生物化工分離工程

1、生物分離工程,以1973年第一個外源基因重組質(zhì)粒在細(xì)菌內(nèi)增殖成功和1975年細(xì)胞融合技術(shù)的建立為重要標(biāo)志，重組DNA(recombinant DNA，rDNA)技術(shù)即基因工程技術(shù)和細(xì)胞融合技術(shù)等現(xiàn)代生物技術(shù)步入了嶄新的發(fā)展時期。1980年前后，世界主要發(fā)達(dá)國家先后實施生物技術(shù)發(fā)展計劃，80年代以來，生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)以日新月異的步伐迅速發(fā)展，特別是在與醫(yī)藥、食品、食品添加劑以及化妝品等有關(guān)的生物產(chǎn)物生產(chǎn)方面，不僅產(chǎn)品種類繁多，而且數(shù)量也不斷增長。,導(dǎo)致生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展的主要原因是：基因工程和細(xì)胞融合等現(xiàn)代生物技術(shù)的驚人進步，使天然存在的極微量有用生物物質(zhì)得以通過大量細(xì)胞(微生物、動物及植物細(xì)胞)

2、培養(yǎng)進行商業(yè)規(guī)模生產(chǎn)。此外，生物產(chǎn)物從原料(培養(yǎng)液或細(xì)胞)生產(chǎn)到產(chǎn)品的后處理技術(shù)(分離純化技術(shù))的發(fā)展，使低成本、高收率、純化目標(biāo)產(chǎn)物成為現(xiàn)實。,生物下游加工技術(shù) 一般生物產(chǎn)物的生產(chǎn)過程稱為生物加工過程(Bioprocess)，包括優(yōu)良生物物種的選育和生物反應(yīng)(酶反應(yīng)、微生物發(fā)酵、動植物細(xì)胞培養(yǎng)等)生產(chǎn)粗原料的過程及其之后的目標(biāo)產(chǎn)物的分離純化過程，即下游加工過程(Downstream processing)。 下游加工過程包括目標(biāo)產(chǎn)物的提取、濃縮、純化及成品化等過程。 下游加工過程的重要性主要體現(xiàn)在生物產(chǎn)物的特殊性、復(fù)雜性和對生物產(chǎn)品要求的嚴(yán)格性上，導(dǎo)致下游加工過程的成本往往占整個生物加工過程

3、成本的大部分。,生物反應(yīng)的產(chǎn)物一般是由細(xì)胞、游離的細(xì)胞外代謝產(chǎn)物、細(xì)胞內(nèi)代謝產(chǎn)物、殘存底物及惰性組分組成的混合液，生物下游加工過程所應(yīng)用的分離純化技術(shù)取決于產(chǎn)物所存的位置（細(xì)胞內(nèi)或細(xì)胞外）及產(chǎn)物分子的大小、疏水性、電荷形式和溶解度等。不僅如此，生物加工過程自身的規(guī)模和目標(biāo)產(chǎn)物的商業(yè)價值也是選擇分離純化技術(shù)的重要因素。,為了得到一定純度的生物產(chǎn)品，下游加工過程需要采用多種方法、實行多步分離操作，整個下游加工過程的總回收率為 其中，Yi為第i步操作的回收率，YT為總回收率。為了提高最終產(chǎn)品的回收率，一是提高每步操作的回收率，二是減少操作步驟。為了達(dá)到這些目的，就要對分離技術(shù)及設(shè)備進行系統(tǒng)的工程研究

4、，并努力開發(fā)新型高效的分離純化方法。,生物下游加工過程的特點 在生物分離過程中應(yīng)注意保持生物產(chǎn)品的生物活性 采用快速的分離純化方法，提高目標(biāo)產(chǎn)物的穩(wěn)定性 需要采用特殊的高效分離技術(shù)純化目標(biāo)產(chǎn)物 分離純化過程必須除去有害物質(zhì) 分離過程中需進行高度濃縮，增大了下游加工過程的成本,分離機理 對于一個待分離的原料，一般利用原料中目標(biāo)產(chǎn)物與共存雜質(zhì)之間在物理、化學(xué)以及生物學(xué)性質(zhì)上的差異，使其在分離操作中具有不同的傳質(zhì)速率和(或)平衡狀態(tài)，從而實現(xiàn)分離的目的。,物理性質(zhì) 力學(xué)性質(zhì)：重力、離心力、篩分； 熱力學(xué)性質(zhì)：狀態(tài)變化、相平衡； 傳質(zhì)性質(zhì)：粘度、擴散、熱擴散； 電磁性質(zhì)：電泳、電滲析、磁化。 化學(xué)性質(zhì)

5、 化學(xué)熱力學(xué)：化學(xué)平衡； 反應(yīng)動力學(xué)：反應(yīng)速率； 光化學(xué)性質(zhì)：激光激發(fā)、離子化。 生物學(xué)性質(zhì) 分子識別：生物親和作用、生物學(xué)識別； 輸送性質(zhì)：生物膜輸送， 反應(yīng)、響應(yīng)、控制：酶反應(yīng)、免疫系統(tǒng)。,分離操作 機械分離 傳質(zhì)分離。 傳質(zhì)分離的對象主要是均相物系，又分輸送分離擴散分離。輸送分離根據(jù)溶質(zhì)在外力作用下產(chǎn)生的移動速度的差異實現(xiàn)分離，又稱速度分離法，其傳質(zhì)推動力主要有壓力差、電位梯度和磁場梯度等，如超濾、反滲透、電滲析、電泳和磁泳等。擴散分離根據(jù)溶質(zhì)在兩相中分配平衡狀態(tài)的差異實現(xiàn)分離，又稱平衡分離法，傳質(zhì)推動力為偏離平衡態(tài)的濃度差，如蒸餾、蒸發(fā)、吸收、萃取、結(jié)晶、吸附和離子交換等。,機械分離

6、機械分離的對象是非均相物系，根據(jù)物質(zhì)的大小、密度的差異進行分離，如過濾、重力沉降和離心沉降等,傳質(zhì)分離 傳質(zhì)分離的對象主要是均相物系，又分輸送分離和擴散分離。 輸送分離根據(jù)溶質(zhì)在外力作用下產(chǎn)生的移動速度的差異實現(xiàn)分離，又稱速度分離法，其傳質(zhì)推動力主要有壓力差、電位梯度和磁場梯度等，如超濾、反滲透、電滲析、電泳和磁泳等。 擴散分離根據(jù)溶質(zhì)在兩相中分配平衡狀態(tài)的差異實現(xiàn)分離，又稱平衡分離法，傳質(zhì)推動力為偏離平衡態(tài)的濃度差，如蒸餾、蒸發(fā)、吸收、萃取、結(jié)晶、吸附和離子交換等。,對于特定的目標(biāo)產(chǎn)物，要根據(jù)其自身的性質(zhì)以及與其共存雜質(zhì)的特性，選擇合適的分離方法，以獲得最佳分離效果。即在保證目標(biāo)產(chǎn)物的生物活

7、性不受(或少受)損傷的同時，達(dá)到所需的純度和對回收率的要求，并使回收過程成本最小，以適應(yīng)大規(guī)模商業(yè)生產(chǎn)的需要。,生物物質(zhì)常用的分離技術(shù) 氨基酸 ：結(jié)晶和離子交換法 蛋白質(zhì)和多肽 ：離子交換層析、電泳 糖類 ：吸附層析 脂質(zhì)：有機溶劑萃取、超臨界流體萃取和層析 抗生素 ：有機溶劑萃取、離子交換、結(jié)晶和吸附層析,分離效率的評價 濃縮程度 分離純化程度 回收率,上圖表示一個連續(xù)穩(wěn)態(tài)的分離過程，其中F表示流速，c表示濃度；下標(biāo)T和X分別表示目標(biāo)產(chǎn)物和雜質(zhì)，C、P和W分別表示原料、產(chǎn)品和廢料。,濃縮程度一般用濃縮率(concentration factor)表達(dá)，是一個以濃縮為目的的分離過程的最重要指標(biāo)。濃縮率 為 如果 ，則目標(biāo)產(chǎn)物未得到任何程度的分離純化。,目標(biāo)產(chǎn)物的分離純化程度用分離因子(separation factor)表達(dá) ： 分離因子又稱分離系數(shù)。產(chǎn)品中目標(biāo)產(chǎn)物濃度越高，雜質(zhì)濃度越低，則分離因子