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扩张床 分离 刘凤珠 概述 扩张床吸附基质 扩张床吸附装置 细胞及碎片对吸附剂性能的影响 扩张床 操作 扩张床 吸附存在的问题及前景 一、概述 扩张床吸附技术是20世纪90年代发展起来的新型蛋白质分离纯化技术 它集过滤、浓缩和初步纯化于一步完成，减少了操作步骤，缩短了操作时间，能提高收率和降低成本。 发酵液或培养液的体积大、黏度高，故处理难、费时多，常使目标蛋白质受到蛋白酶、糖苷酶的作用而被破坏。故第一步操作常常成为整个下游过程的制约步骤。 以流化床吸附技术为基础发展来 20世纪50年代末用流化床吸附提取链霉素，收率提高12％。 80年代末，第一次提出了扩张床的概念。 1993年Amersham Pharmacia Biotech公司设计和生产了扩张床专用的吸附剂和装置 返混程度严重，分离效果、动态吸附容量和收率都低于固定床。 解决办法： 1.在流化床中插入有适当孔径的多孔板，把床层分隔成几节，每一节相当于一个小流化床，减少了节与节之问的返混。缺点：分离能力不如固定床，且体积大，操作条件的范围较窄。 2.采用磁性吸附剂，根据填料的磁性大小，利用外加磁场使这些填料稳定地停留在床层的某一位置，既保持了一定的流化度，也起到了固定床的分离效果。 缺点：设备复杂、昂贵，电磁场所产生的热量不易发散，不能用NaOH清洗，放大困难 扩张床的发现 1990年英国剑桥大学的学者以强碱性交换剂吸附牛血清蛋白，在流化床中，流速控制在使床层扩张到2倍时液固两相的返混都很少；在相同的吸附剂用量和流速下，流化床和固定床的流出曲线相似，说明两者的返混程度近似。这种特殊的流化床状况称为扩张床，第一次提出了扩张床的概念。 Streamline系列 吸附剂的内核是密度较大的石英砂，外面包了一层琼脂糖基质，使其在高流速下能保持稳定的流化态同时不影响介质的吸附性能。 细胞悬浮液具有以下的特点 目标产物浓度普遍比较低； 组分非常复杂，是含有细胞、细胞碎片、蛋白质、核酸、脂类、糖类和无机盐类等多种物质的混合物； 产物易失活，性质不稳定，易被空气氧化、易受微生物污染、易被蛋白酶水解 二、扩张床的吸附原理 发酵液内含有大量的颗粒，这些颗粒要在进行层析前除去。目前除去固体颗粒最常用的方法是离心和过滤。 离心和过滤工艺的缺点： 1.步骤多，累积损失大； 2.操作时间长，目标产物易失活； 3.对微米以下的颗粒，特别是对细胞碎片很难有效除去； 4.投入高速离心机和超滤设备，增加了生产成本。 图9—2是全混釜、流化床、扩张床和固定床的操作模式的比较。其中全混釜上料液处于理想混合时，只相当于一个平衡级，其效率比固定床差。一般液固相分离主要采取固定床方式，料液流经装有层析介质的柱时在介质层中流动基本上呈平推流，返混小，柱效高。但当料液中含有固体颗粒时，由于介质问的空隙很小，颗粒滞留在介质间，造成堵塞，床层的压降增大，最终使吸附无法进行，所以采用这种层析方法之前必须对原料液进行固液分离。 流化床虽然可以直接吸附含颗粒的料液，但存在返混的问题。在粒径呈单分散的流化床中，实验证明固体颗粒几乎可以运动到床层的任何位置，说明存在严重的返混。返混的存在使床层的理论塔板数降低，导致分离能力降低。 扩张床技术综合了流化床和填充床的优点，同时克服了流化床和填充床自身的一些缺陷。扩张床与流化床的最大区别是扩张床中流体以接近平推流的方式流经床层，从而获得良好的分离效果。扩张床和固定床的区别是：扩张床的顶部装有高度调节器，流动相从床底流体分布器输入，床内吸附剂产生膨胀。扩张床具有较高的空隙率，床层压降小，可以允许料液中细胞、细胞碎片等固体颗粒的通过，并且吸附剂的利用率高，分离效率高。 扩张床是利用吸附剂有适当的密度和粒径。当料液从扩张床底部泵入时，吸附剂能在扩张床中膨胀，相互间的空隙增大，形成梯度分布，大而重的颗粒在底部，小而轻的颗粒在上部，这种分层现象限制了颗粒的运动。 条件控制适当时，颗粒分离成层，不相混合。颗粒的轴向混合程度很低，也无沟流，单个颗粒仅在小范围内作圆周运动，液相流动为平推流，得到稳定的扩张床，这种稳定分层的床层是扩张床操作的基础。 当发酵液从柱底进入扩张床时，其中的固体颗粒可以通过床层空隙流出，目标产物被吸附在扩张床内的吸附剂上，实现了料液的初步分离；当吸附剂经过吸附和适当的洗涤步骤后，改变流洗方向，吸附剂沉下，浓缩了的目标产物也以类似层析方法般地洗脱。 使用此方法，产品能一步浓缩纯化，而达到一般的利用离心、过滤等方法来达到的同样效果。 1)最低流化速度 料液自下向上运动，当达到某一速度时，床层开始扩展，称为最低流化速度 2)终点沉降速度 床层继续随流速的增大而不断扩张，吸附剂间隙增大，悬浮颗粒能通过，吸附剂仍能保持不被带出的最大流速 三、