生物分離技術(shù)綜述

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1、生物分離技術(shù)概述與研究趨勢(shì)摘要：生物技術(shù)是上世紀(jì)末及本世紀(jì)初發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。生物技術(shù)的發(fā)展，為人類(lèi)提供了豐富多彩的生物產(chǎn)品。多數(shù)生物技術(shù)產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程是由菌體選育—菌體培養(yǎng)（發(fā)酵）—預(yù)處理—濃縮—產(chǎn)物捕集—純化—精制等單元組成。習(xí)慣上將菌體培養(yǎng)以前的過(guò)程稱(chēng)為“上游工程”，與之相應(yīng)的后續(xù)過(guò)程則稱(chēng)為“下游工程”或“生物分離工程”。生物技術(shù)要走向產(chǎn)業(yè)化，上下游必須兼容、協(xié)調(diào)，以使全過(guò)程能優(yōu)化進(jìn)行。關(guān)鍵詞：生物分離下游工程萃取膜分離色譜1、前言生物技術(shù)是上世紀(jì)末及本世紀(jì)初發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。生物技術(shù)的發(fā)展，為人類(lèi)提供了豐富多彩的生物產(chǎn)品。多數(shù)生物技術(shù)產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程是由菌

2、體選育—菌體培養(yǎng)（發(fā)酵）—預(yù)處理—濃縮—產(chǎn)物捕集—純化—精制等單元組成。習(xí)慣上將菌體培養(yǎng)以前的過(guò)程稱(chēng)為“上游過(guò)程”，與之相應(yīng)的后續(xù)過(guò)程則稱(chēng)為“下游過(guò)程”或“生化分離和純化過(guò)程”。生物技術(shù)要走向產(chǎn)業(yè)化，上下游必須兼容、協(xié)調(diào)，以使全過(guò)程能優(yōu)化進(jìn)行。與上游過(guò)程相比，下游處理過(guò)程是一個(gè)多步驟、高能量低效率的過(guò)程。由于歷史的原因，生物技術(shù)發(fā)展初期，絕大多數(shù)的投資是在上游過(guò)程的開(kāi)發(fā)，而下游處理過(guò)程的研究投入要比上游過(guò)程少得多，因而使得下游處理過(guò)程的研究明顯落后，已成為生物技術(shù)整體優(yōu)化的瓶頸，嚴(yán)重地制約了生物技術(shù)工業(yè)的發(fā)展，因此，當(dāng)務(wù)之急是要充實(shí)和強(qiáng)化下游處理過(guò)程的研究，以期有更多的積累和突破，

3、使下游處理過(guò)程盡快達(dá)到和適應(yīng)上游過(guò)程的技術(shù)水平和要求。2、生物分離與純化的一般步驟由于人們所需的生物產(chǎn)品不同（如菌體或酶或代謝產(chǎn)物），用途各異，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量（純度）要求也可以是多方面的，所以分離與純化步驟可有不同的組合，提取和精制的方法也是多種多樣的。但大多數(shù)生物分離與純化過(guò)程常常按生產(chǎn)過(guò)程的順序分為四個(gè)類(lèi)似步驟，見(jiàn)圖（1）。其中a、發(fā)酵液的預(yù)處理與固液分離（或不溶物的去除）：在這一步步驟中，過(guò)濾和離心是基本的單元操作。而凝聚和絮凝等技術(shù)可加速兩相分離。為了減少過(guò)濾介質(zhì)的阻力，采用了錯(cuò)流過(guò)濾技術(shù)，但這一步對(duì)產(chǎn)物濃縮和產(chǎn)物質(zhì)量的改善作用很小。如果是胞內(nèi)產(chǎn)物還須進(jìn)行細(xì)胞的破碎及碎片的分

4、離。b、初步純化：這一步驟沒(méi)有特定的方法，主要是除去與目標(biāo)產(chǎn)物性質(zhì)有很大差異的物質(zhì)，一般會(huì)發(fā)生顯著的濃縮和產(chǎn)物質(zhì)量的增加。典型的分離方法有吸附、萃取等。c、高度純化：這類(lèi)過(guò)程，技術(shù)對(duì)產(chǎn)物有高度的選擇性，用于除去有類(lèi)似化學(xué)功能和物理性質(zhì)的不純物，典型的方法有層析、電泳等。d.成品加工（精制）：產(chǎn)物的最終用途決定了最終的加工方法。結(jié)晶常常是關(guān)鍵。大多數(shù)產(chǎn)品也必須經(jīng)過(guò)干燥。其中各階段都有若干單元操作可以選用，應(yīng)根據(jù)具體情況而定。為了便于技術(shù)選擇，下面將各種主要的單元操作的主要分離方法作一簡(jiǎn)要介紹。3、生物分離技術(shù)概述3.1絮凝絮凝是利用電荷中和及大分子橋聯(lián)作用形成更大的粒子的原理。設(shè)備有

5、連續(xù)式、批式等。特點(diǎn)是使固形物顆粒增大，容易沉降，過(guò)濾、離心提高因數(shù)分離速度和液體澄清度。但它有條件嚴(yán)格，放大困難，引入的絮凝劑可能干擾之后的分離純化等缺點(diǎn)。3.2離心在離心產(chǎn)生的重力的作用下顆粒沉降速度加快而沉淀。離心設(shè)備有很多種，但各有優(yōu)缺點(diǎn)，我們使用時(shí)可被具體情況而定：（1）高速冷凍離心機(jī)：適用于粒度小，熱不穩(wěn)定的物質(zhì)回收，適于實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用。但由于容量小，連續(xù)操作困難，大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用性差。（2）碟片式離心機(jī)：適用于大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用，可連續(xù)，也可批式操作，操作穩(wěn)定性較好，易放大，推廣。缺點(diǎn)是半連續(xù)或批式操作時(shí)，出渣清洗煩雜；連續(xù)操作固形物水高，總的分離故率低。（3）管式離心機(jī)：批式

6、操作，轉(zhuǎn)速高，固形分離效果較好，含水低，易擴(kuò)大推廣，但容量有限，處理量小，拆裝頻繁，噪聲大。（4）傾橋式離心機(jī)：連續(xù)操作，易放大，易工業(yè)應(yīng)用，操作穩(wěn)定。但對(duì)很小顆粒固形物回收困難，設(shè)備投資高。（5）籃式離心機(jī)：實(shí)為離心力作用下的過(guò)濾，適于大顆粒固形物的回收，放大容易，操作較簡(jiǎn)單、穩(wěn)定，適于工業(yè)應(yīng)用。缺點(diǎn)是批式操作或半連續(xù)操作，轉(zhuǎn)速低，分離效果較差，操作繁重，離心的設(shè)備投資高，操作成本高。3.3過(guò)濾過(guò)濾是利用過(guò)濾介質(zhì)的孔隙大小進(jìn)行分離。設(shè)備有板框式過(guò)濾機(jī)、平板（真空）過(guò)濾機(jī)、真空旋轉(zhuǎn)過(guò)濾機(jī)等。特點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，操作容易，適合大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用，但分離速度低，分離效果受物料性質(zhì)變化的影響，勞

7、動(dòng)強(qiáng)度大。3.4膜分離膜分離過(guò)程的實(shí)質(zhì)是物質(zhì)透過(guò)或被截留于膜的過(guò)程，近似于篩分過(guò)程，依據(jù)濾膜孔徑的大小而達(dá)到物質(zhì)分離的目的。故可按分離粒子或分子大小給以分類(lèi)，共有六種膜分離過(guò)程，其中以壓力為推動(dòng)力的有四種：具體分類(lèi)見(jiàn)圖（2）。各種膜分離過(guò)程的定義：（1）透析：在滲析中既有溶劑產(chǎn)生流動(dòng)，又有溶質(zhì)產(chǎn)生流動(dòng)的過(guò)程。（2）電滲析：一種以電位差為推動(dòng)力，利用離子交換膜的選擇透過(guò)性，從溶液中脫除或富集電解質(zhì)的膜分離操作。（3）微過(guò)濾：以多孔細(xì)小薄膜為過(guò)濾介質(zhì)，壓力為推動(dòng)力，供不溶