從古至今，人類都沒(méi)有放棄對(duì)發(fā)酵工程的研究，在現(xiàn)代生物工程技術(shù)中它是一種“舊改新”的技術(shù)，同時(shí)生物分離也是生物產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化的必經(jīng)之路，分離效率直接決定產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，因此生物工業(yè)下游技術(shù)的發(fā)展日益受到研究者的重視。

從廣義上講，發(fā)酵工程由三部分組成：上游工程，發(fā)酵工程和下游工程。其中，下游工程指從發(fā)酵液中分離和純化產(chǎn)品的技術(shù)：包括固液分離技術(shù)（離心分離，過(guò)濾分離，沉淀分離等工藝）；細(xì)胞破壁技術(shù)（超聲、高壓剪切、滲透壓、表面活性劑和溶壁酶等）；蛋白質(zhì)純化技術(shù)（沉淀法、色譜分離法和超濾法等）。

因而，如何從混合原料中高效、快速、特異捕獲目標(biāo)物質(zhì)是下游技術(shù)的首要解決問(wèn)題？本文對(duì)其中的固液分離技術(shù)的原理、方法和設(shè)備做一綜述。

1、目標(biāo)物在胞內(nèi)，通過(guò)固液分離才可以收集胞內(nèi)產(chǎn)物的細(xì)胞或菌體，除去液相；

2、分離除去細(xì)胞碎片、獲得胞內(nèi)的目標(biāo)物；

3、目標(biāo)物在液相，通過(guò)固液分離收集含生化物質(zhì)的液相，除去固體懸浮物，如細(xì)胞、菌體、細(xì)胞碎片，蛋白質(zhì)的沉淀物和它們的絮凝體等(比如抗生素等小分子的分離)。

1、傳統(tǒng)的固液分離適用于物理狀態(tài)不同的固液混合體；

2、從發(fā)酵液中除去菌體細(xì)胞；

3、除去細(xì)胞裂解后的細(xì)胞碎片；

4、沉淀出的蛋白質(zhì)或其它無(wú)機(jī)鹽等物質(zhì)；

5、因而有時(shí)需要通過(guò)凝聚或絮凝等創(chuàng)設(shè)條作加固形物。同時(shí)，也降低了粘度；

6、現(xiàn)在基于粒度不同：膜技術(shù)、雙水相萃取、擴(kuò)張床吸附等。

從微生物發(fā)酵液或細(xì)胞培養(yǎng)液中提取生化物質(zhì)的重要步驟就是預(yù)處理和固液分離。其目的不僅在于分離細(xì)胞、菌體和其他懸浮顆粒，還希望除去部分可溶性雜質(zhì)和改變?yōu)V液的性質(zhì)，以利于后續(xù)的各步操作。

對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行預(yù)處理可以促進(jìn)從懸浮液中分離固形物的速度，提高固液分離的效率：

加熱法：加熱可降低液體的黏度，根據(jù)流體力學(xué)的原理，濾液通過(guò)濾餅的速率與液體的黏度成反比，可見(jiàn)降低液體黏度可有效提高過(guò)濾速率；同時(shí)，在適當(dāng)溫度和受熱時(shí)間下可使蛋白質(zhì)凝聚，形成較大顆粒的凝聚物，進(jìn)一步改善了發(fā)酵液的過(guò)濾特性。例如，鏈霉素發(fā)酵液，調(diào)酸至PH3.0后，加熱至70℃，維持半小時(shí)，其黏度下降至原來(lái)的1/6，過(guò)濾速率可增大10～100倍。

調(diào)節(jié)懸浮液的PH值：PH值直接影響發(fā)酵液中某些物質(zhì)的電離度和電荷性質(zhì)，因此適當(dāng)調(diào)節(jié)發(fā)酵液的PH值可改善其過(guò)濾特性。此法是發(fā)酵工業(yè)中發(fā)酵液預(yù)處理較常用的方法之一。

凝聚和絮凝：凝聚和絮凝都是懸浮液預(yù)處理的重要方法，其處理過(guò)程就是將化學(xué)藥劑預(yù)先加入到懸浮液中，改變細(xì)胞、細(xì)胞碎片、菌體和Pro等膠體粒子的分散狀態(tài)，破壞其穩(wěn)定性，使其凝結(jié)成較大的顆粒，便于提高過(guò)濾速率，而且能有效地除去雜蛋白和固體雜質(zhì)，提高濾液質(zhì)量。但凝聚和絮凝是兩種不同方法，其具體處理過(guò)程還是有差別的，應(yīng)該明確區(qū)分開(kāi)來(lái)，不可混淆。

（1）凝聚：指向膠體懸浮液中加入某種電解質(zhì)，在電解質(zhì)異電離子作用下，膠體粒子的雙電層電位降低，從而使膠體失去穩(wěn)定性并使粒子相互凝聚成1mm左右大小的塊狀凝聚體的過(guò)程。

▲凝聚示意圖

（2）絮凝：指使用絮凝劑將膠體粒子交聯(lián)成網(wǎng)，形成10mm左右大小的絮凝團(tuán)的過(guò)程。其中絮凝劑主要起架橋作用。采用凝聚方法得到的凝聚體，其顆粒常常只有1mm左右，比較細(xì)小，有時(shí)還不能有效地進(jìn)行分離。而采用絮凝方法則常可形成粗大的絮凝體（10mm左右），使發(fā)酵液較容易分離。

▲高分子凝聚劑混合、吸附和絮凝示意圖

添加助濾劑：助濾劑是一種不可壓縮的多孔微粒，它能使濾餅疏松，濾速增大。這是因?yàn)槭褂弥鸀V劑后，懸浮液中大量的細(xì)微粒子被吸附到助濾劑的表面上，從而改變了濾餅結(jié)構(gòu)，使濾餅的可壓縮性下降，過(guò)濾阻力降低。

常用的助濾劑有硅藻土、纖維素、石棉粉、珍珠巖、白土、炭粒和淀粉等。

添加反應(yīng)劑：通過(guò)添加一些不影響目的產(chǎn)物的反應(yīng)劑，可消除發(fā)酵液中某些雜質(zhì)對(duì)過(guò)濾的影響，從而提高過(guò)濾速率。加入的反應(yīng)劑與某些可溶性鹽類發(fā)生反應(yīng)，生成不溶性沉淀，如CaSO4、 AlPO4等。

添加草酸鹽除去高價(jià)無(wú)機(jī)離子：主要是Ca2+、Mg2+和Fe2+等。

沉淀法：Pro是兩性物質(zhì)，在酸性溶液中，能與一些陰離子如三氯乙酸鹽、水楊酸鹽、苦味酸鹽等形成沉淀，在堿性溶液中，能與一些陽(yáng)離子如Ag+、Cu2+、Zn2+、Fe3+和Pb2+等形成沉淀。

變性法：其中最常用的是加熱法，還有大幅度調(diào)節(jié)PH，加酒精、丙酮等有機(jī)溶劑或一些表面活性劑等方法。

吸附法：加入某些吸附劑吸附雜蛋白而將其除去。

固液分離是生物產(chǎn)品生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的重要單元操作，固液分離可以收集胞內(nèi)產(chǎn)物的細(xì)胞或菌體，分離除去液相；還可以收集含生化物質(zhì)的液相，分離除去固體懸浮物(細(xì)胞、菌體、細(xì)胞碎片、蛋白質(zhì)的沉淀物和它們的絮凝體等)。

因此，培養(yǎng)基、發(fā)酵液、某些中間產(chǎn)品和半成品等都需要進(jìn)行固液分離，其方法很多，傳統(tǒng)的方法是過(guò)濾和離心；現(xiàn)代一種全新的生物分離技術(shù)被提出，即全發(fā)酵液提取，主要用到的方法有膜技術(shù)、雙水相萃取、擴(kuò)張床吸附。

過(guò)濾操作是借助于過(guò)濾介質(zhì)，在一定的壓力差△p作用下，使懸浮液中的液體通過(guò)介質(zhì)的孔道，而固體顆粒被截留在介質(zhì)上，從而實(shí)現(xiàn)固液分離的單元操作。

（1）過(guò)濾介質(zhì)

織物介質(zhì)：又稱濾布，應(yīng)用最廣泛，包括由棉、麻等天然纖維濾布和合成纖維濾布；

粒子介質(zhì)：有硅藻土、珍珠巖粉、細(xì)砂、活性炭、白土等；

多孔固體介質(zhì)：如多孔陶瓷、多孔玻璃、多孔塑料等，可加工成板狀或管狀，孔隙很小且耐腐蝕，常用于過(guò)濾含有少量微粒的懸浮液。

（2）常用設(shè)備

△按操作方式分類：間歇過(guò)濾機(jī)、連續(xù)過(guò)濾機(jī)

△按操作壓強(qiáng)差分類：壓濾、吸濾和離心過(guò)濾

板框壓濾機(jī)（間歇操作）：板框壓濾機(jī)的過(guò)濾推動(dòng)力來(lái)自泵產(chǎn)生的液壓或進(jìn)料貯槽中的氣壓。廣泛應(yīng)用于培養(yǎng)基制備的過(guò)濾及霉菌、 放線菌、酵母菌和細(xì)菌等多種發(fā)酵液的固液分離。

▲板框壓濾機(jī)示意圖

▲板框壓濾機(jī)結(jié)構(gòu)圖

轉(zhuǎn)筒真空過(guò)濾機(jī)(連續(xù)操作)：工業(yè)上應(yīng)用最廣的一種連續(xù)操作的過(guò)濾設(shè)備。轉(zhuǎn)筒真空過(guò)濾機(jī)可吸濾、洗滌、卸餅、再生連續(xù)化操作，生產(chǎn)能力大，勞動(dòng)強(qiáng)度小。其主要適用霉菌發(fā)酵液，對(duì)菌體細(xì)小、黏度大鋪助濾劑。對(duì)于濾餅阻力較大的物料適應(yīng)能力較差。

▲轉(zhuǎn)筒真空過(guò)濾機(jī)實(shí)物圖

▲轉(zhuǎn)筒真空過(guò)濾機(jī)結(jié)構(gòu)圖

過(guò)濾式離心機(jī)：離心過(guò)濾是指藉旋轉(zhuǎn)液體所受到的離心力而通過(guò)介質(zhì)和濾餅、固體顆粒被截留于過(guò)濾介質(zhì)表面的操作過(guò)程。離心過(guò)濾的推動(dòng)力即離心力。

▲過(guò)濾式離心機(jī)結(jié)構(gòu)圖

▲過(guò)濾式離心機(jī)原理圖

對(duì)于濃度較小，粒徑較大，硬度較強(qiáng)的不溶物，可以采用過(guò)濾分離。但當(dāng)固體顆粒細(xì)小而難以過(guò)濾時(shí)，發(fā)酵液不易被過(guò)濾純化，離心操作往顯得十分有效。

離心分離是基于固體顆粒和周圍液體密度存在差異，在離心場(chǎng)中使不同密度的固體顆粒加速沉降的分離過(guò)程。一般動(dòng)植物細(xì)胞的收集、細(xì)胞碎片和沉淀的分離等常用離心分離。

利用離心機(jī)高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力來(lái)實(shí)現(xiàn)分離，具有分離速度快、分離效率高，液相澄清度好等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是設(shè)備投資高、能耗大，此外，連續(xù)排料時(shí)，固相干度不如過(guò)濾設(shè)備。離心機(jī)的樣式有：斜角式、平拋式、管式、蝶式、螺旋式、多室式。

▲斜角式離心機(jī)圖

▲平拋式離心機(jī)圖

▲管式離心機(jī)圖

▲蝶式離心機(jī)圖

▲螺旋式離心機(jī)圖

▲多室式離心機(jī)圖

一種新型的生物分離技術(shù)概念，集成化分離技術(shù)，即對(duì)已有的兩種或兩種以上的單元操作進(jìn)行有效的組合，組成一種有效的單元操作，以達(dá)到提高產(chǎn)品收率、縮短純化步驟、降低純化費(fèi)用和投資成本的目的。

（1）膜技術(shù)

采用膜直接吸附法，經(jīng)一步分離就可達(dá)到過(guò)濾、濃縮和初步純化的效果。該技術(shù)的關(guān)鍵在于膜上連接的配基數(shù)量要大，同時(shí)必須解決膜孔道的污染問(wèn)題。

（2）雙水相萃取

向水相中加入溶于水的某些高分子化合物（如葡聚糖、聚乙醇等）后，形成密度不同的兩相，輕相中富含某種高分子化合物，重相中富含鹽類或另種高分子化合物，從而達(dá)到分離和提純某種高分子化合物的目的。

（3）擴(kuò)張床吸附

向細(xì)胞碎片懸浮液中加入某種固體吸附劑，或者用細(xì)胞碎片懸浮液通過(guò)裝有吸附劑的固定床，即可達(dá)到除去細(xì)胞碎片的目的。主要的問(wèn)題是很難選擇合適的吸附劑，以保證目的產(chǎn)物不被吸附而損失。

由于擴(kuò)張床吸附層析技術(shù)具有集成化分離的優(yōu)點(diǎn)，分離周期短，成本低，在生物產(chǎn)品的分離中應(yīng)用廣泛，特別適用于含有細(xì)胞等固體粒子的粗制品的分離。同時(shí)擴(kuò)張床介質(zhì)的配基主要是離子交換配基、疏水配基以及親和配基，由此，決定了該技術(shù)不再局限于蛋白質(zhì)分離，即擴(kuò)張床技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域在日益擴(kuò)大。

發(fā)酵液的分離純化技術(shù)，在生物工程產(chǎn)品的下游處理過(guò)程中有十分廣闊的應(yīng)用前景，目前通過(guò)我國(guó)科研人員不斷研究、消化、吸收國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)技術(shù)，我國(guó)的固液分離設(shè)備在結(jié)構(gòu)形式、分離效率、自動(dòng)化水平、功能集成、產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性方面已經(jīng)有了質(zhì)的飛躍，近年來(lái)在各行各業(yè)中不斷地被廣泛應(yīng)用。

隨著科技的不斷發(fā)展，無(wú)論是固液分離技術(shù)還是設(shè)備，我國(guó)都將快速縮短與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的差距。