现代生物分离技术及其应用举例

现代生物分离技术及其应用举例 生物物质的分离（Bioseparation）是生物工程的一个重要部分。国外文献中，常称之为下游过程（Downstream Process），国内则称之为产品的分离或回收。其目的是把生物反应液，如发酵液或酶反应液内的有用物质分离出来，获得所需的目标成品。

不同的生物产物，其溶解度、分子大小、形状、极性、电荷性质、专一结合位点等理化和生物学性质有或大或小的差异，所以采用适当的分离技术可将其分离纯化。

根据分离过程的基本原理，分离可分机械分离和传质分离两大类。机械分离的对象是非均相物系，是依据物质相态的不同（例如液体、固体），以及依据物质大小、密度的差异进行分离，如过滤、重力沉淀和离心降解等。传质分离的对象主要是均相物系，通常是溶液，可分为速度分离和平衡分离两种。速度分离根据物质溶质在外力作用下产生的移动速度的差异实现分离，亦可称为输送分离，其传质推动力主要有压力差、电位梯度和磁场梯度等，如滤超、反渗透、电渗析、电泳和磁泳等；平衡分离则根据溶质在两相中分配平衡状态的差异实现分离，又称扩散分离法，其传质推动力为偏离平衡态的活度差或浓度差，如蒸馏、蒸发、吸收、萃取、结晶、吸附和离子交换等。对于特定的目标产物，应根据其自身的性质以及共存杂质的特性，选择适宜的分离方法，以

获得最佳分离效果。即在保证目标产物的生物活性不受（或少受）损伤的同时，达到所需的纯度和对回收率的要求，并使回收过程成本最小，以适应大规模工业生产需求。

生物工艺中目前常用的生物分离提纯原理及方法如下表所示：

生物工艺中最经典的分离和纯化生物物质的方法仍广是沉淀法，目前仍广泛使用在实验室和工业中。由于其浓缩作用常大于纯化作用，因而沉淀法常用于初步分离，用于从去除了军提货细菌碎片的发酵液中沉淀出生物物质，然后用色层分离等方法进一步提高其纯度。

一、沉淀法

沉淀法由于其成本低、收率高、浓缩倍数高、操作简单等优点，使其成为生物下游加工过程中应用最广泛的纯化方法。

沉淀法分离提纯的基本原理，是基于在不同条件下，性质各异的蛋白质具有溶解度的差异或热稳定性的差异，而发生某些蛋白质的沉淀，从而起到分离、纯化的作用。

根据加入沉淀剂的不同，沉淀法可以分为盐析法、等电点沉淀法、有机溶剂沉淀法、热处理沉淀法等。

1.盐析法：当蛋白质溶液中逐渐加入中性盐时，会产生两种现象：低盐情况下，随中性盐离子强度的增高，蛋白质

溶解度增大，称之为盐溶现象；但是，在高盐浓度时，蛋白质溶解度随之减少，发生了盐析现象。产生盐析的一个原因是由于盐离子与蛋白质分子表面具有反电性的离子基团结合形成离子对，因而盐离子部分中和了蛋白质的电性，是蛋白质分子之间静电排斥作用减弱而能相互靠拢，聚集起来。

盐析作用的另一个原因是由于中性盐的亲水性比蛋白质大，盐离子在水中发生水化而使蛋白质脱去了水化膜，暴露出疏水区域，由于疏水区域的相互作用，使其沉淀。

2.等电点沉淀:不同离子强度下，同种蛋白质的溶解度与PH相关。两性溶质在等电点及等电点附近仍有相当的溶解度，所以等电点沉淀往往不完全，加上生物分子的等电点比较接近，故很少单独使用等电点沉淀法作为主要的纯化手段，往往与盐析、有机溶剂沉淀等方法联合使用。

3.有机沉淀法：

向水溶液中加入一定量的亲水性的有机溶剂，降低溶质的溶解度，使其沉淀析出的分离纯化方法。主要机理:(1) 亲水性有机溶剂加入溶液后，水溶性有机溶剂本身较强的水合作用降低了自由水的浓度，即水的活度降低，从而压缩了亲水溶质分子表面原有水化层的厚度，降低了它的亲水性，导致脱水凝聚。（2）亲水性有机溶剂加入溶液后降低了介质的介电常数，使溶质分子之间的静电排斥力减少，静电引力增加，易于发生凝聚而沉淀。

二、溶剂萃取

溶剂萃取是溶质从一种溶剂中转移到另一种溶剂中的过程。它是利用溶质组分在两个互不混溶的液相中竞争性溶解和分配性质上的差异来进行的分离操作。目前，溶剂萃取法是生物工业中一种重要的分离提取方法，已广泛应用于抗生素、有机酸、维生素、激素等发酵产物工业规模的提取分离。

三、离子交换法

离子交换法是使用离子交换剂作为吸附剂，将水溶液中的离子依靠静电引力吸附在吸附剂上，同时从吸附剂上置换出另一种离子，然后用适当的溶液将吸附物从吸附剂上置换下来，进行浓缩富集，从而达到分离的目的。

离子交换法的特点是吸附剂无毒性，可重复再生使用数千次，过程中一般不用有机溶剂，具有设备简单、操作方便、劳动条件好等优点，已成为分离生化物质的主要方法之一。 生化分离中约有75%的产品在生产过程中采用了离子交换法，如氨基酸、蛋白质、多肽、核酸、抗生素等的分离。

四、吸附法与色层分离法

生物工程中，人们较早就开始应用选择性吸附法来分离精致各种产品，如蛋白质、核酸、酶、抗生素、氨基酸等。近年来，随着凝胶类吸附法、大网格聚合物吸附剂的发展和应用，吸附法在生物工程技术中被广泛应用。

色层分离（也称色谱分离或层析分离）技术，已成为生物大分子分离和纯化技术中极其重要的组成部分。层析技术分离纯化的生物技术产品种类包括：干扰素、疫苗、抗凝血因子、生长激素、单克隆抗体、凝血因子等等。

五、电泳分离法

带电粒子在电场中的迁移速率的不同是电泳分离的基础。电泳技术的基本原理都相同，但在实际应用中，由于研究对象及目的等的不同，电泳又可分为许多种类。例如按展开方式可分为:区带电泳、移界电泳、等速电泳、等电聚焦；按照是否使用支持物可分为：支持物电泳、无支持物电泳；按照操作方式可分为：一维电泳、二维电泳、交叉电泳、连续或不连续电泳。

“电泳”也称为“阳离子电泳”，近年来发展迅速，广泛应用于各个领域，概括了从最大的蛋白质分直到如氨基酸、糖、嘌呤、嘧啶、其他有机化合物甚至无机离子等整个领域。

生物分离技术研究趋势——高效集成化

从发展趋势来看，生物分离技术研究的目的是要缩短整个下游工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。

但就目前看来，有关生物分离技术或过程的高效集成化研究还是很肤浅的，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.