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生物技术的优点和缺点范文1
关键词：绿色化学 环境保护 生物技术
人类正面临有史以来最严重的环境危机，由于人口急剧的增加，资源的消耗日益扩大，人均耕地、淡水和矿产等资源占有量逐渐减少，人口与资源的矛盾越来越尖锐；环保问题就成为经济与社会发展的重要问题之一。作为国民经济支柱产业之一的化学工业及相关产业，在为创造人类的物质文明作出重要贡献的同时，在生产活动中不断排放出大量有毒物质，化学工业也为环境和人类的健康带来一定的危害。发达国家对环境的治理，已开始从治标，即从末端治理污染转向治本，即开发清洁工业技术，消减污染源头，生产环境友好产品。“绿色技术”已成为21世纪化工技术与化学研究的热点和重要科技前沿。
绿色化学又称绿色技术、环境无害化学、环境友好化学、清洁化学。绿色化学即是用化学及其它技术和方法去减少或消除那些对人类健康、社区安全、生态环境有害的原料、催化剂、溶剂、试剂、产物、副产物等的使用和产生。
传统化学向绿色化学的转变可以看作是化学从“粗放型”向“集约型”的转变。绿色化学可以变废为宝，可使经济效益大幅度提高。绿色化学已在全世界兴起，它对我国这样新兴的发展中国家更是一个难得的机遇。
一、采用无毒、无害并可循环使用的新物料
1.原料选择
工业化的发展为人类提供了许多新物料，它们在不断改善人类物质生活的同时，也带来大量生活废物，使人类的生活环境迅速恶化。为了既不降低人类的生活水平，又不破坏环境，我们必须研制并采用对环境无毒无害又可循环使用的新物料。
以塑料为例，据统计，到1989年美国在包装上使用的塑料就超过55.43亿kg（20世纪90年代数量进一步上升），打开包装后即被抛弃，这些塑料废物破坏环境是我们面临的一大问题：掩埋它们将永久留在土地里中；焚烧它们会放出剧毒。
我国也大量使用塑料包装，而且在农村还广泛地使用塑料大棚和地膜，造成的“白色污染”也越来越严重。解决这个问题的根本出路在于研制可以自然分解或生物降解的新型塑料，目前国际上已有一些成功的方法，例如：光降解塑料和生物降解塑料。前者已经投入生产。光生物双降解塑料研究是我国“八五”科技攻关的一个重大项目，已取得一些进展。
2.溶剂的选择
大量的与化学制造相关的污染问题不仅来源于原料和产品，而且源自在其制造过程中使用的物质。最常见的是在反应介质，分离和配方中所用的溶剂。在传统的有机反应中，有机溶剂是最常用的反应介质，这主要是因为它们能较好地溶解有机化合物。但有机溶剂的毒性和难以回收又使之成为对环境有害的因素。因此，在无溶剂存在下进行的有机反应，用水作反应介质，以及超临界流体作反应介质或萃取溶剂将成为发展洁净合成的重要途径。
2.1固相反应
固相化学反应实际上是在无溶剂化作用的新颖化学环境下进行的反应，有时可比溶液反应更为有效并达到更好的选择性。它是避免使用挥发性溶剂的一个研究动向。
2.2 以水为溶剂的反应
由于大多数有机化合物在水中的溶解性差，而且许多试剂在水中会分解，因此一般避免用水作反应介质。但水作为反应溶剂有其独特的优越性，因为水是地球上自然丰度最高的“溶剂”，价廉、无毒、不危害环境。此外水溶剂特有的疏水效用对一些重要有机转化是十分有益的，有时可提高反应速率和选择性，更何况生命体内的化学反应大多是在水中进行的。
水相有机合成在有机金属类反应，水相Lewis酸催化的反应现都已取得较大进展。因此在某些有机化学反应中，开发利用以水作溶剂是大有可为的。
2.3 超临界流体作为有机溶剂
超临界流体是指超临界温度及超临界压力下的流体，是一种介于气态与液态之间的流体。在无毒无害溶剂的研究中，最活跃的研究项目是开发超临界流体（SCF），特别是超临界CO2作溶剂。超临界CO2是指温度和压力在其临界点（31.10℃，7 477.79KPa）以上的CO2流体。它通常具有流体的密度，因而有常规常态溶剂的溶解度；在相同条件下，它又具有气体的粘度，因而又具有很高的传质速度。而且，由于具有很大的可压缩性，流体的密度，溶剂溶解度和粘度等性能可由压力和温度的变化来调节。其最大优点是无毒、不可燃、价廉等。
3. 催化剂的选择
许多传统的有机反应用到酸、碱液体催化剂。如烃类的烷基化反应一般使用氢氟酸、硫酸、三氯化铝等液体酸做催化剂，这些液体酸催化剂的共同缺点是：对设备腐蚀严重，对人身危害和产生废渣污染环境。为了保护环境，多年来人们从分子筛、杂多酸、超强酸等新催化材料入手，大力开发固体酸做为烷基催化剂。其中采用新型分子筛催化剂的乙苯液相烃化技术较为成熟，这种催化剂选择性高，乙苯收率超过99.6%，而且催化剂寿命长。
二、化学反应的绿色化
为了节约资源和减少污染，合成效率成了当今合成方法学研究中关注的焦点。合成效率包括两方面，一是选择性（化学、区域、非对映体和对映体选择性），另一个就是原子经济性，即原料分子中究竟有百分之几的原子转化为产物，理想的原子经济反应是原料分子中的原子百分之百的转变为产物，不产生副产物或废弃物，实现废物的“零排放”。为此，化学化工工作者在设计合成路线时，要减少“中转”、增加“直快”、“特快”，更加经济合理地利用原料分子中的每一个原子，减少中间产物的形成，少用或不用保护基或离去基，避免副产物或废弃物的产生。实现原子经济反应的有效手段很多，在些不作赘述。
三、生物技术的应用
生物科学是当代科学的前沿。生物技术是世界范围内新技术革命的重要组成部分，生物化工是21世纪最具有发展潜力的产业之一，它将成为创造巨大社会财富的重要产业体系。采用生物技术已在能源、采油、采矿、肥料、农药、蛋白质、聚合物、表面活性剂、催化剂、基本有机化工原料、精细化学品的制造等方面得到广泛应用。从发展绿色化学的角度出发，它最大的特点和魅力就在节约能源和易于实现无污染生产而且可以实现用一般化工技术难以实现的化工过程，其产品常常又具有特殊性能。因此，生物技术的研究和应用倍受青睐。
生物技术的优点和缺点范文2
关键词：有机农业技术；无机农业技术；定义；关系
中图分类号：S-1 文献标识码：A
1 有机农业技术和无机农业技术的定义
有机农业技术，指主要以生物科学为基础，利用农业内部生物与自然环境之间的物质和能量的循环，来发展农业生产的一种农业技术体系。其主要措施包括以人、畜力为主要动力，进行品种改良，施用有机农肥；实行因土种植，合理轮作和间、复、套种；实行农、林、牧结合和病虫害的生物防治等。由于这种农业技术体系特别重视农业生态平衡，所以又被称为“生态农业”。
无机农业技术，是指主要利用工业所提供的生产资料和技术装备，依靠化石能源的投入来发展农业生产的一种技术体系。其主要措施包括广泛地使用农业机械、工程设施、化学肥料、农用药剂、除草剂、生长刺激素、多维素等。由于这种技术体系，直接间接地依靠大量化石能源的投入，所以又被称为“石油农业”或“高能农业”。
2 有机农业技术和无机农业技术相结合
这两种农业技术体系各有其优点和缺点，其所适应的社会经济条件也不相同。一般来说，有机农业有利于节约化石能源和对农业的物质费用的投资，有利于保持、改善生态平衡和防止环境污染。其缺点是不利于农业的快速增产和劳动生产率的迅速提高，不利于农业生产专业化、社会化的发展（因为有机农业技术的应用需要在小范围内实行多部门配合）。无机农业的主要优点是能够迅速地提高土地的生产率和劳动生产率，并且有地农业的专业化和社会化。但它却需要消耗较多的化石能源和使用较多的物质费用投资，并且易导致土壤肥力的衰退和生态环境的恶化。
由于它们在经济上所表现的优缺点不同，因而其适应的社会经济条件也有差异。有机农业更能适应工业比较落后，化石能源短缺，资金供应比较紧张，而农村劳动力比较充足，土地资源比较丰富，农、林、牧结合和合理轮作比较不受限制的情况。无机农业则只有工业比较发达，化石能源供应比较充足，而农业的投资又比较充裕的条件下，才能获得广泛的运用和发展。
3 合理处理有机农业技术和无机农业技术之间的关系
3.1 以有机农业技术为主
我国在处理有机农业技术和无机农业技术关系上，比较合理的选择是在近期实行以有机农业技术为主，无机农业技术为辅，然后逐步过渡到两种技术体系并重的模式。近期之所以应以有机农业技术为主是因为：我国主要利用现有的有机农业技术，同时辅之以无机农业技术，就可以保证在近期农业生产有一个较快的发展。根据有关方面的估计，只要能把现有的农作物良种加以推广普及，并把现有的农肥充分合理地利用起来，就可以使全国的农作物产量提高10%～20%。只要能进一步调整农作物的布局，实行因地种植，合理轮作，就可以使全国农作物的产量提高10%；我国农近期尚没有广泛采用无机农业的资金。同时，工业也尚不能为农民采用无机农技术提供数量充足而又物美价廉的农用生资料，特别是农用能源十分短缺；我国许多地区农业生态已经恶化，水土流失严重，土壤有机质含量下降，迫切需要采用有机农业技术来加以扭转。所有这些原因，都要求我国的农业技术改革，在近期应以有机农业技术的发展应用为主，而各种无机农业技术的运用只能量力而行，居于辅助地位。
3.2 有机农业技术和无机农业技术并重
在长期来看，我国又必须过渡到有机农业技术和无机农业技术并重。
3.2.1 只有这样才能保证农业持续以较高的速度增长
农业增产的能力归根到底是受投入农业的物质和能量的多少制约的。没有来自农业外部的物质和能量的投入，仅靠农业内部的物质和能量的循环转化作用，农业增产的难度将会越来越大。特别是由于今后农业生产将不断向商品化方向发展。因而包含着大量物质和能量的农产品，将不可避免地、越来越多地被从农业中取走，而不能返还农业。所以，要使农业持续地较快地增产，就必须把无机农业技术也提高到重要的地位上来，以补充农业内部物质和能量的损失，并扩大其来源。
3.2.2 只有这样才能大幅度地提高农业的劳动生产率和商品率
有机农业技术是以人、畜力为主要动力。长期停留在以有机农业技术为主的状态，就不能改变大多数农民务农的局面，也不能把饲养役畜所需的大量饲料转用于产品牲畜的发展。这两种原因加在一起交替地严重阻碍农业的劳动生产率和商品率的提高，从而给农民生活的改善和整个国民经济的发展都造成很大的困难。要解决这些矛盾，也必须把农业生产转以有机农业技术和无机农业技术并重的模式上来。
3.2.3 为运用无机农业技术提供必要支持
从可能性来看，随着工农业生和科学技术的发展，不仅工业可以为农民广泛地采用无机农业技术提供充足、适用、物美价廉和污染很小的农用生产资料，国家和农民也将可以为广泛地运用无机农业技术提供必要的资金。
生物技术的优点和缺点范文3
关键词：环境监测；生物监测；技术发展
中图分类号：X83
一、生物传感器（Biomakers）
生物传感器是一种特殊的化学传感器。它是生物传感元件特异性的使用和分析装置的信号转导与分析物浓度的组合比例。不像其他的传感器是生物传感器是基于生物成分的主要功能成分，从生物敏感材料，是生物技术与微电子技术相结合的产物。近年来，生物传感器应用环境监测也较为普遍。
（一）工作原理
生物传感器的主要工作原理是：酶、抗体、核酸等生物组分与待测对象发生相互作用，通过电子组分将待测对象检出并转化为可测量的电子信号。
（二）种类
生物传感器根据分子识别元件上所用的敏感物质可分为酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞传感器、免疫传感器和DNA传感器等。
（三）在环境监测中的应用实例
生物传感器在环境监测中应用较广，现仅举几个有代表性的例子。
（1）BOD生物传感器
属于微生物传感器。BOD生物传感器以微生物的单一菌种或混合菌群作为BOD微生物电极。由于水中BOD物质的加入或降解代谢的发生，导致水中的微生物内外源呼吸方式的变化或转化，藕连电流强弱信号的改变，在一定条件下传感器输出的电流值与BOD的浓度呈线形关系。用于制作BOD生物传感器的微生物主要有酵母、假单胞菌、芽孢杆菌、嗜热菌以及混合微生物种群，未来的BOD生物传感器可能使用半导体装置，使传感器小型化并一次性使用。有研究人员分离了2种新的酵母菌种SPT1和SPT2，并将其固定在玻璃碳极上以构成微生物传感器用于测量BOD，其重复性在 以内。将该传感器用于测量纸浆厂污水中BOD的测定，其测量最小值可达 ，所用时间为5 min。还有一种新的微生物传感器，用耐高渗透压的酵母菌种作为敏感材料，在高渗透压下可以正常工作，并且其菌株可长期干燥保存，浸泡后即恢复活性，为海水中BOD的测定提供了快捷简便的方法。
（2）酚类生物传感器
属于酶传感器。检测酚类化合物时，电极表面的酶分子被氢（当酶是酚氧化酶如酪氨酸酶、漆酶时）或过氧化氢（当酶是过氧化氢酶）氧化，接着被酚类化合物重新还原，酚类主要转化为苯醌或酚自由基，这些产物通常具有电化学活性，能在相对于饱和甘汞电极（SCE）0V以下的电位还原，还原电流与溶液中酚类化合物的浓度成正比。这种传感器能检测复杂的环境样品，准确度高，检测限可低于 的水平。
（3）生物传感器用于检测有毒有害物质
生物传感器还可以用于检测某一类有毒有害污染物，如杀虫剂、除草剂、重金属等。用于检测杀虫剂的常用酶是乙酰胆碱酯酶，将固定化乙酰胆碱酯制成的生物传感器放入含有杀虫剂的试样中就可以测量出酶活性的抑制程度。
研究发现用戊二醛将适合检测金属离子的氧化酶固定在膜的表面，然后将膜放置在溶解氧传感器上做探头，可以用来测定重金属离子的浓度如Hg2+和Ag+。以用丙酮酸氧化酶制成的生物传感器为例，当溶液中HgCl2的浓度为 或者AgNO3的浓度为 时，响应基线会降低50% （酶活性降低50% ）。当这种酶生物传感器的酶失活时，可以用 的EDTA进行清洗再生，从而实现这种传感器的重复使用。
二、生物芯片（Bioships）
生物芯片是一种通过微加工技术和微电子技术将生物探针分子（寡聚核苷酸、cDNA、基因组DNA、多肽、抗原、抗体等）固定在硅片、玻璃片、塑料片、凝胶、尼龙膜等固相介质表面而构建的微型生物化学分析系统，可以对细胞、蛋白质、DNA以及其他生物组分进行准确、快速和大信息量的检测。
在环境监测和环境保护上，可以利用生物芯片快速检测污染微生物或有机化合物对环境、人体、动植物的污染和危害。在环境监测方面的应用主要有：水质控制、检测药物、食物添加剂或化学物质毒性以及环境中有害细菌的监测。利用生物芯片技术能够同时快速地检测多种环境中的常见致病菌。靳连群（2003）等[13]建立一种采用基因芯片技术对环境中常见致病菌检测和鉴定的实验方法，他们使用先合成后点样的方法把自行设计合成的一系列寡聚核苷酸探针固定在醛基化修饰的显微镜载玻片上，制成用于致病菌检测的基因芯片。用这样的方法对从实际样品中分离的细菌进行检测，准确率达96. 2%。
三、生物免疫检验（Biology ImmunoTest）
生物免疫检验是利用特定的生抗原或抗体反应，检验分析环境物质的生物毒性。该方法具有灵敏、特异、快捷、实用和经济等优点，而被广泛应用于环境污染物的监控。其中以酶联免疫吸附法试验应用较广。
酶联免疫吸附法（Enzyme Linked Immuno SorbentAssay，ELISA）的基础是抗原或抗体的固相化及酶标记，结合在固相载体表面的抗原或抗体仍保持其免疫学活性，酶标记的抗原或抗体既保留其免疫学活性，又保留酶的活性。在测定时，受检标本与固相载体表面的抗原或抗体起反应，通过洗涤使固相载体上形成的抗原抗体复合物与液体中的其他物质分开，再加入酶标记的抗原或抗体，也通过反应而结合在固相载体上，此时固相上的酶量与标本中受检物质的量呈一定的比例。加入酶反应的底物后，底物被酶催化成有色产物，产物的量与标本中受检物质的量直接相关，故可根据呈色的深浅进行定性或定量分析。由于酶的催化效率很高，间接地放大了免疫反应的结果，使测定方法达到很高的灵敏度。
ELISA可以用来检测环境中的微生物、毒素、残留农药等，具有灵敏度高、简单实用等特点。李方实（2003）等[1]建立了测定水中异丙隆的酶联免疫吸附法，作为异丙隆抗血清和酶标物的半抗原（?和?）的活性都很高。灵敏度为 ，最低检出限为 ，常用的16种取代脲类除草剂的交叉反应率低于2. 2%，不干扰测定，水样可不经过分离提取直接测定。
四、污染物的致癌致畸致突变性监测
由于大量污染物对人体具有潜在的危害，近年来生物的/三致（致癌致畸致突变性）0监测技术得到了很快的发展，如微核技术。微核技术（micronucleus technology）又称MCN方法，是一种染色体损伤的快速生物检测方法。1980年，Degressi和Rizzoni建立了蚕豆次生根尖微核试验系统。1982年，美国西伊利诺斯大学Te-HsiuMa教授利用美国紫露草（Tradescantia Padudosa）为测试材料，建立了利用植物微核监测环境污染的新方法。目前，利用紫露草、蚕豆根尖、紫竹梅等监测海水、淡水、工业污水，建立了不同的测试系统，提供了相关可靠的数据。蚕豆次生根尖微核技术是一种以染色体断裂及纺锤体损伤为测试终点的植物微核监测检测方法。由于断裂后的染色体不具着丝点，到细胞分裂末期，断片流失在细胞质中成为微核。实验证明，环境诱变因子的强弱与诱发的微核率成正比，因此可以用微核大小来表示诱变因子的强弱。利用微核技术监测水质污染有以下优点：灵敏度高，可靠性强，精确度高；技术简单，易于操作，实用性强。
五、单细胞凝胶电泳（SCGE）
单细胞凝胶电泳（SCGE或SCE， Single CellGelEle-trophoresisasay）是在细胞水平上检测核酸损伤的方法。埋在琼脂糖凝胶中的细胞在中性或碱性条件下电泳，DNA解螺旋切碱变性为单链，若细胞DNA受损有遇碱不稳定位点和单链断裂则会出现分子量较小的DN段。在电场中，带负电的核酸片断向阳极移动，荧光下可观察到受损伤的核酸形成形似夜空中的彗星图象，故也称为彗星实验。该实验对检测低浓度遗传毒物具有很高的灵敏性，它比微核试验更有益，因为环境中的遗传毒物浓度一般很低，而彗星试验检测低浓度遗传毒物具有高度灵敏性，所研究的细胞不需要处于有丝分裂期。同时，这种技术只需要少量细胞，被广泛应用于DNA损伤、生物监测、遗传毒理等领域的研究。
目前它已经被用于检测哺乳动物、蚯蚓、一些高等植物、鱼类、两栖动物以及海洋无脊椎动物的细胞。
六、结束语
随着科学技术的不断发展，环境监测技术也在向更精细、更准确、更灵敏的方向发展。本文所述环境监测技术各有各的优点和不足，只有对它们作进一步深入的研究，完善优点，弥补缺点，根据各个地区的实际情况和研究实力，把它们联合应用，才能最大限度地发挥每一种监测方法的作用，为环境监测提供强有力的技术支持。同时，生物技术在环境监测领域中日趋重要的地位和作用，充分说明拓宽学科的研究领域，加强学科间的交流、渗透和合作，对于科学的整体发展和进步是至关重要的。
生物技术的优点和缺点范文4
关键词：光催化 生物法 有机废水
中图分类号：TQ02 文献标识码：A 文章编号：100703973(2010)09－073－02
1、引言
近年来。工业废水，如农药、制药、造纸、印染等废水的直接排放，造成了水体严重的有机污染，严重威胁着人类的健康，已成为一个严峻的环境问题。目前全世界已发现的700多万种有机化合物中，地面水体中检出的有机物达到2221种，其中具有致癌、致畸达数百多种。
目前，虽然物理法、化学法、生物处理及高级氧化技术(Ad－vanced oxidation processes，AOPs)应用于难降解有机工业废水的处理，但仍缺乏经济而有效的实用技术。近年来，一些联合处理技术，如光催化氧化联合生物处理技术，应用于低浓度有机废水的处理显示出其独特的优越性，成为废水治理领域的研究热点，引起越来越多学者的关注和研究。
本文简要概述了水体中低浓度有机废水处理技术现状，综述了光催化氧化联合生物处理技术的研究进展。
2、低浓度有机废水处理技术
一般认为，有机废水浓度在1000mg／L以上的为高浓度有机废水，应首先考虑酚的回收利用：浓度在500mg／L以下的为低浓度有机废水，需净化处理后排放或循环使用。有机废水成分复杂、毒性大、有机物含量高，处理起来有极高的难度。目前，有机废水的处理方法主要有物理法、化学法、生物法及高级氧化技术。与物理法、化学法相比，生物法具有经济、高效、处理量大、无二次污染的特点，是目前低浓度有机废水处理应用最为广泛的技术。
近年来。一些学者利用高级氧化技术，如光催化技术，联合生物法处理低浓度有机废水，通过光催化氧化使得那降解有机化合物矿化，转变为易于生物降解的或毒性较小的有机物，一定程度上加速了生物降解速率，降解更彻底，无二次污染，具有突出的优势和广阔的应用前景。
3、光催化联合生物法处理低浓度有机废水技术
3.1 光催化技术
光催化技术以光敏化半导体为催化剂，在紫外光或日光照射下产生电子一空穴对，催化剂表面羟基或水吸附后，形成氧化能力极强的羟基自由基，通过一系列自由基氧化反应降解有机物。该技术在常温常压下降解有机物，甚至完全矿化，经济，无二次污染。光催化剂TiO2以其价廉、稳定、无毒、无腐蚀性，具有广阔的应用前景。主要缺点是光催化剂不易烧制在载体表面，易在运行过程中脱落流失。
3.2 生物法
生物法主要是利用微生物的新陈代谢作用，吸附、氧化、分解有机废水中的酚类化合物，将其转化为稳定的无害物质，使废水得到净化，是我国低浓度有机废水无害化处理的主要方法。生物法处理所用的微生物主要有真菌、细菌和藻类等・生物处理法多采用好氧处理、厌氧－好氧处理、活性污泥和生物膜法。缺点是对有机浓度较高、毒性较强的废水，由于存在毒性物质对微生物活性的抑制作用，处理效率较低。当废水中当生物法处理的废水中含有难降解的酚类化合物时，一般很难降酚类有机物彻底矿化，未充分降解的残余有机物积累或转化后，水体的危害进一步加剧。
3.3 光催化技术联合生物法
光催化联合生物技术处理低浓度有机废水是近年来污水处理的研究热点之一。通过光催化作用，在有机废水中产生强氧化性的羟基自由基，一方面将大分子酚类化合物转化为易于生物降解的或毒性较小的有机物，另一方面将小分子物质直接氧化降解为CO2和H2O，接近完全矿化。通过发挥光催化技术和生物法两种方法各自的优点，低浓度有机废水的降解更彻底，无二次污染，处理效率更高。
3.4 光催化法联合生物法研究现状与进展
李涛等探讨了“磁性颗粒负载型TiO2”用于光催化氧化－生物工艺，处理有机磷农药废水的可行性。试验结果表明，经80rain光催化氧化处理后，难降解废水在生物段的COD去除率可达到85％以上，但在光催化预处理时间为1h时COD去除率仅仅才35％，光催化预处理阶段初期生成的中间产物也是难生物降解物，只有经充分光催化氧化处理后才能达到好的效果。赵梦月等采用光催化－生化－光催化降解的方法处理有机磷农药废水，当农药废水的进水COD为2000mg／L，有机磷90mg／L时，经光催化1h～2h，后经生物降解16h，最再经光催化处理2h后，出水COD小于180mg／L，有机磷含量小于0.5 mg／L，总体有机磷去除率可达99％以上。
Hess等采用光催化，生化联合法处理TNT炸药废水得出结论，当只用生化法处理100 mg／LTNT废水时。其矿化率为14％，如果用光催化法先预处理2h，其矿化率则为23％，若预处理6h，则TNT矿化率为32％。Parra等用光催化－生化联合法处理异丙隆废水。对于经光催化预处理1h后的异丙隆废水(0.2mM)，BOD5／COD比值由O增至0.65，增加了可生化性。王怡中等采用光催化－生物法联合法处理100ppm的甲基橙废水，实验结果表明先生物法、后光催化氧化是一种比较好的组合方法，光催化氧化和生物氧化对甲基橙都有去除作用，24h生物氧化，溶液COD去除达69.68％，色度去除达22.39％，随后光催化氧化1h，COD去除达84.65％，色度去除达到91.31％。 Gomez等采用光催化，生物复合反应器降解Z,－－胺四乙酸铁氨(EDTA－Fe)溶液(2.5mM)，结果表明，2.5h光催化氧化后，50％的EDTA－Fe溶液被降解，与此同时，BOD5／COD的比例增加了4倍，明显增加了对EDTA－Fe溶液的可生化性。Mohanty等研究了H酸的光催化－生化降解过程。对于1000mg／LH酸溶液，经生化降解后，COD仅脱除了3.5％；经光催化预处理30 min后(此过程COD脱除了13.7％)，再经生化处理，COD总脱除率为46％；经光催化预处理1h后(此过程COD脱除了27.5％)，再经生化处理，COD总脱除率为61.3％。
邢核等将多相光催化氧化法与生物氧化法组合，探讨了在太阳光条件下负载型催化剂降解染料化合物(50ppm的活性艳红K－2G溶液)的可行性，实验表明，光催化法对色度的去除作用明显，生物氧化法对溶液COD的去除作用明显。经24h生物氧化后，溶液的COD去除最高可达82.92％，经5h光催化氧化，色度的去除保持在20％－30％之间。谢翼飞等采用光催化与生化组合工艺处理印染模拟废水(活性艳红X－3B和阳离子艳红5GN)，脱色率达到94％，COD去除率为94％，远比单独用光催化或生化处
理优越。Balcioglu等采用光催化，生化联合法处理制浆漂白废水，该废水经光催化预处理后，其生物降解性能大大提高。
李川等采用三相内循环式流化床光反应器和固定床生物反应器联合处理难生物降解的对氯酚废水。固定床生物反应器处理效果及废水的COD／BOD5证实，光催化预处理能明显的增强对氯酚的可生化性，使之更易彻底矿化。刘虹通过将光催化与生物膜组合成一体处理苯酚废水，苯酚被光催化降解后立即被生物降解，在反应器中重复循环被降解的效果，难降解与可降解有机物同时得到转化与降解，大大提高了含苯酚废水的处理效率。研究表明，单独生物降解苯酚比单独紫外光辐射降解苯酚时速率较快：苯酚在紫外光与生物膜协同作用下，其去除负荷相比单独紫外辐射和生物膜降解要高；通过生物膜和紫外辐射共同作用，虽然苯酚的降解速率与单独采用生物膜降解时一样，但苯酚的矿化程度要比单独生物降解高。Zhang Y等采用光催化－生物复合反应器对苯酚的降解情况，单独经10h光催化仅能降解部分苯酚，矿化率也不是很高：单独生物降解虽然能几乎完全去除苯酚，但苯酚的矿化率不超过74％，光催化与生物氧化同时进行，能更迅速的去除苯酚，苯酚的矿化率接近92％。
Marsolek MD等人研究了一种新型光催化复合生物膜的循环床(PCBBR)，利用醋酸纤维做光催化剂和微生物的共同载体，载体表层负载浆液形式的Degussa P25 TiO2，微生物负载在载体内部大孔道中，避免了紫外光辐射及羟基自由基等有毒害物质杀死微生物，使光催化和生物法密切联系。实验结果表明，单独光催化作用下，TCP和COD去除率分别为32％和26％，载体负载微生物后，TCP和COD去除率分别提高到98％和96％，而单独生物降解不能去除TCP。
4、前景展望
光催化氧化联合生物法处理难降解有机废水作为一种新型的处理方法，通过光催化氧化处理和生物降解处理之间协同耦合作用，使难降解有机物，经过光催化氧化后转变为易于被微生物所利用或分解的中间产物，使难降解有机废水矿化程度进一步提高，两级联合处理废水后效率大幅度提高。与传统有机废水处理方法相比，光催化联合生物法，弥补了二者的缺点，在未来低浓度有机废水处理中，具有更广阔的发展和应用推广潜力。
5、结语
光催化氧化联合生物法处理有机废水，目前仍存在许多问题。需进一步深入研究。第一，光催化氧化协同生物降解的作用机理尚未完善，如反应器的组合式、分体式、组合的先后顺序等对处理效果的影响，及光催化氧化阶段对微生物生长及分布规律的影响等，都需做大量研究工作；第二，目前，光催化剂的负载、成型方式仍不太理想，有待提高，在实际应用中必须考虑，使得光催化剂具有良好的催化特性、经济型及耐用性。
参考文献：
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【关键词】分子蒸馏 短程蒸馏
【中图分类号】TE624.2 【文献标识码】A 【文章编号】1009-9646(2008)09(a)-0141-02
分子蒸馏又叫短程蒸馏,它依据不同物质分子运动平均自由程的差别,在高真空(压强一般小于5Pa)下实现物质的分离,待分离物质组分可在远低于常压沸点的温度下挥发,各组分的受热过程很短,成为目前分离目的产物最温和的蒸馏方法,特别适合高沸点、粘度大、热敏性的天然物料的分离。目前,已成功应用于很多行业。
1 分子蒸馏的基本原理
常规蒸馏是在气液相平衡的基础上,在蒸馏物质的沸点温度下,根据蒸馏物质在气液相组成上的差异进行分离的。分子蒸馏是运用不同物质分子运动平均自由程的差别而实现物质的分离[1]。根据分子的平均自由程公式:λm=Vm/f(λm代表分子的平均自由程,Vm代表某一分子的平均速度,f代表碰撞频率)可知,不同的分子由于其运动速度和有效分子直径的不同,它们的平均自由程是不相同的,轻组分分子的平均自由程大,重组分分子的平均自由程小。分子蒸馏装置首先对混合物进行加热,能量足够的分子就会逸出液面,轻组分的平均自由程大,重组分的平均自由程小,若在离液面小于轻组分的平均自由程而大于重组分的平均自由程处设置一个捕集器,使得轻组分不断被捕集,进而使轻组分不断逸出,重组分到达不了捕集器很快趋于动态平衡,不再从混合液逸出,这样液体混合物便达到了分离目的。
2 分子蒸馏的基本过程
(1)物料在加热表面上形成液膜:通过重力或机械力在蒸发面形成快速移动、厚度均匀的薄膜;
(2)分子在液膜表面自由蒸发:分子在高真空和远低于常压沸点的温度下蒸发;
(3)分子从加热面向冷凝面的运动:在蒸馏器内保持足够高的真空条件下,使蒸发分子的平均自由程大于或等于加热面和冷凝面之间的距离,则分子向冷凝面的运动和蒸发过程就可以迅速进行;
(4)分子在冷凝面的捕获:保持加热面和冷凝面之间达到足够的温差,冷凝面的形状合理且光滑,
(5)馏出物和残留物的收集:馏出物在冷凝器底部收集,残留物在加热器底部收集,没有蒸发的重组分和返回到加热面上的极少轻组分残留物,由于重力或离心力的作用,滑落到加热器底部或转盘外缘[2]。轻组分就会在冷凝面上瞬间冷凝;
3 分子蒸馏器的种类
分子蒸馏器大体上可以分为以下三类:
3.1 降膜式分子蒸馏器
它是较早出现的一种结构简单的分子蒸馏设备。工作时,料液由进料管进入,经分布器分布后在重力作用下沿蒸发表面形成液膜,在几秒钟内被加热。轻组分由液态表面逸出并飞向冷凝面,冷凝成液体后由轻组分出口流出,残余的液体由重组分出口流出。缺点是蒸发面上的物料易受流量和黏度的影响而难以形成均匀的液膜,且液体在下降过程中易产生沟流,甚至会发生翻滚现象,所产生的雾沫夹带有时会溅到冷凝面上;此外,依靠重力向下流动的液膜一般处于层流状态,传质和传热效率均不高,这两种效应都会导致蒸馏效率的下降。
3.2 刮膜式分子蒸馏器
它是目前应用最广泛的一类分子蒸馏设备,是对降膜式分子蒸馏器的有效改进,最大区别在于刮膜器的引入。利用刮膜器,可将料液在蒸发面上刮成厚度均匀的涡流液膜,大大增强了传质和传热效率,并能有效控制液膜厚度(0.25mm～0.76mm)、均匀性以及物料的停留时间,使蒸馏效率明显提高,热分解的可能性显著降低。
3.3 离心式分子蒸馏器
它是目前较为理想的一种分子蒸馏设备。料液由进料口送至高速旋转的转盘上,在离心力作用下逐渐扩散成均匀的薄膜。具有以下优点:由于转盘的高速旋转,可形成非常薄(0.04mm～0.08mm)且均匀的液膜,蒸发速率和分离效率均较高;料液在转盘上的停留时间更短,可有效避免物料的热分解;转盘与冷凝面之间的距离可调,适用于不同物系的分离。但由于其特殊的转盘结构,对密封技术提出了更高的要求,且结构复杂,设备成本较高,比较适合于大规模的工业生产或高附加值产品的分离[3]。
另外,大规模工业化的发展迫切要求自动化程度越来越高的分子蒸馏设备。
4 分子蒸馏技术的优点
(1)蒸馏压力低。分子蒸馏由于其特殊的结构,系统内真空度较高,压强只有0.5Pa―1Pa,而常规蒸馏尽管可提高真空度,但由于结构上的制约,特别是板式塔或填料塔,其阻力较分子蒸馏要大得多。因此,分子蒸馏的压力要比常规蒸馏小的多。
(2)操作温度低。分子蒸馏温度远低于待分馏组分的沸点。因此,可以处理高沸点、热敏性物料及难以分离的共沸混合物。
(3)受热时间短。分子蒸馏装置加热液面与冷凝面间的距离小于轻组分的平均自由程,受热液体呈薄膜状,一般为0.5mm 左右,比轻组分移动距离还要小,液面逸出的轻组分几乎未经碰撞就到达冷凝面,所以受热时间很短(一般几秒至几十秒之间)。对物料的影响很小,因此,它特别适合对高沸点、热敏性物料进行有效的分离。
(4)分离效率高。由于轻组分持续不断逸出,重组分达不到冷凝面,很快趋于动态平衡,所以分子蒸馏较常规蒸馏具有更高的挥发度,其分离效率远比常规蒸馏高。
5 分子蒸馏技术的应用
应用分子蒸馏技术, 能够最大限度地减少对环境的污染,最大程度地保护好产品的天然品质,因此,它在精细化工、食品工业、医药工业、分子生物学等领域得到了广泛的应用 (见表1)。
另外,分子蒸馏技术还在从鱼油中提取DHA、EPA,生产单甘酯,提取天然辣椒红素等工业生产中得到很满意的应用效果。
参考文献
[1] 王丽华,丁,李尔春等.分子蒸馏技术及其在食品工业中的应用.包装与食品机械,2007,25(2):50-53.
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引言
在工农业生产和科学研究中，经常需要做大量试验，以求达到预期的目的。例如在工农业生产中希望通过试验达到高质、优产、低消耗，特别是在新产品试验中，由于未知的因素很多，需要通过试验来摸索工艺和条件，在这种情况下，试验设计安排妥当与否，直接影响着研究进度与效果。试验设计得好，会事半功倍;反之会事倍功半，甚至劳而无功。如何安排实验能够使实验次数少且实验效果好，就成了人们比较关心的问题。这里就涉及到试验优化设计的问题。所谓试验优化，是指在最优化思想的指导下进行最优设计的一种优化方法。它从不同的优良性出发，合理设计试验方案，有效控制试验干扰，科学处理试验数据，全面进行优化分析，直接实现优化目标。试验优化已成为现代化技术的一个重要方面，析因设计、正交设计、均匀设计及响应面设计是试验优化设计中最常用的几种方法。本文针对这4种优化方法的概念、应用及优缺点等方面进行对比性阐述。
1析因设计
1．1析因设计的定义和特点完全随机、随机区组、拉丁方设计资料的方差分析，均只能分析各因素水平间的差异有无显著性［1］，在医药、食品研究中常用到实验中涉及到的两因素有交互作用，这时采用析因设计比较好。析因设计是一种多因素多水平的交叉分组进行全面试验的设计方法。它不仅可检验每个因素各水平间的差异，研究2个或2个以上因素的主效应，而且可检验各因素间的交互作用，通过比较各种组合，可以找出最佳组合［2］。它是一种全面的高统计效率的设计，当因素数目和水平数都不太大，且效应与因素之间的关系比较复杂时，常常采用该种设计。例:在评价药物疗效时，除需知道A药和B药各剂量的疗效外(主效应)，还需知道两种药同时使用的交互效应。析因设计及相应的方差分析能分析药物的单独效应、主效应和交互效应。
1．2析因设计表析因设计数据处理均采用方差分析，析因设计对各因素不同水平的全部组合进行试验，故具有全面性和均衡性;析因设计可以提供三方面的重要信息:各因素不同水平的效应大小;各因素间的交互作用;通过比较各种组合，找出最佳组合。通过合理的设计表，对得到的数据进行方差分析，可以求出主效应和交互效应，一般分为:正交互效应(协同作用)———两因素联合(共同)作用大于其单独作用之和;负交互作用(拮抗作用)———两因素联合作用小于其单独作用之和。常用的析因设计表如表1～3所示。
1．3析因设计的优缺点析因设计的优点之一是可以用来分析全部主效应(即各个单因素的作用)和因素之间的各级交互作用的效应(即任何两个因素之间的交互作用效应、任何三个因素之间的交互作用效应等)的大小［3］;但有时高阶交互作用是很难解释的，实际工作中常只考虑一、二阶交互作用。析因设计与完全随机设计是有区别的，完全随机析因设计与完全随机设计表面类似，但是其设计理念不同、方差分析方法不同。完全随机设计为单因素设计，不能分析因素间交互作用，析因设计为多因素设计，可以分析交互作用。将析因设计的资料做完全随机设计的方差分析，会掩盖交互作用，得出错误的结论。析因设计比单处理因素设计能提供更多的实验信息，效率高，从得到的信息来看，它节省了组数和例数，可用来分析全部因素的主效应，以及因素间各级的交互作用，在医学上可以用于筛选最佳治疗方案、药物配方、实验条件等研究。缺点是由于所需要的实验次数很多(因该设计的原名也叫做“有重复实验的全因子设计”)，故因素过多或因素的水平数过多时，所需要的实验次数太多，研究者常无法承受。当考虑的因素增加时，试验组数呈几何倍数增加，所需试验的次数很多，不但计算复杂，而且给众多交互作用的解释带来困难(比如，4个因素各3个水平的处理数为34=81种)。因此，当因素与水平数都较多时，一般不采用完全交叉分组的析因设计，而采用正交设计。
2正交设计
2．1正交设计的原理正交试验设计是试验优化的一种常用技术。它是建立在概率论、数量统计和实践经验的基础上，运用标准化正交表安排试验方案，并对结果进行计算分析，从而快速找到最优试验方案的一种设计方法［4］。正交试验设计较之于析因设计的优点在于它大大减少了试验次数，提高了工作效率。它的优点来自于它的特点，它是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些点并不是随便找的点，而是一些具备“均匀分散、齐整可比”的点。然后我们通过对代表性点的试验进行结果分析，进而推广到整体试验，以实现工艺的优化。
2．2正交设计表如何保证正交试验点的均匀分散性和齐整可比性就成了正交设计的关键，这就涉及到正交表的设计和选取。正交表是将正交试验选择的各种水平组合列成表格，然后在具体的设计时，参照表格安排试验方案［5］。正交表是一整套规则的设计表格，用Ln(tq)表示，其中:L为正交表的代号;n为试验的次数;t为水平数;q为列数，也就是可能安排最多的因素个数。例如L9(34)，它表示需作9次实验，最多可观察4个因素，每个因素均为3水平(见表4)。一个正交表中也可以各列的水平数不相等，我们称它为混合型正交表，如L8(4×25)，此表的5列中，有1列为4水平，4列为2水平。正交表的出现使得试验设计标准化了，从正交表中，我们可以确定出因素的主次效应顺序，同时也可以运用方差分析对试验数据进行分析，分析出各因素对指标的影响程度，从而找出优化条件或最优组合来安排试验。
2．3正交设计的优缺点正交试验设计由于其诸多优点而被广泛应用于科研中。正交设计使用上按表格安排试验，比较方便;其布点均衡，试验次数减少;它能保证主要因素的各种可能都不会漏掉;它能提供一种分析结果(包括交互作用)的方法，结果直观容易分析，且每个试验水平都重复相同次数，可以消除部分试验误差的干扰;因其具有正交性，易于分析出各因素的主效应。但其也有一些缺点:它提供的数据分析方法所获得的优选值，只能是试验所用水平的某种组合，优选结果不会超越所取水平的范围;另外，也不能给进一步的试验提供明确的指向性，使试验仍然带很强的摸索性色彩，不很精确。这样，正交试验法用在初步筛选时显得收敛速度缓慢，难于确定数据变化规律，增加试验次数。尤其在试验工作烦琐、费用昂贵的情况更显突出。
3均匀设计
3．1均匀设计的原理均匀设计［6］是统计试验设计的方法之一，它的发明涉及数论、函数论、试验设计、随机优化、计算复杂性等领域，开创了一个新的研究方向，形成了中国人创立的学派，并获得国际认可，已在国内外诸如航天、化工、制药、材料、汽车等领域得到广泛应用。均匀设计法是一种建立在正交设计上的试验设计方法。均匀设计的数学原理是数论中的一致分布理论，此方法借鉴了“近似分析中的数论方法”这一领域的研究成果，将数论和多元统计相结合，是属于伪蒙特卡罗方法的范畴［7］。与所有的试验设计方法本质一样，其本质是在试验的范围内给出挑选代表性点的方法。与正交设计不同的是，均匀设计只考虑试验点在试验范围内均匀散布，挑选试验代表点的出发点是“均匀分散”，而不考虑“整齐可比”，它可保证试验点具有均匀分布的统计特性，可使每个因素的每个水平做一次且仅做一次试验，任两个因素的试验点点在平面的格子点上，每行每列有且仅有一个试验点。它着重在试验范围内考虑试验点均匀散布以求通过最少的试验来获得最多的信息，因而其试验次数比正交设计明显的减少，使均匀设计特别适合于多因素多水平的试验和系统模型完全未知的情况。例如，当试验中有m个因素，每个因素有n个水平时，如果进行全面试验，共有nm种组合，正交设计是从这些组合中挑选出n2个试验，而均匀设计是利用数论中的一致分布理论选取n个点试验。如某项试验影响因素有5个，水平数为10个，则全面试验次数为105次，即做十万次试验;正交设计是做102次，即做100次试验;而均匀设计只做10次。很明显，均匀设计比正交设计更简便。
3．2均匀设计表和正交设计需要标准正交表一样，均匀设计也需要其专业的标准表，我们称之为均匀设计表［8］。每个均匀设计表有一个代号，其中U表示均匀设计，n表示水平数亦表示试验次数，m表示该表最多可安排的因素数量。如U5(53)(见表5)。右上角加“*”的U表均匀性较好，应优先选用。均匀设计表的列是不平等的，每次试验选取的列与试验因素的数目密切相关。因此，每个均匀设计表都有一个使用表供参考(见表6)。而且适合相同因素的均匀设计表通常不止一个，可根据使用表挑选既满足自己试验因素要求的、均匀性好的，即偏差小的，同时又是试验次数相对较少的均匀设计表［9］。
3．3均匀设计的优缺点均匀设计使得试验次数大大减少，能够自动将各试验因素分为重要与次要，并将因素按重要性排序;同时过程数字化，可通过电脑对结果与因素条件进行界定与预报(如天气预报)，进而控制各因素。但同时它也存在一些缺点。由于均匀设计是非正交设计，所以它不可能估计出方差分析模型中的主效应和交互效应，但是它可以估出回归模型中因素的主效应和交互效应［10］。另外，值得注意的是，在具体的试验设计中，不可以一味地只图少的试验次数。除非有很好的前期工作基础和丰富的经验，否则不要企图通过做很少的试验就可达到试验目的，因为试验结果的处理一般需要采用回归分析方法完成，过少的试验次数很可能导致无法建立有效的模型，也就不能对问题进行深入的分析和研究，最终使试验和研究停留在表面化的水平上。一般情况下建议试验的次数取因素数的3～5倍为好。
4响应面设计
4．1响应面设计原理响应面分析是一种优化工艺条件的有效、快速、精确的试验方法，系通过中心组合试验，采用多元线性回归方法为函数估计的工具，将多因素试验中的因素与水平的相互关系用多项式进行拟合，然后对函数的响应面等值线和用回归方程的分析来寻求最优工艺参数，可精确地描述因素与响应值之间的关系［11］。响应面是指响应变量η与一组输入变量(ζ1，ζ2，…，ζk)之间的函数关系式:η=f(ζ1，ζ2，…，ζk)。响应面顾名思义需要一个模型，在实际操作中，需要通过大量的试验，获得大量的试验数据，然后通过多元线性回归方法去建模。建立模型后以两因素水平为X坐标和Y坐标，相应地由模型计算的响应值为Z坐标作出三维空间的曲面。如图1、图2所示。响应面法(RSM)主要有三种常用的试验设计方案:Box-Behnken设计(BBD)、均匀外壳设计(UniformShellDesign，USD)和中心组合设计(CentralCompositeDesign，CCD)。前两种较少使用，中心组合设计是响应曲面中最常用的二阶设计。CCD设计是多因素5水平的实验设计，是在二水平析因设计的基础上加上极值点和中心点构成的［12］。
4．2CCD设计表CCD设计表由三部分组成:①2k或2k×1/2析因设计。②极值点。由于二水平的析因设计只能用作线性考察，需再加上第二部分极值点，才适合于非线性拟合。如果以坐标表示，极值点在坐标轴上的位置称为轴点或星点，表示为(±α，0，…，0)，(0，±α，…，0)，…，(0，0，…，±α)星点的组数与因素数相同。③一定数量的中心点重复试验。中心点的个数与CCD设计的特殊性质如正交或均一精密有关［13］。不同因素数CCD设计方案见表7。
4．3响应面设计优缺点相比于正交设计和均匀设计，响应面设计法得到的回归方程精度高，能够得到几种因素间交互作用等优点，并且它不是一种点对点之间的优化方法，RSM能够将优化过程延伸到面的程度，呈现三维立体效果。同时RSM能够减少最佳条件下效应的预测值和实测值偏差，具有突出的优越性。当然响应面法也不能完全替代传统的设计，它相对于因子分析，精度仍不够，它要求自变量必须是连续的而且能被试验者自由控制，如果先用CCD找到最优区，再使用因子分析在较小的范围内应用效应面优化法则效果会更好。
4．4响应面的广泛应用20世纪50年代，CCD最先应用于化学工业中，目的在于确定最优操作过程［14］。现在，CCD被频繁地用来确定各种反应物的剂量，使得响应达到最优值或预期值。例如:用于优化各种培养基和有机合成中工艺优化。同时，CCD在其他领域中也发挥了重要的作用。在生物学方面，用于研究反应混合物中各化学反应成分所占比例与其生物学活性之间的关系，确定生物材料的最优试验条件。在食品工业方面，用来确定食品中各成分作用以确定各种成分所占比例和确定最优反应条件。在工程学方面，用于结构优化、可靠性分析和车辆动力学等方面。响应面法还被广泛应用到生态学和环境学等领域中。值得一提的是，在国外影响因子较高的SCI期刊中，响应面更是得到了广泛的应用，具有更高的适用性［15-16］。
