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生化分離工程

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bioseparation engineering 生物化工產品通過微生物發酵過程、酶反應過程或動植物細胞大量培養獲得,從上述發酵液、反應液或培養液中分離、精製有關產品的過程。

1 生化分離工程 -生化分離工程

 

2 生化分離工程 -正文

  生物化學工程的一個組成部分。生物化工產品系通過發酵過程、酶反應過程或動植物細胞大量培養獲得。從上述培養液或反應液中分離、精製有關產品的過程即稱為生化分離工程或稱下游加工過程(downstream pro-cessing),它由一些化學工程的單元操作組成, 但由於生物物質的特性,有其特殊要求,而且某些單元操作在一般化學工業中應用較少。
  培養液是複雜的多相系統,其中所含欲提取的生物物質濃度很低,而雜質含量卻很高,特別是基因工程產生的許多新的蛋白質常常伴有大量性質相似的雜質蛋白質,使分離、精製工作非常困難。同時在總成本中,下游加工費用常占很大比例,在50%~70%之間,因此無論從技術、還是從經濟方面,生化分離工程都引起重視。下游加工過程的一般步驟(見圖)包括提取和精製。

生化分離工程生化分離工程

  提取  包括培養液(如發酵液)的預處理和細胞的破碎和分離。
  培養液的預處理  培養液預處理的目的在於改變培養液的性質,使其便於過濾和提取。一種有效的方法是加入絮凝劑,使細胞或溶解的大分子化合物聚結成較大的顆粒。無機絮凝劑有硫酸鋁、氯化鈣、氯化鐵、鹼式氯化鋁等。有機絮凝劑有聚丙烯醯胺、聚丙烯酸鈉、聚季銨酯等中性、陰性和陽性的絮凝劑。高聚物的分子量對絮凝效果有很大影響。由於細胞表面常帶負電,因此處理培養液常用陽離子絮凝劑,但有時細胞表面也可以吸咐陽離子變成帶正電的。還可在生物活性物質穩定性的範圍內,利用酸化、加熱、加入助濾劑,或把幾種方法結合起來,能使過濾速度大大加快。
  一種新的過濾方法,是利用超過濾膜進行錯流過濾,此時無濾餅形成,對細菌懸浮液,濾速可達 67~1181/(m2·h)。
  細胞的破碎和分離  細胞破碎的方法有機械、生物和化學等各種方法。大規模生產中常用高壓勻漿器和珠磨機。前者利用液相剪切力和與固定表面撞擊所產生的應力;後者利用固相剪切力,兩者機理不同,可相互補充。
  細胞碎片分離通常用離心分離的方法,但非常困難,因為顆粒減小,密度差也減小,同時有高聚物分泌出來,使粘度增加。一種新的辦法是雙水相萃取法。由於高分子聚合物的不相容性,使兩種高聚物的水溶液(含鹽或不含鹽)可以分成兩相甚至多相,例如聚乙二醇與葡聚糖等的水溶液。細胞顆粒或蛋白質分子可在兩相間進行分配。影響分配係數的因素有高聚物的種類和濃度、高聚物的分子量、離子的種類、離子強度、pH值和溫度等。
  精製  生化產品精製的方法常用沉澱、萃取、吸附和離子交換以及超濾等。
  沉澱法  溶解的蛋白質由於表面電荷或極性基團所形成的水化層而達到穩定。加入高濃度的無機鹽,如硫酸銨,可使蛋白質沉澱。其定量關係可用科恩方程式表示:lgSβ-kI式中S代表溶解度;I代表離子強度;βk是常數。β與溫度、pH值有關,k決定於加入鹽的種類。調節pH至等電點也可使蛋白質沉澱,此時科恩方程式仍適用,但β在等電點時有極小值。加入有機溶劑也可使蛋白質沉澱,但會使蛋白質失活,所以應在低溫下進行。也可加入非離子型聚合物,如聚乙二醇和聚電解質(絮凝劑)。分子量為40000~60000的聚乙烯亞胺是常用的沉澱劑。
  萃取法  用通常的有機溶劑萃取法提取酶等蛋白質是不合適的,因為酶容易失活。應用雙水相萃取法可避免這種困難。已成功地應用來提取甲酸鹽脫氫酶,α-葡糖苷酶和支鏈澱粉酶等,但此法的最大困難是PEG、葡聚糖等價格較貴,一些新的萃取方法,如液膜萃取和超臨界流體萃取也正在開始研究應用於生物工程中。
  吸附和離子交換  廣泛用於抗生素和氨基酸提取。
  用一般的離子交換樹脂吸附酶等蛋白質是有困難的,因為酶在吸附、解吸過程中易破壞。將樹脂的骨架由憎水性改為親水性,如由經過加工的纖維素所製得的離子交換劑,則可用來提取蛋白質。
  液體離子交換樹脂多數是分子量為250~500的胺或有機酸。使用時,將它溶於一種有機溶劑中,欲提取的溶質就從水溶液選擇性地移向有機相。例如頭孢菌素 C可以用液體離子交換劑進行提取。
  超濾法  主要用於胞外酶的濃縮和去除低分子量的雜質。在超濾時,隨著溶劑的透過膜,保留液的體積逐漸減少,粘度逐漸增大,不利於超濾的繼續進行。如果不斷加入水或緩衝液,以保持原來的體積,就可避免這個缺點。這種操作稱為透析過濾法。酶經過超濾后常引起失活,其原因還不十分清楚,可能有下列幾種:①Ca2+、Zn2+等低分子的穩定劑被除去;②由於流過薄膜時的剪切力;③膜的吸附作用。在超濾時,加入可溶於水的聚電解質,可以使酶穩定。
  色層分離  隨著重組DNA技術的發展,新的蛋白質不斷出現,純化這種蛋白質對色層分離技術提出更高的要求。用於分離無機離子和低分子量有機物質的色層分離介質已不能適用。用於分離蛋白質的介質的母體必須有足夠的親水性,以保證有較高的收率,同時應有足夠的多孔性,以使大分子能透過,和足夠的強度,以便能在大規模柱中應用。此外還應有良好的化學穩定性和能引入各種官能團,如離子交換基團、憎水烴鏈、特殊的生物配位體或抗體等,以適應不同技術的要求。工業上適用的母體有天然、半合成或合成的高聚物,如纖維素、葡聚糖、瓊脂糖、聚丙烯醯胺等。親水凝膠的一個固有缺點是強度不夠,當放入柱中使用時,會發生變形,使壓力降增大或流速減小。這個困難可通過改進柱的設計來補救。要增大分離能力,可以增大柱徑而不是柱高。分級柱可使壓力降在流速高時限制在某一水平。採用均勻、球形的分離介質可使壓力降減小。強度較好的分離介質和層析柱設計的化工問題的解決是色層分離法工業化的關鍵。聯邦德國生產的1501不鏽鋼分格柱和瑞典生產的KS370分段色層柱(每段容量161,可根據需要增加或減少段數),都已用於工業。

 

3 生化分離工程 -配圖

 

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