一种扩张床吸附(eba)介质和其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种离子交换介质，具体涉及一种用于扩张床吸附的介质。
[0002] 本发明还涉及该离子交换介质的制备方法。
【背景技术】
[0003] 扩张床吸附（expanded bed adsorption, EBA)技术是利用介质对样品的不同的成 分有不同强度的吸附作用，在洗脱过程中得以分离的一种技术。扩张床技术核心是利用吸 附剂本身的物理性质，这些吸附剂有适当的密度和粒径，还有一定的密度和粒径分布。由于 基质中的聚合物多呈疏松的凝胶状，密度小，故增重剂是绝大多数扩张床基质不可缺少的 组成部分，也是扩张床基质区别于固定床基质最显著的特征之一。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，并且形成了梯度分布，大而重的颗粒 在扩张床的底部，小而轻的颗粒在扩张床的上部。这种分层现象限制了颗粒的运动。如条 件控制适当时，颗粒分离成层，而不相混合。因而颗粒的轴向混合程度很低，也无沟流，单个 颗粒仅在小范围内作圆周运动，且液相流动为平推流，从而得到稳定的扩张床，这种稳定分 层的床层是扩张床操作的基础。
[0004] 扩张床吸附基质的特点主要是粒径和密度两个方面：
[0005] 1、粒径和密度：在扩张床（流化床）中，颗粒的终点沉降速度yt与颗粒的直径 dp、密度Pp和液相的粘度η、密度P i有关。为满足过程的高处理量要求和与料液中的悬 浮颗粒区分开来，必须提高基质的终点沉降速度。这可以从两个方面着手，一是增加颗粒的 直径，二是增加颗粒的密度。在蛋白质的层析过程中，颗粒内扩散是整个传质过程的控制步 骤，基质粒径的大小会直接影响分离的效率。粒径的增加，将难以解决为维持合适的扩张率 而要求增加流速和为满足较慢的吸附动力学而要求降低流速之间的矛盾。同时，当粒径与 柱径之比d/d'0.0 1时，层析柱的壁效应会导致床层的不稳定。粒径太小，就要求扩张床的 下分布器具有更小的网孔，这会使料液中的细胞和细胞碎片更容易堵塞分布器的进口。通 常用于扩张床的基质粒径在50~400 μ m之间。可见，增加基质的密度是制备扩张床吸附基 质的最佳办法。目前有两种方法：采用高密度的大孔匀质材料，如多孔玻璃，氟化二氧化锆， 聚丙烯酰胺复合陶瓷等；和采用亲水性材料包裹高密度的惰性材料，如琼脂糖一石英砂， 琼脂糖一不锈钢，葡聚糖一二氧化硅，纤维素一二氧化钛，聚乙烯醇一全氟聚合物等。使用 高密度的基质，可以降低基质的粒径，从而提高传质的效果。一般认为，基质密度为1. 3~ I. 5g/ml时最佳，能够较好地平衡床层扩张、过程有效性和吸附容量之间的关系。
[0006] 2、粒径和密度的分布：形成稳定分级的床层是扩张床吸附过程操作的基础。基质 的密度和粒径应该存在一定的分布，这样，扩张时大的、重的颗粒分布在床层下部，小的、轻 的分布在上部，分级限制了基质的上下运动，轴向混合近似于固定床。一般认为，当基质颗 粒的最大粒径与最小粒径之比大于2. 2时，能形成稳定的分级床层。一般基质的密度分布 范围十分窄，而粒径的分布或多或少有一些偶然的因素，存在批间的分布差异。商业化的基 质的分布比较确定，可能经过了仔细的筛分和配比，如Streamline基质，粒径和密度的分 布近似于高斯函数。但从严格意义上讲，分布应是一个连续函数。
[0007] 离子交换层析（ion-exchange chromatograpHy，简写IEC)就是利用蛋白质带电 性的差异，在离子吸附剂上静电吸附能力不同，对蛋白质分离的柱层析技术。是发展最早的 层析技术之一。离子交换中主要技术有几个重要的方面，分别是：
[0008] 1.交联度：离子交换剂的基质通过交联剂将线性大分子交联形成的网孔状颗粒 的程度为交联度。不同的离子交换剂使用不同的交联剂，交联度的大小影响着离子交换剂 的很多特性，包括机械强度、膨胀度、网孔大小、交换容量等。一般交联度越高，网孔的孔径 越小；交联度越低，网孔孔径越大。仅琼脂糖交换剂是例外，这种介质所形成的网孔结构是 由琼脂糖的胶束构成的，其孔径仅与琼脂糖的浓度有关，交联剂的用量对孔径影响不大。
[0009] 2.电荷密度：是指在基质颗粒上单位表面积的取代基（功能集团）的数量，它决 定着离子交换剂的交换容量、膨胀度等性质。对小分子进行离子交换时，离子与功能基团间 按1 :1的物质量的比结合，但蛋白质类分子离子交换所用的介质电荷密度往往较低。
[0010] 3.交换容量：交换容量是指离子交换剂能够结合溶液中可交换离子的能力，通常 分为总交换容量和有效交换容量。总交换容量又称总离子容量，用每克干介质或每毫升湿 胶包含的带电功能基团的数量来表示，其数值的大小取决于离子交换剂的取代程度也就是 电荷密度。有效交换容量，指每克干介质或每毫升湿胶在一定的实验条件下吸附某种分子 的实际容量。由于有效容量是一个变值，在说明其数值时应当同时指出实验条件，比如pH 和离子强度。
[0011] 4.结合能力：目的物与离子交换剂的结合能力首先取决于溶液pH，它决定了目的 物的带电状态，此外还取决于溶液中离子的种类和离子的强度，起始条件下溶液中离子强 度较低，上样后，目的物与交换剂之间结合能力更强，能取代离子而吸附到交换剂；洗脱时， 往往通过提高溶液的离子强度，增加离子竞争性结合能力，使得样品从交换剂上解吸。离子 交换剂由不溶性高分子基质、荷电或功能基团和与功能基团电性相反的离子组成，在水溶 液中，与功能基团带相反电荷的离子（包括缓冲液中的离子、蛋白质形成的离子）依靠静电 引力能够吸附在表面，各种离子与离子交换剂结合存在竞争关系。
[0012] 5.等电点：蛋白质的等电点对于离子交换时介质的选择和溶液pH的选择是十分 重要的，一般遵循以下规律：
[0013] 如果样品在它的等电点下更稳定，应选择阳离子交换剂。
[0014] 如果样品在它的等电点上更稳定，应选择阴离子交换剂。
[0015] 如果样品在它的等电点上下一个比较宽的范围内比较稳定，两种离子交换剂都可 选择。
[0016] 离子交换色谱的分离性能受到流动相和固定相的影响。对于流动相，通过改变pH 和离子强度可以改变蛋白质与介质所带电荷，从而影响二者间静电相互作用，实现蛋白的 吸附与解吸，这已成为IEC过程开发的主要调节参数。对于固定相，配基密度和介质孔径是 最关键的因素，然而目前相关研宄却不够深入。配基密度决定了静电相互作用的强弱，对目 标蛋白的静态吸附、动态吸附和吸附动力学都有较大的影响。研宄表明，对于特定的目标蛋 白，配基密度并不是越大越好。增加配基密度可以提高蛋白吸附的可能性，但也会带来介质 内部的空间位阻，增加传质阻力。介质孔径则影响蛋白质的孔内传质，对于生物大分子尤为 重要，但孔结构的表征十分困难。一般情况下，同一种交换剂对于分子量小的蛋白质有效交 换容量较大，而对于分子量大的蛋白质有效容量较小；对于同一种蛋白质，离子交换剂的交 联度越小有效容量越大，而交联度越大有效容量越小。
[0017] 在大规模分离的粗分离阶段，采用扩张床吸附技术能够取得较好的效果。该技术 的优势在于包含细胞碎片等颗粒状物质在内的样品无需要经过澄清可以直接进行分离。 STREAMLINE系列是专门为膨胀床吸附技术设计的吸附剂，它们能够直接从粗样品中吸附包 含目标分子在内的可交换分子，将澄清、浓缩和收集功能汇集于一体，减少了操作步骤，是 对粗样品进行分离的非常经济有效的手段。此方法可以大大提高分离速度，当然也会使分 辨率变低，适合在规模化分离的前期使用。目前此方法介质的流体性质和填充性质相对不 太重要，高交换容量的Sephadex系列离子交换剂是比较理想的选择，也有公司根据产物的 性质在介质厂家定制特殊设计的介质用于多成分的初步分离，目前这种技术由原来在乳 制品应用扩大到血液制品和基因工程产品的产业化应用，应用领域多元化大大推动了该 技术的发展。
[0018] 接着应考虑目的物的分子大小和离子交换剂的有效交换容量。在分离分子量较大 的目标分子时，需要采用孔径尺寸较大的基质，在各种离子交换剂中，基于纤维素和琼脂糖 的交换剂形成的孔径是最大的，一般目的物分子量通常都低于它们的排阻极限。在分离分 子量较小的目的物时，网孔较小的介质具有一定的优势，基于交联葡聚糖的交换剂属于此 类。
[0019] 以上考虑主要针对离子交换剂基质的选择，而在确定所选用的基质后，选择何种 功能