固體生物質(zhì)對(duì)擴(kuò)張床吸附的影響和方法研究.pdf

1、擴(kuò)張床吸附(ExpandedBedAdsorption，EBA)技術(shù)是二十世紀(jì)九十年代開發(fā)的一種新型生化分離技術(shù)，最大特點(diǎn)是可以從含有固體生物質(zhì)顆粒(如細(xì)胞、細(xì)胞碎片)的料液中直接捕獲目標(biāo)物，集固液分離、濃縮和初期純化于一個(gè)單元操作之中，可以縮短分離步驟、減少活性物質(zhì)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(shì)。論文在綜述擴(kuò)張床吸附原理、特點(diǎn)和操作方式的基礎(chǔ)上，集中討論了固體生物質(zhì)顆粒對(duì)擴(kuò)張床吸附的影響，以及借鑒膠體

2、化學(xué)的zeta電位概念來描述靜電相互作用的設(shè)想，闡明了擴(kuò)張床吸附過程設(shè)計(jì)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(zhì)顆粒影響的評(píng)價(jià)手段，形成合理的擴(kuò)張床吸附過程設(shè)計(jì)策略，并采用實(shí)例證明該策略的合理性和實(shí)用性。 擴(kuò)張床在吸附過程中必須保持穩(wěn)定分級(jí)的流態(tài)化，這是擴(kuò)張床吸附得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。細(xì)胞或細(xì)胞碎片與擴(kuò)張床吸附劑間的相互作用，必然影響擴(kuò)張床的穩(wěn)定性，因此論文首先針對(duì)擴(kuò)張床吸附過程的特殊性，采用特殊的示蹤劑，測(cè)定

3、含有固體生物質(zhì)顆粒進(jìn)料時(shí)的停留時(shí)間分布(RTD)，以正確評(píng)價(jià)擴(kuò)張床在真實(shí)進(jìn)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(shí)時(shí)測(cè)定流動(dòng)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(yīng)時(shí)間、流速、固體生物質(zhì)顆粒濃度、脈沖離子濃度和脈沖量的影響，確定了適宜的測(cè)定條件。以面包酵母為模型生物質(zhì)、基因重組E.coli勻漿液為實(shí)際應(yīng)用對(duì)象，證明了本論文建立的離子選擇性電極法可以很好

4、進(jìn)行含有固體生物質(zhì)顆粒進(jìn)料時(shí)的RTD測(cè)定，是一種可以評(píng)價(jià)真實(shí)操作條件下擴(kuò)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(cè)定周期較長、需要特殊電極等，有必要建立一個(gè)更為簡(jiǎn)便的測(cè)定方法來評(píng)價(jià)固體生物質(zhì)顆粒與吸附介質(zhì)間相互作用，并對(duì)固體生物質(zhì)顆粒的影響進(jìn)行定量表征，以簡(jiǎn)化擴(kuò)張床吸附的過程設(shè)計(jì)。本論文完善了“生物質(zhì)脈沖響應(yīng)法”，對(duì)其適用范圍和精確度進(jìn)行了系統(tǒng)考察，包括生物質(zhì)脈沖濃度、脈沖

5、量和床層膨脹率等因素，確定了合適的測(cè)定條件：生物質(zhì)脈沖的OD600值在0.5～0.6之間，生物質(zhì)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(zhì)穿透指數(shù)(BTI)為指標(biāo)，表征固體生物質(zhì)顆粒在擴(kuò)張床內(nèi)的吸附狀況。結(jié)果表明，“生物質(zhì)脈沖響應(yīng)法”的穩(wěn)定性好，數(shù)據(jù)偏差小，重復(fù)性好，BTI值可以量化表征固體生物質(zhì)顆粒與吸附介質(zhì)間的相互作用。論文進(jìn)一步把“生物質(zhì)脈沖響應(yīng)法，，應(yīng)用于典型的生物質(zhì)，包括面包酵母、大腸桿菌、枯草桿菌和畢赤

6、酵母細(xì)胞及其碎片，考察了兩種主要的陰離子交換擴(kuò)張床介質(zhì)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(xì)胞或細(xì)胞碎片在擴(kuò)張床介質(zhì)表面吸附的主導(dǎo)因素，為了進(jìn)一步揭示固體生物質(zhì)顆粒/吸附劑間靜電相互作用的微觀本質(zhì)，論文引入了膠體化學(xué)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(xì)胞及其碎片的zeta電位，

7、測(cè)定了pH和離子濃度對(duì)zeta電位的影響，發(fā)現(xiàn)zeta電位與生物質(zhì)在擴(kuò)張床介質(zhì)表面吸附程度有一定聯(lián)系。論文以生物質(zhì)穿透指數(shù)BTI表征生物質(zhì)(細(xì)胞或細(xì)胞碎片)/擴(kuò)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(chǔ)上選擇合適的zeta電位參數(shù)(-ζaζbd，生物質(zhì)zeta電位、吸附劑zeta電位和生物質(zhì)平均直徑的乘積)，發(fā)現(xiàn)(-ζaζbd)參數(shù)和BTI呈良好的線性關(guān)系，BTI為0.9時(shí)對(duì)應(yīng)的(-ζaζbd)參數(shù)值約

8、120mV2μm。因此，可以通過zeta電位參數(shù)(-ζaζbd)來預(yù)估固體生物質(zhì)顆粒/吸附劑間的靜電相互作用，用簡(jiǎn)便的zeta電位測(cè)定來篩選分離介質(zhì)和分離條件，保證擴(kuò)張床吸附過程的順利實(shí)施。 在前面研究和前人工作的基礎(chǔ)上，本論文從過程設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，根據(jù)不同方法各自的特點(diǎn)，合理安排離子選擇性電極RTD分析、生物質(zhì)脈沖響應(yīng)法、zeta電位評(píng)估和靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)等固體生物質(zhì)顆粒影響的評(píng)價(jià)手段，同時(shí)結(jié)合了目標(biāo)物吸附條件的優(yōu)化和擴(kuò)張床工藝條

9、件的選擇，提出了整體的“兼顧目標(biāo)物吸附和固體生物質(zhì)顆粒影響的擴(kuò)張床吸附過程設(shè)計(jì)”策略，以指導(dǎo)擴(kuò)張床吸附的過程開發(fā)。最后，論文通過兩個(gè)實(shí)例進(jìn)一步闡述該過程設(shè)計(jì)策略。通過綜合比較不同擴(kuò)張床介質(zhì)對(duì)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(zhì)最合適，實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)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(duì)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(kuò)張床吸附介質(zhì)，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(kuò)張床的穩(wěn)定性。通過過程優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了從高離子強(qiáng)度的枯草桿菌發(fā)酵液中直接用擴(kuò)張床吸附分離納豆激酶，單步純化因子達(dá)12.3，充分體現(xiàn)了擴(kuò)張床吸附的集成化優(yōu)勢(shì)。兩個(gè)實(shí)例證明了本論文建立方法的可靠性和實(shí)用性，證實(shí)了建議的擴(kuò)張床吸附過程設(shè)計(jì)策略的合理性。 本論文圍繞擴(kuò)張床吸附過程設(shè)計(jì)展開研究，以提高擴(kuò)張床吸附過程開發(fā)的可靠性為目標(biāo)，針對(duì)擴(kuò)張床吸附過