生物分離工程前沿

生物分離技術(shù)前沿生物分離技術(shù)的重要性生物分離技術(shù)的多樣性面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)技術(shù)發(fā)展的若干特點新型分離技術(shù)的發(fā)展近況生物分離技術(shù)的重要性1.是生物化學(xué)工程的一個重要分支，原料的精制，中間產(chǎn)物的分離，產(chǎn)品的提純和廢水、廢氣的處理都有賴于生物分離技術(shù)。2.由于是耗能過程，設(shè)備數(shù)量多，規(guī)模大，投資和操作費(fèi)占很高的比例，對過程的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有重要的影響。生物分離技術(shù)的多樣性

生物分離技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，原料、產(chǎn)品和分離操作的要求多種多樣，決定了分離技術(shù)的多樣性。生物分離技術(shù)的多樣性按機(jī)理劃分：

生成新相以進(jìn)行分離（如蒸餾、結(jié)晶）加入新相進(jìn)行分離（如萃取、吸收）用隔離物進(jìn)行分離（如膜分離）用固體試劑進(jìn)行分離（如吸附、離子交換）用外場力或梯度進(jìn)行分離（如離心萃取分離、電泳）等。分離技術(shù)面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

隨著生物和醫(yī)藥工程的迅速發(fā)展，一批高附加值的產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，品種和產(chǎn)量也在迅速擴(kuò)大?！半y度大，成本高”。生物技術(shù)產(chǎn)品一般具有多樣性、易變性和復(fù)雜性。因此，生物物質(zhì)的分離除了要達(dá)到化學(xué)物質(zhì)分離的純度和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)外，還要滿足構(gòu)象和穩(wěn)定性的要求，特別要防止生物產(chǎn)品的失活。分離技術(shù)發(fā)展的若干特點競爭促進(jìn)分離過程的強(qiáng)化隨著科技發(fā)展，新設(shè)備和新型分離介質(zhì)的應(yīng)用大大提高了分離效率。劇烈的競爭加速了分離技術(shù)發(fā)展，促進(jìn)了分離過程的強(qiáng)化。以精餾、吸收和萃取等化工塔器的內(nèi)件為例，高校塔板、規(guī)整填料和散裝填料發(fā)明層出不窮，塔內(nèi)件的優(yōu)化匹配也引起了重視。在散裝填料方面，Norton公司的金屬Intalox填料、KocnGlitsch公司的CMR和我國自行開發(fā)的超級扁環(huán)（SMR）等各有千秋。在規(guī)整填料方面，Sulzer公司的Mellapak、KocnGoitsch公司的GempakKuhni公司的Rombopak和Montz公司的Montzpac等競爭激烈。廣義上說，分離過程的強(qiáng)化包括新裝置和新工藝方法兩方面，任何能使設(shè)備小型化、能量高效化和有利于可持續(xù)發(fā)展的生物分離新技術(shù)均屬于分離過程的強(qiáng)化之列，這是生物分離技術(shù)發(fā)展的重要趨勢之一。耦合分離技術(shù)引起重視從兩個方向著手是整個分離過程的研究有一個質(zhì)的轉(zhuǎn)變一：繼續(xù)研究和完善一些適用于生化工程的新型分離技術(shù)二：進(jìn)行各種分離技術(shù)的高效集成化：如剛出現(xiàn)的新型單元分離技術(shù)，如：親和法、雙水相分配技術(shù)、逆膠束法、液膜法、各種高效層析法等。

將雙水相分配技術(shù)與親和法結(jié)合而形成的效率更高、選擇性更強(qiáng)的雙水相親和分配組合技術(shù)、將親和色譜及膜分離結(jié)合的親和膜分離技術(shù)及可以將離心的處理量、超濾的濃縮效能及層析的純化能力合而為一的擴(kuò)張床吸附技術(shù)等。高效集成化：利用已有的和新近開發(fā)的生化分離技術(shù)，將下游過程中的有關(guān)單元進(jìn)行有效組合（集成），或者把兩種以上的分離技術(shù)合成為一種更有效的分離技術(shù)，達(dá)到提高產(chǎn)品效率、降低過程能耗和增加生產(chǎn)效益的目標(biāo)。

耦合分離技術(shù)如催化劑精餾、膜精餾、吸附精餾、反應(yīng)萃取、絡(luò)合吸附、反膠團(tuán)、膜萃取、發(fā)酵萃取、化學(xué)吸收和電泳萃取等新型耦合分離技術(shù)都得到了長足的發(fā)展，成功的應(yīng)用于生產(chǎn)中。優(yōu)點：1.簡化流程；2.提高收率；3.降低能耗。應(yīng)用：如發(fā)酵萃取和電泳萃取在生物制品分離方面；采用吸附樹脂和有機(jī)絡(luò)合劑的絡(luò)合吸附具有分離效率高和解析再生容易的特點。電動耦合色譜可高效地分離維生素；超臨界CO2萃取和納米過濾耦合可提取貴重的天然產(chǎn)品的等。信息技術(shù)推動了分離技術(shù)的發(fā)展：

信息技術(shù)在分離過程中的運(yùn)用涉及熱力學(xué)和傳遞性質(zhì)、多相流、多組分傳質(zhì)、分離過程和設(shè)備的強(qiáng)化和優(yōu)化設(shè)計等，對分離技術(shù)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的影響，如分子模擬大大提高了預(yù)測熱力學(xué)平衡和傳遞性質(zhì)的水平，分子設(shè)計加速了高效分離劑的研究、開發(fā)。生物分離過程的研究已從宏觀傳遞現(xiàn)象的研究深入到氣泡、液滴群、微乳和界面現(xiàn)象等，加深了對分離過程中復(fù)雜傳遞現(xiàn)象的理解。

LDV（激光多普勒測速儀）和PIV（激光成像測速儀）等的應(yīng)用使研究深度從宏觀平均向微觀、局部瞬時發(fā)展。信息技術(shù)帶動了生物分離技術(shù)的迅猛發(fā)展，實驗研究和計算機(jī)模擬相結(jié)合仍是分離技術(shù)研究開發(fā)和設(shè)計放大的主要途徑。國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

有關(guān)生物分離工程的研究分離很活躍，每年都有大量論文發(fā)表，內(nèi)容涉及各種分離技術(shù)的各個領(lǐng)域。各國都在根據(jù)自身特點和調(diào)劑加速發(fā)展，例如：美國的研究工作兼具新穎性和實用性特點，英國側(cè)重于基礎(chǔ)研究，法國重視核領(lǐng)域和數(shù)學(xué)模型的研究，德國重視食鹽技術(shù)和工程研究，日本在生物工程和新材料的研究方面投入了很大的力量，加拿大和澳大利亞則以資源利用為研究重點。我國分離技術(shù)研究和應(yīng)用自從50年代以來，已取得重大進(jìn)展，但相對于發(fā)達(dá)國家還有差距，例如我國單位產(chǎn)值能源消耗量是發(fā)達(dá)國家的數(shù)倍原因在于我國分離過程的能耗強(qiáng)度要比發(fā)達(dá)國家高得多，故此提高分離技術(shù)的水平尤為重要。新型分離技術(shù)的發(fā)展近況1、溶劑萃取技術(shù)分離對象和要求選擇適當(dāng)?shù)妮腿┖土鞒獭＿x擇性高、分離效果好和適應(yīng)性強(qiáng)等特點。

溶劑萃取技術(shù)具有悠久歷史和廣泛的應(yīng)用，有人稱之為“成熟技術(shù)”，但是由于溶劑萃取過程中亮相密度差小、連續(xù)相粘度大、返混嚴(yán)重，兩相流動和相際傳質(zhì)紀(jì)委復(fù)雜，而且具有一定程度的互溶性，易造成溶劑損失和二次污染，溶劑再生也對過程的經(jīng)濟(jì)性和可靠性產(chǎn)生重要影響。

溶劑萃取具有多學(xué)科交叉的特點，故存在進(jìn)一步研究和發(fā)展的需要和潛力。

當(dāng)前，急需開發(fā)對敏感的生物制品無污染和無害的萃取返利技術(shù)。近年來，超臨界萃取，雙水相萃取，反微團(tuán)萃取，膜萃取，電泳萃取，預(yù)分離萃取等新興萃取分離技術(shù)的研究取得了很大進(jìn)展。雙水相萃取(ATPE)雙水相萃取系統(tǒng)（ATPS）：是一種或幾種物質(zhì)在水中以適當(dāng)?shù)臐舛热芙猓谝欢l件下形成互不相溶的水溶液系統(tǒng)。優(yōu)點：操作條件溫和、兩相的界面張力小、兩相易分散、易于連續(xù)操作、處理量大等。由于集成化概念引人,使雙水相分配技術(shù)有了新的生命力,它與電泳、層析、溫度誘導(dǎo)相分離、滲透釋放和親和技術(shù)等實現(xiàn)集成化后,技術(shù)上互相滲透,實現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ),從而體現(xiàn)了集成化的優(yōu)勢。具體表現(xiàn)在（1）與常規(guī)技術(shù)結(jié)合來解決雙水相萃取本身的難點問題（2）引人其它分離技術(shù)進(jìn)行融合以提高分離效率,簡化分離過程（3）為已有的技術(shù)提供新的思路與溫度誘導(dǎo)相分離的集成與親和沉淀集成與層析分離的集成（2）親和—膜分離技術(shù)親和膜-分離技術(shù)是將親和色譜與膜分離技術(shù)結(jié)合起來的一項新型分離技術(shù)。它把親和配體結(jié)合在分離膜上,利用膜作基質(zhì),對其進(jìn)行改性,在膜的內(nèi)外表面活化并藕合上配基,再按吸附、清洗、洗脫、再生的步驟對生物制品進(jìn)行分離,當(dāng)目標(biāo)蛋白質(zhì)通過時,就留在膜上,而雜質(zhì)則通過膜而離去,再用解離洗脫劑洗脫下目標(biāo)蛋白質(zhì),然后把解離劑從膜上除去,得以使配基再生,重復(fù)進(jìn)行再分離目標(biāo)蛋白。該技術(shù)頗有潛力,可以把澄清、濃縮、純化步驟于一體,也可以與生物反應(yīng)器相結(jié)合,構(gòu)成反應(yīng)一分離新流程。親和膜-分離技術(shù)不僅利用了生物分子的識別功能,可以分離低濃度的生物產(chǎn)品,而且由于膜的通透量大,能在純化同時實現(xiàn)濃縮,并有操作方便、設(shè)備簡單,便一于大規(guī)模生產(chǎn)的特點日前親和膜分離技術(shù)已應(yīng)用單抗、多抗、胰蛋白酶制劑的分離以及抗原、抗體、重組蛋自、血清白蛋白、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、干擾素等的純化（3）擴(kuò)張床吸附技術(shù)擴(kuò)張床是吸附劑處于穩(wěn)定狀態(tài)的流化床’”·掀與串通的填充床層析不同的是在擴(kuò)張床吸附操作中的吸附劑或?qū)觿釉谠弦毫鲃酉驴僧a(chǎn)生適當(dāng)程度的膨脹,其膨脹度取決于吸附劑的密度、流體速度。當(dāng)吸附劑的沉降速度與流體向上的流速相等時,擴(kuò)張床達(dá)到平衡由于吸附劑的擴(kuò)張,吸附劑之間的空隙率增大,可使原料液中的細(xì)胞、細(xì)胞碎片等固體顆粒順利通過擴(kuò)張床而被排除,同時原料液中的目標(biāo)物質(zhì)則被吸附在吸附劑上,這樣就實現(xiàn)了直接從含菌體、細(xì)胞碎片或組織萃取物的發(fā)酵液中直接分離目標(biāo)蛋白質(zhì)的目的。它將料液的澄清、濃縮和初步純化集成于一個單元中,減少了操作步驟、降低了分離過程的復(fù)雜程度,提高了分離效率和產(chǎn)品收率（4）電泳萃取技術(shù)是電泳與萃取分離技術(shù)集合而成的一種新的分離技術(shù),同時也是外電場強(qiáng)化傳質(zhì)過程的方法。許多研究者認(rèn)為電泳萃取技術(shù)不僅僅是電泳技術(shù)與萃取技術(shù)的簡單組合,這種新的分離技術(shù)克服了電泳技術(shù)和萃取技術(shù)各自的某些不足。電泳萃取技術(shù)一方面利用了液液界面的雙極性膜性質(zhì),使?jié)獠顢U(kuò)散嚴(yán)格地限制在一相中,同時使荷電的分離組分進(jìn)人萃取劑中另外,該技術(shù)還有可能利用擴(kuò)散、對流等性質(zhì)加快傳質(zhì),