固體生物質對擴張床吸附的影響和方法研究.pdf

1、擴張床吸附(ExpandedBedAdsorption，EBA)技術是二十世紀九十年代開發(fā)的一種新型生化分離技術，最大特點是可以從含有固體生物質顆粒(如細胞、細胞碎片)的料液中直接捕獲目標物，集固液分離、濃縮和初期純化于一個單元操作之中，可以縮短分離步驟、減少活性物質損失、提高產(chǎn)品收率、節(jié)省分離成本，體現(xiàn)了生物分離過程的集成化優(yōu)勢。論文在綜述擴張床吸附原理、特點和操作方式的基礎上，集中討論了固體生物質顆粒對擴張床吸附的影響，以及借鑒膠體

2、化學的zeta電位概念來描述靜電相互作用的設想，闡明了擴張床吸附過程設計的特殊性和重要性，提出了本論文的研究思路——建立并完善固體生物質顆粒影響的評價手段，形成合理的擴張床吸附過程設計策略，并采用實例證明該策略的合理性和實用性。 擴張床在吸附過程中必須保持穩(wěn)定分級的流態(tài)化，這是擴張床吸附得以實現(xiàn)的關鍵。細胞或細胞碎片與擴張床吸附劑間的相互作用，必然影響擴張床的穩(wěn)定性，因此論文首先針對擴張床吸附過程的特殊性，采用特殊的示蹤劑，測定

3、含有固體生物質顆粒進料時的停留時間分布(RTD)，以正確評價擴張床在真實進料中的穩(wěn)定性。論文選擇特殊離子(Li+和Br-)作為RTD示蹤物，選用離子選擇性電極實時測定流動相中特殊離子濃度，建立了數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)，考察了離子選擇性電極的工作范圍、響應時間、流速、固體生物質顆粒濃度、脈沖離子濃度和脈沖量的影響，確定了適宜的測定條件。以面包酵母為模型生物質、基因重組E.coli勻漿液為實際應用對象，證明了本論文建立的離子選擇性電極法可以很好

4、進行含有固體生物質顆粒進料時的RTD測定，是一種可以評價真實操作條件下擴張床穩(wěn)定性的有效手段。 “離子選擇性電極RTD分析法”的使用中發(fā)現(xiàn)一些局限性，如原料消耗液量大、測定周期較長、需要特殊電極等，有必要建立一個更為簡便的測定方法來評價固體生物質顆粒與吸附介質間相互作用，并對固體生物質顆粒的影響進行定量表征，以簡化擴張床吸附的過程設計。本論文完善了“生物質脈沖響應法”，對其適用范圍和精確度進行了系統(tǒng)考察，包括生物質脈沖濃度、脈沖

5、量和床層膨脹率等因素，確定了合適的測定條件：生物質脈沖的OD600值在0.5～0.6之間，生物質脈沖量為床層沉降體積的80％，膨脹率為2.5。隨后，確定了生物質穿透指數(shù)(BTI)為指標，表征固體生物質顆粒在擴張床內(nèi)的吸附狀況。結果表明，“生物質脈沖響應法”的穩(wěn)定性好，數(shù)據(jù)偏差小，重復性好，BTI值可以量化表征固體生物質顆粒與吸附介質間的相互作用。論文進一步把“生物質脈沖響應法，，應用于典型的生物質，包括面包酵母、大腸桿菌、枯草桿菌和畢赤

6、酵母細胞及其碎片，考察了兩種主要的陰離子交換擴張床介質StreamlineDEAE和StreamlineQXL，充分證明了所建方法的可行性，積累了數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了一些規(guī)律性現(xiàn)象。鑒于靜電引力是細胞或細胞碎片在擴張床介質表面吸附的主導因素，為了進一步揭示固體生物質顆粒/吸附劑間靜電相互作用的微觀本質，論文引入了膠體化學的zeta電位概念，用于描述帶電顆粒間的靜電相互作用?？疾炝嗣姘湍浮⒋竽c桿菌、枯草桿菌和畢赤酵母細胞及其碎片的zeta電位，

7、測定了pH和離子濃度對zeta電位的影響，發(fā)現(xiàn)zeta電位與生物質在擴張床介質表面吸附程度有一定聯(lián)系。論文以生物質穿透指數(shù)BTI表征生物質(細胞或細胞碎片)/擴張床吸附劑間相互作用，以zeta電位描述微粒表面的電荷狀況，在分析數(shù)據(jù)的基礎上選擇合適的zeta電位參數(shù)(-ζaζbd，生物質zeta電位、吸附劑zeta電位和生物質平均直徑的乘積)，發(fā)現(xiàn)(-ζaζbd)參數(shù)和BTI呈良好的線性關系，BTI為0.9時對應的(-ζaζbd)參數(shù)值約

8、120mV2μm。因此，可以通過zeta電位參數(shù)(-ζaζbd)來預估固體生物質顆粒/吸附劑間的靜電相互作用，用簡便的zeta電位測定來篩選分離介質和分離條件，保證擴張床吸附過程的順利實施。 在前面研究和前人工作的基礎上，本論文從過程設計的角度出發(fā)，根據(jù)不同方法各自的特點，合理安排離子選擇性電極RTD分析、生物質脈沖響應法、zeta電位評估和靜態(tài)吸附實驗等固體生物質顆粒影響的評價手段，同時結合了目標物吸附條件的優(yōu)化和擴張床工藝條

9、件的選擇，提出了整體的“兼顧目標物吸附和固體生物質顆粒影響的擴張床吸附過程設計”策略，以指導擴張床吸附的過程開發(fā)。最后，論文通過兩個實例進一步闡述該過程設計策略。通過綜合比較不同擴張床介質對兔肌乳酸脫氫酶的吸附效果和兔肌勻漿液中固體顆粒的影響，發(fā)現(xiàn)染料親和介質最合適，實現(xiàn)了擴張床吸附從兔肌勻漿液中直接分離兔肌乳酸脫氫酶，純化倍數(shù)為3.65，回收率為85.2％。對于從枯草桿菌發(fā)酵液中分離納豆激酶，兼顧納豆激酶的吸附和發(fā)酵液中枯草桿菌的影響

10、，選用新型的混合模式擴張床吸附介質，既保證了納豆激酶的高吸附能力，發(fā)酵液中的枯草桿菌又不影響擴張床的穩(wěn)定性。通過過程優(yōu)化，實現(xiàn)了從高離子強度的枯草桿菌發(fā)酵液中直接用擴張床吸附分離納豆激酶，單步純化因子達12.3，充分體現(xiàn)了擴張床吸附的集成化優(yōu)勢。兩個實例證明了本論文建立方法的可靠性和實用性，證實了建議的擴張床吸附過程設計策略的合理性。 本論文圍繞擴張床吸附過程設計展開研究，以提高擴張床吸附過程開發(fā)的可靠性為目標，針對擴張床吸附過