扩张床吸附

流化床的特例

扩张床吸附（Expanded Bed Adsorption，EBA）是流化床的一种特例。它具有流化床的特点，能处理含悬浮颗粒的液体。又具有固定床的优点，流动成活塞流，返混程度低，分离效率高。作为蛋白质的初步分离方法，他能够取代固液分离、浓缩和初步纯化等三步操作。具有提高效率、降低投资费用、缩短操作时间等优点，成为生物下游工程中的研究热点。

原理

扩张床是利用吸附剂的粒径和密度分布，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，并且形成了一梯度分布，限制了颗粒的运动。液相流动为平推流，从而得到稳定的扩张床，目标产物被吸附在扩张床内的吸附剂上，从而实现了料液的初步分离。

比较

扩张床与流化床的区别：

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：

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。

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。

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。

基质

吸附基质要求

1.吸附剂的尺寸和密度应保证其终端流速与料液中需除去的固形颗粒间有明显的差异；

2.吸附剂必须有一定的粒径和密度分布，在扩张床中会形成稳定的分级，从而减小固液相问的返混；

3.吸附剂应具有良好的孔道结构，不易被料液中的脂类、核酸和杂蛋白等生物物质污染；

4.吸附剂应具有特异性吸附的配基，使吸附剂对目标产物具有较高的吸附容量；

5.吸附剂应具有较高的化学稳定性和良好的机械强度，其中较高的化学稳定性可以保证吸附剂可以承受较苛刻的洗脱条件，而良好的机械强度可延长吸附剂的使用寿命；

6.吸附剂应具有良好的传质性能，在较高的流速下，可以保持较高的吸附量。

常用的扩张床吸附基质

复合吸附剂：琼脂糖—石英砂、琼脂糖—不锈钢、葡聚糖—硅胶、纤维素—二氧化钛等。

复合的吸附剂同时兼顾了粒径、密度、孔径和流速范围、吸附动力学，特别是传质限制，具有良好的应用前景

高密度的材料：多孔玻璃、多孔氟化二氧化锆、全氟聚合物等

高密度、小粒径、薄壳型的核壳型基质和高密度、大孔径、高比表面的混合型金属氧化物基质在应用上有很大的优势。

吸附基质的制备

(1)共混包埋法

将增重微粒均匀分散在天然亲水性高分子溶液中，通过溶解、结晶、再生等手段得到多孔基质。琼脂糖和纤维素都存在明显的链聚集结晶区域，结晶再生时能形成稳定的多孔网络结构，并能将增重材料包埋其中。

(2)反相悬浮聚合法

采用反相悬浮聚合法将亲水性的不锈钢、二氧化钛、二氧化锆等增重内核或微核包埋在亲水性的天然高分子骨架中。例如使用石蜡油作分散相、Span85作乳化剂，将不锈钢微珠分散在琼脂糖的水溶液中，控制搅拌速度以获得不同的琼脂糖厚度，逐步降温冷却可获得高密度核壳型基质。如果在水相中加入交联剂(如环氧氯丙烷)，则可实现反相悬浮交联，基质的强度进一步提高，而孔隙率并不受到明显的影响。反相悬浮聚合法能使大多数增重颗粒被包埋，粒径分布广，能满足扩张床基质的要求，缺点是基质的密度不易控制。大部分的扩张床基质都是采用该方法。

(3)悬浮聚合法

将增重用的亲水性不锈钢、二氧化钛等无机物进行表面改性处理，利用悬浮聚合将其包埋于高分子共聚物中。由于共聚的单体是有机亲油性的，而增重剂都是无机亲水性的，两者相溶性较差，聚合过程中易发生相分离，对增重剂有机化表面改性的效果直接决定了能否较大地提高颗粒的密度。

(4)表面改性法

表面改性法分为化学改性和共聚物改性两种。如氟化二氧化锆(FmZr)是直接在多孔 ZrO2表面化学改性而得；聚丙烯酰胺/ZrO2水凝胶则经共聚物改性而得。改性的缺点是不能使所有的非特异性作用位点都得到屏蔽。

操作

平衡(equilibration)、

吸附(adsorption)、

冲洗(washing)、

洗脱(elution)

在位清洗(clean in place)（1）平衡

扩张床在首次吸附操作前须用平衡缓冲液扩张，逐渐增大流速，让扩张床扩张到一定程度，大约30min后达到平衡。

扩张率过低，会造成料液中固体颗粒通过的困难；扩张率过高，会造成配基对目标产物的吸附效率下降。

扩张床的吸附操作中最适宜的扩张率为2~3。流速300 cm·h-1时，用缓冲液扩张到固定床高度两倍的扩张床吸附性能较好。扩张床内吸附剂的填充高度在10 cm以上，可以消除进口区域不均匀流化的影响，得到稳定的床层和较低的返混程度。操作过程中，层析柱必须保持垂直，否则易发生不同层次之间的混合。

确证稳定性：用玻璃柱操作时，可用肉眼观察扩张床的运动情况，当发现只有微小环流运动存在时，扩张床即为稳定，但肉眼观察不能得到液体通过整个床层横截面的流体分布情况，因此应该用更准确的方法测定床的稳定性，如测定床层的扩张率和理论板数等

（2）吸附

在吸附前，需先用平衡液将沉积的吸附剂流态化，建立一个稳定的床层。然后，将平衡液切换成原料液，由于原料液的黏度、密度和固体颗粒含量与平衡缓冲液不同，若维持原来的操作条件不变，床的扩张率会增大。为了保持一定的扩张率，起先需降低流速以保持床高；而在吸附操作的后期，由于介质吸附的蛋白质、细胞、核酸等生物物质，密度会有所增加，此时需要提高流速来维持原来的扩张率。在实际的吸附操作中，也可以采用维持流体流速，根据扩张高度的变化，调节扩张床内的高度调节器。

原料液流经稳定的扩张床时，介质颗粒的环流强度很小，柱内无返混或液体的沟流，细胞和细胞碎片易于通过床层被去除，目标产物则被吸附到层析介质上。通过在线检测和分析目标蛋白浓度确定进样吸附的终点，或用更保守的方法；在预测目标蛋白突破前的某一时刻停止进料。为了优化扩张床的吸附效果，当流出液中溶质浓度达到进口浓度的5%～10%时，停止料液的加入而转入清洗阶段。

（3）冲洗

目的：除去床层间滞留的细胞和细胞碎片；除去非结合或弱结合性的可溶杂蛋白。

除去颗粒杂质冲洗时，流向与吸附时相同，采用的流体开始时大多使用平衡缓冲液。整个冲洗过程一般需要5～20倍沉降床体积的缓冲液。

洗涤液的黏度或密度较低，会使床层不稳定。用25%甘油溶液洗涤，效果较好，由于其黏度和密度较大，洗涤液呈活塞流，能有效地将细胞颗粒洗出而对床层的稳定性无影响。流出液中观测不到固体杂质时可继续保持扩张床方式，也可改用固定床方式，因为采用扩张床流体速度限制在最小流化和夹带速度之间，固定床的低速不受限制，此时缓冲液流向取决于操作方式。注意调节上部速率分布器的位置比床层上界面高出0.5～1.0 cm。

（4）洗脱

固定床方式洗脱是缓冲液从扩张床顶泵入，以固定床方式向下洗脱(以下简称“下洗”)；

优点：减少洗脱缓冲液的用量，增加产物浓度，减少残留在床内的细胞对产物的污染，

缺点：①洗脱时间比较长，洗脱操作复杂，需要调节高度调节器和反向进样；②操作时膨胀介质会产生聚集，影响其再度膨胀，造成在位清洗的困难；③床层压降高，对介质的机械强度要求高。

扩张床方式洗脱是缓冲液从扩张床底部泵入，进行向上洗脱(以下简称“上洗”)。

优点：①洗脱方式简单，洗脱迅速；②可减少返压；③不会造成吸附剂颗粒的聚集，提高清洗效率；④洗脱设备简单；⑤可实现连续化生产。

（5）清洗

包括吸附剂的再生(Regeneration)和扩张床的消毒(Sanitization)。

再生是维持吸附剂的吸附能力和确保所有杂质都被清除的必要环节

杂质的危害：降低介质的吸附容量，特别是反复使用的介质，严重时还会导致吸附剂的集聚，出现沟流，影响扩张床的混合特性

在位清洗一般以0.5～1.0 mol/L NaOH为主要的清洗剂。 NaOH价格低廉，除了能清洗吸附剂，还能对整个扩张床进行消毒，并且能破坏热原。如果介质是离子交换介质，扩张床应先用1~2 mol/L的Na洗脱后复性，除去大部分通过强静电作用吸附的残留蛋白质和其它杂质，然后用NaOH除去不可逆沉积或变性物质及脂类。扩张床与NaOH的接触时间至少在4 h以上。如吸附剂不能用NaOH或NaOH /NaCl 复性，可用极性溶剂，如30%异丙醇或20%~70%乙醇来补充NaOH清洗方案。

另一种方法是用热水(60℃~95℃)清洗。若料液中含有核酸，清洗前扩张床应用含核酸酶的缓冲液浸泡几小时。有些吸附剂，如亲和吸附剂等，不能用NaOH清洗，此时可选用6 mol/L的盐酸胍、6 mol/L的尿素或1 mol/L的醋酸代替。

应用

（1）E.Coli包涵体、

（2）胞外分泌；

（3）动物细胞、

（4）杂交瘤、

（5）昆虫细胞

（6）动植物组织、

（7）果汁、

（8）动物乳汁

（9）生物反应器和生物物质的检测装置。

问题前景