生物分离工程前沿

生物分离技术前沿生物分离技术的重要性生物分离技术的多样性面临的机遇与挑战技术发展的若干特点新型分离技术的发展近况生物分离技术的重要性1.是生物化学工程的一个重要分支，原料的精制，中间产物的分离，产品的提纯和废水、废气的处理都有赖于生物分离技术。2.由于是耗能过程，设备数量多，规模大，投资和操作费占很高的比例，对过程的技术经济指标有重要的影响。生物分离技术的多样性

生物分离技术的应用领域十分广泛，原料、产品和分离操作的要求多种多样，决定了分离技术的多样性。生物分离技术的多样性按机理划分：

生成新相以进行分离（如蒸馏、结晶）加入新相进行分离（如萃取、吸收）用隔离物进行分离（如膜分离）用固体试剂进行分离（如吸附、离子交换）用外场力或梯度进行分离（如离心萃取分离、电泳）等。分离技术面临的机遇与挑战

随着生物和医药工程的迅速发展，一批高附加值的产品不断涌现，品种和产量也在迅速扩大。“难度大，成本高”。生物技术产品一般具有多样性、易变性和复杂性。因此，生物物质的分离除了要达到化学物质分离的纯度和经济性指标外，还要满足构象和稳定性的要求，特别要防止生物产品的失活。分离技术发展的若干特点竞争促进分离过程的强化随着科技发展，新设备和新型分离介质的应用大大提高了分离效率。剧烈的竞争加速了分离技术发展，促进了分离过程的强化。以精馏、吸收和萃取等化工塔器的内件为例，高校塔板、规整填料和散装填料发明层出不穷，塔内件的优化匹配也引起了重视。在散装填料方面，Norton公司的金属Intalox填料、KocnGlitsch公司的CMR和我国自行开发的超级扁环（SMR）等各有千秋。在规整填料方面，Sulzer公司的Mellapak、KocnGoitsch公司的GempakKuhni公司的Rombopak和Montz公司的Montzpac等竞争激烈。广义上说，分离过程的强化包括新装置和新工艺方法两方面，任何能使设备小型化、能量高效化和有利于可持续发展的生物分离新技术均属于分离过程的强化之列，这是生物分离技术发展的重要趋势之一。耦合分离技术引起重视从两个方向着手是整个分离过程的研究有一个质的转变一：继续研究和完善一些适用于生化工程的新型分离技术二：进行各种分离技术的高效集成化：如刚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、各种高效层析法等。

将双水相分配技术与亲和法结合而形成的效率更高、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及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。高效集成化：利用已有的和新近开发的生化分离技术，将下游过程中的有关单元进行有效组合（集成），或者把两种以上的分离技术合成为一种更有效的分离技术，达到提高产品效率、降低过程能耗和增加生产效益的目标。

耦合分离技术如催化剂精馏、膜精馏、吸附精馏、反应萃取、络合吸附、反胶团、膜萃取、发酵萃取、化学吸收和电泳萃取等新型耦合分离技术都得到了长足的发展，成功的应用于生产中。优点：1.简化流程；2.提高收率；3.降低能耗。应用：如发酵萃取和电泳萃取在生物制品分离方面；采用吸附树脂和有机络合剂的络合吸附具有分离效率高和解析再生容易的特点。电动耦合色谱可高效地分离维生素；超临界CO2萃取和纳米过滤耦合可提取贵重的天然产品的等。信息技术推动了分离技术的发展：

信息技术在分离过程中的运用涉及热力学和传递性质、多相流、多组分传质、分离过程和设备的强化和优化设计等，对分离技术的发展具有深远的影响，如分子模拟大大提高了预测热力学平衡和传递性质的水平，分子设计加速了高效分离剂的研究、开发。生物分离过程的研究已从宏观传递现象的研究深入到气泡、液滴群、微乳和界面现象等，加深了对分离过程中复杂传递现象的理解。

LDV（激光多普勒测速仪）和PIV（激光成像测速仪）等的应用使研究深度从宏观平均向微观、局部瞬时发展。信息技术带动了生物分离技术的迅猛发展，实验研究和计算机模拟相结合仍是分离技术研究开发和设计放大的主要途径。国内外发展现状

有关生物分离工程的研究分离很活跃，每年都有大量论文发表，内容涉及各种分离技术的各个领域。各国都在根据自身特点和调剂加速发展，例如：美国的研究工作兼具新颖性和实用性特点，英国侧重于基础研究，法国重视核领域和数学模型的研究，德国重视食盐技术和工程研究，日本在生物工程和新材料的研究方面投入了很大的力量，加拿大和澳大利亚则以资源利用为研究重点。我国分离技术研究和应用自从50年代以来，已取得重大进展，但相对于发达国家还有差距，例如我国单位产值能源消耗量是发达国家的数倍原因在于我国分离过程的能耗强度要比发达国家高得多，故此提高分离技术的水平尤为重要。新型分离技术的发展近况1、溶剂萃取技术分离对象和要求选择适当的萃取剂和流程。选择性高、分离效果好和适应性强等特点。

溶剂萃取技术具有悠久历史和广泛的应用，有人称之为“成熟技术”，但是由于溶剂萃取过程中亮相密度差小、连续相粘度大、返混严重，两相流动和相际传质纪委复杂，而且具有一定程度的互溶性，易造成溶剂损失和二次污染，溶剂再生也对过程的经济性和可靠性产生重要影响。

溶剂萃取具有多学科交叉的特点，故存在进一步研究和发展的需要和潜力。

当前，急需开发对敏感的生物制品无污染和无害的萃取返利技术。近年来，超临界萃取，双水相萃取，反微团萃取，膜萃取，电泳萃取，预分离萃取等新兴萃取分离技术的研究取得了很大进展。双水相萃取(ATPE)双水相萃取系统（ATPS）：是一种或几种物质在水中以适当的浓度溶解，在一定条件下形成互不相溶的水溶液系统。优点：操作条件温和、两相的界面张力小、两相易分散、易于连续操作、处理量大等。由于集成化概念引人,使双水相分配技术有了新的生命力,它与电泳、层析、温度诱导相分离、渗透释放和亲和技术等实现集成化后,技术上互相渗透,实现优势互补,从而体现了集成化的优势。具体表现在（1）与常规技术结合来解决双水相萃取本身的难点问题（2）引人其它分离技术进行融合以提高分离效率,简化分离过程（3）为已有的技术提供新的思路与温度诱导相分离的集成与亲和沉淀集成与层析分离的集成（2）亲和—膜分离技术亲和膜-分离技术是将亲和色谱与膜分离技术结合起来的一项新型分离技术。它把亲和配体结合在分离膜上,利用膜作基质,对其进行改性,在膜的内外表面活化并藕合上配基,再按吸附、清洗、洗脱、再生的步骤对生物制品进行分离,当目标蛋白质通过时,就留在膜上,而杂质则通过膜而离去,再用解离洗脱剂洗脱下目标蛋白质,然后把解离剂从膜上除去,得以使配基再生,重复进行再分离目标蛋白。该技术颇有潜力,可以把澄清、浓缩、纯化步骤于一体,也可以与生物反应器相结合,构成反应一分离新流程。亲和膜-分离技术不仅利用了生物分子的识别功能,可以分离低浓度的生物产品,而且由于膜的通透量大,能在纯化同时实现浓缩,并有操作方便、设备简单,便一于大规模生产的特点日前亲和膜分离技术已应用单抗、多抗、胰蛋白酶制剂的分离以及抗原、抗体、重组蛋自、血清白蛋白、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、干扰素等的纯化（3）扩张床吸附技术扩张床是吸附剂处于稳定状态的流化床’”·掀与串通的填充床层析不同的是在扩张床吸附操作中的吸附剂或层剂层在原料液流动下可产生适当程度的膨胀,其膨胀度取决于吸附剂的密度、流体速度。当吸附剂的沉降速度与流体向上的流速相等时,扩张床达到平衡由于吸附剂的扩张,吸附剂之间的空隙率增大,可使原料液中的细胞、细胞碎片等固体颗粒顺利通过扩张床而被排除,同时原料液中的目标物质则被吸附在吸附剂上,这样就实现了直接从含菌体、细胞碎片或组织萃取物的发酵液中直接分离目标蛋白质的目的。它将料液的澄清、浓缩和初步纯化集成于一个单元中,减少了操作步骤、降低了分离过程的复杂程度,提高了分离效率和产品收率（4）电泳萃取技术是电泳与萃取分离技术集合而成的一种新的分离技术,同时也是外电场强化传质过程的方法。许多研究者认为电泳萃取技术不仅仅是电泳技术与萃取技术的简单组合,这种新的分离技术克服了电泳技术和萃取技术各自的某些不足。电泳萃取技术一方面利用了液液界面的双极性膜性质,使浓差扩散严格地限制在一相中,同时使荷电的分离组分进人萃取剂中另外,该技术还有可能利用扩散、对流等性质加快传质,