生物分离技术与过程现状及发展方向分析

微生物 0801班 王立斯 2008243050119

摘要：生化物质的分离，总的讲是与化学物质的分离同归一宗的。但前者有其特殊性，如其分子结构和构想上的要求，产品大多要求高纯度，具有生物活性，产品一般很脆弱，易受化学物理和生物等外界环境因素的破坏而变性，因而过程一般要求在快速、低温、洁净、温和的条件下进行。此外还可利用生物活性物质的特殊生物化学亲和力和两性物质的特性创建出若干独特的分离方法。总之，生化物质的分离技术有其特殊性，内容也是十分丰富的。

关键词：提取和精制、色谱、膜、成本控制、质量控制。

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数是由菌体选育—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称为“上游过程”，与之相应的后续过程称之为“下游过程”或“生化分离和纯化过程”。众所周知，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。

     由于人们所需的生物技术产品不同（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，但大多数生物技术下游加工过程常常按生产过程的顺序分为四个类似步骤。

     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，为了加速两相分离，采用了凝聚和絮凝等技术；为了减少过滤介质的阻力，采用了错流膜过滤技术，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收附、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。

      从发展趋势来看，生化分离技术研究的目的是要缩短整个下游过程的流程和提高单项操作的效率，以前的那种零敲碎打的做法，既费时、费力，效果又不明显，跟不上发展的步伐。现在对整个生物分离过程的研究要有一个质的转变，并认为可以从两个方面着手，其一，继续研究和完善一些适用于生化工程的新型分离技术；其二，进行各种分离技术的高效集成化。目前出现的新型单元分离技术，如亲和法、双水相分配技术、逆胶束法、液膜法、各类高效层析法等，就是方向一的研究成果，而作为方向二的高效集成化，目前研究比较热门的是将双水相分配技术与亲和法结合而形成效率更高，选择性更强的双水相亲和分配组合技术，将亲和色谱及膜分离结合的亲和膜分离技术；可以将离心的处理量、超滤的浓缩效能及层析的纯化能力合而为一的扩张床吸附技术等。

过程集成是一般化学加工过程的重要研究方向，生物分离过程的高效集成化目前国际上尚无明确的定义，但根据国内外期刊上的报导，是否可以认为，生物分离过程的高效集成化技术的含义在于利用已有的和新近开发的生化分离技术，持下游过程中的有关单元进行有效组合（集成），或者把两种以上的分离技术合成为一种更有效的分离技术，达到提高产品收率、降低过程能耗和增加生产效益的目标。按上述定义，生物分离过程的高效集成化技术包括生化分离技术的集成化和生物分离过程的集成化两方面的内容，这种只需一种技术就达到完成后处理过程中几步或全部操作的方法，高度体现了过程集成化的优势。

总之，有关生物分离技术或过程的高效集成化研究目前还是很肤浅的，还不能与传统技术及过程的有效比较，尚未大规模应用；研究的目标产物液大多是局限在简单分子，对于基因工程蛋白质及其有重要应用价值的其它生物活性物质的分离则研究得很少，对有关新技术的分离机理、控制因素、模型化等方面的研究也还处于初步摸索阶段。但是应该看到研制和发展生物分离过程的高效集成化技术是改进和优化生物下游处理过程的重要手段之一，也是生物工程在二十一世纪得到高度发展的重要保证，这种集成化技术不仅会加强和改善发酵液和基因工程菌培养液的分离手段，而且对天然物质中高价值的有效物质提取和分离过程的改进也会有明显的指导意义和借鉴作用。因此，生物分离过程的高效集成化的现实作用相当重大，潜在的发展前景是十分美好的。

  80年代以来，虽然新的分离与纯化方法不断出现，解决了不少生产实际问题，提供了一大批生物技术产品，但无论是高价生物技术产品，还是批量生产的传统产品，随着竞争商的增多和生产规模的扩大，产品的竞争有时最终还是归结与要求低的生产成本和高纯度的质量产品，所以成本控制和质量控制始终是生物技术下游加工过程发展的动力和方向。