基于纳微界面调控的生化分离选择性传质机理与新工艺研究

生化分离过程中纳微尺度上的界面现象是国际关注的热点之一。本课题以生化分离中三相及多相萃取过程为核心，研究分子尺度相界面结构形成的新机制、新规律，探讨该过程中纳微结构界面的形成机理与稳定规律，提出调控生物化工分离过程的新概念和强化传质新过程。从纳微尺度界面分子相互作用的角度出发，总结生物化工分离过程的特点和规律；在此基础上，提出面向生物化工分离的最佳集成工艺和过程，发展气助三相萃取及超顺磁性预分散技术；进一步建立纳微尺度结构与性能关系，为生化分离的新技术发展提供理论基础。通过对化工过程中纳微结构界面的预测和调控，可以实现化工反应与分离等多单元的有机耦合和过程强化，推进绿色高效分离新方法的发展。

生物产品多组分高效分离提纯是生物技术实现产业化的关键。通过对生化萃取分离过程中纳微界面现象的形成机理和调控规律的研究，对解决生化分离过程机理与现象具有重要意义。.项目研究内容为：①嵌段共聚物胶团化机理及其与生物分子间相互作用的分子尺度机理；②液-液微分散液滴稳定性及其膜分散青霉素G反萃；③基于纳微结构界面调控的气助三相萃取技术用于天然产物分离；④基于纳微结构界面调控的气助超顺磁性萃取工艺用于蛋白分离。通过以上研究内容，获得了主要结果及进展如下：.①利用NMR和等温滴定微量热技术从分子水平研究了PEO-PPO-PEO嵌段共聚物与六肽(GHRP-6)、谷胱甘肽Glu以及没食子酸的作用机理。嵌段共聚物PPO链段与小分子的疏水端发生疏水作用，PEO链段与六肽的部分酰胺键和氨基发生分子间氢键作用；羧基基团能与嵌段共聚物PEO链段形成分子间氢键。分子水平相互作用的研究为纳微界面的形成机理认识奠定了基础。.②不同亲水性溶剂可以调控正十二烷液/液微分散液滴的尺寸。溶剂对表面电位影响的强弱顺序是甲醇<乙醇<丙醇。基团对表面电位影响的顺序是羟基<羰基<腈基；使用陶瓷膜微分散进行青霉素G的反萃，可实现反萃效率99%以上，青霉素的降解率仅有0.5%。与传统的反萃相比降解率下降至少50%。.③采用大黄提取液的蒽醌组分为分离对象，采用气助三相萃取分离大黄酸和大黄素。大黄素和大黄酸的回收率可分别达到99%和97%，有机相大黄素的质量分数和聚合物相大黄酸的质量分数可分别达到97%和95%，大黄素和大黄酸的富集因子分别达到15和30。气助三相萃取强化了三相萃取的传质过程，消耗更少的萃取剂，大幅度提高了大黄素和大黄酸的分离因子和富集因子。.④新型气助超顺磁性萃取新工艺中，间歇操作分别以BSA及BSA/BHb混合蛋白作为体系，1分钟可对500mL萃取了BSA或BHb的磁颗粒实现20-50倍富集。连续操作可对BSA/BHb混合蛋白溶液实现20L/h 处理量的分离。目前该工艺的连续化萃取系统已成功用于蛋白质的大规模分离，并于湖北莱福特生物科技有限公司成功进行技术示范。