生物工程专题讲座结课论文

生物工程专题讲座结课论文

生物工程专题讲座结课论文

题目：生物分离技术综述

生物工程专题讲座结课论文

摘要：生物技术的发展，为人类提供了丰富多彩的生物产品。多数生物技术产品的生产过程是由菌体选育—菌体培养（发酵）—预处理—浓缩—产物捕集—纯化—精制等单元组成。习惯上将菌体培养以前的过程称为“上游工程”，与之相应的从发酵液、反应液和培养液中分离、精制有关产品的过程称为生物分离工程（Bio-Separations Engineering）亦称下游技术（Downstream Processing）

生物分离工程在生物技术中起着关键作用：一方面生物技术（基因工程、细胞工程）的新成果没有合适的提取和精制的方法就不能转化为生产力。另一方面，如果提取和精制方法落后，收率太低，成本太高，其生物产品的竞争力就不强（如甘油、衣康 酸等）。

关键词：生物分离 膜分离 离子交换 色层分离 集成化

新型分离方法的研究与开发

①膜分离技术完善与推广应用

②离子交换技术

③色层分离技术

④复合（集成）分离技术的研究

一．膜分离

1960年Loeb和Sourirajan制备出第一张具有高透水性和高脱盐率的不对称反渗透膜，是膜分离技术发展的一个里程碑。自此以后，不仅在膜材料范围上有了极大扩展，而且在制膜技术、组件结构及设备研制方面也取得了重大进展。 膜分离的概念：利用膜的选择性（孔径大小），以膜的两侧存在的能量差作为推动力，由于溶液中各组分透过膜的迁移率不同而实现分离的一种技术。

1.膜的分类

按孔径大小：微滤膜、超滤膜、反渗透膜、纳滤膜

按膜结构：对称性膜、不对称膜、复合膜

按材料分：天然高分子材料膜、合成高分子材料膜、无机材料膜

2.膜分离的特点：

①操作在常温下进行；

②是物理过程，不需加入化学试剂；

③不发生相变化（因而能耗较低）；

④在很多情况下选择性较高；

⑤浓缩和纯化可在一个步骤内完成；

⑥设备易放大，可以分批或连续操作。

3.根据膜的孔径不同又可分为：微滤、超滤、纳滤和反渗滤（图一）

微滤和超滤都是利用膜的筛分性质，以压差为传质推动力，只是膜的孔径不同。 ① 微过滤（Micro-filtration, MF） 亦称精密过滤，膜孔0.05-10μm，可以除去所有的微生物，在生物工业中主要的应用如下：

a. 无菌空气的制备

b. 液体生物产品的澄清、除浊

生物工程专题讲座结课论文

c. 培养液的无加热灭菌

② 超过滤（Ultra-filtration，UF）用

的滤膜孔径大约为5-50nm，可截留

分子量500(1000)以上的溶质，在生

物工业中的应用有：

a. 对溶液进行浓缩，提纯分级，应

用的产品包括各种酶、蛋白质、激素、

核酸、疫苗、 菌体病毒、抗菌素等。

b. 用作膜反应器。

③ 反渗透用的滤膜孔径为

0.1-1.0nm，可截留小分子的无机物，

截留分子量为30-50。目前主要用于

海水淡化、水软化、制造超纯水和污

水处理，在生物工业中的主要应用

有：

a. 生物碱、激素、疫苗、抗生素等的分离浓缩。

b. 某些发酵饮料的脱盐。

c. 白酒除浊与净化。

d. 啤酒不加热浓缩等。

④ 纳滤是间于超滤与反渗透之间的一种膜过滤，于20世纪80年代初开发，当时称之为低压反渗透。

与反渗透比较，由于纳滤对无机盐的截留率很低，在过滤过程中，保留液（浓缩液）的渗透压不会明显提高，因而操作压力较低（大多为0.5~1.5MPa ）。与超过滤比较，纳滤对低分子有机物有较高的截留率，过滤过程中保留液（浓缩液）的渗透压有一定提高，因而操作压力比超滤要高。

纳滤能截留分子量为200~1000之间的有机物质及高价无机离子。由于许多生物产品的分子量（如抗菌素、多糖、维生素、多肽、柠檬酸等）都在此范围，因而纳滤在生物工业中比超滤（主要用于生物大分子）和反渗透（主要是脱盐）有着更广泛的用途。

二．离子交换技术

概念：利用离子交换剂（无机或有机离子交换剂）作为吸附剂，将溶液中的待分离组分，依据其电荷差异，依靠库仑力吸附在交换剂上，然后利用合适的洗脱剂将吸附质从交换剂上洗脱下来，达到分离的目的。

1.离子交换法的特点：

优点： 缺点：

①提取周期短、效率高 ①辅助时间长（洗脱、再生、活化、②设备简单、成本低 辅助时间约为提取时间的10倍以上）。 ③工艺操作方便 ②消耗大量酸碱（目标产物2-5倍） ④不需使用大量有机溶剂 ③pH变化范围大（目标产物pH的稳 定性）

④对某些产品难于找到合适的树脂 （易吸附、易分离、易除杂质）

生物工程专题讲座结课论文

2.离子交换法的基本应用方式

①产品提纯：将被提取物中不需要的杂质用离子交换剂吸附除去，以得到较高纯度的产品，如：酒精脱臭、低度白酒除浊。

②产品提取：把溶液中的产品用交换剂吸附（同时得以浓缩），而杂质仍留在溶液中，如多种抗生素、有机酸、氨基酸、酶制剂、VB12、ATP等的提取。

③产品分离：溶液中含有两种或两种以上的产品时，可用不同类型的交换剂分别吸附而得以分离。如：核苷酸、多种氨基酸混合物的分离等。

3.离子交换的分类:

按活性基团分类，可分为阳离子交换树脂(cation exchange)（含酸性基团）和阴离子交换树脂(anion exchange)（含碱性基团）。

具体又可以分为：强酸性阳离子交换树脂、弱酸性阳离子交换树脂、强碱性阴离子交换树脂、弱碱性阴离子交换树脂。

①强酸性阳离子交换树脂：

一般以磺酸基一SO3H作为活性基团，由于是强酸性基团，其电离程度不随外界溶液的pH而变化，所以使用时的pH一般没有限制。通常用R表示树脂的骨架，这类树脂的交换反应，以磺酸型树脂与氯化钠的作用为例。

②弱酸性阳离子交换树脂：

功能团可以为羧基-COOH，-OH (酚羟基）这类树脂的电离程度小，其交换性能和溶液的pH有很大关系。在酸性溶液中，这类树脂几乎不能发生交换反应，交换能力随溶液的pH增加而提高。

③强碱性阴离子交换树脂：

有两种强碱性阴离子交换树脂。一种含三甲胺基称为强碱Ⅰ型，另一种含二甲基-β-羟基-乙基胺基团，称为强碱II。I型的碱性比II型强，但再生较困难，II型树脂的稳定性较差。和强酸性树脂一样，强碱性树脂使用的pH范围没有限制。 ④弱碱性阴离子交换树脂：

和弱酸性树脂一样，其交换能力随pH变化而变化，pH越低，交换能力越大。生成的盐RNH3CI很易水解。这类树脂和 OH离子结合能力较强，故再生成羟型较容易，耗碱量少。

离子交换树脂的性能比较：各种树脂的强弱可用官能团的pK值来表征。对于酸性树脂，pK值越小，酸性越强，而对于碱性树脂，pK值越大，碱性越小。

4.新型离子交换树脂（大孔离子交换树脂）

大孔离子交换树脂具有和大孔吸附剂相同的骨架结构，在大孔吸附剂合成后（加入致孔剂），再引入化学功能基团，便可得到大孔离子交换树脂。

大孔离子交换树脂的优点：通过在合成时加入惰性致孔剂，克服了普通凝胶树脂由于溶胀现象，产生的“暂时孔”现象，从而强化了离子交换的功能；减少了凝胶树脂在离子交换过程中的“有机污染”现象（大分子不易洗脱）；可以通过致孔剂选择调整孔径大小、树脂的比表面积，以适应不同的分离要求。

常用的致孔剂有：良溶剂（能与单体互溶的）甲苯、四氯化碳；不良溶剂 长链醇（碳4-10） 煤油；高分子聚合物 聚苯乙烯、聚丙烯酸酯

三．色层分离技术：

概念：色层分离亦称为色谱分离(Chromatographic Resolution, CR)或层析分离，在分析检测中则常称作为色谱分析(Chromatographic Analysis, CA)。是一种物理的分离方法。当多组分混合物随流动相流经固定相时，由于各组分物理化学性质的差别，使各组分以不同的速度随流动相移动，使之分离。

生物工程专题讲座结课论文

1.色层分离的特点：

①分离效率高：色谱分离的效率是所有分离纯化技术中最高的，每米柱长的理论塔板数可达几千至几十万块塔板数。

②应用范围广：从极性到非极性、离子型到非离子型、小分子到大分子、无机到有机及生物活性物质、以及热稳定到热不稳定的化合物，都可用色谱方法分离。 ③操作参数多：不同的固定相和流动相状态，固定相可用液、固两大类，流动相可用气体、液体或超临界流体；不同的洗脱方法，如前沿分析、置换展开、洗脱展开等；不同的操作条件，如温度、pH、离子强度和流动相速率等。

④高灵敏度的在线检测：可保证在要求的纯度下得到最高的产率。

⑤快速分离：高效细颗粒层析剂和高压液相色层分离技术的采用，保证了在高分离效率前提下的高分离速率。

⑥过程自动化操作：包括自动进样、分离后的样品馏份自动收集、未达到要求纯度的馏份的再循环分离等。

2.各种色谱法的原理及优缺点

①离子交换色谱：利用被分离的各组分的电荷性质及数量不同，与离子交换剂的吸附和交换能力的不同而达到分离的目的，其过程适于带电荷的大、中、小及生物活性或非生物活性物质分离纯化，纯化效率较高，应用广泛，可用于实验室和工业生产，可柱式操作也可搅拌式操作。缺点：操作较复杂，测试消耗较大，成本高，有稀释作用，放大困难，离子交换剂需再生后方可再用。

②吸附色谱：依靠范德华力，极性氢键等作用将分离物质吸附于吸附剂上然后改变条件洗脱，达到纯化目的。特点是吸附剂种类繁多，可选择范围和应用范围广，吸附和解吸条件温和，不需复杂的再生，可柱式式搅拌式操作。但选择性低，柱式操作放大困难。

③亲和色谱：依据目的物与专性配基的相互作用进行分离。优点；选择性极高，纯化倍数和效率高，生物活性收率高，可从较复杂的混合物直接分离目的产物。缺点：成本高，配基亲和稳定性差，使用寿命有限，亲和材料制备复杂，放大困难。

④疏水色谱：依靠疏水相互作用进行分离。应用广，选择性较好，使用稳定性好，但成本较高，放大困难，需严格控制条件，保证活性收率。

⑤凝胶色谱：依据分子大小进行分离。其适合生物大分子的分离纯化，分离条件温和，活性收率较高，选择性和分辨高，应用广，可工业应用，但放大较困难，稀释度高，操作不易掌握。

⑥反相色谱：以有机溶剂为固定相，含水的溶剂为流动相所进行的层析分离技术，特点：反相层析可用来分离非相性、极性和离子化合物，分离效果好、速度快、方法的后处理比较方便。缺点：造成蛋白质构象的变化和失活采用乙腈、甲醇等价格高且有一定毒性的试剂，使其应用受到限制。

四．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。

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

生物工程专题讲座结课论文

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。

参考文献：

1.严希康. 生化分离技术. 上海华东理工大学出版社，1998

2.邵 刚. 膜法水处理技术.北京冶金工业出版社，2000

3.徐炎华等. 我国生物分离纯化技术现状及发展方向. 江苏化工，1996（3）

4.周加祥、刘铮. 生物分离技术与过程的研究进展. 2000（06）

5.梅乐和等. 生物分离过程研究的新趋势——高效集成化. 1999（05）

6王晓玲,杨伯伦等。新型分离技术在天然有机物提取及纯化中的应用。化工进展，2002

7.杨宏顺,等.反胶束萃取技术在食品科学中的研究进展,2001(04)

8.徐任生 .天然产物化学[Ｍ] 北京:科学出版社,1993

9.郑国樨 真空液相色谱———一种高效快速的有机分子分离方法

10.张全兴，刘天华.我国应用树脂吸附法处理有机废水的进展. 1994（06）

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/9cy4.html