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1 绪论 001
1.1 生物（物）质 001
1.2 生物物质分离过程 001
1.3 生物技术下游加工过程的特点及其重要性 002
1.3.1 发酵液或培养液是产物浓度较低的水溶液 002
1.3.2 培养液是多组分的混合物 002
1.3.3 生物产品的稳定性差 003
1.3.4 对最终产品的质量要求很高 003
1.4 生物技术下游加工过程的一般步骤和单元操作 004
1.4.1 发酵液的预处理与固-液分离（或称不溶物的去除） 005
1.4.2 初步纯化（或称产物的提取） 005
1.4.3 高度纯化（或称产物的精制） 005
1.4.4 成品加工 005
1.5 生物技术产品及下游加工过程的沿革 006
1.5.1 生物技术产品的类型 006
1.5.2 下游加工过程的沿革 007
1.6 生物技术下游加工过程的选择准则 009
1.7 生物技术下游加工过程的发展动向 011
1.7.1 基础理论研究 011
1.7.2 提高分离过程的选择性 011
1.7.3 开发分离介质 011
1.7.4 提高分离纯化技术 011
1.7.5 使用无毒无害物质 012
1.7.6 生物分离技术的规模化、工程化研究 013
2 发酵液的预处理和固- 液分离 015
2.1 悬浮液的基本特性 015
2.2 悬浮液的预处理 017
2.2.1 预处理的目的 017
2.2.2 预处理方法 017
2.3 悬浮液分离方法和分类 019
2.3.1 悬浮液分离过程的基本概念 019
2.3.2 固-液分离过程的分类 020
2.4 固-液分离方法——过滤 021
2.4.1 过滤的理论基础 021
2.4.2 滤饼过滤 021
2.4.3 深层过滤 029
2.4.4 错流过滤 030
2.4.5 过滤方式的选择 032
2.5 固-液分离方法——离心 033
2.5.1 离心沉降 034
2.5.2 离心过滤 041
2.5.3 离心机的选用 043
2.5.4 离心机在生物工业上的应用 044
2.5.5 超离心法 045
3 细胞的破碎与分离 051
3.1 概述 051
3.2 细胞壁结构和化学组成 052
3.2.1 细菌 052
3.2.2 真菌和酵母 053
3.2.3 藻类 054
3.3 细胞的破碎方法 054
3.3.1 固体剪切方法（珠磨） 055
3.3.2 液体剪切方法 058
3.3.3 超声波破碎法 060
3.3.4 非机械法 061
3.4 破碎率的评价 063
3.5 细胞破碎方法的选择 064
3.6 细胞破碎技术的发展 065
3.7 细胞破碎后基因工程包含体的获得与复性 066
3.7.1 包含体的形成 066
3.7.2 包含体的特性 066
3.7.3 包含体回收及复性 068
4 膜分离技术 077
4.1 概述 077
4.2 膜分离过程的类型 078
4.2.1 以静压力差为推动力的膜分离过程 078
4.2.2 以蒸气分压差为推动力的膜分离过程 079
4.2.3 以浓度差为推动力的膜分离过程 079
4.2.4 以电位差为推动力的膜分离过程 080
4.3 膜及其组件 080
4.3.1 膜的定义和类型 080
4.3.2 表征膜性能的参数 083
4.3.3 膜组件 084
4.4 压力特性 086
4.5 浓差极化 087
4.6 膜的污染 088
4.7 膜过滤理论 089
4.7.1 微孔模型 089
4.7.2 质量传递模型 090
4.7.3 阻力模型 092
4.7.4 渗透压模型 093
4.8 过程讨论 094
4.8.1 过程方法 094
4.8.2 中空纤维膜组件的工作模式 095
4.8.3 超-微滤系统的工厂布置 096
4.9 膜分离技术的应用简介 097
4.10 纳米膜过滤技术 097
4.11 纳滤膜的性质与特点 098
4.12 纳米过滤的分离机理 101
4.13 纳滤膜的污染及解决方法 103
4.14 纳米过滤的应用 104
4.15 亲和膜分离技术 106
4.15.1 基本过程和操作方式 106
4.15.2 基本理论 108
4.15.3 亲和膜制备 109
4.16 亲和膜分离技术的应用 110
4.17 亲和膜过滤 112
4.17.1 亲和膜过滤的特点 112
4.17.2 亲和膜过滤过程及其关键问题 112
4.17.3 亲和膜过滤技术的基本理论 114
4.17.4 亲和膜过滤的应用 115
4.18 渗透蒸发的原理和特点 117
4.18.1 渗透蒸发的定义和基础知识 117
4.18.2 渗透蒸发的原理 119
4.18.3 渗透蒸发的特点 121
4.19 渗透蒸发膜及膜材料的选择 121
4.19.1 渗透蒸发膜的分类 121
4.19.2 膜材料的选择 122
4.19.3 渗透池 123
4.20 渗透蒸发过程及其影响因素 124
4.20.1 渗透蒸发的分离过程 124
4.20.2 操作条件对分离过程的影响 124
4.21 渗透蒸发的应用 125
4.21.1 渗透蒸发工艺流程实验装置 125
4.21.2 渗透蒸发膜分离的应用 125
5 萃取法 129
5.1 概述 129
5.1.1 溶剂萃取的应用 129
5.1.2 生物质的萃取与传统的萃取相比较 130
5.2 萃取过程的理论基础 130
5.2.1 分配定律 130
5.2.2 萃取过程取决于溶剂的特性 132
5.2.3 弱电解质的萃取过程与水相的特性 134
5.3 乳化和去乳化 136
5.3.1 乳化和去乳化的本质是表面现象 136
5.3.2 乳状液的类型及其消除 137
5.4 萃取方式和过程计算 138
5.4.1 单级萃取 138
5.4.2 多级错流萃取 139
5.4.3 多级逆流萃取 141
5.4.4 微分萃取 144
5.4.5 分馏萃取 146
5.5 传统萃取技术的拓展与萃取新技术 147
5.5.1 离子对/ 反应萃取 147
5.5.2 反胶束萃取 149
5.5.3 浊点萃取技术 157
5.5.4 双水相萃取 159
5.5.5 超临界萃取法 169
5.5.6 液膜萃取法 181
6 沉淀法 195
6.1 概述 195
6.2 蛋白质的溶解特性 196
6.3 蛋白质胶体溶液的稳定性 197
6.3.1 静电斥力 197
6.3.2 吸引力 197
6.3.3 水化膜 198
6.4 蛋白质沉淀方法 198
6.4.1 盐析法 198
6.4.2 等电点沉淀法 203
6.4.3 有机溶剂沉淀法 204
6.4.4 非离子型聚合物沉淀法 205
6.4.5 聚电解质沉淀法 206
6.4.6 金属离子沉淀法 206
6.4.7 亲和沉淀 207
6.5 沉淀动力学 208
6.5.1 凝聚动力学 208
6.5.2 絮凝体的破碎 209
6.5.3 凝聚物的陈化 209
7 吸附法 211
7.1 概述 211
7.2 吸附过程的理论基础 211
7.2.1 基本概念 211
7.2.2 吸附的类型 212
7.2.3 物理吸附力的本质 213
7.2.4 吸附等温线 214
7.3 吸附的影响因素 218
7.3.1 吸附剂的影响 219
7.3.2 吸附质的影响 219
7.3.3 溶剂的影响 219
7.3.4 pH 的影响 219
7.3.5 温度的影响 219
7.4 吸附剂的种类及其应用 219
7.4.1 大孔吸附树脂及其应用 220
7.4.2 离子交换吸附剂 222
7.4.3 聚酰胺吸附剂 226
7.4.4 分子印迹吸附剂 227
7.4.5 硅胶吸附剂 228
7.4.6 羟基磷灰石吸附剂 228
7.4.7 氧化铝 228
7.4.8 人工沸石 228
7.5 分批式与连续式吸附 229
7.5.1 分批（间歇）式吸附 229
7.5.2 连续式吸附 230
7.6 吸附方式 232
7.6.1 固定床吸附 232
7.6.2 膨胀床吸附 233
7.6.3 移动床和模拟移动床吸附 236
8 色层分离法 239
8.1 概述 239
8.2 色层分离法的产生和发展 239
8.2.1 沿革 239
8.2.2 色层分离中的基本概念及其分类 240
8.2.3 色谱展开技术 241
8.3 色层分离的有关术语 242
8.3.1 平衡关系 242
8.3.2 局部平衡定律 243
8.4 色层分离过程理论 244
8.4.1 塔板理论 245
8.4.2 色层分离的连续描述 248
8.5 各类不同分离机制的色层分离法介绍 251
8.5.1 吸附色层分离法 251
8.5.2 疏水作用色层分离法 252
8.5.3 金属螯合色层分离法 254
8.5.4 共价作用色层分离法 255
8.5.5 聚焦色层分离法 256
8.5.6 离子交换色层分离法 259
8.5.7 凝胶过滤色层分离法 263
8.5.8 正相与反相色谱 266
8.5.9 亲和色层分离法 266
8.5.10 连续环状色层分离法 268
8.5.11 拟似移动床型色层分离法 269
8.5.12 灌注色层分离法 270
8.6 色谱的放大 272
9 电泳 275
9.1 动电过程 275
9.1.1 zeta（ζ）电位是动电现象的根本原因 275
9.1.2 动电现象 276
9.2 电泳的理论基础 278
9.3 影响电泳迁移率的因素 279
9.4 电泳的类型 281
9.4.1 自由界面电泳 281
9.4.2 自由溶液中的区域电泳 282
9.4.3 在不同支持物上的区带电泳 283
9.4.4 等速电泳 287
9.4.5 等电聚焦 288
9.4.6 二维电泳 291
9.4.7 免疫电泳 291
9.4.8 制备连续电泳 291
9.5 第二代液相电泳 292
9.5.1 毛细管电泳 292
9.5.2 自由流电泳 293
9.6 电泳的其他用途 294
9.6.1 电泳解吸 294
9.6.2 电泳浓缩 294
10 结晶和成品干燥 297
10.1 概述 297
10.2 结晶的基本原理 298
10.2.1 溶液的饱和和过饱和度 298
10.2.2 过饱和溶液的形成 299
10.2.3 晶核的形成 300
10.2.4 晶体的生长 302
10.3 结晶的类型 305
10.3.1 分类方法 305
10.3.2 分批（间歇）结晶 305
10.3.3 连续结晶 305
10.4 结晶过程的计算 307
10.4.1 晶粒大小分布 307
10.4.2 溶液结晶过程的数学模型 308
10.5 重结晶 312
10.6 结晶过程的预测与改善 313
10.7 结晶技术的进展 314
10.7.1 理论方面的研究 314
10.7.2 新技术的推广 315
10.8 生物材料水分的性质及基本计算 316
10.8.1 生物材料水分的性质 317
10.8.2 生物材料干燥时有关基本计算 318
10.9 蒸发和干燥速率 319
10.10 生物产品的干燥方法 321
10.11 对流干燥 322
10.11.1 对流干燥过程热计算 322
10.11.2 对流干燥器 323
10.12 喷雾干燥 324
10.12.1 喷雾干燥过程热计算 324
10.12.2 喷雾干燥机 325
10.13 升华干燥 325
10.13.1 升华干燥过程 325
10.13.2 升华干燥设备 327
10.14 组合干燥 329
11 生物医药生产中分离纯化工艺示例 331
11.1 核酸类药物分离纯化工艺 331
11.1.1 核酸类药物概述 331
11.1.2 核酸类药物分离纯化技术 332
11.1.3 核酸类药物质量控制 340
11.1.4 核酸类药物纯化工艺创新与发展 340
11.2 抗体类药物分离纯化工艺 341
11.2.1 抗体和单克隆抗体 341
11.2.2 抗体类药物 341
11.2.3 抗体类药物分离纯化工艺过程 342
11.2.4 重组抗体类药物产品质量控制 344
11.3 脂质膜结构分离技术 347
11.3.1 基于囊泡物理性质的传统分离技术 348
11.3.2 基于免疫亲和的外泌体分离 350
11.3.3 基于微流控的外泌体分离 351
11.3.4 脂质体药物分离纯化工艺 352
参考文献 354
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21 世纪是生命科学与生物制造的时代，而生物技术是这一时代的核心驱动力，基因编辑改写生命密码，合成生物学设计人工代谢通路，mRNA 疫苗突破传统免疫边界——生物技术的每一次革命都在重塑人类对生命本质的理解，对健康的追求以及对未来产业的想象，更催生出千亿级生物制造产业新生态。在这场变革中，生物物质分离工程始终扮演着“技术转化枢纽”的核心角色：从克级实验室产物到吨级工业品输出，从纳米级脂质颗粒捕获到万吨级发酵液处理，分离技术的革新直接决定着生物技术的产业化边界。
无论是抗体药物的纯化、天然产物的提取，还是工业酶的回收、环境样本中有害物质的去除，分离技术的效率与精准度直接决定了生物产品的质量、成本和规模化可行性。在生命科学蓬勃发展的今天，随着合成生物学、生物医药等领域的突破，生物制造体系愈发复杂，对分离技术的要求也跨越了传统工艺的边界，向绿色化、智能化和超分子尺度不断演进。随着抗体药物、细胞治疗产品及合成生物学制品的复杂性与纯度要求呈指数级提升，传统分离技术面临效率、精度和成本的三角博弈，行业正加速向连续化、智能化及绿色化转型。
生物物质分离工程是一门永不停滞的学科。从传统发酵工业到抗体药物、mRNA疫苗的脂质纳米颗粒纯化，每一次生物技术革命都呼唤分离技术的同步革新。
教材是学校教育教学的基本依据，是解决“培养什么人”“怎样培养人”“为谁培养人”这一根本问题的重要载体，是贯彻党的教育方针、实现教育目标不可替代的重要抓手。《生物物质分离工程》的第一版自出版以来，先后共重印了九次，并于2004 年9月评为上海市优秀教材，得到了生物技术领域内学者及工程技术人员的关注和读者的喜爱；为适应生物经济时代的发展需求和拓宽生物工程专业课程的教学内容，2010 年第二版出版，并被评选为普通高等教育“十一五”国家级规划教材。本书为第三版，在第二版内容基础上，根据近15 年来生物工程领域的发展和生物物质分离纯化前沿技术，增补新的内容，包括固- 液分离、细胞破碎、萃取技术、吸附技术和色谱技术的研究热点和发展方向等；将第二版教材中预处理和固- 液分离有关内容（第3、5、20 章）合并为第三版第2 章，与膜分离相关章节（第6 ～ 9 章）合并为第三版第4 章，与萃取相关章节（第10 ～ 14 章）合并为第三版第5 章，将结晶和干燥（第21、22 章）合并为第三版第10 章，同时将第二版教材中的第4、16、17、18 和19 章调整为第三版的第3、6、7、8 和9 章，删除了第二版教材中第2、15 章；除此之外，根据现代生物医药发展的热点，如核酸类药物、抗体类药物、脂质膜结构的分离纯化，新增了案例教学一章（第11 章）。编写过程中，注重以工程观点揭示生物物质分离过程的本质及其规律，促使分离过程与设备设计、放大与操作等方面获得最佳化。强调工程思维与生物特性的融合：注重传授如何通过数学模型预测分离效率，引导学生理解生物分子特性对工艺设计的约束。
本书承袭华东理工大学生物工程学院在生物分离领域七十载的技术积淀，适时融入编者新技术攻关的实战经验。本书第1 章由尹斌成教授、严希康教授编写修改，第2、3、5、6、7 章由万俊芬副教授编写修改，第4、8、9、10 章由安法梁副教授编写修改，第11 章由马培强副教授、邹振平博士、徐慧颖副教授、叶邦策教授编写，全书的统稿由叶邦策教授、尹斌成教授完成，严希康教授对第三版教材进行指导。
值此第三版付梓之际，我们衷心感谢化学工业出版社在数字化教材开发中的创新支持，以及华东理工大学各级领导，特别是教务处、生物工程学院和生物反应器工程全国重点实验室的支持和关心，更要致敬每一位在生物分离工程领域默默耕耘的科技工作者。期待这本承载着三代学者智慧的教材，能为广大学子搭建从生物分离基础理论到工程实践的桥梁，为生物分离工程领域的发展添砖加瓦！
限于水平，虽经努力，书中不妥之处在所难免，敬请读者指正。
叶邦策 严希康
2025 年立夏于华东理工大学
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