在反應過程移走產物的過程稱作產物原位轉移(in situ Product Removal,ISPR),通過將生物反應與生物分離過程耦合來實現ISPR,即反應-分離耦合。
實施ISPR技術後,由於產物被及時移走,可以在以下三個方面強化生產過程:
(1)克服產物抑制,使產物以最大速率連續合成;
(2)將產物在轉化過程中的降解或逃逸(如揮發)等損失降到最低;
(3)減少下遊分離步驟。
ISPR技術只能針對胞外產物,因為目前的生化分離技術還不能在不影響細胞活性的情況下移除胞內產物。
ISPR技術除了可解除目標產物的抑制外,也可用於在位移除對生化反應具有抑制效應的副產物,如乙醇、乳酸等。
ISPR技術中分離工藝設計依據:目標產物與環境介質之間理化性質的差異以及分離工藝的生物相容性(分離過程不影響生物催化劑活性)。
Freeman等提出五個基本的產品特性來選擇合適的分離工藝,包括:
(1)揮發性(沸點小於80 ℃);
(2)疏水性(log Poct>0.8);
(3)分子量(小於1000 Da);
(4)帶電性;
(5)對特定物質的親和性等。
在位分離產物可采用五種主要分離技術:
(1)蒸發:包括汽提,(真空)蒸餾和基於膜的滲透蒸發(pervaporation)或透膜蒸餾(transmembrane distillation)。
(2)萃取:包括水-有機兩相、雙水相或超臨界液體萃取。在油水兩相界面可加膜,即滲透萃取(perstraction)。
(3)分子滲透:包括透析、電滲析、反滲透、納濾等。
(4)吸附:包括疏水吸附、親和吸附、離子交換等。
(5)沈澱:帶電的產物可與帶相反電荷的物質結合產生沈澱而實現分離,如有機酸與鈣(石灰)沈澱。