生物分離技術綜述

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1、生物分離技術概述與研究趨勢摘要：生物技術是上世紀末及本世紀初發(fā)展國民經(jīng)濟的關鍵技術之一。生物技術的發(fā)展，為人類提供了豐富多彩的生物產(chǎn)品。多數(shù)生物技術產(chǎn)品的生產(chǎn)過程是由菌體選育—菌體培養(yǎng)（發(fā)酵）—預處理—濃縮—產(chǎn)物捕集—純化—精制等單元組成。習慣上將菌體培養(yǎng)以前的過程稱為“上游工程”，與之相應的后續(xù)過程則稱為“下游工程”或“生物分離工程”。生物技術要走向產(chǎn)業(yè)化，上下游必須兼容、協(xié)調(diào)，以使全過程能優(yōu)化進行。關鍵詞：生物分離下游工程萃取膜分離色譜1、前言生物技術是上世紀末及本世紀初發(fā)展國民經(jīng)濟的關鍵技術之一。生物技術的發(fā)展，為人

2、類提供了豐富多彩的生物產(chǎn)品。多數(shù)生物技術產(chǎn)品的生產(chǎn)過程是由菌體選育—菌體培養(yǎng)（發(fā)酵）—預處理—濃縮—產(chǎn)物捕集—純化—精制等單元組成。習慣上將菌體培養(yǎng)以前的過程稱為“上游過程”，與之相應的后續(xù)過程則稱為“下游過程”或“生化分離和純化過程”。生物技術要走向產(chǎn)業(yè)化，上下游必須兼容、協(xié)調(diào)，以使全過程能優(yōu)化進行。與上游過程相比，下游處理過程是一個多步驟、高能量低效率的過程。由于歷史的原因，生物技術發(fā)展初期，絕大多數(shù)的投資是在上游過程的開發(fā)，而下游處理過程的研究投入要比上游過程少得多，因而使得下游處理過程的研究明顯落后，已成為生物技術

3、整體優(yōu)化的瓶頸，嚴重地制約了生物技術工業(yè)的發(fā)展，因此，當務之急是要充實和強化下游處理過程的研究，以期有更多的積累和突破，使下游處理過程盡快達到和適應上游過程的技術水平和要求。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)生物分離與純化過程常常按生產(chǎn)過程的順序分為四個類似步驟，見圖（1）。其中a、發(fā)酵液的預處理與固液分離（或不溶物的去除）：在這一步步驟中，過濾和離心是

4、基本的單元操作。而凝聚和絮凝等技術可加速兩相分離。為了減少過濾介質(zhì)的阻力，采用了錯流過濾技術，但這一步對產(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)物還須進行細胞的破碎及碎片的分離。b、初步純化：這一步驟沒有特定的方法，主要是除去與目標產(chǎn)物性質(zhì)有很大差異的物質(zhì)，一般會發(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：這類過程，技術對產(chǎn)物有高度的選擇性，用于除去有類似化學功能和物理性質(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。結晶常常是關鍵。大多

5、數(shù)產(chǎn)品也必須經(jīng)過干燥。其中各階段都有若干單元操作可以選用，應根據(jù)具體情況而定。為了便于技術選擇，下面將各種主要的單元操作的主要分離方法作一簡要介紹。3、生物分離技術概述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。設備有連續(xù)式、批式等。特點是使固形物顆粒增大，容易沉降，過濾、離心提高因數(shù)分離速度和液體澄清度。但它有條件嚴格，放大困難，引入的絮凝劑可能干擾之后的分離純化等缺點。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。離心設備有很多種，但各有優(yōu)缺點，我們使用時可被具體情況而定：（1）高速冷

6、凍離心機：適用于粒度小，熱不穩(wěn)定的物質(zhì)回收，適于實驗室應用。但由于容量小，連續(xù)操作困難，大規(guī)模工業(yè)應用性差。（2）碟片式離心機：適用于大規(guī)模工業(yè)應用，可連續(xù)，也可批式操作，操作穩(wěn)定性較好，易放大，推廣。缺點是半連續(xù)或批式操作時，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：批式操作，轉(zhuǎn)速高，固形分離效果較好，含水低，易擴大推廣，但容量有限，處理量小，拆裝頻繁，噪聲大。（4）傾橋式離心機：連續(xù)操作，易放大，易工業(yè)應用，操作穩(wěn)定。但對很小顆粒固形物回收困難，設備投資高。（5）籃式離心機：實為離心力作用下的

7、過濾，適于大顆粒固形物的回收，放大容易，操作較簡單、穩(wěn)定，適于工業(yè)應用。缺點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，離心的設備投資高，操作成本高。3.3過濾過濾是利用過濾介質(zhì)的孔隙大小進行分離。設備有板框式過濾機、平板（真空）過濾機、真空旋轉(zhuǎn)過濾機等。特點是設備簡單，操作容易，適合大規(guī)模工業(yè)應用，但分離速度低，分離效果受物料性質(zhì)變化的影響，勞動強度大。3.4膜分離膜分離過程的實質(zhì)是物質(zhì)透過或被截留于膜的過程，近似于篩分過程，依據(jù)濾膜孔徑的大小而達到物質(zhì)分離的目的。故可按分離粒子或分子大小給以分類，共有六種膜

8、分離過程，其中以壓力為推動力的有四種：具體分類見圖（2）。各種膜分離過程的定義：（1）透析：在滲析中既有溶劑產(chǎn)生流動，又有溶質(zhì)產(chǎn)生流動的過程。（2）電滲析：一種以電位差為推動力，利用離子交換膜的選擇透過性，從溶液中脫除或富集電解質(zhì)的膜分離操作。（3）微過濾：以多孔細小薄膜為過濾介質(zhì)，壓力為推動力，供不溶