基本介紹
- 中文名：擴張床吸附
- 外文名：Expanded Bed Adsorption，EBA
- 特點：能處理含懸浮顆粒的液體
- 原理：利用吸附劑的粒徑和密度分布
綜述,原理,擴張床，流化床，固定床比較,擴張床吸附基質,吸附基質要求,常用的擴張床吸附基質,吸附基質的製備,擴張床操作,套用,問題與前景,
綜述
擴張床吸附（Expanded Bed Adsorption，EBA）是流化床的一種特例。它具有流化床的特點，能處理含懸浮顆粒的液體。又具有固定床的優點，流動成活塞流，返混程度低，分離效率高。作為蛋白質的初步分離方法，他能夠取代固液分離、濃縮和初步純化等三步操作。具有提高效率、降低投資費用、縮短操作時間等優點，成為生物下游工程中的研究熱點。
原理
擴張床是利用吸附劑的粒徑和密度分布，當料液從擴張床底部泵入時，吸附劑能在擴張床中膨脹，相互間的空隙增大，並且形成了一梯度分布，限制了顆粒的運動。液相流動為平推流，從而得到穩定的擴張床，目標產物被吸附在擴張床內的吸附劑上，從而實現了料液的初步分離。
擴張床，流化床，固定床比較
擴張床與流化床的區別：
擴張床中流體以接近平推流的方式流經床層，從而獲得良好的分離效果。
擴張床和固定床的區別：
圖9—2是全混釜、流化床、擴張床和固定床的操作模式的比較。其中全混釜上料液處於理想混合時，只相當於一個平衡級，其效率比固定床差。一般液固相分離主要採取固定床方式，料液流經裝有層析介質的柱時在介質層中流動基本上呈平推流，返混小，柱效高。但當料液中含有固體顆粒時，由於介質問的空隙很小，顆粒滯留在介質間，造成堵塞，床層的壓降增大，最終使吸附無法進行，所以採用這種層析方法之前必須對原料液進行固液分離。
擴張床技術綜合了流化床和填充床的優點，同時克服了流化床和填充床自身的一些缺陷。擴張床與流化床的最大區別是擴張床中流體以接近平推流的方式流經床層，從而獲得良好的分離效果。擴張床和固定床的區別是：擴張床的頂部裝有高度調節器，流動相從床底流體分布器輸入，床內吸附劑產生膨脹。擴張床具有較高的空隙率，床層壓降小，可以允許料液中細胞、細胞碎片等固體顆粒的通過，並且吸附劑的利用率高，分離效率高。
擴張床吸附基質
吸附基質要求
1.吸附劑的尺寸和密度應保證其終端流速與料液中需除去的固形顆粒間有明顯的差異；
2.吸附劑必須有一定的粒徑和密度分布，在擴張床中會形成穩定的分級，從而減小固液相問的返混；
5.吸附劑應具有較高的化學穩定性和良好的機械強度，其中較高的化學穩定性可以保證吸附劑可以承受較苛刻的洗脫條件，而良好的機械強度可延長吸附劑的使用壽命；
常用的擴張床吸附基質
複合的吸附劑同時兼顧了粒徑、密度、孔徑和流速範圍、吸附動力學，特別是傳質限制，具有良好的套用前景
高密度、小粒徑、薄殼型的核殼型基質和高密度、大孔徑、高比表面的混合型金屬氧化物基質在套用上有很大的優勢。
吸附基質的製備
(2)反相懸浮聚合法
採用反相懸浮聚合法將親水性的不鏽鋼、二氧化鈦、二氧化鋯等增重核心或微核包埋在親水性的天然高分子骨架中。例如使用石蠟油作分散相、Span85作乳化劑，將不鏽鋼微珠分散在瓊脂糖的水溶液中，控制攪拌速度以獲得不同的瓊脂糖厚度，逐步降溫冷卻可獲得高密度核殼型基質。如果在水相中加入交聯劑(如環氧氯丙烷)，則可實現反相懸浮交聯，基質的強度進一步提高，而孔隙率並不受到明顯的影響。反相懸浮聚合法能使大多數增重顆粒被包埋，粒徑分布廣，能滿足擴張床基質的要求，缺點是基質的密度不易控制。目前大部分的擴張床基質都是採用該方法。
(3)懸浮聚合法
將增重用的親水性不鏽鋼、二氧化鈦等無機物進行表面改性處理，利用懸浮聚合將其包埋於高分子共聚物中。由於共聚的單體是有機親油性的，而增重劑都是無機親水性的，兩者相溶性較差，聚合過程中易發生相分離，對增重劑有機化表面改性的效果直接決定了能否較大地提高顆粒的密度。
(4)表面改性法
表面改性法分為化學改性和共聚物改性兩種。如氟化二氧化鋯(FmZr)是直接在多孔 ZrO2表面化學改性而得；聚丙烯醯胺/ZrO2水凝膠則經共聚物改性而得。改性的缺點是不能使所有的非特異性作用位點都得到禁止。
擴張床操作
平衡(equilibration)、
吸附(adsorption)、
沖洗(washing)、
洗脫(elution)
在位清洗(clean in place) 1)平衡
擴張床在首次吸附操作前須用平衡緩衝液擴張，逐漸增大流速，讓擴張床擴張到一定程度，大約30min後達到平衡。
擴張率過低，會造成料液中固體顆粒通過的困難；擴張率過高，會造成配基對目標產物的吸附效率下降。
擴張床的吸附操作中最適宜的擴張率為2~3。流速300 cm·h-1時，用緩衝液擴張到固定床高度兩倍的擴張床吸附性能較好。擴張床內吸附劑的填充高度在10 cm以上，可以消除進口區域不均勻流化的影響，得到穩定的床層和較低的返混程度。操作過程中，層析柱必須保持垂直，否則易發生不同層次之間的混合。
確證穩定性：用玻璃柱操作時，可用肉眼觀察擴張床的運動情況，當發現只有微小環流運動存在時，擴張床即為穩定，但肉眼觀察不能得到液體通過整個床層橫截面的流體分布情況，因此應該用更準確的方法測定床的穩定性，如測定床層的擴張率和理論板數等
2)吸附
在吸附前，需先用平衡液將沉積的吸附劑流態化，建立一個穩定的床層。然後，將平衡液切換成原料液，由於原料液的黏度、密度和固體顆粒含量與平衡緩衝液不同，若維持原來的操作條件不變，床的擴張率會增大。為了保持一定的擴張率，起先需降低流速以保持床高；而在吸附操作的後期，由於介質吸附的蛋白質、細胞、核酸等生物物質，密度會有所增加，此時需要提高流速來維持原來的擴張率。在實際的吸附操作中，也可以採用維持流體流速，根據擴張高度的變化，調節擴張床內的高度調節器。
原料液流經穩定的擴張床時，介質顆粒的環流強度很小，柱內無返混或液體的溝流，細胞和細胞碎片易於通過床層被去除，目標產物則被吸附到層析介質上。通過線上檢測和分析目標蛋白濃度確定進樣吸附的終點，或用更保守的方法；在預測目標蛋白突破前的某一時刻停止進料。為了最佳化擴張床的吸附效果，當流出液中溶質濃度達到進口濃度的5%～10%時，停止料液的加入而轉入清洗階段。
3)沖洗
目的：除去床層間滯留的細胞和細胞碎片；除去非結合或弱結合性的可溶雜蛋白。
除去顆粒雜質沖洗時，流向與吸附時相同，採用的流體開始時大多使用平衡緩衝液。整個沖洗過程一般需要5～20倍沉降床體積的緩衝液。
洗滌液的黏度或密度較低，會使床層不穩定。用25%甘油溶液洗滌，效果較好，由於其黏度和密度較大，洗滌液呈活塞流，能有效地將細胞顆粒洗出而對床層的穩定性無影響。流出液中觀測不到固體雜質時可繼續保持擴張床方式，也可改用固定床方式，因為採用擴張床流體速度限制在最小流化和夾帶速度之間，固定床的低速不受限制，此時緩衝液流向取決於操作方式。注意調節上部速率分布器的位置比床層上界面高出0.5～1.0 cm。
4)洗脫
固定床方式洗脫是緩衝液從擴張床頂泵入，以固定床方式向下洗脫(以下簡稱“下洗”)；
優點：減少洗脫緩衝液的用量，增加產物濃度，減少殘留在床內的細胞對產物的污染，
缺點：①洗脫時間比較長，洗脫操作複雜，需要調節高度調節器和反向進樣；②操作時膨脹介質會產生聚集，影響其再度膨脹，造成在位清洗的困難；③床層壓降高，對介質的機械強度要求高。
擴張床方式洗脫是緩衝液從擴張床底部泵入，進行向上洗脫(以下簡稱“上洗”)。
優點：①洗脫方式簡單，洗脫迅速；②可減少返壓；③不會造成吸附劑顆粒的聚集，提高清洗效率；④洗脫設備簡單；⑤可實現連續化生產。
5)清洗
包括吸附劑的再生(Regeneration)和擴張床的消毒(Sanitization)。
再生是維持吸附劑的吸附能力和確保所有雜質都被清除的必要環節
