一、生物分离工程的概念
生物分离工程指从发酵液、动植物细胞培养液、酶反应液和动植物组织细胞与体液等中提取、分离纯化、富集生物产品的过程，为提取生物产品时所需的原理、方法、技术及相关硬件设备的总称。因为它处于整个生物产品生产过程的后端，所以也称为生物工程下游技术（downstream processing）。
生物技术的主要目标是生物物质的高效生产，而分离纯化是生物产品工程的重要环节。
因此，生物分离是生物技术的重要组成部分。在生物技术领域，一般将生物产品的生产过程称为生物加工过程，包括优良生物物种的选育、基因过程、细胞工程、生物反应过程（酶反应、微生物发酵、动植物细胞培养等）及目标产物的分离纯化。生物分离工程包括目标产物的提取、浓缩、纯化及成品化等过程。生物分离过程特性主要体现在生物产物的特殊性、复杂性和对生物产品要求的严格性上，其结果导致分离过程成本往往占整个生产过程成本的大部分。例如，大多数工业酶的分离过程成本约占生产过程的70％，而对纯度要求更高的医用酶，如天冬酰胺酶，分离过程成本高达生产过程的85％；基因重组蛋白质药物的分离过程成本一般占85％~90％以上。与此相比，小分子生物产物的分离成本较低，如青霉素的分离过程成本约占50％，而乙醇的分离过程成本仅占14％。因此，在生物大分子药物的生产过程中，分离过程的质量往往决定了整个生物加工过程的成败。开发高效的分离技术、设计合理的生物分离过程可大幅度降低生物加工过程成本，提高产品的市场竞争力，促进人类健康水平和生活质量的提高以及社会经济的发展。然而对其的研究则不如上游技术那样积极而富有成果。不过这种情况正在得到很大的改变，分离纯化技术在生物技术产品的产业化过程中的重要作用已为人们所认同，对其研究也日趋活跃，并且得到更大的重视。
二、生物分离工程的发展过程
生物分离与纯化技术至今已有几百年的历史。16世纪出现了用水蒸气从鲜花与香草中蒸馏提取天然香料的方法。而从牛奶中提取奶酪的历史则更早。近代生物分离与纯化技术是在欧洲工业革命以后逐步发展形成的。19世纪60年代，由于微生物功能的发现，生物技术产业进入了近代酿造产业阶段。20世纪40年代初，开始大规模深层发酵生产抗生素，反应粗产物的纯度较低，而最终产品要求的纯度却很高，进而因为大型好气性发酵装置的开发和化工单元操作的引进，酿造产业扩展为发酵产业。同时，化学工业中的分离方法约有80％在生物技术产品的生产中得到应用。80年代以来，由于基因工程、酶工程、细胞工程、微生物工程等的迅速发展和新的分离与纯化方法的出现，推动了现代生物技术产品的研究和开发（如基因工程人胰岛素、干扰素、动物疫苗等）。可以预计，随着生物工程技术的不断进步、工程学理论研究的不断深入、材料科学发展带来的新分离原理的采用、机械制造水平提高导致的分离纯化设备性能的增强，一个门类众多、品种齐全、品质优良、技术先进、应用广泛的现代生物工程产业必将会屹立于世界产业之林。
【知识拓展】
近代生化分离技术与瑞典Uppsala大学
生化分离技术对生物技术和生物学的发展起着重要的作用，而近代生化分离技术与瑞典Uppsala大学密切相关。瑞典Uppsala大学对生化分离方法的研究最早起源于Svedberg教授。在20世纪20年代初，Svedberg在Uppsala大学物理化学系首先采用超高速离心分离技术分离蛋白质等生物大分子。1924年，Svedberg发明了超高速离心机，并且首次从血液中分离出血红蛋白。1926年，Svedberg由于超高速离心机的发明及血红蛋白的发现获得诺贝尔化学奖。
1925年，23岁的Arne Tiselius大学毕业后，做了Svedberg的研究生。当时Svedberg认识到蛋白质的物理性质不但可以在离心场中观察到，而且有可能在电场中研究。因此，他鼓励Tiselius从事移动界面电泳法的研究。1930年，Tiselius首先发明了一种U形管自由移动界面电泳装置，之后Tiselius对该装置进行了改进，如采用冷却系统消除热扩散等。
当时蛋白质的检测非常复杂，检测结果主要采用照片拍照的方式获得。之后Tiselius的学生Philpot和Svensson发明了一种紫外光学系统，用于检测蛋白质，成功地将蛋白质浓度变成了色谱峰，即现在常用的紫外监测器的雏形。
1937年，Tiselius推出了新的电泳装置。Tiselius采用新的移动界面电泳装置从血清蛋白粗品中分离出血清蛋白及三种球蛋白，他将这三种球蛋白分别命名为α-、β-、γ-球蛋白。
同年，Uppsala大学因为Tiselius的工作专门成立了生物化学系，Tiselius成为生物化学系的第一位教授。
20世纪40年代后，Tiselius开始了色谱分离技术的研究。1956年，Tiselius首先发明了羟基磷灰石，系统研究了吸附色谱的规律，建立了至今仍在应用的三种色谱洗脱方式（洗脱、前沿及置换），并首先将梯度洗脱引入色谱。由于在色谱及电泳方面的杰出贡献，1948年Tiselius获得诺贝尔化学奖。
20世纪50年代后，Uppsala大学生物化学系在新型生化分离技术研究上进入了一个黄金时代。1959年发明了凝胶过滤，60年代发明了等电聚焦、凝胶电泳，以及70年代发明的金属亲和色谱分离技术和毛细管电泳技术等，培养了一大批世界著名的教授，如凝胶过滤的发明人Jerker Porath、毛细管电泳的发明人Stellan等。而且Tiselius的许多学生进入了工业界，参与了瑞典两大生物技术公司Pharmacia和LKB及美国的Bio-Rad公司的建设，如1950年Kirstie Granath在Pharmacia建立了物理化学实验室，1953年在电泳领域颇有建树的Svensson成为LKB的研究开发部主任，1954年Sephadex的发明人Per Flodin成为Pharmacia的葡聚糖实验室主任，1955年Bertil在Pharmacia建起了生物化学实验室。
这些任命不但加强了工业界和Uppsala大学生物化学系的联系，而且加速了科研成果向企业界的转化，给企业带来了巨大的财富，如Pharmacia公司1983年年销售额的三分之一是从生化分离技术（介质）中获得的。LKB的主要产品如色谱、电泳的技术都来自Uppsala大学。美国Bio-Rad公司的色谱介质Biogel A、Biogel P及毛细管电泳技术也是来自Uppsala大学。世界范围内生化分离的色谱介质（软介质）及电泳装置的技术均主要来自Uppsala大学。因此20世纪60年代到80年代，Uppsala大学生物化学系被国际学术界称为“Uppsala分离技术学院”。
【知识拓展】
葡聚糖的发现
1941年，23岁的Ingelman从Uppsala大学毕业后，做了Tiselius的研究生。Tiselius让他接手一个瑞典制糖厂的项目，从甜菜糖中分离出果胶，以替代进口果胶。当时由于第二次世界大战，果胶极为缺乏，Ingelman意外地发现其提取的果胶中存在另一种多糖——葡聚糖。为了提高葡聚糖的成胶性，Ingelman采用一种双功能基团交联剂——氯代环氧丙烷进行交联，得到了一种不溶于水，但在水中溶胀的凝胶。他将有关结果报告给制糖公司，但制糖公司对这种水不溶性凝胶并不感兴趣，因此Ingelman于1946年放弃了这个成果的专利申请。但Ingelman发现这种凝胶能够渗透一些物质而排斥另一些物质，有可能用于医药，因此他没有公开发表有关内容。1946年他进入Pharmacia后，继续葡聚糖的研究。
1947年，Pharmacia推出了第一个基于葡聚糖的浸剂溶液（商品名Macrodex）。1950年，Pharmacia由Stockholm搬到了Uppsala，同时Ingelman被任命为葡聚糖研究室主任，之后Pharmacia开发了许多葡聚糖产品，成为世界上生产葡聚糖最大的厂家。
【知识拓展】
琼脂糖的发现和Sepharose
1961年美国的Polson首先将琼脂糖用于垂直柱电泳中，但由于琼脂有很多带电基团，对电泳产生干扰，导致重复性不好。20世纪60年代初，Uppsala大学生物化学系的Stellan开始研究琼脂。通过文献检索和实验，他发现琼脂是由琼脂糖和琼脂果胶组成，琼脂中的带电基团是琼脂果胶引入的。其实这一结果早在1937年首先由日本学者Araki发现，Araki在一篇文章中阐述了琼脂是由两部分——琼脂糖和琼脂果胶组成，但由于这篇文章发表在日文杂志上，因此很少有人知道。Stellan从琼脂中分离出琼脂糖，并且将琼脂糖制成了凝胶球，成功地建立了琼脂糖凝胶电泳。同时，Hjerten意识到新做成的琼脂糖凝胶很有可能用于凝胶过滤。经过实验，Stellan发现琼脂糖凝胶完全可以用作色谱介质，因而发明了琼脂糖凝胶色谱。Stellan先和LKB商量申请专利，但LKB由于经费原因放弃了专利权。而后Stellan又建议Pharmacia公司申请专利，但Pharmacia当时对琼脂糖凝胶不感兴趣，Stellan只好将这个研究成果公开。Stellan将琼脂糖凝胶用于电泳，取得了很好的分离效果。之后Stellan又研究了聚丙烯酰胺凝胶，发现这种凝胶用于电泳，可以分离许多蛋白质，从而奠定了凝胶电泳的基础。
美国的Bio-Rad公司根据这一结果制备凝胶，商品名为Biogel A。之后Pharmaicia意识到这种凝胶的重要性，开始生产这种凝胶，商品名为Sepharose，取Separation、Pharmacia和agarose的字头或字尾。但普通的琼脂糖凝胶稳定性较差且容易压缩，20世纪70年代初Porath和Jan Christer Janson等对琼脂糖凝胶进行交联，生产了今天常用的交联Sepharose Cl，并且将琼脂糖交联技术申请了专利，从此交联型Sepharose成为Pharmacia的主要产品。70年代后Sepharose的衍生物如离子交换树脂问世，80年代Pharmacia开发了高度交联的Fast Flow Sepharose介质和Superose，从而奠定了Sepharose在生化分离中的盟主地位。
三、生物分离工程的研究内容
生物工程技术的主要目标是生物产品的高效生产，其中生物分离工程是完成生物产品分离纯化、得到高质量商品的重要环节。生物分离工程研究的内容就应该包括两方面：一是研究目标产品及其基质的性质；二是研究根据产品及基质选择合适的分离纯化技术，包括对基本技术原理、基本方法、基本设备的研究。
（一）生物分离工程主要目标产品类型
生物分离过程主要针对两方面的产品：一是直接产物，即由发酵直接生产，分离过程从发酵罐流出物开始；二是间接产物，即由发酵过程得到细胞或酶，再经转化和修饰得到产品。
这些产品可按相对分子质量大小分类，也可按产品所处位置分类。相对分子质量小于1000的，如抗生素、有机酸、氨基酸等；相对分子质量大于1000的，如酶、多肽、蛋白质等。不被细胞分泌到胞外的胞内产品，如胰岛素、干扰素等；在胞内产生又分泌到胞外的胞外产品，如某些抗生素和酶等。不同类型的产品对分离纯化的要求不同，所采用的分离纯化技术也不同。
对这些产品性质的深入了解，有助于有效选择分离纯化技术。
（二）生物分离工程技术原理的探讨
分离是利用混合物中各组分在物理性质或化学性质上的差异，通过适当的装置和方法，使各组分分配至不同的空间区域或者在不同的时间依次分配至同一空间区域的过程。分离只是一个相对的概念，我们不可能将一种物质从混合物中百分之百地分离出来，但追求尽可能高纯度、高效率的分离纯化是生物分离工程研究的重要内容。对分离技术原理的探讨和不同分离原理的组合研究，是开发高效率分离纯化新技术、新介质的基础。
（三）生物分离工程设备的研究
生物分离工程设备是实现生物工程产品高效率分离和纯化的基本保障，对分离设备性能、选择原则的研究有利于开发新设备。
（四）生物分离操作过程的设计与优化