生物分离技术综述

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):P8～10.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):P27～31,26.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 …… 此处隐藏：9284字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……