《磁稳流化床及其在生物分离中的应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《磁稳流化床及其在生物分离中的应用（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、!#$%&() *(+ ,&$-.*)-%(! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !开开开开开开开开开开开开开开 发发发发发发发发发发发发发发 与与与与与与与与与与与与与与 应应应应应应应应应应应应应应 用用用用用用用用用用用用用用磁 稳 流 化 床 及 其 在 生 物 分 离 中 的 应 用佟 晓 冬 白 姝 孙 彦（ 天 津 大 学 化 工 学 院 生 物 化 工 系 ， 天 津 ， !#$）提 要 介 绍 磁 稳 流 化 床 作 为 一 种 集 成 分 离 技 术 ， 具 有 集
2、 流 化 床 和 固 定 床 的 优 点 于 一 身 ， 床 层 空 隙 率 高 、 压 降小 、 柱 效 高 ， 可 从 粗 料 液 中 直 接 吸 附 目 标 产 物 ， 从 而 节 省 预 处 理 过 程 。 磁 稳 流 化 床 的 操 作 条 件 温 和 ， 对 生 物 活性 影 响 小 ， 其 在 生 物 分 离 领 域 具 有 广 泛 的 应 用 前 景 。关 键 词 磁 稳 流 化 床 ， 生 物 分 离 ， 磁 性 介 质随 着 重 组 %& 技 术 和 细 胞 融 合 技 术 的 发 展 ，使 各 种 生 物 活 性 物 质 如 细 胞 因 子 、 酶 、 抗 体 和 核 酸
3、等 的 大 量 生 产 成 为 可 能 。 这 些 生 物 活 性 物 质 附 加 价值 极 高 ， 但 在 原 料 液 中 含 量 很 低 。 因 此 ， 低 成 本 、高 收 率 纯 化 目 的 产 物 以 及 有 效 控 制 有 害 物 质 是 生 物产 物 分 离 纯 化 过 程 所 追 求 的 目 标 。 磁 稳 流 化 床 技 术由 于 其 在 生 物 分 离 中 具 有 集 成 分 离 性 质 、 操 作 条 件温 和 、 分 离 速 度 快 、 对 生 物 活 性 影 响 小 等 诱 人 的 开发 潜 力 ， 已 经 引 起 了 学 术 界 和 产 业 界 的 高 度 重 视
4、。早 期 的 磁 稳 流 化 床 研 究 主 要 针 对 磁 稳 流 化 床 的 流 体力 学 性 质 和 传 质 特 性 ()!， $ 世 纪 * 年 代 后 开 始 有学 者 将 磁 稳 流 化 床 用 于 生 物 分 离 中 +。 本 文 系 统 阐述 磁 稳 流 化 床 的 特 点 、 分 类 、 稳 定 性 、 流 体 力 学 特性 和 各 种 磁 性 分 离 介 质 及 其 在 生 物 分 离 中 的 应 用 。( 磁 稳 流 化 床磁 稳 流 化 床 指 在 通 常 的 流 化 床 外 加 以 磁 场 ， 使流 化 床 内 磁 性 粒 子 在 磁 场 作 用 下 发 生 定 向
5、排 列 ， 从而 限 制 粒 子 的 随 机 运 动 ， 减 小 返 混 程 度 ， 使 床 层 既具 有 与 固 定 床 类 似 的 稳 定 结 构 ， 又 具 有 一 定 的 流 动性 ， 真 正 实 现 固 体 粒 子 与 流 体 的 逆 向 接 触 ， 为 提 高传 质 效 率 、 简 化 操 作 过 程 创 造 了 条 件 ,。 磁 稳 流 化床 应 用 在 生 物 分 离 中 具 有 以 下 几 方 面 的 优 点 -： （ (）限 制 了 固 体 颗 粒 的 返 混 ， 流 动 相 与 固 相 的 接 触 近 似固 定 床 ， 流 动 相 近 似 平 推 流 ， 吸 附 剂 利
6、用 效 率 高 ；（ $） 床 层 空 隙 率 高 ， 允 许 菌 体 细 胞 、 细 胞 碎 片 和 含固 体 颗 粒 的 原 料 液 等 通 过 ， 从 而 节 省 预 处 理 过 程 ，提 高 目 标 产 物 收 率 ， 降 低 分 离 纯 化 成 本 ； （ !） 床 层压 降 小 ， 在 稳 定 流 化 后 ， 压 降 只 与 床 的 质 量 有 关 ，与 流 化 速 度 无 关 ， 即 在 较 低 的 磁 场 强 度 下 ， 可 以 得到 较 高 的 流 化 速 度 ； （ +） 可 实 现 固 液 两 相 间 的 逆 向接 触 ， 提 高 传 质 效 率 。 在 实 际 应 用
7、中 ， 根 据 流 动 相的 不 同 可 以 分 为 液 体 磁 稳 流 化 床 和 气 体 磁 稳 流 化 床 ，其 中 在 生 物 分 离 中 应 用 的 主 要 是 液 体 磁 稳 流 化 床 。$ 磁 稳 流 化 床 的 基 本 性 质!# 磁 稳 流 化 床 装 置磁 稳 流 化 床 与 膨 胀 床 相 似 ， 区 别 在 于 磁 稳 流 化床 是 在 磁 场 中 操 作 。 其 中 ， 磁 场 产 生 方 式 不 外 乎 永磁 场 和 电 磁 场 两 种 。 永 磁 场 是 利 用 永 磁 铁 产 生 的 磁场 ， 优 点 是 不 需 要 消 耗 能 量 ， 不 需 要 特 殊 设
8、 备 ， 缺点 是 磁 场 强 度 不 可 调 节 ， 在 实 际 应 用 中 不 方 便 ； 电磁 场 一 般 通 过 霍 尔 姆 斯 线 圈 产 生 ， 磁 场 强 度 可 以 利用 电 流 强 度 调 节 ， 但 是 长 时 间 操 作 会 产 生 大 量 热 ，需 要 冷 却 设 备 。 磁 稳 流 化 床 的 外 加 磁 场 方 向 可 分 两种 ： （ (） 磁 场 的 方 向 与 流 动 相 流 动 方 向 平 行 的 称 轴向 磁 场 ， 如 图 (； （ $） 磁 场 的 方 向 与 流 动 相 流 动 方向 垂 直 的 称 横 向 磁 场 ， 如 图 $。图 ( 轴 向 磁
9、 稳 流 化 床 装 置 示 意 图!化 工 进 展 !$# 年 第 #! 期图 ! 横 向 磁 稳 流 化 床 装 置 示 意 图! 磁 稳 流 化 床 的 结 构流 动 相 的 流 速 和 磁 场 强 度 对 磁 稳 流 化 床 的 内 部结 构 有 着 重 要 影 响 。 在 最 小 流 化 速 度 以 下 ， 床 层 不发 生 膨 胀 ， 其 结 构 近 似 固 定 床 ； 随 流 速 增 加 ， 床 层开 始 膨 胀 ， 磁 稳 流 化 床 进 入 稳 定 流 化 区 （ #$%&()*+,） ， 在 稳 定 区 内 由 于 磁 场 强 度 不 足 以 使 磁 性 粒子 聚 集 ，
10、床 内 磁 性 粒 子 间 排 列 有 序 ， 没 有 明 显 的 空穴 ， 磁 性 粒 子 与 流 动 相 的 接 触 面 积 大 ， 有 利 于 质 量传 递 ； 当 流 速 进 一 步 增 加 时 ， 磁 稳 流 化 床 进 入 滚 动区 （ (+& - .& ()*+,） ， 磁 性 粒 子 在 床 内 出 现 翻 滚 现象 ； 当 流 速 继 续 增 加 时 ， 磁 性 粒 子 在 床 内 出 现 自 由运 动 ， 进 入 自 由 运 动 区 （ ($,/+0 0+#*+, ()*+,） 。 由于 在 滚 动 区 和 自 由 运 动 区 的 磁 性 粒 子 会 产 生 明 显 的返
11、混 ， 不 利 于 分 离 操 作 ， 因 此 在 生 物 分 离 中 磁 稳 流化 床 通 常 在 稳 定 区 操 作 。 当 磁 场 强 度 较 高 时 ， 磁 性粒 子 聚 集 呈 串 状 ， 出 现 大 量 明 显 的 空 隙 ， 降 低 粒 子与 流 动 相 的 接 触 面 积 ， 不 利 于 质 量 传 递 ， 此 时 称 磁稳 流 化 床 处 于 冻 结 区 （ 1(2*,) ()*+,） 。!# 磁 稳 流 化 床 的 稳 定 性磁 稳 流 化 床 稳 定 性 的 研 究 是 关 系 到 磁 稳 流 化 床能 否 实 际 应 用 的 关 键 。 3+,4*) 5首 先 分 析
12、了 气体 磁 稳 流 化 床 中 流 体 动 力 学 稳 定 性 并 得 到 了 相 应 的稳 定 判 据 ； 巢 江 辉 等 6也 对 气 体 磁 稳 流 化 床 的 稳 定性 进 行 过 探 讨 。 目 前 关 于 气 体 磁 稳 流 化 床 稳 定 性 的理 论 研 究 比 较 多 ， 但 对 液 体 磁 稳 流 化 床 的 理 论 研 究较 少 ， 并 且 在 实 际 应 用 中 效 果 也 不 理 想 。3+,4*) 5考 虑 磁 性 粒 子 的 受 力 情 况 并 且 结合 传 质 方 程 及 质 量 守 恒 定 律 ， 提 出 一 个 关 于 气 体 磁稳 流 化 床 稳 定 性
13、 的 判 据 ：!0 !7# 8不 稳 定 状 态 （ 8）!0 !7$ 8临 界 状 态 （ !）!0 !7% 8稳 定 状 态 （ 9）其 中 ， !0是 动 能 与 静 磁 能 的 比 率 ， !7是 空 隙模 量 。: ;对 3+,4*) 关 于 气 体 磁 稳 流 化 床 的 判据 加 以 修 正 ， 将 其 扩 展 到 液 体 磁 稳 流 化 床 。 但 是 ，在 实 际 应 用 中 其 计 算 值 与 实 验 数 据 还 是 有 一 定 的 差距 。到 目 前 为 止 ， 液 体 磁 稳 流 化 床 是 否 处 于 稳 定区 ， 还 没 有 一 个 理 想 的 判 据 ， 通 常
14、 是 采 用 肉 眼 观 察法 ， 即 观 察 磁 性 粒 子 在 床 层 内 的 运 动 状 态 来 判断 8+.?( 等 89合 成 了 密 度 为& !%& 年 第 &! 期 化 工 进 展!# $%&(、 平 均 粒 径 为 !)#! 的 聚 丙 烯 酰 胺 磁 性载 体 ， 可 用 于 磁 稳 流 化 床 操 作 ； *+,-./- 和 01,23/1&等 !4， !5制 备 了 聚 乙 烯 醇 缩 丁 醛 磁 性 载 体 ， 详 细 分析 了 载 体 的 理 化 性 质 及 其 对 金 属 离 子 的 吸 附 情 况 。由 于 目 前 合 成 的 磁 性 载 体 是 为 特 定 分
15、 离 体 系 而 设 计的 ， 限 制 其 在 磁 稳 流 化 床 中 的 广 泛 应 用 。 因 此 ， 有人 提 出 利 用 多 载 体 （ 6/7- 8 96:3;7） 来 解 决 这 个 问题 。 多 载 体 就 是 用 惰 性 磁 性 物 质 来 稳 定 用 于 吸 附 分离 的 非 磁 性 载 体 而 形 成 的 混 合 型 载 体 。 用 镍 粉 和 ?+;/-7+ AB 8 !CD 树 脂 组 成 多 载 体 系 统 ，从 溶 菌 酶 和 肌 红 蛋 白 混 合 液 中 分 离 而 得 到 溶 菌 酶 。现 有 磁 性 分 离 介 质 的 缺 点 是 !)： （ !） 合 成
16、分离 介 质 的 成 本 较 高 ； （ C） 合 成 的 分 离 介 质 在 一 些 生物 溶 液 中 分 散 性 差 ； （ (） 分 离 介 质 的 物 化 性 能 差 ，如 低 比 表 面 积 、 低 吸 附 容 量 、 低 传 质 速 率 ； （ 4） 合成 分 离 介 质 的 方 法 较 少 。 因 此 ， 开 发 新 型 高 效 的 磁性 分 离 介 质 是 磁 稳 流 化 床 在 生 物 分 离 中 应 用 的 重 要研 究 方 向 。磁 稳 流 化 床 技 术 以 其 操 作 条 件 温 和 、 分 离 速 度快 、 对 生 物 活 性 影 响 小 、 具 有 集 成 分 离 性 质 等 优点 ， 广 泛 应 用 于 蛋 白 质 和 细 胞 的 分 离 过 程 。 例 如 ，EF1,9 等
