CN1179781C - 生物大分子的电超滤－溶析结晶分离提纯法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种生物大分子的电超滤—溶析结晶分离提纯法，它是首先对原料液进行初级分离，去除悬浮颗粒，然后在外加电场的作用下，对物料进行分离和浓缩；接着进行电超滤和溶析结晶耦合进行精制，最后在结晶罐中，从含晶核的浓缩液里析出晶体。本发明可以取代传统的蒸发过程，在常温下获得生物大分子的晶体。本发明少量有机溶剂的加入可以更有利于晶体的生长，并进一步提高溶质在母液中的回收率。本发明通过引入外加直流电场强化分离过程，有效抑制超滤过程的浓差极化现象，延长超滤装置的使用周期。本发明可以制得纯度很高的目标产物，且处理量大，而有机溶剂的耗用量明显减少。本发明可以实现连续化分离纯化，大大缩短生产流程。

Description

生物大分子的电超滤—溶析结晶分离提纯法

(一)技术领域

本发明涉及多糖、蛋白质等生物大分子的分离纯化技术领域，具体是指一种生物大分子的电超滤—溶析结晶分离提纯法。

(二)背景技术

生物大分子一般是从发酵液或酶反应液或动、植物细胞中分离得到，与一般的化学品相比，生物大分子的分离纯化有以下特点：1.在发酵液、培养液等原料液中生物大分子的含量一般较低；2.原料液是多组分的混合物，分子量分布极广，有核酸、蛋白质、多糖、类脂、磷脂和脂多糖等大分子量物质，也有氨基酸、有机酸和碱等低分子量物质；3.生物大分子的稳定性较差，本身化学性质不够稳定，遇热易变性、遇酸易降解，使得分离纯化条件较为苛刻；4.对最终产品的质量要求很高，生物大分子产品一般是医药、生物试剂或食品等精细产品，必须达到药典、试剂标准和食品规范的要求。

目前，生物大分子的粗品一般可经通过水提取或稀盐、稀碱提取，再经吸附、萃取和沉淀等单元操作进行纯化，其中，最为典型的分离纯化方法是“水提醇沉”法。对粗品的高度纯化一般选择层析、超滤、电泳和沉淀等单元操作，国外有的实验室用连续透析仪透析，方便而且快捷，但其效率的高低又往往取决于粗品的浓度和纯度，而浓缩和结晶则是成品加工中的关键。结晶是一个很重要的化工单元操作，能从杂质相当多的溶液中获得纯度很高的晶体，对于许多物质来说，结晶法分离纯化往往是工业化生产中最经济的方法。但生物大分子的结晶目前还只是个研究热点，由于技术和经济原因，生物大分子物质的分离纯化所适用的操作单元相当有限。

电超滤—溶析结晶法则是在耦合超滤和溶析结晶两过程的基础上，充分考虑了生物大分子物质在水溶液中的带电特性，引入外加电场，从电化学方面强化分离过程，在提高分离纯化效率的同时，延长超滤器的使用周期。电超滤—溶析结晶法可以在有机溶剂加入量减少的情况下，溶质的过饱和度能维持在一个较高的水平，并实现有选择性的结晶，而溶液的粘度不至于明显增大，使膜通量能维持在一个较为理想的水平，溶质的过饱和度得以逐步提高，更有利于晶体的生长，并进一步提高溶质在母液中的回收率。

由于多糖和蛋白质等生物大分子物质具有多种多种多样的功能，在生命现象中参与了细胞的各种活动，因此，对这类物质特性及其功能的研究十分活跃。随着对生物大分子研究的深入，如功能性多糖和功能性蛋白开始被医药、生物试剂或食品等行业所重视。作为生物大分子物质下游加工过程的关键，分离纯化工艺面临超来越高的要求：既要满足产品的规格，又要达到较大的生产规模。

(三)发明内容

本发明就是为了解决上述现有技术中存在的不足之处，提供一种生物大分子的电超滤—溶析结晶分离提纯法。该方法通过不同分离纯化过程的耦合，减少生物大分子物质分离纯化流程中的步骤数，并优化步骤组合，提高产品的回收率、降低生产投资和操作成本；在改善产品质量的同时，提高单元操作的处理能力，实现规模效应；以连续化的分级超滤膜分离工艺改进传统间歇的分级有机溶剂沉淀法，减少处理时间和试剂耗用，并使产物的分子量分布更集中、更均匀。

本发明所述一种生物大分子的电超滤—溶析结晶分离提纯法，其特征是，它包括如下步骤和工艺条件：

第一步、对原料液的初级分离(去除悬浮颗粒)：

离心机分离后取上清液；或者过网筛，取其滤出液；或者用截留分子量稍大的超滤膜或微滤膜进行预滤，取其滤出液；

第二步、在外加电场的作用下，采用超滤膜对初级分离所得的上清液或者滤出液进行分离和浓缩：

主要反应参数为：根据目标产物的分子量大小选用相应截留分子量的超滤膜，范围在5kD～20kD，外加直流电场电压为5V～50V，操作温度为5℃～90℃，操作压力为0.05MPa～0.30Mpa；

第三步、电超滤和溶析结晶耦合进行精制：

按第二步的条件对料液进行电超滤，在电超滤过程中同时添加有机溶剂进行溶析结晶，有机溶剂为乙醇或丙酮，添加有机溶剂时，浓缩液的固形物含量为5％～20％(W/V)，料液的浓缩比(原料液的总体积/截留液体积)为2～10，有机溶剂的添加量为10％～100％(以浓缩液的体积计，V/V)；

第四步、含晶核的浓缩液在结晶罐中析出晶体：

将第三步所得的已含有晶核的浓缩液排入结晶罐，再一次添加与第三步相同的有机溶剂，添加量为10％～60％(以浓缩液的体积计)，同时，对料液进行搅拌，搅拌速度为30r/min～300r/min，等晶体长大后，将含晶体的混合液送入离心机进行离心分离，真空干燥，即可。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1.本发明可以取代传统的蒸发过程，在常温下获得生物大分子的晶体，尤其适用于多糖、多肽、酶制剂及抗生素等热敏性物质的分离与纯化。

2.本发明在超滤浓缩过程中，少量有机溶剂的加入可以改善料液体系的流动特性，膜通量能维持在一个较为理想的水平，溶质的过饱和度得以逐步提高，更有利于晶体的生长，并进一步提高溶质在母液中的回收率。

3.本发明充分利用生物大分子普遍的带电性质，通过引入外加直流电场强化分离过程，有效地抑制超滤过程的浓差极化现象，延长超滤装置的使用周期。

4.本发明可以制得纯度很高的目标产物，且处理量较层析、离子交换或凝胶柱分离等常用纯化手段要大得多，而有机溶剂的耗用量明显减少。

5.本发明可以实现连续化分离纯化，大大缩短生产流程。

实际的应用表明，电超滤—溶析结晶分离纯化法在处理多糖(右旋糖酐)、肽类(大豆肽)及抗生素(妥布霉素)时，均取得较明显效果，不仅提高了处理量，而且产物的纯度也有明显改善。以分离纯化平均分子量为20000的右旋糖酐为例，本发明与超滤法、超滤—溶析结晶法两者相比，膜通量最大，也最为稳定，本发明(外加直流电场电压为25V，乙醇添加量为25％)的平均膜通量比超滤法提高近2倍，比超滤—溶析结晶法(乙醇添加量为25％)提高近1倍。

(四)具体实施方式

下面结合实施例，对本发明做进一步地详细描述。

实施例采用的超滤试验装置为板框式，自制，可外加直流电场，有效膜面积为100cm²，膜腔高度可在0.1～1cm的范围内调整，可任意选用不同材质和截留分子量的滤膜；应用所选用的超滤膜的材质为聚醚砜和磺化聚醚砜；根据处理对象的不同，膜的截留分子质量分别为20kD(处理右旋糖酐40)、10kD(处理右旋糖酐20)、5kD(处理大豆肽和右旋糖酐10)；超滤的工作压力由恒流泵提供，采用全开进口阀门、调节出口阀门的方式来调整超滤的操作压力，实验中的进口压力为0.10～0.30Mpa；外加直流电场由稳压电源提供，电压范围为5～50V。

实施例一电超滤—溶析结晶法用于右旋糖酐20粗品的分离纯化

第一步  对原料液的初级分离

离心机分离后取上清液，离心机转速为3000r/min，离心分离时间为15min；

第二步  在外加电场的作用下对物料进行分离和浓缩

主要反应参数为：选用截留分子量为10kD的超滤膜，外加直流电场电压为5V，操作温度为25℃，操作压力为0.05Mpa；

第三步  电超滤和溶析结晶耦合进行精制

有机溶剂为乙醇，添加乙醇时浓缩液的固形物含量为10％(W/V)，料液的浓缩比(原料液的总体积/截留液体积)为2，有机溶剂的添加量为10％(以浓缩液的体积计，V/V)，其它条件同第二步；

第四步  含晶核的浓缩液在结晶罐中析出晶体

将料桶内的已含有晶核的浓缩液排入结晶罐，再一次添加乙醇，添加量为50％(以浓缩液的体积计)，同时对料液进行搅拌，搅拌速度为30r/min，等晶体长大后，将含晶体的混合液送入离心机进行离心分离，真空干燥，即可。

成品经检测，重均分子量为16000，10％大分子重均分子量不大于20000，10％小分子重均分子量不小于10000。纯度、旋光度、稳定性等指标明显好于目前的临床要求。

注：生产中可将10kD超滤膜的透过液(副产品)作为原料液用于制备右旋糖酐10。

实施例二  电超滤—溶析结晶法用于右旋糖酐40的分离纯化

第一步  对原料液的初级分离

用300目的金属网筛对原料液进行过筛处理，取其滤过液；

第二步  在外加电场的作用下对物料进行分离和浓缩

主要反应参数为：选用截留分子量为20kD超滤膜，外加直流电压50V，操作温度为45℃，操作压力为0.20Mpa；

第三步  电超滤和溶析结晶耦合进行精制

有机溶剂为乙醇，添加乙醇时浓缩液的固形物浓度为18％(W/V)，料液的浓缩比(原料液的总体积/截留液体积)为5，乙醇的添加量为25％(以浓缩液的体积计，V/V)，其它条件同第二步；

第四步  含晶核的浓缩液在结晶罐中析出晶体

将料桶内的已含有晶核的浓缩液排入结晶罐，再一次添加乙醇，添加量为10％(以浓缩液的体积计)，同时对料液进行搅拌，搅拌速度为150r/min，等晶体长大后，将含晶体的混合液送入离心机进行离心分离，真空干燥，即可。

成品经检测，重均分子量为35000，10％大分子重均分子量不大于42000，10％小分子重均分子量不小于30000。纯度、旋光度、稳定性等指标明显好于目前的临床要求。

注：生产中可将30kD超滤膜的透过液(副产品)作为原料液用于制备右旋糖酐20。

实施例三  右旋糖酐10的精制

处理对象为生产右旋糖酐40、右旋糖酐20后所得的副产品(10kD超滤膜的透过液)。小分子右旋糖酐可以用作食品的保鲜剂和临床器官移植的保护剂。但用传统的乙醇分级沉淀法难以制备。

第一步  对原料液的初级分离

用10kD的超滤膜进行分离，取滤过液；

第二步  在外加电场的作用下对物料进行分离和浓缩

主要反应参数为：选用截留分子量为5kD的超滤膜，外加直流电场电压为20V，操作温度为5℃，操作压力为0.30Mpa；

第三步  电超滤和溶析结晶耦合进行精制

有机溶剂为乙醇，添加乙醇时浓缩液的固形物浓度为12％(W/V)，料液的浓缩比(原料液的总体积/截留液体积)为10，有机溶剂的添加量为15％(以浓缩液的体积计，V/V)，其它条件同第二步；

第四步  含晶核的浓缩液在结晶罐中析出晶体

将料桶内的已含有晶核的浓缩液排入结晶罐，再一次添加乙醇，添加量为60％(以浓缩液的体积计)，同时对料液进行搅拌，搅拌速度为300r/min，等晶体长大后，将含晶体的混合液送入离心机进行离心分离，真空干燥，即可。

成品经检测，重均分子量为7000，10％大分子重均分子量不大于10000，10％小分子重均分子量不小于5000。纯度、旋光度、稳定性等指标明显好于目前的临床要求。

实施例四  电超滤—溶析结晶法用于大豆肽的分离纯化

大豆肽的主要成分为分子链不等的各级肽类，分子量分布较广，但主要集中在500～2000之间。相对于大豆肽而言，酶解液中的杂质大多为大分子物质，且较难溶于丙酮中。为此，选用丙酮作为析出剂，对酶解液中的杂质进行结晶(沉淀)处理，并通过超滤膜的选择性将杂质从酶解液中分离出来。与上述实施例不同的是，在本实施例中是将杂质的浓度提高并析出，而目标产物是透过液中的所含的大豆肽。

第一步  对原料液的初级分离

用截留分子量为200kD的超滤膜对大豆分离蛋白发酵液进行分离，取滤过液；

第二步  在外加电场的作用下对物料进行分离和浓缩

主要反应参数为：选用截留分子量为5kD的超滤膜，外加直流电场电压为30V，操作温度为90℃，操作压力为0.15Mpa；

第三步  电超滤和溶析结晶耦合进行精制

有机溶剂为丙酮，添加丙酮时浓缩液的固形物浓度为20％(W/V)，料液的浓缩比(原料液的总体积/截留液体积)为8，有机溶剂的添加量为100％(以浓缩液的体积计，V/V)，其它条件同第二步；

第四步  透过液的浓缩

用真空旋转蒸发器进行浓缩，操作温度先用40℃，待丙酮蒸发出来后选用80℃，将提得浓缩液进行真空干燥，即得成品。

成品经检测，重均分子量为1200，纯度大于75％。

如上所述，即可较好地实现本发明。

Claims (1)

1.一种生物大分子的电超滤—溶析结晶分离提纯法，其特征是，它包括如下步骤和工艺条件：

第一步、对原料液的初级分离：

离心机分离后取上清液；或者过网筛，取其滤出液；或者用截留分子量稍大的超滤膜或微滤膜进行预滤，取其滤出液；

第二步、在外加电场的作用下，采用超滤膜对初级分离所得的上清液或者滤出液进行分离和浓缩：

主要反应参数为：选用的超滤膜截留分子量范围为5kD～20kD，外加直流电场电压为5V～50V，操作温度为5℃～90℃，操作压力为0.05MPa～0.30Mpa；

第三步、电超滤和溶析结晶耦合进行精制：

按第二步的条件对料液进行电超滤，在电超滤过程中同时添加有机溶剂进行溶析结晶，有机溶剂为乙醇或丙酮，添加有机溶剂时，浓缩液固形物含量的重量体积比为5％～20％，料液的浓缩体积比为2～10，有机溶剂的添加量为体积比10％～100％；

第四步、含晶核的浓缩液在结晶罐中析出晶体：

将第三步所得的已含有晶核的浓缩液排入结晶罐，再一次添加与第三步相同的有机溶剂，添加量为体积比10％～60％，同时，对料液进行搅拌，搅拌速度为30r/min～300r/min，等晶体长大后，将含晶体的混合液送入离心机进行离心分离，真空干燥，即可。