生物分离与纯化技术的基本知识

1.2　生物分离与纯化技术的基本知识

1.分离与纯化的原理

生物分离与纯化技术多种多样，并不断发展和变化，目前沿用传统的分类方法居多。机械分离的原理是依据物质的大小、密度的差异，在外力作用下，使两相或多相得以分离。机械分离的特点是相间没有物质的传递，如过滤、沉淀、膜技术等都属于机械分离，适用于非均相物系的分离。传质分离的原理是利用加入的分离剂（物质或能量），使混合物成为两相，在某种推动力的作用下，物质从一相转移到另一相，实现混合物的分离过程，由于此过程在两相间发生了物质传递，故称为传质分离。传质分离既适用于均相混合物的分离，也适用于非均相混合物的分离。但传质分离常需要依靠机械分离的方法来实现液－液、固－液的分离。因此，传质分离的速度和效果也受到机械分离的影响，必须掌握传质分离和机械分离技术，合理运用其原理和方法，使分离与纯化的工艺过程达到生产要求。

对于传质分离过程，若以平衡过程为极限，溶质在两相中的浓度与相平衡时的浓度之差是过程进行的推动力，此类分离过程称为平衡分离，如萃取、吸附、结晶等分离与纯化过程。对于传质分离过程，在压力、浓度、电势等造成的推动力下，以溶质在某种介质中的移动速率差异进行分离，此类分离过程称为速率控制分离，如超滤、反渗透、电泳等分离与纯化过程。

分离与纯化的核心是选择合适的分离剂。分离剂可以是能量的一种形式，也可以是某一种物质，如干燥过程的分离剂是热能，液－液萃取过程的分离剂是溶剂，离子交换过程则将离子交换树脂作为分离剂。

对于不同的混合物，采用的分离方法可能相同，也可能不同；对于同一混合物，也可以采用多种分离方法进行分离；当分离要求发生变化时，所选用的分离剂也会发生变化。对于混合物的分离，有时用一种分离与纯化技术就能完成，但大多数需要用两种以上分离与纯化技术才能实现。另外，为达到技术上可行、经济上合理，也需要将几种分离技术优化组合。因此，对某一混合物的分离工艺过程常常是多种多样的。

2.生物分离的一般工艺过程

一般来说，生物分离过程主要包括4个方面：一是原料液的预处理和固－液分离；二是初步纯化；三是高度纯化；四是成品加工，如图1－1－1所示。但就具体产品而言，其提取和精制工艺要根据发酵液的特点和产品的要求来决定。

3.分离与纯化的分类

几乎所有的分离与纯化技术都是以研究组分在两相之间的分布为基础的，因此常通过状态（相）的变化来达到分离的目的。例如沉淀分离就是利用欲分离物质从液相进入固相而进行分离的方法。溶剂萃取则是利用物质在两个不相混溶的相之间的转移来达到分离与纯化的目的。所以，绝大多数分离方法都涉及第二相。而第二相可以是在分离过程中形成的，也可以是外加的。如蒸发、沉淀、结晶、包含物等，是在分离与纯化过程中欲分离组分自身形成第二相；而另一些分离方法，如色谱法、溶剂萃取、电泳、电渗析等，第二相是在分离与纯化过程中人为地加入的。因此可按下列分类方法分类。

图1－1－1　生物分离与纯化的一般工艺过程(www.xing528.com)

1）按分离与纯化过程中初始相与第二相的状态进行分类

按分离与纯化过程中初始相与第二相的状态，对分离与纯化进行分类，详见表1－1－1。

表1－1－1　分离与纯化的分类

式中：Q、Q₀——分离富集后和富集前欲分离组分的量；

R——回收率，通常小于100%。

在分离和富集过程中，由于挥发、分解或分离不完全，器皿和有关设备的吸附作用以及其他人为的因素会引起欲分离组分的损失。通常情况下，对回收率的要求是，1%以上常量分析的回收率应大于99%；痕量组分的分离应大于90%或95%。

（2）分离因子。

分离因子表示两种成分分离的程度，在A、B两种成分共存的情况下，A（目标分离组分）对B（共存组分）的分离因子的数值越偏离1，分离效果越好。

通常在根据上述准则和实际经验选定了分离方法之后，需要进行的工作是对影响分离的因素的考察。通过试验设计和反复试验，优化分离过程的条件，这一过程需用分离效果的指标（回收率、分离因子等）衡量分离方法和分离条件的优劣，最后确定用于生产的分离方法和条件。