生物分离技术概述与研究趋势摘要：生物技术是上世纪末及本世纪初发展国民经济的关键技术之一。生物技术的发展，为人类提供了丰富多彩的生物产品。多数生物技术产品的生产过程是由菌体选育菌体培养（发酵）预处理浓缩产物捕集纯化精制等单元组成。习惯上将菌体培养以前的过程称为“上游工程”，与之相应的后续过程则称为“下游工程”或“生物分离工程”。生物技术要走向产业化，上下游必须兼容、协调，以使全过程能优化进行。 关键词：生物分离 下游工程 萃取 膜分离 色谱1、前言 生物技术是上世纪末及本世纪初发展国民经济的关键技术之一。生物技术的发展，为人类提供了丰富多彩的生物产品。多数生物技术产品的生产过程是由菌体选育菌体培养（发酵）预处理浓缩产物捕集纯化精制等单元组成。习惯上将菌体培养以前的过程称为“上游过程”，与之相应的后续过程则称为“下游过程”或“生化分离和纯化过程”。生物技术要走向产业化，上下游必须兼容、协调，以使全过程能优化进行。与上游过程相比，下游处理过程是一个多步骤、高能量低效率的过程。由于历史的原因，生物技术发展初期，绝大多数的投资是在上游过程的开发，而下游处理过程的研究投入要比上游过程少得多，因而使得下游处理过程的研究明显落后，已成为生物技术整体优化的瓶颈，严重地制约了生物技术工业的发展，因此，当务之急是要充实和强化下游处理过程的研究，以期有更多的积累和突破，使下游处理过程尽快达到和适应上游过程的技术水平和要求。2、生物分离与纯化的一般步骤由于人们所需的生物产品不同（如菌体或酶或代谢产物），用途各异，对产品的质量（纯度）要求也可以是多方面的，所以分离与纯化步骤可有不同的组合，提取和精制的方法也是多种多样的。但大多数生物分离与纯化过程常常按生产过程的顺序分为四个类似步骤，见图（1）。其中a、发酵液的预处理与固液分离（或不溶物的去除）：在这一步步骤中，过滤和离心是基本的单元操作。而凝聚和絮凝等技术可加速两相分离。为了减少过滤介质的阻力，采用了错流过滤技术，但这一步对产物浓缩和产物质量的改善作用很小。 如果是胞内产物还须进行细胞的破碎及碎片的分离。 b、初步纯化：这一步骤没有特定的方法，主要是除去与目标产物性质有很大差异的物质，一般会发生显著的浓缩和产物质量的增加。典型的分离方法有吸附、萃取等。c、高度纯化：这类过程，技术对产物有高度的选择性，用于除去有类似化学功能和物理性质的不纯物，典型的方法有层析、电泳等。 d. 成品加工（精制）：产物的最终用途决定了最终的加工方法。结晶常常是关键。大多数产品也必须经过干燥。 其中各阶段都有若干单元操作可以选用，应根据具体情况而定。为了便于技术选择，下面将各种主要的单元操作的主要分离方法作一简要介绍。3、生物分离技术概述 3.1 絮凝 絮凝是利用电荷中和及大分子桥联作用形成更大的粒子的原理。设备有连续式、批式等。特点是使固形物颗粒增大，容易沉降，过滤、离心提高因数分离速度和液体澄清度。但它有条件严格，放大困难，引入的絮凝剂可能干扰之后的分离纯化等缺点。3.2 离心 在离心产生的重力的作用下颗粒沉降速度加快而沉淀。离心设备有很多种，但各有优缺点，我们使用时可被具体情况而定：（1）高速冷冻离心机：适用于粒度小，热不稳定的物质回收，适于实验室应用。但由于容量小，连续操作困难，大规模工业应用性差。（2）碟片式离心机：适用于大规模工业应用，可连续，也可批式操作，操作稳定性较好，易放大，推广。缺点是半连续或批式操作时，出渣清洗烦杂；连续操作固形物水高，总的分离故率低。（3）管式离心机：批式操作，转速高，固形分离效果较好，含水低，易扩大推广，但容量有限，处理量小，拆装频繁，噪声大。（4）倾桥式离心机：连续操作，易放大，易工业应用，操作稳定。但对很小颗粒固形物回收困难，设备投资高。（5）篮式离心机：实为离心力作用下的过滤，适于大颗粒固形物的回收，放大容易，操作较简单、稳定，适于工业应用。缺点是批式操作或半连续操作，转速低，分离效果较差，操作繁重，离心的设备投资高，操作成本高。3.3 过滤 过滤是利用过滤介质的孔隙大小进行分离。设备有板框式过滤机、平板（真空）过滤机、真空旋转过滤机等。特点是设备简单，操作容易，适合大规模工业应用，但分离速度低，分离效果受物料性质变化的影响，劳动强度大。3.4 膜分离 膜分离过程的实质是物质透过或被截留于膜的过程，近似于筛分过程，依据滤膜孔径的大小而达到物质分离的目的。故可按分离粒子或分子大小给以分类，共有六种膜分离过程，其中以压力为推动力的有四种：具体分类见图（2）。各种膜分离过程的定义：（1）透析：在渗析中既有溶剂产生流动，又有溶质产生流动的过程。（2）电渗析：一种以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性，从溶液中脱除或富集电解质的膜分离操作。（3）微过滤：以多孔细小薄膜为过滤介质，压力为推动力，供不溶物浓缩过滤的操作。（4）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。（5）超滤：一种以压力差为推动力，按照粒径选择分离溶液中所含的微粒和大分子的膜分离操作。（6）纳米过滤：一种以压力差为推动力，介于超滤和反渗透之间，从溶液中分离出300-1000小分子量物质的膜分离过程。 上述过程中渗透与透析在工业上的应用很少，电渗透是以电位差为推动力，除用于海水淡化，苦咸水淡化及水处理除盐工艺以外，还广泛用于化工生产的提纯，分离，合成以及综合利用，废水处理等方面。关于微滤、超滤、纳米过滤和反渗透这四种过程互有联系，但并无根本上的区别，实际上四种膜可用相同的方法制得，它们的分离范围从图（2）可见，相互间有一定程度的重叠，它们各自的优缺点如下：（1）微孔过滤：主要用于分离细胞，操作简便，效果好，可无菌操作，适用性好，易放大，但较易污染，分离效果与操作技巧关系密切，需精心保养，清洗，不适合精确分离。（2）超滤：用于粗分离，脱盐浓缩更换缓冲系统，可无菌、批式或连续操作，适用性好，易放大，但膜易污染，分离效果与物料处理及性质密切相关，需精心保养、清洗。（3）反渗透：主要用于无盐，无热源的水的制备和水分子物质浓缩，需要高压操作，对设备要求高，其它同上。（4）电渗析：平板式设备，使用广泛，可连续进行带电荷的物质分离，也可用于纯水制备，但电渗过程产生热量，对生物活性有影响，其他膜分离过程这里就不再赘述了。膜分离科学研究与应用很多2002年的如：(1)陶瓷膜分离技术及其在食品工业中的应用/朱科学,周惠明(无锡江南大学食品学院,214036)/食品科技,2002(5):P810.综述了陶瓷膜分离技术的发展过程及其主要优缺点,并分类介绍了陶瓷膜分离技术在食品工业中的应用,最后对其发展趋势进行了展望.(2)连续微滤技术在反渗透预处理系统中的应用研究/谢长血(国家电力公司电力建设研究所)/电力设计水处理技术,2002,77(特刊):P2731,26.在大同第二发电厂的零排放项目中,采用Aquapure连续微滤技术代替常规的澄清过滤技术作为反渗透的预处理,并通过工业性试验验证了工艺的可行性.详细介绍了连续微滤技术本身以及它在反渗透预处理的应用情况,将连续微滤技术与传统的澄清过滤技术在技术经济方面比较进行论述.(3)一种新型的微滤膜技术/沙中魁,王同春(国家电力公司电力建设研究所)/电力设计水处理技术,2002,77(特刊):3637.介绍一种基本不需要预处理的连续微滤设备Aquapure微滤膜技术,同时描述了Aquapure微滤膜技术参数,并且与常规的澄清、过滤工艺进行了对比.(4)微滤设备在循环水排污水回收中应用试验研究/沙中魁,杨占琴(国家电力公司电力建设研究所)/电力设计水处理技术,2002,77(特刊):4045.由于循环水排污水中的含盐量很高,并有一定的悬浮物,为使其回收再利用必须过滤及脱盐处理,以除去悬浮物、降低含盐量.反渗透技术已成为我国许多领域中最可靠的脱盐技术.反渗透系统无需酸碱,不产生酸碱废水,运行成本较低,为此,循环水排污水回收过程中的除盐宜采用反渗透处理方案.并在大同二电厂进行了现场试验.(5)钨酸钠离子膜电解槽的研究/谭翎燕,赵蕾(郑州大学化工学院,450002)/河南化工,2002(5):1517.分析比较了几种钨酸钠离子膜电解槽的优缺点,并通过具体实验对比了不同极距、不同搅拌形式及有无填料对电能消耗的影响.(6)旋转管式膜分离技术的应用与研究进展/杨柳,陈文梅,褚良银,刘泉,汤潍蔚(四川大学生物医学工程中心,610065)/过滤与分离,2002,12(2):15.介绍了旋转管式膜分离器在工业生产中的应用,论述了膜分离性能和机理以及膜器环隙间流场的国外研究现状和进展,并指出了今后进一步研究的方向。3.5 萃取 在生物合成工业上，萃取也是一个重要的提取方法和分离混合物的单元操作，这是为萃取法具有：（1）传质速度快、生产周期短、便于连续操作，容易实现自动控制；（2）分离效率高，生产能力大等一系列优点，所以，应用得相当普遍。不仅对抗生素、有机酸、维生素、激素等发酵产物常采用有机溶剂萃取法进行提取，而且近年来又开发了不使酶等蛋白质失活的双水相萃取法，已成功地应用了提取甲酸脱氢酶，-葡糖苷酶等，但因为聚乙二酵、葡聚糖等价格较贵，所以，还未广泛使用，下面对几种萃取方法稍加介绍：（1）有机溶剂萃取法：依靠有水和有机溶剂中的分配系数差异进行分离的萃取法。适用于有机化合物及结合有脂质或非极性侧链的蛋白质，反胶团系统较适于生物活性物质萃取，但萃取条件严格，安全性低，活性收率低。淮北煤炭师范学院化学系的邓凡政，石影，马丽华对3+、3+、2+、2+的非有机溶剂萃取分离进行了研究，水溶性高聚物的水溶液在无机盐存在下能分成两相，并提出了用此现象分离金属离子的某些条件。利用高聚物水溶液的非有机溶剂萃取分离与传统的有机溶剂萃取分离相比，具有不挥发、无毒、安全、分离速度快、操作简便等特点，为萃取分离法开拓了新的应用前景。（2）双水相萃取法：依靠分离物在不相容性的高分子水溶液形成的两相中的分配系数不同而分离，它的特点是：连续或批式萃取，设备简单，萃取容易，操作稳定，极易放大，适合大规模应用，将离子交换基团，亲和配基，疏水基团结合到高分子载体上形成的萃取剂可改进分配系数及萃取专一性。但成本较高，纯化倍数较低，适合粗分离。等8利用新型的50-5100/羟丙基淀粉()温度诱导双水相体系从菠菜中提取上述两种蜕皮甾族化合物。等9报道了用6000-24-2的双水相体系对黄芩苷和黄芩素进行萃取实验,由于黄芩苷和黄芩素都有一定的憎水性,被主要分配在富含的上相,且分配系数随结线长度增加近似表现为-的线形关系,两种物质的值最大可达30和35,分配系数随温度升高而降低,且黄芩苷的降幅比黄芩素大。李伟等10考察了黄芩苷在伴有温度诱导效应的/双水相系统中的分配行为,并实验分析了添加盐对黄芩苷分配状态的影响。上述两法的设备有：搅拌混合或柱混合离心分离机，离心萃取机，逆流萃取仪等。（3）超临界萃取：它是利用某些流体在高于其临界压力和临界温度时具有很高的扩散系数和很低的粘度，但具有与流体相似的密度的性质，对一些流体或固体物质进行萃取的方法。它的特点是：萃取能力大、速度大，且可通过控制操作压力和温度，使其对某些物质具有选择性，正开始应用于生物工程中。缺点是设备条件要求高，规模较小。超临界萃取技术的原理及特点超临界萃取技术(supercriticsl fluidextraction,SFE),是近二三十年发展起来的一种新型分离技术。超临界流体具有许多与普通流体相异的特性,如其密度接近于液体的密度,这就使得其对液体、固体物质的溶解能力与液体溶剂相当;其粘度却接近于普通气体,自扩散系数比液体大100倍,从而其运动速