生化分离工程

下游加工过程

bioseparation engineering 生物化工产品通过微生物发酵过程、酶反应过程或动植物细胞大量培养获得，从上述发酵液、反应液或培养液中分离、精制有关产品的过程。

化学原理

生物化学工程的一个组成部分。生物化工产品系通过发酵过程、酶反应过程或动植物细胞大量培养获得。从上述培养液或反应液中分离、精制有关产品的过程即称为生化分离工程或称下游加工过程(downstream pro-cessing)，它由一些化学工程的单元操作组成, 但由于生物物质的特性，有其特殊要求，而且某些单元操作在一般化学工业中应用较少。

培养液是复杂的多相系统，其中所含欲提取的生物物质浓度很低，而杂质含量却很高，特别是基因工程产生的许多新的蛋白质常常伴有大量性质相似的杂质蛋白质，使分离、精制工作非常困难。同时在总成本中，下游加工费用常占很大比例，在50%～70%之间，因此无论从技术、还是从经济方面，生化分离工程都引起重视。下游加工过程的一般步骤(见图)包括提取和精制。

提取观察

实验

包括培养液（如发酵液）的预处理和细胞的破碎和分离。

培养液的预处理

培养液预处理的目的在于改变培养液的性质，使其便于过滤和提取。一种有效的方法是加入絮凝剂，使细胞或溶解的大分子化合物聚结成较大的颗粒。无机絮凝剂有硫酸铝、氯化钙、氯化铁、碱式氯化铝等。有机絮凝剂有聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠、聚季铵酯等中性、阴性和阳性的絮凝剂。高聚物的分子量对絮凝效果有很大影响。由于细胞表面常带负电，因此处理培养液常用阳离子絮凝剂，但有时细胞表面也可以吸咐阳离子变成带正电的。还可在生物活性物质稳定性的范围内，利用酸化、加热、加入助滤剂，或把几种方法结合起来，能使过滤速度大大加快。

一种新的过滤方法，是利用超过滤膜进行错流过滤，此时无滤饼形成，对细菌悬浮液，滤速可达 67～1181/(m·h)。

细胞的破碎和分离

细胞破碎的方法有机械、生物和化学等各种方法。大规模生产中常用高压匀浆器和珠磨机。前者利用液相剪切力和与固定表面撞击所产生的应力；后者利用固相剪切力，两者机理不同，可相互补充。

细胞碎片分离通常用离心分离的方法，但非常困难，因为颗粒减小，密度差也减小，同时有高聚物分泌出来，使粘度增加。一种新的办法是双水相萃取法。由于高分子聚合物的不相容性，使两种高聚物的水溶液（含盐或不含盐）可以分成两相甚至多相，例如聚乙二醇与葡聚糖等的水溶液。细胞颗粒或蛋白质分子可在两相间进行分配。影响分配系数的因素有高聚物的种类和浓度、高聚物的分子量、离子的种类、离子强度、pH值和温度等。

精制

生化产品精制的方法常用沉淀、萃取、吸附和离子交换以及超滤等。

沉淀法

溶解的蛋白质由于表面电荷或极性基团所形成的水化层而达到稳定。加入高浓度的无机盐，如硫酸铵，可使蛋白质沉淀。其定量关系可用科恩方程式表示：lgS=β-kI式中S代表溶解度；I代表离子强度；β和k是常数。β与温度、pH值有关,k决定于加入盐的种类。调节pH至等电点也可使蛋白质沉淀,此时科恩方程式仍适用，但β在等电点时有极小值。加入有机溶剂也可使蛋白质沉淀，但会使蛋白质失活，所以应在低温下进行。也可加入非离子型聚合物，如聚乙二醇和聚电解质（絮凝剂）。分子量为40000～60000的聚乙烯亚胺是常用的沉淀剂。

萃取法

用通常的有机溶剂萃取法提取酶等蛋白质是不合适的，因为酶容易失活。应用双水相萃取法可避免这种困难。已成功地应用来提取甲酸盐脱氢酶，α-葡糖苷酶和支链淀粉酶等,但此法的最大困难是PEG、葡聚糖等价格较贵，一些新的萃取方法，如液膜萃取和超临界流体萃取也正在开始研究应用于生物工程中。

吸附和离子交换

广泛用于抗生素和氨基酸提取。

用一般的离子交换树脂吸附酶等蛋白质是有困难的，因为酶在吸附、解吸过程中易破坏。将树脂的骨架由憎水性改为亲水性，如由经过加工的纤维素所制得的离子交换剂，则可用来提取蛋白质。

液体离子交换树脂多数是分子量为250～500的胺或有机酸。使用时，将它溶于一种有机溶剂中，欲提取的溶质就从水溶液选择性地移向有机相。例如头孢菌素 C可以用液体离子交换剂进行提取。

超滤法

主要用于胞外酶的浓缩和去除低分子量的杂质。在超滤时，随着溶剂的透过膜，保留液的体积逐渐减少，粘度逐渐增大，不利于超滤的继续进行。如果不断加入水或缓冲液，以保持原来的体积，就可避免这个缺点。这种操作称为透析过滤法。酶经过超滤后常引起失活,其原因还不十分清楚，可能有下列几种：①Ca、Zn 等低分子的稳定剂被除去；②由于流过薄膜时的剪切力；③膜的吸附作用。在超滤时，加入可溶于水的聚电解质，可以使酶稳定。

色层分离

随着重组DNA技术的发展,新的蛋白质不断出现，纯化这种蛋白质对色层分离技术提出更高的要求。用于分离无机离子和低分子量有机物质的色层分离介质已不能适用。用于分离蛋白质的介质的母体必须有足够的亲水性，以保证有较高的收率，同时应有足够的多孔性，以使大分子能透过，和足够的强度，以便能在大规模柱中应用。此外还应有良好的化学稳定性和能引入各种官能团，如离子交换基团、憎水烃链、特殊的生物配位体或抗体等，以适应不同技术的要求。工业上适用的母体有天然、半合成或合成的高聚物，如纤维素、葡聚糖、琼脂糖、聚丙烯酰胺等。亲水凝胶的一个固有缺点是强度不够，当放入柱中使用时，会发生变形，使压力降增大或流速减小。这个困难可通过改进柱的设计来补救。要增大分离能力，可以增大柱径而不是柱高。分级柱可使压力降在流速高时限制在某一水平。采用均匀、球形的分离介质可使压力降减小。强度较好的分离介质和层析柱设计的化工问题的解决是色层分离法工业化的关键。联邦德国生产的1501不锈钢分格柱和瑞典生产的KS370分段色层柱（每段容量161，可根据需要增加或减少段数），都已用于工业。

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