膨胀床的应用.doc

膨胀床技术及应用 摘要：本文着重介绍了膨胀床技术的发展、具体原理及常用的吸附剂及其制备方法，并对其在生物分离过程中的应用作了简单的介绍。 关键词：膨胀床 生物分离、吸附剂、层析 1 膨胀床技术发展概况 膨胀床是稳定无返混的流化床，它可直接从料液中吸附目标产物，不需预先除去料液中的颗粒。膨胀床将料液的澄清、浓缩和初步纯化集成于一个单元操作中，大大降低了分离过程的复杂程度,提高分离效率。吸附剂的物性、膨胀床装置、料液的性质以及操作条件等因素对膨胀床的稳定和分离效率有很大的影响。 层析技术是生化分离中最常用的方法之一，传统层析的最大缺点是不能处理含固体颗粒的料液，为了改进这种不足而采用的最简单方法是把层析吸附剂直接与原料液在搅拌罐中混合来吸附目标产物[1]和流化床吸附。但是这些方法分离效率并不高，为了使分离过程更趋合理,一种称之为膨胀床(Expanded Bed)的新型层析技术在九十年代问世，它通过改进吸附剂本身的物理性质和经过对层析柱的仔细设计，得到了稳定和无返混的流化床,能比较容易地让固体颗粒通过填料层，又可以填充床的模式来吸附目标产物。1990年，Draeger和Chase[2]设计了一个特别的液体分布器，采用传统的琼脂糖层析介质形成了膨胀床。用这套装置处理蛋白质和细胞混合液，颗粒流过层析剂床层而不造成堵塞，其层析性能基本与填充床相同。1993年，Dasari等[3]把以无定形硅为基质的商用吸附剂用于形成膨胀床。同时，Pharmacia Biotech公司专门设计和制造了吸附剂和膨胀床装置，取名为STREAMLINE[10]所发明的吸附剂，其内核为密度较大的石英晶体，外面包了一层琼脂糖基质，吸附剂的密度增加幅度可以调节，吸附剂的粒径也可根据需要来制备，这样既能保证层析在高流速下运行，又不影响介质的吸附性能。Pharmacia Biotech公司的这一成功，使得运用层析技术直接从料液中吸附和初步纯化目标蛋白成为可能。这种膨胀床技术可以把生物制品下游过程中的预处理、浓缩和产物捕获几个步骤集成于一个单元操作中，碱少了操作步骤，提高了产品收率，降低了纯化费用和资本投入。 随后的研究表明，扩张床吸附层析可直接从原料液中吸附并初步纯化目标蛋白，它把澄清、浓缩和初步纯化几个步骤集成于一个单元操作中，减少了操作步骤，提高了产品收率，减少了纯化费用和资本投入；因此McCormick[4]称扩张床是近几十年来出现的第一个新的单元操作。该技术一问世便受到各国生物分离纯化技术专家的重视，1996年Chase教授在英国剑桥大学主持召开了首届扩张床吸附层析技术的国际学术会议。 从目前的研究发展趋势来看，生化分离技术研究的目的仍然是力求缩短整个下游过程的流程和提高单项操作的效率 ，由过去的局部改进的思路慢慢地转变成全局观念来看问题。国内外许多专家认同了这种转变，并一致认为分离纯化技术的开发可以从两个方面着手：其一，继续研制一些适用于生化过程的新型单元分离技术；其二，进行各种分离技术的耦合或集成化。 2 膨胀床分离技术 2.1 膨胀床装置 色谱柱对形成稳定的膨胀床层起着很大的作用。膨胀床吸附层析与传统层析的装置基本相似，最大的区别在于膨胀床层析柱底部和上端分别有一个液体分布器和床层调节器。为了保证流体以平推流的形式流过柱子，膨胀床液体分布器是经特殊设计的。床层调节器是一个可以上下移动的盖子，用来调节膨胀床操作过程中各个不同阶段的床层高度。 2.2 膨胀床的特点 膨胀床综合了流化床和填充床层析的优点，与传统层析的操作方式不同，膨胀床料液是从床的底部进入，利用流体向上流动产生的速度和浮力，床内的吸附剂不同程度地向上浮动而引起膨胀。此时由于吸附剂的膨胀，吸附剂之间空隙率增大，足以使料液中的细胞、细胞碎片等固体颗粒顺利通过床层，达到除去这些颗粒的目的。又由于填料层处于相对稳定，料液流动为平推流，所以料液中的目标蛋白基本上按填充床的模式被吸附在吸附剂上膨胀床与常规流化床的虽显著差别在于它的轴向分散程度很小。许多研究结果表明STREAMLINE介质的液相轴向分散系数与填充床的为同一数量级(10-6·m2·s-1)，说明流体近似以平推流流过膨胀床，其吸附穿透曲线与填充床也非常相似。 2.3 吸附基质 2.3.1 吸附基质发展史 膨胀床吸附基质应易于流态化，并能实现稳定的分级。膨胀床操作时，床层高度一般要达到堆积高度的2-3倍，有时可能更高。这就要求流速和扩张度有较严格的关系，这一关系又依赖于介质的物性，主要是介质颗粒的尺寸及分布、密度及分布、透水性等。高交联度琼脂糖凝胶是较早采用的介质，它最适合吸附蛋白质类大分子，但因其密度较小，许用线流速较低，在需要的膨松度下流速只有l0-30cm/h[5]分离速度不快。HA.Chase等曾推荐过全氟碳化物乳胶[6]