[实用新型]用于生化分离过程的膨胀床色谱分离柱

说明书

技术领域

本实用新型属于生物化学技术领域，尤其涉及一种在工业化规模生产中用于分离的色谱分离装置。

背景技术

色谱分离是生化分离过程中最常用的方法之一。

传统的色谱分离柱(简称色谱柱)采用固定床形式，即将吸附树脂用上下多孔筛板压紧固定于色谱柱中，使之无法流动，俗称“固定床”。

但在实际的大规模工业化生产中，固定床色谱分离柱会因为阻塞而无法直接处理含有固体的料液，比如无法直接从含有细胞或细胞碎片的高黏度料液中分离出目标产物。因为料液中的固体物质会聚集在细小流道中，不断增加床层阻力，最终堵塞床层。

因此，在传统工艺/实际生产中，在采用固定床处理含固物料时，需首先将物料中稍大固体颗粒采用离心机除去，随后再用过滤方式除去细小的颗粒，最后经过预处理的物料进入固定床色谱分离柱，进行目标成分的捕获与分离。

传统的固定床色谱分离工艺虽能满足日常生化产品生产过程中的分离要求，但其工艺流程较长，设备投资额较高，高速/大容量离心机的价格昂贵，过滤设备需经常更换过滤膜，导致了整个生产/操作的成本和费用较高，且难以降低。

色谱分离柱采用膨胀床的概念自上世纪80年代开始推出。

所谓膨胀床，就是流体从色谱柱底部进入床层，利用流体向上流动时对固体颗粒吸附剂产生的浮力和表面曳力，使固体吸附剂颗粒不同程度向上悬浮而引起床层膨胀，故称之为膨胀床。

虽然膨胀床色谱分离技术在工业上已有成功应用的实例，但其使用范围并不广泛。目前，在生物化学领域的实际工业化规模生产中只有少量的商业应用，如大肠杆菌匀浆、包涵体、大肠杆菌培养液，酵母细胞匀浆，酵母培养液，杂交瘤细胞培养液以及动物组织产物的提取等。

影响膨胀床使用范围/使用效率的主要的原因之一，是因为膨胀床在处理含固体的料液时，虽然料液中的固体能通过吸附剂之间的空隙穿过床层，但是由于承载吸附剂的下支承丝网之筛板(亦称筛网支撑板或支撑筛板)的孔径较小，固体颗粒会聚集在支撑筛板和吸附剂挡板的下部，随着固体物质越聚越多，最后导致固体颗粒堵塞支撑筛板和孔道。而支撑筛板和孔道的堵塞，轻则造成流体均布情况恶化，清洗困难，重则造成停产，故而严重地影响了膨胀床的正常使用和运行。

另一个影响膨胀床使用范围/使用效率的主要问题，是传统的膨胀床分布器不能在膨胀床床层的底部迅速地形成平推流。

膨胀床内部的流体分布可参见说明书附图1所示，该图给出了传统的膨胀床内部的流(体)场分布情况。由图可知，由于现有膨胀床的底部分布器不能形成膨胀床横截面上的均压布水(即压力与流体的均匀分布)，导致膨胀床中心区域与其边缘区域的布水压力不均衡，进而造成了非平排流形态，使得床体内部产生返流现象，导致了膨胀床在吸附时的总理论板数较低(只有大约50)。

理论板数是基于停留时间概念的衡量色谱柱中流型接近平推流程度或轴向返混程度的参数，是指在一些分离操作中为完成某一指定分离要求所需理论塔板的数量。

目前关于膨胀床分布器的研究很少有公开或见报导。

据申请人所知，已经有两项主要用于解决筛网和分布器堵塞的技术：AmershamBiosciences和Upfront提出的可周期性转动的蜘蛛臂避免堵塞结构，以及美国专利US2007199899A1中提到的筛板切向清扫流设计方案。

采用蜘蛛臂结构的技术方案(见说明书附图2a)，其进料液流通过图中的支管向下进入膨胀床中，同时由多个支管构成的蜘蛛臂周期性地旋转，以力图减轻其堵塞的情况。

虽采用蜘蛛臂设计方案解决了色谱交换柱的清洗和清洁问题，但其应用后料液的液体均布性能较差，不能在膨胀床床层的底部规则地形成平推流，会导致膨胀床的总理论板数偏低(尤其在脱附时造成低分辨率和稀释的产物)，失去了色谱分离的主要优势。另外，蜘蛛臂的旋转导致了膨胀床交换柱内经常的机械摇动，机械密封困难，对吸附颗粒有磨损。

在美国专利US2007199899A1中，提出了一种能自清洁下支撑筛板的膨胀床分离柱，其具体结构见说明书附图2b所示，样品料液经进料泵110和流量控制器120进入膨胀床多孔丝网支撑板的下部，部分样品液穿过多孔丝网支撑板进入吸附树脂膨胀床层，而更多的样品料液，与膨胀床内流体方向成垂直角度地、切向流过膨胀床多孔丝网支撑板的下表面(见图中箭头125所示)，从而起到清扫的作用，此股清扫液由循环泵140提供动力和流量控制器130控制流量。

采用筛板切向清扫流设计方案，理论上可降低分布器内多孔丝网支撑板的堵塞和对多孔丝网支撑板起到辅助清洗作用，可是该设计存在着明显的不足：