生物分离与纯化技术研究对象与内容

1.1　本课程的研究对象和内容

1.生物分离与纯化技术的基本概念

生物分离与纯化是生物工程产品生产中的基本技术环节。生物产品的自身特征、生产过程的条件限制以及产品的特殊性对产品纯度及杂质含量方面提出了很高的要求，探索高效的生物分离和纯化技术成为生物工程技术领域的一个重要研究方向。生物分离与纯化的目的是从微生物发酵液、酶反应产物、动植物细胞培养液和生物体本身分离并纯化对人类有用的、符合质量要求的各种生物制品。生物制品的质量优劣直接关系到人们的身体健康和生命安全，同时也是衡量生物制品工业生产水平的重要标志之一。进入20世纪90年代，生物科学、生物技术基础研究与化工分离科学、材料科学等相关学科的进步极大地推动了新型高效生物分离技术的发展，同时对生物分离过程特性的研究也逐渐被人们所重视。

2.生物分离与纯化技术的研究对象和内容

本课程主要研究预处理技术、细胞破碎技术、沉淀技术、萃取技术、吸附及离子交换技术、色谱技术、膜分离技术、电泳技术、结晶技术、浓缩与干燥技术等。

生物分离与纯化技术是综合应用化学、物理、生物等基础知识，分析研究各种分离与纯化技术的基本原理、工艺过程及主要影响因素，理解和认识分离与纯化设备的结构和操作，为学习产品生产工艺和从事产品分离与纯化岗位工作奠定基础。

生物制品的生产所用原料种类繁多，生产方法多种多样，使制得的含有有效成分的混合液成分复杂，而且随着对生物制品质量的严格控制，许多新型的分离与纯化技术得到飞速发展和应用。对于从事生物制品生产的高素质、高技能人才，必须掌握生物分离与纯化技术的原理和方法，并能根据混合物的特性和分离要求，选用适宜的技术，组成合理的工艺，更好地完成生物制品的分离与纯化任务。

3.生物分离与纯化技术的特点

生物分离与纯化是从动植物组织、微生物培养产物或细胞培养产物中分离及纯化目的产物的过程。例如，从牛乳中分离乳清、单克隆抗体以及生产疫苗等。这些看似互不关联的产品，其生产过程却有很多共同点。大部分的产物都存在于液相溶液中，而且与其他杂质共存。正是由于存在这一共同特点，才产生了生物分离与纯化这一技术。系统地研究生物分离与纯化过程，能够揭示其内在的分离原理。利用这些原理，我们可以设计目的产物的分离与纯化方法。

由于生物活性物质具有生理活性或药理作用，因此在分离与纯化的过程中必须根据目标产物的特点，在保证其生物机能的前提下进行分离与纯化操作。生物分离与纯化的特点主要体现在以下几个方面。

（1）目的产物浓度低，纯化难度大。

原料液中目的产物的浓度一般都很低，有时甚至是极微量的，如胰腺中脱氧核糖核酸酶的含量为0.04%、胰岛素含量为0.002%，胆红素在胆汁中含量为0.05%～0.08%，但杂质的含量却相对较高，这样就有必要对原料液进行高度浓缩。

（2）活性物质性质不稳定，操作过程容易失活。

生物活性物质的生理活性大多是在生物体内的温和条件下维持并发挥作用的，目的产物大多数对热、酸、碱、重金属、pH值以及多种理化因素都比较敏感，容易失活。外部条件不稳定或急剧发生变化，容易引起生物活性的降低或丧失。因此，为维持生物活性物质的活性，分离与纯化过程的操作条件都有严格的限制。(www.xing528.com)

（3）生物材料中的生化组分数量大，分离困难。

原料液中杂质成分多，甚至目的产物与杂质的理化性质如溶解度、相对分子质量、等电点等往往比较相近，所以分离与纯化比较困难。

（4）生物材料容易变质，保存困难。

生物材料容易腐败、染菌、被微生物的活动所分解或被自身的酶所破坏，甚至机械搅拌、金属器械、空气、日光等对生物活性物质的活性都会产生影响。因此，生物分离与纯化方法的正确选择，对维持目的产物的稳定性起着至关重要的作用。

（5）生物产品质量标准高。

生物产品一般用作医药、食品和化妆品，与人类生命息息相关。因此，要求分离与纯化过程必须除去原料液中的热原及具有免疫原性的异体蛋白等有害人体健康的物质，并且防止这些物质在操作过程中从外界混入。

4.本课程的地位和作用

自然界存在的天然活性成分、化学反应生产的药物、生物发酵和生物技术产品的原始产物，几乎都是混合物，通常需要应用分离与纯化技术处理才能获得各种纯度的中间产品或终产品。因此，天然活性成分、药物、生物产品的分离、提取、精制是生物化学和制药工业的重要组成部分。

如我国的中草药，每味药内含有多种成分，这些成分中发挥治疗作用的往往是其中的某些成分或某一类成分，而其他成分称为无效成分或有毒成分。例如从植物长春花中提取的化学成分长春碱（vinblastine，VLB）和长春新碱（vincristine）是抗癌的有效成分，目前在我国已经生产和临床使用。这两种生物碱在原植物中的含量分别为十万分之四和百万分之一。其中，长春新碱用来治疗小儿白血病，每周只注射1mg的剂量（即相当于2kg原植物）。若将2kg长春花原料做成粗制剂给病人注射是很困难的，并且毒性大而疗效差，现在提取有效成分后降低了毒性，提高了有效成分的浓度，增强了疗效。又如紫杉醇是红豆杉树皮中的成分，其含量为十万分之一，主要用于晚期或转移性乳腺癌、局部晚期或转移性非小细胞肺癌的治疗，每三周注射一次，剂量为175mg/m²（体表面积），需要进行提纯后才能以较小的剂量发挥更好的疗效。

在生物制品企业中，分离过程的装备和能量消耗占主要地位。例如在化学药品生产中，分离过程的投资占总投资的50%～90%，各种生物制品分离与纯化的费用占整个生产费用的80%～90%，化学合成药物分离成本是反应成本的2～3倍，抗生素类药物的分离与纯化费用是发酵部分的3～4倍。可见，生物制品分离技术直接影响着产品的成本，制约着生物制品工业化的进程。

生物制品实际生产中所用到的原料的多样化，使其在生产中遇到的混合物种类多种多样，其性质千差万别，分离的要求各不相同，这就需要采用不同的分离方法，有时还需要综合利用几种分离方法才能更经济、更有效地达到预期的分离要求。因此，对于从事生物制品的生产和科技开发的工程技术人员来说，需要了解更多的分离方法，以便对于不同的混合物，不同的分离要求，考虑采用适当的分离方法。除了对一些常规的分离技术，如蒸馏、吸收、萃取、结晶等过程不断地改进和发展，同时更需要各具特色的新分离技术的发展，如膜分离技术、超临界流体萃取技术、分子蒸馏技术、色谱技术等。

生物制品大型化生产的发展，产生了大量的废气、废水和废渣，对这些“三废”的处理不但涉及物料的综合利用，还关系到环境污染和生态平衡，需要利用分离手段加以处理，使之符合国家对“三废”排放的要求。

总之，在生物制品的研究和生产过程中，从原料到下游产品，直至后续的过程都必须有分离技术作保证。