生物分離工程(三版)（簡體書）

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。
本書初版于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，主要適用于研究生教學參考；有些內容涉及的生物分離技術處在研究發展階段，并未在生產實踐中應用。這些內容并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章中的雙水相膠團系統，第9章中的荷電粒子促進同電荷蛋白質復性等內容。
（4）在每章的最后，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，并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沈忠耀教授！14年前沈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于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！最后，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于教學科研工作。


孫彥2012年初冬于天津大學
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，生物技術步入了后基因組時代。蛋白質組學、藥物基因組學、生物信息學和系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，并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，為加強有關部分的系統性，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，并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“沉淀”部分合并為一節，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”規劃教材并提供基金資助；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余通讀了書稿，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、佟曉冬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，在此一并表示感謝。最后，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于教學科研工作。


孫彥2004年9月于天津大學
初版前言
分離過程貫穿于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于，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凈化和妥善處理，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。這種能量可以儲存于分離介質中，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。對于生物物質，由于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，人才需求將不斷增長，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，其間深感由于教學資料零散給學生掌握授課內容帶來的困難。有鑒于此，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年后，由于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，加強了內容的系統性和完整性，形成本書的初稿。后經反復增刪，并請資深教授審閱，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，部分章節可用于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。對于涉及“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（生物下游加工過程）、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章以鹽析沉淀為主，簡述蛋白質的各種沉淀分級方法和動力學；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，并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。
清華大學沈忠耀教授、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。沈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，由于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于生物工程研究和生產實踐，并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年盛夏于天津大學