包括两个基本过程） ①对固体加热，以使湿分汽化的传热过程；
②湿分蒸汽由于其蒸汽分压较大而扩散进人气相的传质过程。 1）干燥速率：单位干燥面积，单位时间内汽化的水量。 影响干燥速率的因素：
①物料的性质、结构和形状； ②干燥介质的温度和湿度； ③十燥操作条件； ④干燥器的结构型式。 2）干燥曲线和干燥速度曲线：通过实验求得。 2 干燥的基本过程 (3)干燥过程分析
①恒速干燥段：湿物料表面全为非结合水，其汽化与纯水同速。 ②降速干燥段：除结合水，其产生的蒸汽压低，干燥速率下降。
总之，如果物料内部的水分能有足够的速度流向表面，及时补充被干燥的水量，则物料表面依然可以保持湿润，干燥速率也不变；若内部水分流出的速率低于物料表面的汽化速率，则物料温度升高，或部分表面变干，从而进入降速干燥阶段。 (4)干燥的副作用
①物料的收缩：要注意干燥过程因物料收缩造成的物料体积缩小、形状变化和表面裂纹。
②化学变化：结晶无机物在强烈干燥时会失去它们的结晶水，任何热敏性有机物在热空气中干燥时．容易发生某些氧化和热分解。
③生化变化：物料温度的升高和结合水分的失去，所有具有生理活性和生化特性的物料都会 发生不同程度的不可逆变化。 二、干燥器及干燥工艺
(一)干燥器：种类繁多，如表。 (二)干燥工艺
1．干燥工艺的确定
(1)物料的化学性质，如组成、热敏性(软化点、熔点或分解点)、物料的毒性、可燃性、氧化性和酸碱性(度)、吸水性等。
(2)物料的热性质，如物料含水率、假密度、真密度、比热容、导热系数及粒度和粒度分布。原液浓度、粘度及表面张力等。
(3)其他性质，如膏糊状物料的粘附件、触变性(即膏糊状物料在振动场或在搅动条件下，物料可从塑性状态过渡到具有一定流动性的性质)，这些性质用于设计干燥器及加料器。 2．干燥器的选型
干燥器的选型是确定干燥工艺的一个重要步骤。干燥器选型是否恰当合理，是所确定的干燥
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工艺是否成功的关键。干燥器选型所要考虑的因素与决定干燥工艺基本相同。可参考表15-4所列干燥器 。可使我们对不同的干燥器有进一步的了解。 (三)生物工业常用的干燥技术 1．气流干燥技术 气流干燥的特点：
(1)干燥强度大 (2)干燥时间短 (3)热效率高
(4)处理量大 (5)设备简单 (6)应用范围广 2．喷雾干燥技术
(1)喷雾干燥的原理：料液在热风中喷雾成细小液滴，在下落过程中，水分被蒸发而成为粉末状或颗粒状的产品。 (2)喷雾干燥的特点
①干燥速度十分迅速。 ②液滴的温度不高，产品质量较好 ③产品具有良好的分散性、流动性和溶解性。
④生产过程简化，操作控制方便。⑤适宜于连续化大规模生产。 (3) 喷雾干燥的主要缺点：
①当热风温度低于150℃时，热容量系数低，蒸发强度小，干燥塔的体积比较庞大。 ②废气中回收微粒的分离装置要求较高。 3．冷冻干燥技术
(1)冷冻干燥机理、冻干曲线及其控制
在冷陈干燥过程中，被干燥的产品首先要进行预冻，然后在真空状态下进行升华，使水分直接由冰变成汽而获得干燥。 (2)冷陈干燥器的特点：
①因物料处于冷冻状态下干燥，水分以冰的状态直接升华成水 蒸气，故物料的物理结构和分子结构变化极小。
②由于物料在低温真空条件下进行干燥操作，故对热敏感的物料，也能在不丧失其酶活力或生物试样原来性质的条件下长期保存，故干燥产品十分稳定。
③因为干燥后的物料在被除去水分后，其原组织的多孔性能不变，故若添加水或汤，即可在短时间内基本恢复干燥前状态。
④因干燥后物料的残存水分很低，故苦防湿包装优良，可在常温条件下长期贮存。 (3)冷冻干燥器：
①医药品用冷冻干燥器； ②食品用冷冻干燥器。 干燥的应用及节能 1．干燥过程的节能：
(1)应用高效能的干燥装置，以提高温物料的干燥速率和节能效果，从而使整个生产工艺都得到了很大的改进。
(2)扩大干燥介质的种类。除热空气外，应用情性气体、高温燃气，特别是应用过热蒸汽作为干燥介质。
(3)应用干燥基础理论，以改进有关干燥过程。 (4)在于燥前尽量降低物料的湿含量。 (5)降低干燥过程中废气带走的热量（它占总热量支出的比例很大），可大大提高于燥过程的 热效率。 (6)尽量采用高温干燥，在保证干燥物料质量的前提下。
(7)其他的措施。如改善保温，防止热风泄漏，防止物料的过度干燥，部分废气循环和废热回收，采用热泵干燥器等。 2．干燥技术的应用
由于生物技术产品多是热敏性物料，某些产品还具有生物活性，因此，在干燥过程中控制干燥温度和干燥时间特别重要。
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授课章节 教学目标与要求 教学重点与难点 教学方法 第十四章 清洁生产导论 1.掌握清洁生产概念 2.掌握实现清洁生产的有效途径 1. 清洁生产的概念和评价标准； 2.实现清洁生产的有效途径。 讲授；多媒体教学 Section 1: 前 言 人类与自然关系的哲学观变迁 工业文明的成果及其代价 对未来的思索 可持续发展观 学时 2 Section 2: 清洁生产概念 ◆清洁生产的概念 主要 教学内容 ◆清洁生产的评价标准 Section 3: 实现清洁生产的有效途径 ◆资源综合利用 ◆改革工艺和装备 ◆改进操作和加强管理 ◆必要的末端治理 Section 4: 清洁生产案例 ◆味精清洁生产新工艺 Cell; Cell biology; Cell theory 需掌握的专业词汇 研究进展和参考资料 韩贻仁．分子细胞生物学．第二版．北京：科学出版社，2001 汪堃仁，薛绍白，柳惠图．细胞生物学．第二版． 66
纵观cell biology发展简史，你认为该学科近百年来快速发展的主要原因是什么？ 课后复习题
第十四章 清洁生产导论
第一节 前 言
一、人类与自然关系的哲学观变迁
空间技术、信息技术、生命科学、人工材料科学等科技发展更使人类认识自然、改造自然的能力得到前所未有的提高。人类好像无所不能，人类真能成为自然界的“主人”吗?答案已经显现。 二、工业文明的成果及其代价 1．工业文明的主要表现
(1)社会生产力的空前提高促使社会物质财富空前增加。 (2)科学技术迅速进步已成为生产力发展的主导性力量。
(3)物质财富改善了生活条件和医疗水平，寿命增加和人口激增。 (4) 城市化的扩大，生产和生活废物对环境的污染日益严重。 (5)地下资源大规模开采，改变着地球物质循环的自然过程。 (6)人类精神生活技术化 2．工业文明的代价
(1)生态环境恶化(2)廉价资源趋于耗竭 (3)全球性的环境问题开始出现 三、对未来的思索
1．宇宙飞船经济理论 2．增长的极限 3．墒——一种新的世界观 四、可持续发展观 1．发展模式的转折
(1)人类发展观的改变。 (2)人口增长趋势的转折。 (3)能源结构的转变。 (4)经济发展战略的转变。 (5)工业发展模式的转变。 2 ．可持续发展 3 ．清洁生产的由来
清洁生产的概念最早出现于1976年。1989年联合国环境规划署工业与环境计划活动中心制定了《清洁生产计划》，在全球范围内推行清洁生产。 4 ．清洁生产在中国
1983年国务院发布了技术改造应结合工业污染防治的规定，归纳起来有以下几点：
(1)采用先进技术，提高资源利用率，把污染物消除在生产过程之中，从根本广解决污染问题。 (2)采用使资源能源最大限度转化为产品而污染物最小化的新工艺，替代污染物诽放量大的工艺。 (3)采用无污染、少污染、低噪声、节约资源能源的新型装备，更新污染严重、浪费资源的老设
备。
(4)采用无毒无害、低毒低害原料，替代剧毒有害原料。 (5)发展无污染、少污染的新产品等。
第二节 清洁生产概念
一、清洁生产的概念
清洁生产按英文词义可解释为比较清洁的生产过程，因而是一个相对概念，目前尚无一个完整统一为各方所接受的定义。
联合国环境规划署工业与环境计划活动中心曾提出一个非常简短的定义如下：
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清洁生产是指将综合预防的环境保护策略持续应用于生产过程和产品中，以期减少对人类和环境的风险。清洁生产的定义涉及到两个全过程控制：生产全过程控制和产品整个生命周期控制。因此，“清洁生产”应该包括 三方面的内容：
(1)清洁生产工艺技术和过程(含先进的无废少废技术、高效的装备和完善的管理)； (2)清洁产品(使用中和使用后对人体相环境无害)；
(3)清洁能源(包括常规能源清洁利用、采用节能技术、再生能源和新能源的开发利用)。 二、清洁生产的评价标准：
1．技术评价 2 经济评价 3．环境评价
一项优良的清洁生产技术首先是技术上可行，其次符合环保法规，第二经济上有赢利性，实现三个效益的统一。
第三节 实现清洁生产的有效途径
一、资源综合利用
1．原料资源的综合利用 2．水资源的综合利用 3．二次资源综合利用 4．废物综合利用 二、改革工艺和装备
1．原料处理工艺改革 2．产品制造工艺全过程统筹 3．装备技术更新 三、改进操作和加强管理
(1)开展调研和废物审计，查清从原料到成品生产全过程，以发现主要环节。 (2)以减少生产过程废物产出为目标，建立使全劳动组织和规章制度。
(3)将节能、降耗、减污的目标和考核量化并分解到企业的各个层次和岗位。 (4)坚持设备的维护保养制度，保证设备的完好串。 (5)有效的指挥调度、严格的监督、公平的奖惩o
(6)组织安全文明生产，整顿厂容厂貌、绿化环境、培养环境意识。 四、必要的末端治理
(1)末端治理只是一种采取其他预防措施之后的最后把关措施，而不处于实际上的优先地位。 (2)企业内部的末端治理只是作为送往厂外集中处理的预处理措施(如废水送往城市污水处理场；废渣集中送往废料境埋场等)，其目标显然不是为了达标排放，而只需达到集中处理设施可按纳的程度即可。
第四节 清洁生产案例
味精清洁生产新工艺
新工艺和现行的等电点离子交换提取工艺相比，具有如下。 优点：
(1)革除离子交换工艺，没有离子交换成本；
(2)改冷冻结晶为常温结晶，节约大量的冷冻电费；
(3)谷氨酸提取得率高达95％(因为是闭路循环工艺了副产品中少量夹带外，没有其他损失，故
产品收得率高)；
(4)实现主体闭路循环，已无高浓度废液排放。
(5)冷凝水(60℃)可循环作为工艺用水，实现高浓度废水的零排放。
这还是一项中试技术，虽已通过原中国轻工总会组织的专家鉴定，还需在工业化生产中完善提高。但显而易见，它较原结晶加离子交换工艺已大大前进一步。
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