生物产品分离纯化的一般工艺流程及发展前景

生物产品分离纯化的一般工艺流程

1.生物材料的来源及选择

生物产品的种类繁多，如氨基酸及其衍生物、蛋白质、酶、核酸、多糖、脂类等。各种生物物质主要来源于它们广泛存在的生物资源中，包括天然的生物体及其器官、组织以及利用现代生物技术改造的生物体等，归纳起来主要有以下几种:

①植物器官及组织

植物器官及组织中含有很多活性成分，我国药用植物种类繁多，从天然植物材料中寻找和提取有效生物药物已逐渐引起爪视，品种逐年增加。此外，转基因植物可产生大览的以传统方式难以获得的生物物质。

②动物器官及组织

以动物器官和组织为原料可制备多种生物制品，从海洋生物的器官和组织中获取生物活性物质是目前研究的热点和重要的发展趋势。

③血液、分泌物及其他代谢物

人和动物的血液、尿液、乳汁，以及胆汁、蛇毒等其他分泌物与代谢产物也是生物物质的正要来源。

④微生物及其代谢产物

微生物种类繁多，其代谢产物有1300多种，应用前景广泛。以微生物为资源，除了可生产初级代谢产物如奴荃酸、维生索外，还可生产许多次级代谢产物如抗生素等。

⑤动植物细胞培养产物

细胞培养技术的发展使得从动物细胞、植物细胞中获得有较高应用价值的生物物质成为可能，且发展迅速，前景广阔。

选择生物材料主要根据实验的目的而定。从工业生产角度来考虑，首先是材料来源丰富、含量高、成本低。有时材料来源丰富但含最不高，或者材料来源、含量都很理想，但材料中杂质太多，分离纯化手续十分烦琐，以致影响质量和收率，反不如含量低些但易于操作获得纯品者。因此，必须根据共体情况，抓住主要矛后而决定取舍.如果为了科学实验和某种特殊需要，例如从某种材料或某一生物品种中寻找某种未知物质，选材时则无需全面考虑上述问题，只要能达到实验目的即可。

2.分离纯化的一般工艺流程

由于工业生物技术产品众多，原料广泛，性质多样，用途各异，且对产品质量与纯度的要求也可以是多方面的，因而其分离纯化技术、生产工艺及相关装备也是多种多样的。大多数生物产品的分离纯化过程按生产过程的顺序大致可分为四个类似步骤，即预处理与固液分离、提取(初步纯化)、精制(高度纯化)和成品制作，具体流程见图1-3。

图1-3生物产品分离纯化一般工艺过程及各阶段的单元操作

(1)预处理与固液分离

在这一步骤中，过滤和离心是基本的单元操作。为了加速两相分离，可采用凝聚和絮凝等预处理技术;为了减少过滤介质的阻力，可采用错流膜过滤技术。但这一步对产物浓缩和产物质址的改善作用很小。如果是胞内产物还要进行细胞破碎及碎片分离。

(2)提取(初步纯化)

这一步骤主要目的是除去与目标产物性质差异较大的杂质，通常目标产物要求有较大浓缩比，可选技术也比较多。典型的分离方法有吸附、萃取等.

(3)精制(高度纯化)

这一步骤主要目的是除去与产物的物理化学性质比较接近的杂质，所选技术要求对产物有高度选择性。典型的方法有层析、电泳等.结晶特别是重结品通常也能获得高纯度的产物。

(4)成品制作

成品形式多种多样.有液态也有固态，美观的产品形态也是产品档次的一个标志。产物的最终用途决定了产品的形式及最终的加工方法。浓缩和结晶是常用的方法，大多数产品还必须经过干燥。

生物分离纯化技术的发展前景

随着基因工程、蛋白质工程、细胞工程、代谢工程等高新生物技术研究工作的广泛展开，各种高附加值的生物新产品不断涌现，对生物分离纯化技术提出了越来越高的要求。与上游过程相比，作为下游过程的生物分离纯化技术难度大、成本高，因而往往是步骤烦琐、处理时间长、收率低并且重复性差，严至地制约了生物技术的工业化发展。因此有必要加强生物分离纯化过程的研究，以提高单元分离纯化操作效率，同时缩短整个下游过程的流程，从而促进现代生物技术的整体优化。社会发展过程中，总是追求以最小的代价(人力、财力、物力)获得最大的产出，生物工业也不例外。生物技术产品在国内和国际市场上的竞争优势最终还要体现在低成本、高质量和无(少)污染上。因此，成本、质址、环保将是生物分离纯化技术永恒的发展方向和动力。

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从生物分离纯化技术发展趋势来看，主要有以下五点促进下游工程的发展和突破:

1.传统分离技术的提高和完善

蒸馏、蒸发、过滤、离心、结晶和离子交换等传统技术由于应用面广且技术相对成熟，对其提高和完善将会推动大范围的技术进步，给生产带来极为可观的经济效益，所以不应忽视，仍应对它们加强深化研究，使其更加完善。如各种新型高效的过a机械和离心机械的问世.结晶理论和离子交换技术的新进展，提高了产品的收率、质量和生产效率.

2.新分离过程及技术的研究、开发和应用

(1)新型高效分离介质的研究开发

膜、树脂和凝胶是目前主要的新型分离介质。

从半渗透胶开始，膜技术已经逐步发展成一个庞大的膜家族.其中膜材料和膜制造工艺是技术关键。膜分离技术在我国的研究报道不少，真正的产业化应用还不多。新型膜材料有待开发，膜的清洗方法有待改进，膜分离技术的产业化应用有待完善.随着膜本身质址的改进和膜装登性能的改善，在下游加工过程

的各个阶段，将会越来越多地应用膜技术。

离子交换树脂和大网格吸附树脂是一大类觅要的分离介质，在工业分离上已占有重要地位，在生物工程下游技术领域的应用也日趋广泛，并不断出现新型树月旨和新技术。

色谱分离是生物大分子分离中一类十分重要的分离技术，属精细分离。DNA重组技术和其他生物技术产品的产业化促进了色讲分离技术的大发展，逐渐从实验室走向工业规模，目前已成为生物分离技术研究前沿。如以琼脂掂凝胶作为从质，与各种配基结合后制成各种色谱分离介质，开发出一大类各具特色的、对分离生物大分子十分有效的色讲分离技术。

(幻子代分离技术

各种分离技术相互结合、交叉、渗透，形成子代分离技术。这类技术选择性好，分离效率高.能简化下游加工过程步骤，节约能耗，提高加工过程的水平，是今后的主要发展方向之一。如膜技术和萃取、蒸馏、蒸发技术相结合形成了膜萃取技术、膜蒸馏及渗透蒸发技术，色诺技术与离子交换技术等结合形成了离子交换色谱技术、等电聚焦色谱技术等。

(3)其他新兴下游技术

由溶剂萃取技术衍生出一大批生物分离技术，如双水相萃取、超临界:萃取、反胶团萃取等。它们在细胞碎片的去除，细胞胞内物质、醉及蛋白质，天然生物物质的提取分离方面有独特的优势，在生物工业上具有广阔的应用前景。菌体絮凝技术和菌体细胞破碎技术的进展为工业化分离菌体细胞和大规模生产胞内物质创造了技术前提。

3.分离技术的集成化

集成化的概念最初是在20世纪70年代随着控制和优化技术的发展而提出的，90年代以来，国际上有些学者把这一概念引人生物分离纯化领域，从予了集成化新的内涵，将其具体化:利用已有的和新近开发的生物分离纯化技术将下游过程中的有关步骤进行有效组合，或者把两种以上的分离纯化技术合成为一种更有效的分离纯化技术，以达到提高收率、降低过程能耗和增加生产效益的目标。具体地说有双水相亲和分配、扩张床吸附、亲和膜、亲和沉降、整合肚一固定化金属离子亲和层析、加压气休抗溶剂结晶、高分子屏蔽与屏蔽电泳、循环亲和层析、电泳萃取等技术。