【中国化工报】磁颗粒变身萃取剂圆梦生化分离

　　生化分离是生物化工的一个重要研究领域。新型生物产业的蓬勃发展，对生物产品的分离提出了越来越高的要求，发展多组分的高效分离提纯技术是生物技术实现产业化的关键。中国科学院过程工程研究所在萃取分离方面有着几十年的学科积累，目前，绿色分离工程与环境生物技术创新团队有一群敢想敢干的年轻人手握“接力棒”，在导师刘会洲研究员的指导下，研发一项引领生化分离领域前沿的新技术，杨良嵘是这支科技创新“小分队”的队长。　　 

　　一项引领前沿的新技术  　　 

　　生物技术的革新使产品的大规模分离纯化成为生化工程的核心问题。目前，该领域尚缺乏适合规模化生产的先进提纯工艺技术，发展规模化、高选择性的生物产品分离提纯技术是国家生物产业发展和企业技术革新的迫切需求。　　 

　　对企业来说，生物及工业产品液体量大、液体浓度低，实现浓缩分离能耗高、设备复杂、操作繁琐，采用现有的固液吸附工艺设备难以实现高效连续化分离，因此开发磁性直接捕获技术是生化分离重要的研究发展方向。面对高梯度磁分离器放大受限制、成本增加，且无法真正连续化操作的问题，团队在导师指导下提出新型气助超顺磁性萃取工艺技术，在此基础上又开发出相应的连续化萃取集成装置。　　 

　　据介绍，该工艺主要利用气浮技术将附载及脱附了目标产物的磁颗粒快速高效富集在萃取柱上方，再通过萃取柱上方的磁辊实现萃取过程中磁颗粒的连续流动。由此可将磁颗粒真正作为萃取剂，实现多级萃取及反萃洗脱过程连续化操作，从而实现目的产物的规模化连续分离。整个分离过程快速且无需外加浮选助剂，避免了污染，大大简化了体系，避免了蛋白的失活。 

　　在工艺过程中，他们选用了不同粒径不同表面性质的磁颗粒以及两种蛋白为模型研究体系。间歇操作时，通过无泡沫浮选及有泡沫浮选两种模式及操作条件的控制，在1分钟内对500毫升萃取了蛋白的磁颗粒实现20~50倍的富集；连续化操作时，成功实现了对二元混合蛋白溶液20升/时处理量的分离操作。目前气助超顺磁性连续化萃取集成系统已搭建完成并且一次试水成功。 

　　一场科技创新的攻坚战 

　　如今说起超顺磁性萃取工艺的开发过程，在这支科技创新“小分队”看来那就是一场披荆斩棘的攻坚战。 

　　“知己知彼，百战不殆。”研发开始时，团队选准了磁性载体分离技术为研究方向后，就开始充分调研国内外同行在相关领域的研究成果。经过前期调研他们发现，利用气泡和气液界面的界面张力以及颗粒的界面物理化学性质可以实现对颗粒的捕集。 

　　他们基于此原理提出，将气浮技术与磁性载体分离技术相耦合，发展“气助超顺磁性萃取”新模式。即采用气浮的方法将附载及脱附了目标产物的磁性载体富集到气浮塔顶部，再通过外加磁场从少部分液体里捕集回收磁性载体用于目标产物的洗脱。这样可以发挥磁性载体高选择性、易分离、操作简单以及气浮分离技术能耗低、装置简单、易放大和连续化操作的双重优势，实现生化产品高效节能的规模化选择性分离。 

　　在实施气助超顺磁性萃取这一新模式的过程中，磁性载体的表面性质、溶液组成、蛋白浓度、pH值、离子强度以及气速大小等都会影响气泡对载体颗粒的捕集和携带效果。蛋白与颗粒相对浓度不平衡会引起泡沫夹带的问题，特定萃取柱内连续操作的流量过大还会引起液泛。如何下手开展研究，得到最优工艺操作参数是研究过程中的一大关键。此外，系统集成设备的加工更是要考虑到每个单元操作的气体、液体及颗粒的输送情况，如何能保证各单元及管路顺利连续流动，不发生气封，如何最大限度的简化及美观装置都是此技术开发过程中的重点和难点。 

　　实验时，团队成员通过深入研究不同溶液体系及操作条件下，超顺磁性颗粒与气泡表面的相互作用力规律，进一步探讨了气泡对磁性载体颗粒的吸附性能及吸附机理，为实际工艺操作奠定了理论基础。在此基础上，他们通过多步工艺条件优化实验，得到了气助超顺磁性萃取间歇及连续化操作参数。此外，在装置设备加工过程中，他们还与另外两家加工单位联合，并与相关领域专家多次细致研讨，最终确定了工艺设备及零部件单元加工图纸。 

　　为了将科研成果真正转化为生产力，团队目前正与湖北一家酶生产企业开展合作，进行实际体系的蛋白产品分离，以实现该技术的推广应用。 

（作者：党委办公室/信息中心 刘伟  刊载于《中国化工报》 2013年12月20日 第2版）