| 单词 | 生物化工分离技术 |
| 释义 | 【生物化工分离技术】 拼译：separation techniques for biochemical engineering 在生物工程研究中，多数力量集中在基因工程、蛋白质工程等方面，对生物产品的分离和提纯等“下游”过程的研究却显得不足。从下面生物产品的售价和分离初始浓度间的关系可以看出生化分离在经济上的重要性。虽然目前尚缺乏严格的公认性研究，但据不少报导，认为生化分离占生产过程总成本的75%，若产品是蛋白质、酶或抗体，则更是如此。在学科和基础理论的发展方面，如生物化学和细胞生物学等的进展在很大程度上，也与建立和完善有效的分离方法是分不开的。 生物产品的分离与一般的分离操作不同在于：(1)生物过程常在稀水溶液中进行，需从大量溶液中分离出所需的产品。(2)生物系统是很复杂的混合物，各种粒子大小，形状和化学组成皆不相同。但某些组分的结构和化学性质却非常相似。(3)生物分离对象为具有生物活性的物质，它们常是对热和化学环境不稳定的，其性质会随着时间而改变，如易于聚集，分解或改变状态。蛋白质是最常见的分离对象，蛋白质在40～50C就不稳定，开始变性。而且绝大多数蛋白质都不溶于有机溶剂，若使蛋白质与有机溶剂接触，会引起蛋白质的性质变化。因此传统的化工分离方法，如蒸馏，有机溶剂萃取都不太适宜于生物产品的分离。寻找温和、有效的分离方法是非常必要的。(4)常需十分纯净的产品，特别当用作人类和动物的保健品时更是如此。因此除了生物物质的分离外，尚有生物产品的精制步骤，要把产品制成消费者所需和能被接受的状况。现有分离操作的应用范围是针对要分离的物质，根据不同大小的粒子，可以选择相应的分离操作，要选好一个分离操作，还要做相当的研讨工作后才决定。生物化工是一门比较新型的学科，生化工程分离方法的来源主要是以下两个方面，第一是借鉴其它工业领域中的分离操作，例如溶剂萃取，由于生物活性物质在有机溶剂的作用下，容易变性，致使这一在化学工业中行之有效的操作难以实现。第二是在生物化学实验室中发展起来的分离方法，例如各种层析等。这些方法在实验室中得到了众多应用，若用在较大规模的生产上还有相当的困难。为此，人们都是在寻求新的生化分离方法，以期弥补某些不足。在生物技术中有前景的新分离技术有：1．双水相分配技术(ATPP)。19世纪末就提出了双水相的概念，近30多年以来，阿尔佩森(Albertsson)等又作了广泛而系统的研究。德国的库拉(Kula)等人又进行了应用研究，主要是从发酵液中提取各种酶。当两种聚合物或一种聚合物与一种盐溶于同一种溶剂时，由于聚合物的不相容性，当聚合物达到一定浓度时，会分成两相，若其共同溶剂是水便称为双水相。与其它系统相比，双水相系统分配技术的两相都是水相(含85%～99%的水)，界面张力小(10－4～10－7N／M)，有利于界面传递。据报道，该法易于放大，使它具有诱人的应用前景。从目前趋势来看，ATPP技术有可能成为生物活性物质分离的一种有用方法。当然目前尚存在着成相聚合物价格较贵，和有时分相困难等问题，迫使人们进一步研究。最常用的双水相系统是聚乙二醇／葡聚糖(PEG／Dx)和聚乙醇／无机盐系统，原因是这两种聚合物无毒，且已经药理检验。PEG／盐系统由于价廉，比较适用于大规模生物产品的纯化，但盐的浓度过量会引起生物物质变性，从而在一定程度上限制了它在生物技术领域的应用。因此，人们对聚合物／聚合物系统仍具有浓厚的兴趣。因为精制葡聚糖价格昂贵，葡聚糖粗品粘度太高(大约是精制葡聚糖的20倍)，人们又开发了多种新的聚合物／聚合物双水相系统，如PEG-PPT(羟丙基淀粉)系统，PEG-Gum Acacia系统，PEG－柠檬酸盐系统等，此外亲和双水相分配具有生化专一性，能提高生物物质的分配常数，预期可为ATPP技术开辟更广阔的前景。2．超临界流体萃取技术(SFE)。超临界流体(SCF)是一种温度和压力都在临界温度(Tc)和临界压力(Pc)以上的流体。超临界流体溶剂的主要特点是溶剂的性质对温度、压力的变化特别敏感。大多数SCF的性质介于气体、液体之间，超临界流体萃取的主要优点为：很高的扩散系数减少了质量传递的限制；很低的表面张力比液体更能渗入和润湿小孔物质；溶解度对压力和温度变化的极大敏感性，使控制萃取过程的选择性成为可能；固体物质可以从超临界流体中结晶出来，晶粒的大小可以通过改变过程的压力和温度而加以控制；SFE技术在常温操作，适用于热敏物质；SC-CO2溶剂无毒，特别适用于食品和医药工业。尽管SFE技术存在上述优点，但与其它技术相比，溶解度仍然很低，高压设备价格昂贵，复杂，缺乏足够的高压相平衡等基础数据，使得SFE技术的发展在历史上经历了曲折的过程。在70年代末，由于能源危机，SCF一度被认为是“神奇的溶剂”，充满了“魔力”。由于当时对SFE所知甚少，对SFE研究的过高热情必然导致其走向低谷，随着人们对SFE过程的相平衡和传质机理的深入研究，对一些昂贵，难以处理的生物组分分离的成功，特别是从咖啡中提取咖啡因，从鱼油中提取ω－3不饱和脂肪酸等，使得对SFE的研究又走向“稳定发展的道路”。总之，SFE是一种平衡控制而非传质控制分离技术，对生物系统的分离，它不是人们的第一选择，而往往是最后一种选择。3．其他分离方法。层析分离术是一种在实验室中应用比较成功的生化分离方法，生物物质在固定相和流动相之间不断地重新分配而得以选择地加以分离。近年来，由于ATPP和SFE技术研究的深入，出现了双水相分配层析和超临界流体层析(SFC)。将ATPP技术应用于液液分配层析中，主要是采用支撑物与某一种成相聚合物不相容的原理。例如双水相系统是PEG／Dx时，PEG和纤维素或聚丙酰胺不相容，致使富葡聚糖的相和支撑物形成固定相。此法可用于脱氢酶的分离等。SFC主要采用SCF作为流动相，这是一种高分辨的分离技术。与液体相比，由于SCF具有高的扩散系数和低的粘度，故特别用于分离低挥发度，热稳定性差的极性大分子化合物。随着研究的开展，SFC在生物技术中有良好的应用前景，与高压液相层析相比，SFC有更高的分离能力和更好的分辨性。电泳是按照各种分子在电场中的运动加以分离，这种运动与粒子所带净电荷数、大小、粘度有关。与传统的凝胶电泳相比，自由流动电泳(FFE)可以连续地分离样品中各种组分，它具有通用、快速等优点。但FFE会受到很多因素的干扰，如待分离组分的自然对流、扩散、电渗析、吸附、沉降等。毫无疑问，电泳是一种比较敏感和昂贵的分离手段。它只能用来分离一些精细产品，尤其当层析分离方法难以奏效的地方，电泳分离技术会显示独特的魅力。膜分离技术也是一种生化“下游”工程中比较热门的分离方法，它主要包括反渗透、超滤、微滤、电渗析、气液渗透膜、渗透蒸发膜等。膜分离技术的研究热点是新型膜材料研制和减少膜污染等。总之，分离方法最根本要素是基于待分离组分不同的分子性质和结构。我们要善于利用这个原理，并深入理解分离过程所涉及的各种复杂的物理－化学－生物现象，利用学科杂交的优势去改造老的分离方法，创造新的分离技术，提高分离过程的科学性，以迎接日益繁重的分离任务而作不懈的探求。【参考文献】：1 Albertsson，P-A，Partition of cell particles and macromolecules．New York：Wiley，19862 Separation，purification．Washington D C．∶National Academy Press，19873 Müiler，W．Ber．Bunsenges．Phys．Chem，1989，93∶956～9614 Upnmoor D，Brunner G．Ber．Bunsenges．Phys．Chem．1989，93∶1009～10155 Rutte R．Ber．Bunsenges．Phys．Chem．1989，93∶1038～10426 Randolph T W．TIBTECH．1990，8∶78～82(浙江大学博士生导师朱自强教授、关怡新博士撰) |
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