高通量分离技术研究进展

高通量分离技术研究进展

李晓琳包建民*

(天津大学药物科学与技术学院天津 300072)

摘要随着组合化学、基因组学和蛋白质组学等药物研发相关学科的发展，药物分析正面临着前所未有的压力。样品复杂度越来越高，样品分析量越来越大，复杂的样品要求更好的分离手段，大量的样品则要求更高的分析通量。因此，以液相色谱、毛细管电泳、微芯片、质谱等现代分离技术为基础的各种高通量药物分析新技术应运而生。本文对这几种高通量药物分析新技术的研究及应用作一介绍。

关键词高通量液相色谱毛细管电泳微芯片质谱

Advancement of High-throughput Separation Technologies

Li Xiaolin, Jim Bao*

(College of Pharmaceutical and Biotechnology, Tianjin University , Tianjin 300072)

Abstract With the rapid development in combinatorial chemistry, genomics, proteomics and other subjects related to drug discovery and development, the pharmaceutical analysis is under a lot of pressure to keep up with the pace. Analytical chemists in pharmaceutical industry have to deal with more complex samples in even larger quantities. Therefore, there is a constant need for better analytical tools to handle both the sample complexity and throughput issues. While separation is the key to the success of dealing with sample complex, large amounts of the samples have to meet the demand of high throughput. In the last few years, rapid progresses have been made in improving the throughput of various separation based analytical techniques such as HPLC, HPCE, microchips and MS. This paper provides a systematic review of these techniques, as well as their use in pharmaceutical industry.

Key words High-throughput, LC, CE, Microchip, MS

药物研发是一项周期长、投入高、风险大的工程。一个新药从合成到产品投放市场需要十年以上的时间。为了在专利保护期内产生最大效益，医药公司都希望尽量缩短研发时间。对于一个年销售额为3亿美元的普通药，推迟一天上市，便会造成至少100万美元的损失[1]。在激烈的市场竞争中，能否提高药物研发效率和成功率，缩短研发周期，已经成为医药公司生存的关键。20世纪90年代发展起来的组合化学技术，为新药的发现提供了大量的化合物(一般达每周上千个化合物[2])，这对与之配套的仪器规模和分析通量提出了更高的要求。与此同时，人类基因组计划的提前完成，使人类进入后基因时代，药物研发到了根据基因特点、代谢特点、功能特点等进行“量体裁衣”的新阶段[3]。随之发展起来的被称为后基因组学的蛋白质组学，将为新药开发提供

李晓琳女，26岁，硕士生，现从事药物分析新方法的研究工作。*联系人，E-mail: jim_bao@https://www.wendangku.net/doc/9d3870591.html,

教育部重大培育项目(704013)和教育部李嘉诚长江学者基金资助项目

2005-05-07收稿，2005-07-26接受

更多新的药物作用靶点，从而为药物研发带来新契机。在基因组学和蛋白质组学的研究热潮中，基因测序工作繁重耗时，蛋白样品通常由样品量跨越几个数量级范围的数千种蛋白组成。样品的高度复杂性要求其分离、纯化、鉴别、定量分析等具有极高的分离能力和分辨率，而繁重的重复性工作则要求更高的通量。因此，在短时间内能尽可能多地提供完整且有用信息的高效、快速和高通量的药物分析技术在20世纪90年代应运而生。

高通量药物分析技术主要用于药物研究的发现阶段，这一阶段也是药物研究的基础和关键。在研发阶段，高通量分析也可以提高研发效率。在临床阶段，一些生物分析也可向高通量方向改进，从而缩短新药研究乃至上市的时间。

20世纪80年代发展起来的以96孔模板为基础的高通量筛选系统为高通量药物分析奠定了物质基础。传统的高通量药物分析是在96孔模板的尺寸基础上增加孔密度，从而产生了384孔，甚至1536孔模板。虽然它们具有快速、高通量的特点，适合初步筛选，但其分离能力有限，准确性较低，其结果还需作进一步的确认分析。随着96根毛细管电泳等新技术的不断涌现，以高效液相色谱(HPLC)、高效毛细管电泳(HPCE)、微流控芯片(microchip)、质谱(MS)等现代分离技术为基础的高通量药物分析新技术近年来获得了迅猛的发展。

1高通量液相色谱

高通量液相色谱主要用于组合化学库中大量化合物的分析和纯化、蛋白质组学分析、ADMET (absorption, distribution, metabolism，excretion and toxicity)筛选和临床前与临床研究中的生化指标的分析[4]。该技术是通过对传统高效液相色谱的进样系统、输液系统、检测系统进行改进，从而显著提高其分析和纯化通量。它可分为串联高通量系统(Serial-LC)和并联高通量系统(Parallel-LC)。

1.1 串联高通量系统

Serial-LC通过减少样品分析时间和循环时间来实现高通量。进样采用自动化程度更高的进样器或在液相与质谱的接口上采用流动注射分析(flow injection analysis，FIA)[5]。输液系统的改进主要是减少梯度洗脱时间，由传统的30～60min减至5min以下[6]；也可由缩短柱长和提高流速的方法来减少洗脱时间。在蛋白质组学的研究中常采用二维液相色谱技术(2D-LC)来提高分析效率，从而实现快速、高通量的蛋白质分析。一维上主要用离子交换色谱，此外也可用亲和色谱或分子排阻色谱；二维上主要用反相液相色谱[7]。为了实现快速检测，可根据样品自身特性选择最适宜的检测器，例如氮化学发光检测器(CLND)[8]和蒸发光散射检测器(ELSD)[9]等，或多种检测方式联用(例如UV/MS)。此外还可以改进数据处理系统。

1.2并联高通量系统

高通量液相色谱的更重要的发展趋势是并联系统。该系统具有多个色谱柱(例如4、6和8通道等)，单一或组合的高压梯度系统，多通道检测装置以及智能化、自动化的监控系统与相应的分析软件。该系统可实现多个样品的同时分离和纯化，因而具有比串联系统更高的通量。

1.2.1进样机制并联系统的进样可利用普通泵，通过转动多位阀从自动进样器中进不同的样品。例如2002年Lee等[10]研制的4通道毛细管液相色谱系统。

1.2.2输液机制Parallel-LC的输液系统主要采用微流控泵和T转接口或是普通泵和分流器。Lee

等[10]使用了一个微流控泵和2个T转接口将梯度流动相均匀输送到4个反相C18柱子中。而德国Sepiatec公司的8通道制备色谱系统则采用两个普通泵和一个分流器将甲醇和水分别输送到8个制备柱中，该系统能够在24h之内将多达5g的天然植物或复杂物质全自动的分离成300多种单一化学组分[11]。2001年，Feng等[12]开发了10个泵、8通道的并联LC/MS全自动蛋白质分析系统，其中两个泵与分流器联用来实现二元溶剂的梯度混合，其余八个泵用来输送流动相。

目前，Parallel-LC的输液系统正朝着新方向发展。Eksigent公司正努力将微流控、微型泵、微加工技术相结合，开创一套全新的输液系统[13]。在刚刚召开的2005年美国匹茨堡年会上，Eksigent公司又展出了基于16个泵的完全独立的8通道二元混合梯度系统。

1.2.3检测机制基于质谱在痕量分析和结构表征方面的优势，高通量液质联用技术(LC/MS)已成为Parallel-LC的重要组成部分。此外Parallel-LC还可采用双波长或可变波长的紫外吸收以及紫外与质谱相结合等检测方式。

由于质谱造价很高，每个通道都连接一个质谱将会大大提高整套系统的成本。因而，可实现Parallel-LC与一个质谱联用的多通道电喷雾电离接口(multiplexed electrospray interface，即MUX 接口)[13]成为高通量液质联用技术的发展主流。目前大部分高通量平行LC/MS系统均采用MUX-LCT(LC-Time of Flight mass spectrometer)技术。LCT即利用电喷雾电离接口或大气压化学电离接口来实现液质联用，进行常压电离分析的直角加速飞行时间质谱[14]，是一种快速、高灵敏度和高分辨率的收集质谱。MUX-LCT即是采用MUX接口使液相与飞行时间质谱联用的技术。MUX充分利用了LCT快速收集数据的特点，可在极短的时间内扫描各个通道。Biasi等[15]研制的4通道LC/MS系统扫描每个通道的时间为0.8s。Sage等[16]的4通道和8通道系统的循环时间分别为0.6和1.2s。Fang等[17]开发的8通道并联LC/UV/MS扫描8个通道仅需1.6s，可以24h 全自动运行，并可实现每天分析3200个样品的高通量。2003年，该小组又开发出了9通道的平行LC/UV/TOF-MS高通量分析系统，增加的通道采用UV检测，用于引入内标物质进行质谱锁定纠正仪器漂移[18]。

此外，在蛋白质组学研究中，能够把从多元平行液相色谱柱中洗脱出来的多肽解析到基质辅助激光解析电离接口(MALDI)的探针上的多通道解析系统也可以实现并联LC与质谱的联用[19]。Wall等[20]开发了能够连续收集洗脱液的解析系统。Ericson等[21]证明了利用脉冲电场可以把洗脱液从多元平行液相色谱柱中直接转移到MALDI探针上，无需使柱子出口与探针接触。

2高通量毛细管电泳

由于具有分离效率高、分析速度快、试剂消耗少、样品体积小等特点，高效毛细管电泳(HPCE)是类药化合物和生物大分子(如蛋白质和DNA)的重要分析手段。同其它色谱技术相比，高效毛细管电泳更易于实现高通量和自动化。它可在多种分离机制(如区带电泳)下并行分析多个样品。

早在十多年前就出现了用于DNA分析的多元高效毛细管电泳系统[22]。至今，市场上已出现多种商品化的高通量HPCE仪器，例如PRISM 3730(Applied Biosystems，旧型号为3700)、MegaBACE TM 1000(Amersham Biosciences)、SpectruMedix SCE系列和HTS系列(SpectruMedix)、cePRO 9600 TM System(CombiSep)等。这些仪器以96根毛细管为主，此外还有192根，甚至384根毛细管，主要分为凝胶(CGE)和普通区带(CZE)两种HPCE系统。从用途上看，前者主要用于

基因测序，而后者则可用于物理化学常数测定、手性拆分、酶分析、蛋白质及代谢组学分析等所有HPCE适用的领域。

2.1 高通量CGE系统

此类仪器主要用于DNA测序，如SpectruMedix系列、ABI PRISM 3730和MegaBACE等。检测采用激光诱导荧光检测(LIF)。SpectruMedix9600由软件控制，全自动进样，上胶，采用共聚焦扫描的激光诱导荧光检测[23]。MegaBACE[24]系统还是目前世界上唯一能适应用户不同样品量需求的毛细管全自动基因分析平台。Genteon的Capella400TM[25]是第一台全自动384道毛细管电泳高通量核苷酸分析仪器，384个样品同时并行分析，旋转圆柱状毛细管阵列以及低成本的动态荧光检测技术，使其成为目前自动化程度最高的毛细管电泳系统。

2.2 高通量CZE系统

该系统比上述CGE系统具有更广的适应性。除了可用于各种单管HPCE所适用的所有场合，在一些新的更具挑战性的领域，如蛋白质组学分析，它具有更多优势。例如分离与反应条件优化；蛋白与蛋白、蛋白与小分子、蛋白与RNA相互作用研究；二维蛋白质分析；酶活性测定；组合化学库筛选和凝胶蛋白转移分析等。此外，充分利用HPCE的亲和电泳(ACE)和胶束电泳(MEKC)模式，可测定许多化合物的物理化学参数(如渗透性、溶解度、p K a、lg P等)以及进行手性化合物的拆分等[26~30]。美国SpectruMadix和CombiSep公司均有此类产品。此类仪器首先采用的是LIF 检测(如SpectruMadix产品)。由于许多化合物不具有化学荧光性质，其适用范围受到一定的影响。随后，CombiSep公司开发了采用紫外光检测的高通量CZE系统[31,32]，其适用范围大大拓宽。所有这些高通量CZE系统都大大地提高了分析样品的通量。例如，具有192根毛细管的SpectruMedix SCE 9210可在24h内连续6次进样，分析多达20000个样品，完全达到了分析科学家当时提出的日分析上万个样品的要求。

目前，高通量CE技术正朝着新的方向发展。以微芯片技术为基础的高通量CE系统的研究已经取得了巨大的进步。结合固体光源和固定微光源的高通量、低成本的多通道CE系统以及薄膜电泳仪的开发也正在加速进行中。

3高通量微芯片毛细管电泳

20世纪90年代初期至今，微芯片毛细管电泳(microchip capillary electrophoresis，MCE)[33]已成为毛细管电泳领域中一个新的生长点。由于芯片上可以很容易地加工出高度集成化、自动化的电泳分析装置，加之芯片散热性能好，可实现高场强(例如高达2500V/cm)和小体积进样(pL～nL)等特点[34]，因此，MCE能够提供前所未有的分析通量、分析速度和分离效率，是高通量毛细管电泳的发展方向。目前，高通量MCE的发展主要体现在通道密度的增加和相应检测手段的改进上。

多通道芯片能够提供多种样品的并行分析。现有的高通量CE芯片上的通道有平行排列、扇形排列和放射状排列三种。1997年由Wolley等[35]研制的第一个高通量CE芯片就是12泳道平行排列的毛细管阵列电泳芯片。该芯片可在160s内平行分析12个不同样品。平行排列和扇形排列的芯片所能达到的通量大体相当，检测的手段也大致相同，一般采用共聚焦的LIF检测[33]。1999年Huang等[36]将声光转换器驱动的激光柱扫描的LIF检测用于8通道HPCE芯片，获得了灵活

高速的扫描。2000年出现了长度为50cm的超长平行通道阵列芯片，这种整体芯片具有48~188个独立平行的微通道，并在这些具有动态涂层的超长通道上进行了高分辨的DNA序列分离[37]。

放射状毛细管阵列电泳芯片外观上呈圆形，众多的电泳通道放射状分布在圆形基片上。此类芯片具有比前两种芯片更高的通道密度，可以提供更高的通量和分离效率。如何实现此类芯片的检测是研究人员一直思索的问题。最初的方法是让圆形芯片通过固定的激光束进行扫描。随后产生的旋转共聚焦荧光扫描技术使得高通量HPCE芯片上的通道阵列由平行和扇形向放射状的转变得以实现。1998年，Mathies等[38]研制出具有48根微型分离泳道和96个样品槽，使用激发的旋转共聚焦扫描检测器检测四色通道的放射状毛细管阵列电泳芯片，该芯片可同时分析96个样品。1999年Shi等[39]将此类芯片的分离泳道拓展到96根，而芯片直径仅为10cm，96个pBR322限制性内切酶片段可在120s内得到高效分离。2002年Mathies[40]又开发了384泳道的放射状芯片，芯片直径为20cm,并成功进行了大量样品的平行遗传分析。若同时使用40块此类芯片，每块芯片上有96或384个分离通道，则一次进样量可达15000个，从而达到了高通量DNA分析和测序的目的[41]。

研究人员已经成功地应用高通量CE芯片进行了自动DNA测序和遗传分析等方面的工作[42,43]。高通量CE芯片也已经开始从实验室走向了市场。1999年Agilent公司推出的Agilent 2100 Bioanalyzer就是第一台利用高通量芯片毛细管电泳进行DNA和RNA分析的全自动商品化仪器。这些应用的成功表明MCE将会成为促进基因图谱、法医学鉴定以及蛋白质组学发展的强有力的新型工具。

4高通量微芯片液相色谱

微芯片液相色谱是近年来继MCE后发展起来的一种新型高通量微全分析技术。由于在芯片上应用高压驱动分离比高电压驱动要难得多，因而LC芯片系统的出现比CE芯片晚了十年之久。压力驱动的LC芯片可以随意选择溶剂和缓冲液，重现性较好[44]。同时该芯片在设计上也面临着许多困难，例如：液流分层现象的克服，混合过程的减速，液相梯度的制作，进样挥发的抑制，接口的处理，检测以及泵的难题等。

1998年Regnier提出了第一个微流控LC芯片系统。该系统采用电渗驱动，在小于8cm的石英晶片上分割出1.5×10μm的矩形沟槽作为微型化柱子，单块支撑结构作为柱中填料[45]。但该芯片最终未能实现商业化，原因在于：(1)石英材料刻蚀成本太高；(2)芯片上的单块支撑结构要求无孔，加工难度大；(3)微型系统与传统检测装置不配套。20世纪90年代，美国Sandia国家实验室的科学家们研制出了可用于化学芯片和生物芯片的微型检测系统，使LC芯片的研究有了新进展。2000年，Rabestraw成立了Eksigent公司，开始了多元通道平行分析的微通道分离系统的研究。当前，Eksigent和另一家刚刚启动的公司Nanostream正在研制商业化平面毫微米级的LC 系统，已经成为微流控系统的主流供应商。一些老牌公司，像Agilent和,Waters也在进行微型化柱子的开发。Eksigent公司的LC芯片产品已经含有完整的进样器和一个15cm的分离柱，此外还具有微型电动泵、液流控制器等可以用于微流控系统的核心技术，其中电动液流控制器可产生50～500nL/min的流速。Nanostream公司研制的Veloce系统是一种建立在芯片上的微平行液相色谱系统。其核心部件是高分子材料上集成的24根标准的反相C18柱子的Brio柱管，可实现多元

平行色谱分析和24h实时紫外检测，一次进样过程中就可同时进行重复性实验和产生标准曲线[46~47]。由于LC芯片的低体积流量可以提高质谱的灵敏度，因此很多关于利用ESI或MALDI把LC芯片与质谱联用的研究也正在进行。此外还有一些研究人员正在探索在芯片中把气相和液相分离过程合并的装置。

LC芯片不仅兼具了HPLC的优点，同时又可以实现更高效、更快速的高通量分析，因此既适用于目前HPLC所作的一切工作，且更适于药物研发和蛋白质组学的研究。但由于该技术还处于发展阶段，所以现有的商业化仪器主要用于药物研发领域的高通量分析，如酶分析、纯度分析及lg P、溶解度、渗透性的测定等。

5高通量质谱

由于质谱本身造价太高，真正意义上的以多个质谱串联或并联为基础的高通量质谱在大多数研究机构中尚难实现。据我们所知，仅在一些经费较充足的单位(如美国橡树岭国家实验室和普渡大学Cooks实验室)有着一些试图将96个离子阱质谱并联的尝试。更多的则是将很少的几个质谱串联或并联。多元串级质谱技术在蛋白质组学的高通量分析中占有重要地位。傅里叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICRMS)是一种相对较新的质谱技术，它的一个重要功能就是多元串级质谱。与通常的每次只能选择一个母离子的串级质谱方式不同，FT-ICRMS可以同时选择几个母离子进行解离[48]，大大增加了蛋白质鉴定工作的通量。

相比之下最为经济的方式是利用MUX接口使平行液相分离系统与质谱联用来实现单级或多级质谱分析。此外，还包括平行萃取设备与质谱联用的高通量纯化系统。MUX接口是近五年来才发展起来的新技术，从最初的双通道已经逐步发展为3通道、4通道以及目前最新的与8根LC柱配套使用的8通道和9通道接口。最早实现联用的是飞行时间质谱，它具有快速收集数据的特点，扫描多个通道仅用很短的时间，很适合于高通量分析。此后四级杆质谱和离子阱质谱也相继实现了与多元平行LC系统的联用。目前，研究人员正致力于天然产物的高通量多级质谱图库的建立工作中，该工作将会满足高通量分析的进一步需要，实现更高通量的质谱定量分析。

参考文献

[1] E H Kerns. Pharma. Sci., 2001, 90: 1838~1858.

[2]J Trias. Curr. Opin. Microbiol., 2001, 4(5): 520~525.

[3]S J Ward. Biotechniques, 2001, 31(3): 626~630.

[4] D B Kassel. Curr. Opin. Chem. Biol., 2004, 8: 339~345.

[5]R Richmond, E Gorlach, J M Seifert. J. Chromatogr. A, 1999, 835: 29~39.

[6]W K Goetzinger, J N Kyranos. Anal. Lab., 1998, 30: 27~37.

[7]Y Shi, R Xiang, J A Wilkins. J. Chromatogr. A, 2004, 1053: 27~36.

[8] B H Hsu, E Orton, S Y Tang et al. J. Chromatogr. B, 1999, 725: 103~112.

[9]W L Fitch, A K Szardenings. Tetrahed. Lett., 1997, 38: 1689~1692.

[10]H Lee, T J Griffin, S P Gygi et al. Anal. Chem., 2002, 74(17): 4353~4360.

[11]https://www.wendangku.net/doc/9d3870591.html,., 2003.

[12] B Feng, M S McQueney, T M Mezzasalma et al. Anal. Chem., 2001, 73(23): 5691~5697.

[13]https://www.wendangku.net/doc/9d3870591.html,., 2003.

[14]https://www.wendangku.net/doc/9d3870591.html,., 2003.

[15]V D Biasi, N Haskins, A Organ et al. Rapid Commun. Mass Spectrom, 1999, 13: 1165~1168.

[16] A B Sage, D Little, K Giles . LCGC-Mag. Separation Sci., 2000, 18: S20~S29.

[17]L Fang, J Cournoyer, M Demee et al. Rapid Commun. Mass Spectrom, 2002, 16: 1440~1447.

[18]L Fang, M Demee, J Cournoyer et al. Rapid Commun. Mass Spectrom, 2003, 17: 1425~1423.

[19]J W Cooker, Y Wang, C S Lee. Electrophoresis, 2004, 25: 3913~3926.

[20] D B Wall, S J Berger, J W Finch et al. Electrophoresis, 2002, 23: 3193~3204.

[21] C Ericson, Q T Phung, D M Horn et al. Anal. Chem., 2003, 75: 2309~2315.

[22]N J Dovichi, J Zhang. Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 2000, 39: 4463~4468.

[23]https://www.wendangku.net/doc/9d3870591.html,., 2003.

[24]https://www.wendangku.net/doc/9d3870591.html,. 2003.

[25]https://www.wendangku.net/doc/9d3870591.html,., 2003.

[26]K Wehmeyer.LCGC North America, 2003, 21: 1078~1088.

[27]H J Issaq, K C Chan, Q B Li. Electrophoresis, 2001, 22(6): 1133~1135.

[28]K D Altria, D Elder. J . Chromatogr. A, 2004, 1023: 1~14.

[29]H Pang, J Kenseth, S Coldiron. Drug Discovery Today, 2004, 9(24): 1072~1080.

[30]V Sakanyan. J. Chromatogr. B, 2005, 815: 77~95.

[31]https://www.wendangku.net/doc/9d3870591.html,., 2003.

[32]X Gong, E S Yeung. Anal. Chem., 1999, 71(21): 4989~4996.

[33]N Minc, J L Viovy.C. R. Physique, 2004, 5(5): 565~575.

[34]方肇伦，殷学锋，方群等. 微流控分析芯片. 北京: 科学出版社, 2003: 132~134.

[35] A T Woolley, G F Sensabaugh , R A Mathies . Anal. Chem., 1997, 69(11): 2181~2186.

[36] C Backhouse, M Caamano, F Oaks et al. Electrophoresis, 2000, 21: 150~156.

[37]Z Huang, N Munro, A F Huhmer et al. Anal. Chem., 1999, 71(23): 5309~5314.

[38]P C Simpson, D Roach, A T Woolley et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1998, 95: 2256~2261.

[39]Y Shi, P C Simpson, J R Scherer et al. Anal. Chem., 1999, 71(23): 5354~5361.

[40] C A Emrich, H Tian, I L Medintz et al. Anal. Chem., 2002, 74(19): 5076~5083.

[41]徐娟，孔科. 生物技术, 2004, 14(10): 54~56.

[42]S R Liu, H J Ren, S B Jovaovich et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2000, 97 :5369~5374.

[43]L Chen, J Ren. Comb. Chem. High Throughput Screen., 2004, 7: 29~43.

[44] C Harris. Anal. Chem. A Pages, 2003, 75(3): 64A~69A.

[45] B He, N Tait, F Regnier. Anal. Chem., 1998, 70(18): 3790~3797.

[46]P Paren, O Sergey, K Jeff et al. JALA, 2004, 9: 184~191.

[47]https://www.wendangku.net/doc/9d3870591.html,., 2003

[48]张国安，许雪姣，张素艳等. 分析化学, 2003, 31(5): 611~618.

动态膜分离技术研究进展

文章编号:1007-8924(2007)04-0091-05专题综述 动态膜分离技术研究进展 李晓波,胡保安,顾　平 (天津大学环境科学与工程学院,天津300072) 摘　要:介绍动态膜分离技术的概念,着重讨论影响动态膜分离性能的相关因素以及动态膜 在污水处理中的应用效果,指出动态膜技术具有良好的应用前景,但目前仍处于试验阶段,尚需深入研究. 关键词:动态膜;污水处理;研究进展中图分类号:TQ028.8 文献标识码:A 膜分离技术是当今水处理领域研究的热点,国内外均做了大量的研究工作[1-5],然而,膜污染及膜组件昂贵的价格是阻碍膜技术广泛应用的主要原因.动态膜分离技术采用大孔径材料制作膜组件,降低了膜组件的造价;同时,已有研究表明,动态膜的渗透性能更佳、抗污染能力显著提高[6-8].因此,动态膜作为一项新型的特殊膜分离技术正越来越多地受到国内外水处理技术研究者的关注[9-13]. 1　动态膜分离技术 动态膜作为一种分离技术,包含动态膜的载体 及动态膜分离层本身.动态膜的载体指用来承载动态膜的大孔径材料,一般价格低廉、易得,常见的有不锈钢丝网、普通筛网、工业滤布、筛绢等多孔材料和一些高分子材料,如烧结聚氯乙烯管等.动态膜分离层是动态膜分离技术的主体,指依附于动态膜载体之上、执行分离功能的滤饼层或污泥层.它是通过错流过滤或死端过滤的方式将某种固体或胶体微粒沉淀在载体表面上形成的.用于形成动态膜的粒子种类较多,有粘土类矿物、粉状活性炭(PAC )、ZrO 2、MnO 2、聚乙烯醇(PVA )等,也可用被处理的废液中的某种物质作为成膜物质沉淀在载体上形成动态膜,如自生生物动态膜的成膜物质为污水中的活性污泥.目前国内外关于动态膜分离技术的研究主要 集中在影响动态膜分离性能的因素及操作参数的优化方面. 2　影响动态膜分离性能的因素 2.1　pH 的影响 p H 对ZrO 2动态膜和MnO 2动态膜的影响较为 明显,这是由于MnO 2动态膜和大多数ZrO 2动态膜都是通过化学反应来生成膜粒子的. ZrO 2粒子的形成有两种方法:一种是提高含Zr 4+溶液,如无水ZrCl 4的水溶液的p H 来形成[14], 另一种是将ZrOCl 2加入到硫酸溶液中而形成[15].Zr 的水合氧化物在不同p H 下的特性不同,其粒子大小也不同.p H 较低时所生成的粒子粒径较小,随着p H 升高,粒径也逐渐升高.由于小颗粒需要更长的时间堵塞载体的孔隙,所以形成动态膜所需的时间也更长.Altman 等[16]的研究表明,动态膜的形成时间从p H 为3.5时的120min 减少到p H 为6时的45min ;Rumyantsev 等[16]的研究结果则分别是100min 和小于45min.蛋白质的截留率与p H 的关系不是很明显,p H 为3.5、5和6时形成的动态膜的截留率大于p H 为4时的动态膜. MnO 2是KMnO 4的还原产物,其反应式为4KMnO 4+6HCOONa =4MnO 2↓+2K 2CO 3+ 3Na 2CO 3+3H 2O +CO 2↑ 收稿日期:2005-09-06;修改稿收到日期:2006-01-17 作者简介:李晓波(1970-),男,河南省人,博士生,主要从事水污染治理技术的研究. 第27卷　第4期膜　科　学　与　技　术 Vol.27　No.4 2007年8月MEMBRAN E SCIENCE AND TECHNOLO GY Aug.2007

新型膜分离技术研究进展

新型膜分离技术研究进展 摘要:膜分离技术是一项新兴的高效、快速、节能的新型分离技术。作为一种新型分离技术，在多种领域得到了广泛的应用。综述了反渗透、电渗析、纳滤、微滤、超滤、气体分离、渗透汽化和膜反应器等各种膜分离技术的分离原理、特点，在工业中的应用以及目前存在的问题。最后展望了膜技术的应用前景。 关键词：膜分离；原理；应用；进展 膜分离技术主要是采用天然或人工合成高分子薄膜，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分流质和溶剂进行分离、分级、提纯和富集操作。与传统分离方法(蒸发、萃取或离子交换等)相比，它是在常温下操作，没有相变，最适宜对热敏性物质和生物活性物质的分离与浓缩，具有高效、节能，工艺过程简单，投资少，污染小等优点，因而在化工、轻工、电子、医药、纺织、生物工程、环境治理、冶金等方面具有广泛的应用前景。 1膜分离技术的分离原理和特点 1.1纳滤 纳滤膜具有纳米级孔径，截留相对分子质量为200-1000，能使溶剂、有机小分子和无机盐通过。纳滤膜的分离机理模型目前的看法主要是空间位阻-孔道模型。与超滤膜相比，纳滤膜有一定的荷电容量;与反渗膜相比，纳滤膜又不是完全无孔的。纳滤是介于反渗透和超滤之间的一种膜分离技术，是国内外研究的热点。余跃等[1]废水进行了去除COD和脱色的研究。结果表明，纳滤技术可有效地去除印染废水中的色度和COD。 1.2超滤 超滤的截留相对分子质量在1000-100000之间。超滤过程的分离机理一般认为是压力驱动的筛孔分离过程，是膜表面上的机械截留(筛分)、在膜孔中的停留(阻塞)、在膜表面及膜孔内的吸附三种形式。徐超等[2]在中试中采用浸没式超滤膜代替传统砂滤工艺处理浊度较低的滦河水，取得较好的处理效果，设备费用降低了。 1.3微滤 微滤是发展最早、制备技术最成熟的膜形式之一，孔径在0.05-10μm之间，可以将细菌、微粒、亚微粒、胶团等不溶物除去，滤液纯净，国际上通称为绝对过滤。微滤分离的实质是利用膜的“筛分”作用来进行的。即:比膜孔大的颗粒的机械截留、颗粒间相互作用及颗粒与膜表面的吸附、颗粒间的桥架作用这三种方式来实现的。 1.4反渗透 反渗透又称逆渗透，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。因为它和自然渗透的方向相反，故称反渗透。学界对于反渗透分离机理的解释主要流行以下理论:溶解一扩散模型、优先吸附一毛细孔流理论、氢键理论。 自从上个世纪90年代邓宇发明了非加压吸附渗透海水淡化法以来，反渗透用于海水淡化的研究得到了极大发展[3]。在重金属废水处理领域，美国芝加哥API工艺公司采用B一9芳香族聚酞胺中空纤维膜组件处理镀镍漂洗水，废水中Niz+的分离率为92%[4]。 1.5电驱动膜

分离分析论文资料

膜分离技术与分子蒸馏技术 摘要：分离分析技术在生产和生活中有着广泛的用途，选择合适的分离分析方法关乎着实验与生产的成败，根据物质的性质不同所采用的的分离技术也有所差别，本文主要对膜分离技术和分子蒸馏技术的原理特点及在医药方面的应用做了简单的介绍。 关键词：膜分离技术分子蒸馏技术原理特点应用 前言 膜分离技术是一项新兴的高效分离技术,已经被国际公认为20世纪末到21世纪中期最有发展前途的一项重大高新生产技术,成为世界各国研究的热点,目前已被广泛应用医药、食品、化工、环保等各个领域；分子蒸馏技术是一种特殊的液液分离技术，它产生于20世纪20年代，是伴随着人们对真空状态下气体运动理论的深入研究以及真空蒸馏技术的不断发展而逐渐兴起的一种新的分离技术。目前，分子蒸馏技术已成为分离技术中的一个重要分支。 1 膜分离技术 1.1膜分离技术的原理及特点 膜分离是利用具有一定选择透过特性的过虑介质,以外界能量或化学位差为推动力,对多组分混合物进行物理的分离、纯化和富集的过程。膜分离法有许多的种类，虽然各种膜分离过程具有不同的原理和特征,即使用的膜不同,推动力、截流组分不同,适用的对象和要求也不同,但其共同点为过程简单、经济、节能、高效,无两次污染。大多数膜分离过程中物质不发生相变,分离系数较大,操作温度可为常温,可直接放大,可专一配膜等。相对与传统工艺,膜分离具有以下优点:艺简化,一次性投资少,方便维护、操作简便,运行费用低,节省资源;运行无相变,不破坏产品结构,分离效率高,提高产品的收率和质量;不需用溶剂或溶剂用量大大减少,因而废水处理也变得更加容易[1]。 1.2 膜分离技术的种类 目前,国内外在制药和医疗上常用的膜分离技术主要有微滤、超滤、纳滤、

吸附分离技术的应用

吸附分离技术的应用 陈健古共伟郜豫川 四川天一科技 股份有限公司 610225 吸附分离的应用丰富多彩，广泛应用于石油化工、化工、医药、冶金和电子等工业部门，用于气体分离、干燥及空气净化、废水处理等环保领域。吸附分离技术可以实现常温空气分离氧氮，酸性气体脱除，从各种气体中分离回收氢气、、CO、甲烷、乙烯等。 CO 2 一、吸附分离在空气净化上的应用 吸附分离在空气净化领域有广泛的应用。如空气干燥、臭气和酸气脱除及回收、清除挥发性有机物等。 空气干燥 空气中通常含有一定水分，而这种水分在很多场合是有害的，必须被除去。吸附法是除去空气中水分最常用的方法之一。 硅胶和活性氧化铝是通用的干燥剂，分子筛在某些场合也被用作干燥剂。在一些应用场合吸附剂不需要再生，但在另一些场合则需要再生重复使用。非再生（一次性使用）的吸附剂被用作包装干燥剂、双层(dual pane)窗户中的干燥剂、制冷和空调系统中的干燥剂等。硅胶是包装中最常用的作为干燥剂的吸附剂。吸附剂在很多场合上的应用是需要再生的，因为吸附剂的成本太高而不允许一次性使用。再生可以采用变温吸附（TSA）和变压吸附（PSA）两种方式。

为了防止热交换器在低温下冻结堵塞，作为深冷法空分装置原料的空气必须有是无水和无CO 2 的，空气必须进行干燥和净化，这里吸附剂作用的是13X分子筛。作为吸附法常温分离氧氮原料的空气也需干燥，干燥剂可用活性氧化铝等。 PSA最初的一个工业使用是气体干燥，采用两床Skarstrom循环工艺。该循环使用吸附、逆向放压、逆向冲洗和顺向升压过程，生产水分含量小于1ppm的干燥空气流。约一半的仪表空气干燥器使用类似的PSA循环。 ) 脱除无机污染物 工业生产中产生大量的CO 2、SO 2 和NO x 等酸性有害气体，它们会引起温室效 应、酸雨等现象，破坏地球和人们的生活环境。随着工业化发展，这些气体的危害程度越来越大，因此人们在致力于开发各种方法来治理这些有害气体。其中吸附分离的方法是有效的治理方法之一。 一些无机污染物可通过TSA过程除去。Sulfacid和Hitachi固定床工艺、Sumitomo和BF移动床工艺及Westvaco流化床工艺都使用活性碳吸附剂脱除SO 2 。 丝光分子筛、13X型分子筛、硅胶、泥煤和活性碳等是良好的NO x 吸附剂。在有 氧存在时，分子筛不仅能吸附NO x ，还能将NO氧化成NO 2 。通入热空气（或空气 与蒸汽的混合物）解吸，可回收HNO 3或NO 2 。硝酸尾气中的NO x 经过吸附处理可 控制在50ppm以下。吸附法还可用于其它低浓度NO x 废所的治理。从烟道气脱除 NO x 也可采用吸附方法。国内采用吸附法治理NO x 废气技术已由四川天一科技股份 有限完成工业性试验并在硝酸生产厂得到应用。 近年四川天一科技股份有限公司在该法的研究开发上取得较大进展，研制了对NO x 有强吸附能力的专用吸附剂并对工艺过程作出改进。与其它方法相比，变压吸附硝酸尾气治理技术有以下特点： ①尾气中的NO x 被分离和浓缩后返回吸收塔，可提高硝酸生产总收率2%－5%；

扩张床吸附技术研究进展

扩张床吸附技术研究进展 摘要：扩张床吸附层析技术兼有流化床和填充床层析的优点 ,不需预先除去料液中的颗粒而可以直接从料液中吸附目标产物。它是一种具有集成化优势的分离纯化技术 ,在生物工程产品的下游处理过程中有十分广阔的应用前景。开发出性能良好的吸附剂基质 ,是该项技术得以广泛应用的关键。本文通过文献的查阅及总结，从吸附剂基质及技术的应用两个方面综述了扩张床吸附技术的研究进展。关键词：扩张床吸附技术、进展、吸附剂基质、应用 一般而言 ,生物工程产品下游处理过程可分为目标产物捕获、中期纯化和精制三个阶段 ,其中产物[1]捕获阶段最为关键 ,一般由细胞富集、产物释放、澄清、浓缩、初步纯化等操作步骤组成。目前 ,除去原料液中的固体颗粒最常用的方法是离心和微滤。但当处理含有微细固体颗粒的高粘度料液时 ,离心的效率会大大降低;而细胞和细胞碎片在膜表面的积累又会使微滤过程的膜通量急剧下降，如果对料液进行稀释 ,随后的浓缩过程将增加额外的能耗。 从发展趋势来看, 生化分离技术研究的目的是要缩短整个下游过程的流程和提高单项操作的效率,以前的那种零敲碎打的做法，研究要有一个质的转变, 国内外许多专家和研究者认同了这种转变,并认为可以从两个方面着手,其一, 继续研究和完善一些适用于生化工程的新型分离技术;其二,进行各种分离技术的高效集成化。目前出现的一些新型单元分离技术,如亲和法、双水相分配技术、逆胶束法、液膜法、各类高效层析法等,就是方向一的研究结果,作为方向二的高效集成化,最引人注目的是扩张床吸附技术，近10年来研究的热点之一。与流化床相比，它返混程度很小，因而分离效果较好；与固定床相比，它能处理含菌体的悬浮液，可省却困难的过滤操作。 扩张床吸附（Expanded Bed Adsorption , EBA）技术是上世纪九十年代发展起来的一种新型蛋白质分离纯化技术 ,能直接从发酵液或细胞匀浆中捕获目标产物。扩张床是吸附剂处于稳定状态的流化床[2]-[4]。与串通的填充床层析不同的是在扩张床吸附操作中吸附剂（或层析剂）层在原料液的流动下可产生适当程度的膨胀,其膨胀度取决于吸附剂的密度、流体速度。当吸附剂的沉降速度流

新型膜分离技术的研究进展

收稿日期：2011－04－18 作者简介：陈默（1986—），硕士研究生，从事含能化合物的合成研究；王建龙，教授，博士生导师，通讯联系人，主要从事含能化合物合成及炸药中间体的制备、 应用及开发。新型膜分离技术的研究进展 陈 默，曹端林，李永祥，王建龙 （中北大学化工与环境学院，山西太原030051） 摘要：膜分离技术是一项新兴的高效、快速、节能的新型分离技术。作为一种新型分离技术，在多种领域得到了广泛的应用。综述了反渗透、 电渗析、纳滤、微滤、超滤、气体分离、渗透汽化和膜反应器等各种膜分离技术的分离原理、特点，在工业中的应用以及目前存在的问题。最后展望了膜技术的应用前景。关键词：膜分离；原理；应用；进展中图分类号：TQ028．8 文献标识码：A 文章编号：1008－021X （2011）05－0031－03 Research Progress of Membrane Technology CHEN Mo ，CAO Duan －lin ，LI Yong －xiang ，WANG Jian －long （College of Chemical Engineering and Environment ，North University of China ，Taiyuan 030051，China ）Abstract ：The membrane extraction technique is a new type extraction technique with high efficiency ，high speed and saving energy．Membrane separation technology is applied widely as a new kind of separation technology．The separation mechanism and characteristics of different kinds of membrane technologies were introduced ，including electrodialysis ，reverse osmosis ，nanofiltration ，ultrafiltration ，microfiltration ，gas separation ，pervaporation ，membrane reactor．Further more ，the application and current problems of different membrane technologies were extensively summarized．Finally ，application prospect of membrane separation technology was presented．Key words ：membrane separation ；principle ；application ；progress 膜分离技术主要是采用天然或人工合成高分子 薄膜，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分流质和溶剂进行分离、分级、提纯和富集操作。与传统分离方法（蒸发、萃取或离子交换等）相比，它是在常温下操作，没有相变，最适宜对热敏性物质和生物活性物质的分离与浓缩，具有高效、节能，工艺过程简单，投资少，污染小等优点，因而在化工、轻工、电子、医药、纺织、生物工程、环境治理、冶金等方面具有广泛的应用前景。1膜分离技术的分离原理和特点1．1 纳滤 纳滤膜具有纳米级孔径，截留相对分子质量为200 1000，能使溶剂、有机小分子和无机盐通过。纳滤膜的分离机理模型目前的看法主要是空间位阻－孔道模型。与超滤膜相比，纳滤膜有一定的荷电容量；与反渗膜相比，纳滤膜又不是完全无孔的。纳滤是介于反渗透和超滤之间的一种膜分离技 术， 是国内外研究的热点。余跃等［1］ 对纳滤技术处理印染废水进行了去除COD 和脱色的研究。结果 表明， 纳滤技术可有效地去除印染废水中的色度和COD 。Salzgitter Flachstahl 电镀厂采用膜技术处理 镀锌废水， 回收其中的Zn 2+ 和H 2SO 4，其结果达到了设计要求［2］。常江等［3］ 在完成用新型纳滤膜处 理模拟含Ni 2+ 废水实验室研究的基础上，进行了电 镀镍漂洗废水的纳滤膜处理及镍和水回收利用的工业试验，为大规模工业应用提供了参考数据。杨青等［4］ 研究报道将DK 型与NF90型纳滤膜组合可适用于治理高浓度、高盐分的吡啉农药废水污染。1．2 超滤 超滤的截留相对分子质量在1000 100000之间。超滤过程的分离机理一般认为是压力驱动的筛孔分离过程，是膜表面上的机械截留（筛分）、在膜孔中的停留（阻塞）、在膜表面及膜孔内的吸附三种形式。 徐超等 ［5］ 在中试中采用浸没式超滤膜代替传 统砂滤工艺处理浊度较低的滦河水，取得较好的处理效果， 设备费用降低了。罗涛等［6］ 采用混凝沉淀－超滤工艺对微污染原水进行试验，结果表明，组合

色谱分离技术的应用与研究进展

色谱分离技术的应用与研究进展 摘要：色谱技术作为分离分析的重要方法之一，是分析化学中最富活力的领域之一，能够分离物化性能差别很小的化合物,对蛋白质进行高效率和高灵敏度分离分析研究,在我国工业生产中具有广泛应用,也是生命科学研究的热点领域之一。本文综述了色谱技术的原理，色谱技术的分离以及色谱技术在医药、精细化工以及现代色谱技术在蛋白分离和分析中最新应用及进展，并介绍了几种常见色谱技术以及近期发展起来的一些新型色谱技术的研究进展及应用。 Abstract：One important method of chromatographic analysis technique as separation was one of the most vibrant areas in analytical chemistry ，which can isolate compounds with very small performance difference，high efficiency and high sensitivity for protein separation and analysis research，has a wide range of applications in China's industrial production，and it was one of the hotspot in the field of life science research．the application progress in pharmaceuticals，fine chemicals and The recent applications and development of modem chromatographic technique in protein separation and analysis were introduced concisely，prospects the development of chromatographic techniques．The research progress of several common and the recently emerged chromatography technology were elaborated． 关键词：色谱技术；应用；进展；蛋白质分离 Key words：chromatographic technique；application；progress；protein separation 一、引言 色谱这一概念首先由俄国著名植物学家Tswett提出，在研究植物色素组成时发现了色谱分离的潜力，首次提出了色谱法这一概念。色谱技术是几十年来分析化学中最富活力的领域之一。作为一种物理化学分离分析的方法，色谱技术是从混合物中分离组分的重要方法之一，能够分离物化性能差别很小的化合物。当混合物各组成部分的化学或物理性质十分接近，而其他分离技术很难或根本无法应用时，色谱技术愈加显示出其实际有效的优越性。它主要利用复杂样品本身性质的不同，在不同相态的进行选择性分配，以流动相和固定相的相互位移对复杂样品中的单一样品进行分类洗脱，复杂样品中不同的物质会以不同的洗脱速度在不同的时间上脱离固定相，最终达到分离复杂样品的效果。色谱不仅是一种分析的手段，也是一种分离的方法。色谱分离技术是一类分离方法的总称，包括吸附色谱、离子交换色谱、凝胶色谱等，广泛应用于生化物质分离的高度纯化阶段，具有高分辨率的特点。色谱分离技术是生化分离技术这门课程中的一个分离单元，属于生物工程下游技术的范畴。色谱技术最初仅仅是作为一种分离手段，直到20世纪5O年代，随着生物技术的迅猛发展，人们才开始把这种分离手段与检测系统连接起来，成为在环境、生化药物、精细化工产品分析等生命科学和制备化学领域中广泛应用的物质分离分析的一种重要手段。在色谱技术的发展过程中，提出众多理论，推动了色谱技术的不断发展。主要有踏板理论，平衡色谱理论，速率理论，双模理论和轴向扩散理论。 二、色谱技术分类

蛋白质吸附分离研究进展

蛋白质吸附分离研究进展 【摘要】本文主要说明蛋白质的分子结构，总结近年来蛋白质的吸附理论及分离技术研究成果。 【关键词】蛋白质；吸附；分离；表面活性剂 目前，蛋白质的吸附已成为一个非常重要而活跃的研究领域。随着科技进步，使得新型分离技术的开发，需求迫切。另一方面，由于生物反应过程机理十分复杂，反应较难控制，反应液中杂质含量多，目标产物含量低，也给纯化分离带来了很大困难。本文主要对蛋白质的吸附及分离进行综述。 1．蛋白质分子结构 蛋白质一般由20种不同的氨基酸组成，氨基酸之间由肽键连接。肽键与一般的酰胺键一样，由于酰胺氦上的孤对电子与相邻羰基之间的共振相互作用(resonance interaction)表现出高稳定性。肽键的实际结构是一个共振杂化体。由于氧原子离域形成了包括肽键的羰基0、羰基C和酰胺N在内的O--C—NⅡ轨道系统，从而使得肽键的C-N具有部分双键的性质而不能自由旋转。肽键的C、0、N、H和与之相邻的两个a碳原子处于同一个平面，此刚性结构的平面就叫肽平面。肽链主链上的仅碳原子连接的两个键c—N键和C-C键能够自由旋转。如果不考虑键长和键角的微小变化，多肽链的所有可能构象都能用P和中这两个二面角来描述。 2．蛋白质吸附的理论分析 2．1 蛋白质吸附的理论 由肽链结构可知，蛋白质属于两性电解质，根据所处溶液pH不同表面净电荷可正可负。研究认为，蛋白质吸附过程中的相互作用包括氢键、静电和疏水等非共价的相互作用[2]。3种相互作用的本质都与静电作用相关。其中氢键的形成是由于电负性原子与氢形成的基团中．氢原子周围分布的电子少，正电荷氢核与另一电负性强的原子之间产生静电吸引，从而形成氢键。疏水相互作用又称为非极性相互作用，发生于非极性基团之间，蛋白质同时含极性和非极性的基团，当蛋白质处于水溶液中时，极性基团之间以及极性基团与水分子之间易发生静电吸引而排开非极性水基团，因此疏水相互作用并非是疏水基团之间有吸引力的缘故，而是非极性基团由于避开水的需要而被迫接近（8）。这些相互作用本身与小分子的吸附没有差别。蛋白质吸附的独特性在于吸附的是大分子，以及吸附过程蛋白质可以发生各种物理(如构象变化)和化学的变化。 2．2材料表面性质对蛋白质吸附的影响 当蛋白质吸附在材料的表面，其构象和序列将发生变化，因此蛋白质的构象和序列会影响蛋白质的吸附行为。有研究认为，蛋白质与材料表面的相互作用(包括静电力、范德华力、氢键、疏水作用)，使吸附的蛋白质的构象发生变化而达到稳定吸附的状态（4）。另外是平铺式还是直立式吸附，在材料的表面也会影响蛋白质的吸附量屿（4）。 蛋白质的吸附会引起其物理和化学性质的变化。初始的吸附现象是瞬间的，这种瞬间的初始吸附会伴随吸附层的结构重整及再组织化晗]。这种结构重整除了会降低系统的吉布斯自由能外，对于吸附层上的蛋白质还会有变性或分子展开的效应，这会使原本被包覆在内部的疏水性氨基显露出来。以不带电的聚甲醛和牛血清蛋白进行研究，观察到蛋白质浓度升高时吸附量也相应升高，当BSA浓度达到0．6 g／L时得到最大吸附值(3mg／m2)，之后吸附量不再与蛋白质浓度有关（5）。蛋白质在等电点时具有最大吸附量，并且在等电点附近呈对称分布(1)。造成此现象有2个原因：①蛋白质于等电点时具有最小溶解度，此时所需的吸附能最低；②静电排斥力在等电点时最小。 3．蛋白质与表面活性剂的相互作用

生物化工及膜分离技术研究进展

动态与信息 专题报道 生物化工及膜分离技术研究进展 现代生物技术是新兴高技术领域中的重要技术之一,是21世纪高新技术的核心。它在生物学、分子生物学、细胞生物学和生物化学等基础上发展起来,是以重组DNA技术和细胞融合技术为基础,基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程四大先进技术所组成的新技术群。大力发展生物技术及其产业已成为世界各国经济发展的战略重点,目前最具代表性的应用领域是生物医药和农业。生物技术与化学工程相结合而形成的生物化工技术已成为生物技术的重要组成部分。生物化工技术为生物技术提供了多种高效率的反应器、新型分离介质、工艺控制技术和后处理技术,从而可以促进生物技术不断更新和提高;因而新兴的生物化工技术已经成为当今世界高技术竞争的重要焦点之一。生物化工产品的分离技术也被称为生物技术的下游加工术,是整个生物技术的重要组成部分,它的成功与否,是决定生物技术成果能否转变为具有实用价值和竞争力的产品的重要因素。生物化工产品的分离与化学物质的分离相比具有一定的特殊性,产品大多要求高纯度并具有一定的生物活性,因其易受化学、物理和生物等外界环境因素的破坏而发生变性,因而生化分离过程一般要求在快速、低温、洁净的条件下进行。总之,生物化工产品的分离技术具有一定特殊性。 1　生物化工分离过程的重要性及一般步骤生物化工分离过程是生物化学工程的重要组成部分,一般指的是从发酵液或酶反应液中分离生物产品,它是生物技术转化为生产力过程中不可或缺的重要环节。生物产品一般是从杂质含量远远高于产物的悬浮液中进行分离的,而且产品要求纯度较高,只有经过分离加工过程,才可以制得符合规定要求的产品,因此分离是生物化工工业化的必需手段。与此同时,进行生化分离过程十分困难,这是由于产物原料液的含量极低与产物的高纯度要求之间的差异造成的,而且分离的方法复杂,因此,开发新的分离工艺手段也是提高经济效益的手段。由于生物化工产品不同(如酶或代谢产物),所采用的分离方法也不同。但大多数生物化工分离过程常采用4个分离步骤:1)对发酵液或酶反应液预处理,进行固液分离。在这个步骤中过滤和离心是常用的基本单元操作。在过滤操作中有时为了减少过滤介质的阻力,采用了膜分离技术。但该过程对产物的含量改善作用很小。2)进一步分离。此步骤使产物的含量增加。常用的分离方法有吸附、萃取等,如合成ATP 时用颗粒活性炭作吸附剂。3)高度分离。在这个步骤中分离技术对产物具有一定的选择性,典型方法有层析、电泳等。4)精制,先进行结晶析出再干燥即可。合成ATP时,用离子交换树脂进行浓缩,最后用五氧化二磷干燥器进行减压干燥,可得ATP成品。生物化工过程中常用的分离方法如蒸馏、萃取、过滤、结晶、 元操作过程,而另一些则为新近发展的分离技术,如细胞膜破碎技术(包括球磨破碎和化学破碎等)、膜分离、色层分离等。在此着重介绍膜分离技术。 2　膜分离技术概述 膜分离技术被认为是20世纪末至21世纪中期最有发展前途,甚至会导致一次工业革命的高新技术之一,成为当今世界各国研究热点。膜分离作为一种新发展的高新分离技术,其应用领域不断扩大,广泛应用于化工、食品、水加工业、医药、环境保护、生物技术、能源工程等领域,并发挥了巨大的作用。我国对膜分离技术的研究是从20世纪60年代对离子交换膜的研究开始的。从60年代的反渗透技术到90年代的渗透汽化技术,我国的膜分离技术得到了迅速的发展。经过几十年的努力,目前我国在膜分离技术研究开发方面已成功地研制出一批具有实用价值、接近或达到国际先进水平的成果,如无机膜反应分离技术等。 3　膜分离技术的原理及优点 膜分离是指用半透膜作为障碍层,借助于膜的选择渗透作用,在能量、浓度或化学位差的作用下对混合物中的不同组分进行分离提纯。由于半透膜中滤膜孔径大小不同,可以允许某些组分透过膜层,而其它组分被保留在混合物中,以达到一定的分离效果。利用膜分离技术来进行分离具有如下优点:膜分离过程装置比较简单,同时操作方 032化　学　试　剂2008年3月

分离技术-

1、列举一个给你日常生活带来很大益处，而且是得益于分离科学的事例。分析解决这个分离问题时可采用哪几种分离方法，这些分离方法分别依据分离物质的那些性质。 2、中国科学家屠呦呦因成功研制出新型抗疟疾药物青蒿素，获得2015年诺贝尔医学奖。青蒿素是从中医文献中得到的启发，用现代化学方法提取的，请通过查阅资料说明提取分离中药有效成分都有哪些具体的实施方法。 3、了解国内纯净水生产的主要分离技术是什么，该技术掉了原水中的哪些物质（写出详细工艺流程）。 4、活性炭和碳纳米管是否有可能用来做固相萃取的填料？如果可以，你认为它们对溶质的保留机理会是一样的吗？ 5、固体样品的溶剂萃取方法有哪几种，从原理、设备及复杂程度、适用物质对象和样品、萃取效果等方面总结各方法的特点。 1答：海水的淡化可采用膜分离技术 膜分离技术( Membrane Separation，MS) 是利用具有选择透过性的天然或人工合成的薄膜作为分离介质，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分药材进行分离、分级、提纯或富集的技术。膜分离技术包括微滤、纳滤、超滤和反渗透等。 2答： 1．经典的提取分离方法传统中草药提取方法有：溶剂提取法、水蒸汽蒸馏法两种。溶剂提取法有浸渍法、渗源法、煎煮法、回流提取法、连续提取等。分离纯化方法有，系统溶剂分离法、两相溶剂举取法、沉淀法、盐析法、透析法、结晶法、分馏法等。 2．现代提取分离技术超临界流体萃取法、膜分离技术、超微粉碎技术、中药絮凝分离技术、半仿生提取法、超声提取法、旋流提取法、加压逆流提取法、酶法、大孔树脂吸附法、超滤法、分子蒸馏法。 超临界流体萃取法（SFE）：该技术是80年代引入中国的一项新型分离技术。其原理是以一种超临界流体在高于临界温度和压力下，从目标物中萃取有效成分，当恢复到常压常温时，溶解在流体中成分立即以溶于吸收液的

π络合吸附分离技术的研究进展及应用

π络合吸附分离技术的研究进展及应用 周艳平 （江南大学食品科学与工程学号：6150112117） 摘要：随着经济迅猛的发展，吸附分离技术在当今社会已受到科学家们广泛的关注。吸附分离技术在工业化生产以及环境保护中起着关键性的作用，该技术已经蔓延至食品、医药等综合领域，并在这些领域中扮演着相当重要的角色。本文着重介绍了π络合吸附分离技术、吸附剂的研究进展以及其应用特点，并对其作相应的评价。 关键词：π络合吸附分离；吸附剂；研究进展；应用 1、前言 吸附技术很早就为人们发现和利用。古代用新烧好的木炭，利用其吸湿吸臭的功效来去除某些异味，也包括在日常生活中，将烧尽的木炭放在冰箱里从而达到去除异味的目的，这些都说明吸附技术在人类生活中已有悠久历史[1]。然而，在近代工业中，人们对吸附的知识还停留在直接开发使用，如空气和工业废气的净化，防毒面具里活性炭吸附有毒气体，硬水软化用到离子交换树脂等[2]，吸附分离技术仅仅以辅助的作用出现在化工单元操作中。吸附分离的研究进展之所以受到一定的限制是由于固体吸附剂的吸附容量小，吸附剂耗用量大，使分离设备体积庞大，同时因固体的热容量大，传热系数小，升温、降温速度慢，循环周期长，效率低，因此发展较缓慢。直至五十年代初，随着工业的发展特别是石油化工开发，新型吸附剂的开发为吸附分离技术的进一步应用打下了基础，相继许多吸附分离技术应用于各个行业，推动了工业化的发展，其中π络合吸附分离技术占有十分重要的作用，显示出巨大的潜力。 2、吸附分离技术简介 早期的吸附分离技术主要用于吸附净化方面，随着20世纪50年代合成沸石分子筛的出现，使吸附分离技术得到快速发展，也因此使得吸附分离技术在化工、石化、生化和环保等领域得到广泛应用[3]。吸附技术在现代生活中的应用与Lowitz的实验结果有着必然的联系，Lowitz利用木炭去脱除有机物中的杂质[4]。对吸附技术的系统学习要追溯至1814年de Saussure的研究，他得出的结论是多

天然产物的提取分离技术研究进展

天然产物的提取分离技术研究进展 摘要：本文对天然药物化学成分的传统提取和分离技术进行了简单的介绍，并对近些年来发展起来的新技术，新方法加以总结。 关键词：天然药物中药提取分离 Progress in the Techniques of Separation and Extraction of the Natural Products Abstract：This paper has introduced the natural products chemistry of traditional extraction and separation technology briefly，and summarized the new techniques and new methods developed in recent years. Key words：Natural products；Chinese medicine ；extraction and separation 1引言 中药作为我国传统文化重要的组成部分，在华夏五千年源远流长的文明中起着不可替代的作用，中医传统用药强调炮制和复方，中药的功效在长期的生活实践中被证明是稳定有效的。在当下日益加快的生活节凑中，西药由于其快速、便捷的特点，使其成为人们治疗疾病的首选。但是随着绿色养生的生活理念逐渐走入人们的生活中，中药被更多地现代人所应用。为了使中药能够走出国门，我们对于中药的研究方法必须加以改进和完善，进而更好的为世人服务，而从中药中提取天然产物是中药现代化的一个重要组成部分。天然产物是药物研发中极具潜力的原料资源，分离纯化天然产物中具有独特生物活性的物质是中药研究的重要基础工作。 天然产物中的有效成分复杂，含量低，难于富集，用传统的分离方法不仅步

膜分离技术研究进展+文献名称

膜分离技术研究进展 组员：吴佳曦、张雯辉、郭志新、李耀睿、刘汉飞、王伦、张振斌膜分离技术在近20年发展迅速，其应用已从早期的脱盐发展到化工、轻工、石油、冶金、电子、纺织、食品、医药等工业废水、废气的处理，原材料及产品的回收与分离和生产高纯水等，是适应当代新产业发展的重要高新技术。膜分离技术不但在工业领域得到广泛应用，同时正在成为解决能源、资源和环境污染问题的重要技术和可持续发展的技术基础。 膜分离是借助于膜，在某种推动力的作用下，利用流体中各组分对膜的渗透速率的差别而实现组分分离的过程。目前常见的膜分离过程可分为以下几种，电渗析(Electrodialysis，ED)、反渗透(Reverse osmosis，RO)、微滤(Microfiltration，MF)、超滤(Ultrafiltration，UF)、纳滤(Nanofiltration，UF)和液膜分离等。 膜技术具有分离效率高、能耗低、无相变、操作简便、无二次污染、分离产物易于回收、自动化程度高等优点，在水处理领域具有相当的技术优势，是现代分离技术中一种效率较高的分离手段。 在环境过程中膜分离技术以其独特的作用而被广泛用于水的净化与纯化过程中。下面分类介绍一下膜分离技术的研究现状。 1 电渗析技术研究现状（刘汉飞） 电渗析是在直流电场作用下，以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择渗透性(与膜电荷相反的离子透过膜，相同的离子则被膜截留)，使溶液中的离子作定向移动以达到脱除或富集电解质的膜分离操作。它可使电解质从溶液中分离出来，从而实现溶液的浓缩、淡化、精制和提纯。电渗析技术普遍应用于食品生化行业以及废水处理。下面分类对这几方面的应用现状做一介绍。 1.1 电渗透技术在食品行业中的应用 利用电渗析技术对酱油进行脱盐处理，可以制得低盐酱油并基本保持酱油原有风味，但要损失一部分作为酱油指标的氨基酸态氮和有机酸等有效成分，从而将酱油的含盐量降低。但国内尚无这方面的报导，刘贤杰等采用电渗析技术进行了酱油脱盐的研究。研究结果显示：原酱油食盐含量19.4%，经电渗析处理后，酱油含量降至约9%，食盐以外的有效成分也有一些被除去，比较明显的是作为酱油品质指标的氨基酸态氮，有约8%的损失。酱油风味大致不变，证明了电渗

《生物产品分离分析技术》教学大纲

《生物产品分离分析技术》教学大纲 Separation and Analysis of Bioproducts 课程编码：27A11417 学分： 4.0 课程类别：专业必修课 计划学时：64 其中讲课：32 实验：32 适用专业：生物技术 推荐教材：顾觉奋主编，《分离纯化工艺原理》，中国医药科技出版社，2002。 参考书目：1. 欧阳平凯编著，《生物分离原理及技术》，化学工业出版社，2010。 2. 严希康主编，《生物物质分离工程》，化学工业出版社，2010。 3. 俞俊棠主编，《新生物工艺学（下）》，化学工业出版社，2002。 4. 李俊玲主编，《生物产品分离分析技术实验》，济南大学出版社，2016。 课程的教学目的与任务 通过本课程的学习，使学生了解生物体系的基本特点及对分离过程的特殊要求,掌握生物物质的分离纯化方法的基本原理、工业操控方式与操控因素及其适用性。培养学生结合基础知识分析解决试验研究和工业化生产可能遇到的根本问题的能力。通过对本课程的学习，能使学生针对不同产品的特性，较好地运用各种分离技术来设计合理的提取、精制的工艺路线，并能从理论上解释各种现象，提高分析问题和解决问题的能力。 课程的基本要求 通过本课程的学习，使学生了解生物体系的基本特点及对分离过程的特殊要求,掌握生物物质的分离纯化方法的基本原理、工业操控方式与操控因素及其适用性。培养学生结合基础知识分析解决试验研究和工业化生产可能遇到的根本问题的能力。 各章节授课内容、教学方法及学时分配建议（含课内实验） 第一章：绪论建议学时：2 [教学目的与要求] 掌握生物分离工程在生物工程领域的地位，生物分离过程的特点以及生物分离过程的分类。 [教学重点与难点] 准确理解生物分离过程的特点。难点：正确理解生物分离过程与普通化工产品分离的区别，准确理解生物分离过程的特点。 [授课方法] 以课堂讲授为主，课堂讨论和课下自学为辅。 [授课内容] 1.生物分离工程的历史及应用；2.生物分离过程的特点。 第二章：发酵液的预处理和固液分离建议学时：4

分离工程中重要分离技术的进展与展望

分离工程中重要分离技术的进展与展望 摘要：简要介绍了分离工程产生和发展历史,各主要分离技术的发展现状, 研究前沿以及未来的发展方向.分离工程过去在化学工程以及相近产业的发展中起了重要作用,也将在现在和未来推动现代化工和相关工业的发展,并在高新技术领域的发展中大显身手.评述 10余年来在分离科学与工程领域的进展，这些领域包括：萃取分离(反胶团萃取，双水相萃取，液膜萃取，，超临界萃取，凝胶萃取，胶团萃取)。吸附蒸馏，膜分离，反应强化分离等方面的研究简况。 关键词：分离技术，新进展，展望 引言：化工分离技术是一个面对经济建设,广泛应用于多种工业的技术基础学科,是过程工程的核心技术之一。化工、石化，冶金、医药等所谓“过程工业”一般均包括三大工序,即原料准备、反应与分离。分离即负担反应后未反应物料与产物的分离,也包括目标产物与副产物间的分离、排放到环境中的废气、水、固体物料与有用产物的分离,以及原料中杂质的分离等等。随着高新技术的发展,成千上万种新的化合物被发现、设计和合成,尤其是产物的多样化及深度加工,环境保护的严格标准的实施,都对化工分离技术提出了新的任务和更高要求。例如,大部分生物技术产品以低浓度存在于水溶液中,需要发展在低温条件下的高效分离并富集的方法。随着关系到国计民生和战略储备的矿产资源的枯竭,处理贫矿，复杂矿和回收利用二次资源将成为必然趋势,从而对分离技术的要求越来越高。此外,包括我国在内的世界各国对环境保护日益重视,对废气，废水，废渣的排放制定出越来

越严格的标准。国外报道,过程工业总投资的50%~90%用于分离设备,操作费用60%以上用于分离工序。因此国内外均对分离科学与工程的发展十分重视。随着化学工程科学的发展,不仅其共性应用基础研究扩展为过程工程,而且将研究目标提升为产品工程。分离技术的研究是过程工程的关键性和前沿性的项目之一。把握分离过程的基本规律,吸取和发展化工学科交叉的特点,拓宽分离技术的辐射领域,是分离科学与技术发展的根本所在。近年来,国外对分离科学、分离工艺和分离工程的研究十分活跃,除一般的化工、化学杂志不断介绍分离方面的研究成果外,国际性的分离专业杂志不下十余种。每年还举办大量的各种分离技术的国际会议。因此,对关系到我国“过程工业”如化学工业、石油化工、环境工程、生物化工等国家支柱产业21世纪初在国际上竞争力和综合实力的若干分离技术中带有共性、基础性的课题进行深层次的研究,在逐步进行传统分离技术与设备的根本性的改造的同时,研究和开创具有高效性、针对性和无害化的新型的分离技术,完善分离技术的工程开发,形成知识产权,科学地发展新的分离过程、分离方法、分离体系及分离设备,促进我国高新技术产业的可持续发展,提高我国工业整体水平,实现整个“过程工业”的现代化,是亟待解决的带有战略性的研究任务。十年来,我国以萃取分离、精馏分离与膜分离等为代表的分离科学与技术的研究取得了较大的成就,扩大了国际上的影响,形成的科技成果己在国民经济的诸多领域中得到广泛应用,取得了十分显著的经济效益和社会效益。本文重点就这些方面的新进展进行评价和介绍。

吸附分离技术研究进展

吸附分离技术研究进展 吸附分离技术是指将流动相(气体或液体)与具有较大表面积的多孔固体颗粒相接触,流动相的一种或多种组分选择地吸附或持留于顺粒微孔内,从而达到分离目的的方法。为了回收该组分和吸附剂的净制,作为吸附剂的固体颗粒需要再生,吸附和再生构成吸附分离的循环操作。常用的吸附剂包括硅胶、氧化铝、活性炭、碳分子筛、沸石分子筛等[1]。 吸附是一表面现象,在流体(气或液)与固体表面(吸附剂)相接触时,流固之间的分子作用引起流体分子(吸附质)浓缩在表面。对一流体混合物,其中某些组分因流固作用力不同而优先得到浓缩,产生选择吸附,实现分离。吸附分离过程依据流体中待分离组分浓度的高低可分为净化和组分分离,一般以质量浓度10%界限[2],小于此值的称为吸附净化。吸附是自发过程,发生吸附时放出热量,它的逆过程(脱 附)是吸热的,需要提供热量才能脱除吸附在表面的吸附分子。吸附时放出热量的大小与吸附的类型有关:发生物理吸附时,吸附质吸附剂之间的相互作用较弱,吸附选择性不好,吸附热通常是在吸附质蒸发潜热的2～3倍范围内，吸附量随温度升高而降低;而发生化学吸附时,吸附质吸附剂之间的相互作用强,吸附选择性好且发生在活性位上,吸附热常大于吸附质蒸发潜热的2～3倍。在吸附分离技术的实际应用中,吸附剂要重复使用,吸附与脱附是吸附分离过程的必要步骤。吸附剂脱附再生的实现方式主要有两种:提高吸附剂温度和用低吸附质浓度的流体。 吸附剂的性能决定着吸附分离技术的应用,因此吸附剂的开发一直是吸附分离技术的研发重点。从含CO和N2的气体混合物中分离出CO，或从烯烃和烷烃气体混合物中分离出烯烃，用一般的吸附剂无法实现,因这些待分的物质性质相近,在吸附剂上有着相近的吸附容量,选择性差。如果利用CO和烯烃分子都有л键和络合吸附具有化学吸附的专一性的特性，就可能开发出具有选择性吸附CO 和烯烃的专用吸附剂，多年来在这方面的研究开发取得了不少的结果[3-6]。 吸附平衡理论经过一百多年的发展,取得了长足的进步[7]，到20世纪末,由于计算机和分子计算的飞速进步,出现了吸附现象的分子模拟方法,主要有密度泛函理论(DFT)、Monte Carlo方法的各种形式(GCMC,BCMC,GEMC,LMC,RMC),加深了对吸附平衡规律的了解。可以预计,分子模拟的方法对吸附材料的开发和改进有着重要的作用[8-9]。 从上面的概述可以看出,迄今为止,还没有一个描述吸附平衡的通用理论和方法,这与吸附现象的复杂性紧密相关联。吸附涉及到多相平衡,其中固体吸附剂的微孔结构和表面性质千差万别,而缺乏统一表征固体吸附剂本身的理论与方法是造成难以准确描述吸附平衡的主要因素。值得注意的是,有研究者[10-11]开始思考吸附理论的基石——吸附热力学的准确性问题。 由吸附平衡和吸附动力学的分形处理结果表明,分形分析可能可以成为表征表面和孔结构不规则性的一个重要手段,提高处理吸附平衡与吸附动力学数据的精度,扩充吸附平衡与吸附动力学理论与方法的适用范围,值得深入进一步研究。如在用分形维数表征各种多孔材料时,不同范围的孔结构是否具有多种自相似的特性就是需要搞清楚的基本问题。 20世纪80年代,出现了采用“分形”来定量表征吸附表面和孔结构的几何不规