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，投資和操作費占很高的比例，對過程的技術(shù)經(jīng)濟指標有重要的影響。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)的多樣性按機理劃分：

生成新相以進行分離（如蒸餾、結(jié)晶）加入新相進行分離（如萃取、吸收）用隔離物進行分離（如膜分離）用固體試劑進行分離（如吸附、離子交換）用外場力或梯度進行分離（如離心萃取分離、電泳）等。分離技術(shù)面臨的機遇與挑戰(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、易變性和復雜性。因此，生物物質(zhì)的分離除了要達到化學物質(zhì)分離的純度和經(jīng)濟性指標外，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分離過程的強化隨著科技發(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，促進了分離過程的強化。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。

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、膜萃取、發(fā)酵萃取、化學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)在分離過程中的運用涉及熱力學和傳遞性質(zhì)、多相流、多組分傳質(zhì)、分離過程和設(shè)備的強化和優(yōu)化設(shè)計等，對分離技術(shù)的發(fā)展具有深遠的影響，如分子模擬大大提高了預測熱力學平衡和傳遞性質(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，已取得重大進展，但相對于發(fā)達國家還有差距，例如我國單位產(chǎn)值能源消耗量是發(fā)達國家的數(shù)倍原因在于我國分離過程的能耗強度要比發(fā)達國家高得多，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?shù)妮腿┖土鞒?。選擇性高、分離效果好和適應(yīng)性強等特點。

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、返混嚴重，兩相流動和相際傳質(zhì)紀委復雜，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)濟性和可靠性產(chǎn)生重要影響。

溶劑萃取具有多學科交叉的特點，故存在進一步研究和發(fā)展的需要和潛力。

當前，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，反微團萃取，膜萃取，電泳萃取，預分離萃取等新興萃取分離技術(shù)的研究取得了很大進展。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?shù)臐舛热芙?，在一定條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,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行分離,當目標蛋白質(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蛋白質(zhì),然后把解離劑從膜上除去,得以使配基再生,重復進行再分離目標蛋白。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）擴張床吸附技術(shù)擴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)生適當程度的膨脹,其膨脹度取決于吸附劑的密度、流體速度。當吸附劑的沉降速度與流體向上的流速相等時,擴張床達到平衡由于吸附劑的擴張,吸附劑之間的空隙率增大,可使原料液中的細胞、細胞碎片等固體顆粒順利通過擴張床而被排除,同時原料液中的目標物質(zhì)則被吸附在吸附劑上,這樣就實現(xiàn)了直接從含菌體、細胞碎片或組織萃取物的發(fā)酵液中直接分離目標蛋白質(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),同時也是外電場強化傳質(zhì)過程的方法。許多研究者認為電泳萃取技術(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散嚴格地限制在一相中,同時使荷電的分離組分進人萃取劑中另外,該技術(shù)還有可能利用擴散、對流等性質(zhì)加快傳質(zhì),