用於生化產品分離的脈衝磁性吸附與解吸裝置的製作方法

2023-06-11 16:52:51 2

專利名稱：用於生化產品分離的脈衝磁性吸附與解吸裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及生化產品的吸附分離技術領域，特別涉及到一種用於生化產品分離的 脈衝磁性吸附與解吸裝置。
背景技術：
超順磁性納米/微米顆粒由於具有很大的表面積，表面活性很高，因此，在熱力學 上很不穩定，很容易凝聚成團。為了防止磁性顆粒之間的凝聚作用，使其形成穩定的膠體溶 液，需要在製備過程中對磁性顆粒表面進行修飾，經過修飾的磁性顆粒表面應帶有較豐富 的活性功能基團，如-NH2、-C00H、-OH和-CHO等，以便偶聯生物分子和親和配基，得到適合 各種應用的適合磁性載體。磁性顆粒內部含有磁性粒子，具有超順磁性，在外加磁場下表現 出較好的磁性，去除外加磁場後，磁性顆粒的剩磁為零，因而其可在外加磁場的作用下方便 地控制和分離；磁性顆粒表面本身具有或通過表面改性帶有多種活性的功能基團，可進行 生物活性物質(如蛋白質、核酸、酶等)的分離，也可以偶聯特異性分子(如特異性配體、抗 體、抗原等)來專一性地分離生物大分子，因而，超順磁性納米/微米載體在生物產品的分 離領域有著廣泛的應用前景。傳統的生化產品分離技術通常包括吸附和解吸兩個各自獨立的單元操作。採用這 種技術手段利用超順磁性納米/微米載體進行生物產品分離同樣需要經過吸附和解吸兩 個步驟，即採用機械攪拌等方式使磁性顆粒在反應器中進行吸附或物理化學反應，然後，以 同樣的方式使其在反應器中進行解吸獲得目標產品。但是，在傳統分離工藝中，機械攪拌產 生的剪切力無論是對分離的目標產物還是對分離載體都會產生一定的破壞作用。而且，在 吸附和解吸過程中，都需要對磁性載體進行分離，傳統工藝通常採用過濾等間歇操作方式， 導致操作繁瑣、生產效率較低。為了滿足超順磁性納米/微米載體在生化產品分離應用中的需要，磁穩定流化床 被用於以磁性載體為分離介質的生化產品分離過程。與傳統的分離工藝相比，磁穩定流化 床具有操作條件溫和、分離速度快、對生物活性影響小等優點。然而，磁穩定流化床引入磁 場方式一般採用電磁線圈的形式，這就造成分離過程中耗電量較大，增加了生產成本。此 外，在進行磁穩定流化床的放大時，採用電磁線圈投資較大，而且由於床層直徑的增加，可 導致床層內部磁場不均勻。在磁穩定流化床的實際應用過程中存在著下述問題少量細顆 粒催化劑從反應器出口處被液體夾帶流出，造成分離介質的流失；為防流失，通常通過增加 外加電磁線圈的電壓和電流來加大磁場強度，但在強磁場下，磁穩定流化床處於凍結區，磁 性吸附載體呈鏈狀，床內出現溝流現象，流體分布不均勻；加上磁性顆粒處於相對穩定的狀 態，顆粒傳質界面更新慢，導致傳質效率降低。

發明內容
本發明的目的在於，克服上述現有以超順磁性納米/微米顆粒為分離載體分離裝 置和技術存在的缺陷，從而提供一種用於生化產品分離的脈衝磁性吸附與解吸裝置。該裝
3置可以實現大批量樣品的分離，而且結構簡單，易操作。為了實現上述目的，本發明的一種用於生化產品分離的脈衝磁性吸附與解吸裝 置，包括吸附與解吸反應器10、電磁閥沈、料液儲罐18和出料罐25 ；所述的吸附與解吸反 應器10有一套筒11，套筒11底部為錐形，在反應器10裡面的下部裝有液體分布板14，反 應器10底部中央有一進料口 15，所述的進料口 15通過電磁閥沈連接到料液儲罐18上；所 述的吸附與解吸反應器10的側面下部，液體分布板14的上方安裝一磁性載體入口 13 ；所 述的吸附與解吸反應器10通過安裝在套筒11上端部的出料管21與出料罐25相連通；其 特徵在於，還包括一脈衝永磁鐵系統；所述的脈衝永磁鐵系統有一連杆1，該連杆1的中心連杆向下通過固定軸套19固 設兩個同軸布置的環形永磁鐵6，該兩個環形永磁鐵6套設在帶有密封底的隔離筒7內，所 述的隔離筒7固定安裝在套筒11上部的中心位置；所述的連杆1的兩端對稱地垂直向下延伸，該延伸部依次向下穿設有圓盤擋板2、 彈簧3、圓筒4和鐵質圓盤彈片5，其中，圓盤擋板2和鐵質圓盤彈片5固定在連杆1上，圓 筒4固定不動；所述的鐵質圓盤彈片5的正下方分別固定有吸盤式電磁鐵8，兩個吸盤式電磁鐵8 與時間繼電器M相連，通過控制電源的通斷實現永磁鐵6的周期性脈衝運動。作為上述技術方案的一種改進，所述的套筒11的內壁上位於隔離筒7下方設有環 形擋板9，該環形擋板9位於出料管21的下方，其內圓環面位於隔離筒7的外壁沿線以內。這種設計可以使液體無法直接從套筒內壁與隔離筒外壁之間直接流出，而必須流 經隔離筒下部，這樣，磁性顆粒被磁鐵吸引而無法流出，從而有效的防止磁性載體被流出液 帶出反應器；同時，筒壁的上升流受到擋板阻擋後會生產生下降流，從而帶動部分顆粒下 行。作為上述技術方案的又一種改進，所述的隔離筒7為雙層套筒結構，用於分別放 置兩個同軸布置的環形永磁鐵6。所述的脈衝永磁鐵系統中的兩塊環形永磁鐵6放置在同 一水平面內。作為上述技術方案的再一種改進，所述的料液儲罐18和一個精密計量泵27形成 迴路；所述的精密計量泵27的泵出端分成兩路，一路經連接管路16和電磁閥沈連接到 進料口 15，另一路經回流管路17連接到料液儲罐18 ；所述的回流管路17的直徑與連接管路16直徑比為1 2 4。優選直徑比為 1 3。除了回流管路17那一段以外，其他都是連接管路且其直徑是一致的。所述的電磁閥沈與時間繼電器M相連。通過時間繼電器M來控制吸盤式電磁 鐵7和電磁閥沈的電流的同步通斷。所述的反應器10、料液儲罐18、出料罐25和管路的材質均為不鏽鋼、玻璃或塑料。如圖1所示，待分離樣品的原料液由吸附/解吸反應器10底部導入，經液體分布 板14分散均勻後與吸附/解吸反應器10中的經過解吸具有吸附活性的磁性載體23混合， 磁性載體23在脈衝永磁鐵系統20控制下與原料液進行充分的傳質並對原料液中目的產品 進行吸附(反應)，吸附了產品的磁性載體23維持在吸附/解吸反應器10中，被吸附了產品的原料液(廢液)由出料口 21排出，待磁性載體23吸附飽和後，用洗脫液替換原料液由 吸附/解吸反應器10底部導入，磁性載體23在脈衝永磁鐵系統20控制下與洗脫液進行充 分混合，磁性載體上吸附的目的產品被洗脫下來，洗脫液帶著洗脫下來的目的產品從出料 口 21排出，進入出料罐25，解吸了產品的磁性載體在吸附/解吸反應器10中循環使用。本發明的脈衝永磁鐵系統20和電磁閥沈通過時間繼電器M進行同步控制，由時 間繼電器M設定脈衝時間(即電源的通斷時間)，當電路接通時，電磁閥沈處於開通，料 液儲罐18中的液體流經電磁閥沈進入吸附/解吸反應器10中，向上的流體作用於磁性載 體23並提供方向向上的流體曳力，同時，吸盤式電磁鐵8在通電後吸住鐵質圓盤彈片5，拉 動永磁鐵6進入狀態A，如圖2所示，磁性載體23在向上的流體曳力、浮力和磁力的作用下， 克服自身重力，向上運動，實現磁性載體顆粒的流態化，磁性載體23與原料液(洗脫液)進 行傳質(反應)，並最終達到穩定狀態，形成圓形鏈狀。此時，時間繼電器M斷開電源，電 磁閥沈關閉，料液儲罐18中液體仍然由精密計量泵27泵出，經回流管路17回到料液儲罐 中，同時，吸盤式電磁鐵8在斷電後鬆開鐵質圓盤彈片5，永磁鐵6在彈簧3的作用下回到B 狀態，如圖3所示，磁性載體顆粒在重力的作用下向下運動，自動脫落，與原料液(洗脫液) 進行傳質(反應)，並最終回到穩定的分散狀態，永磁鐵6在時間繼電器M的控制下進行周 期性的脈衝運動，磁性載體23在吸附/解吸反應器10中進行A、B狀態的周期性轉變。本發明的優點在於1、本發明利用環形永磁鐵代替電磁線圈，克服了電磁線圈投資大，電耗強的缺點， 而且環形的設計有利於減少永磁鐵的用量，降低設備投資和生產的成本，多層環形磁鐵的 設計為本發明的放大提供了便利。2、本發明環形擋板的設計，可以有效的防止磁性載體被流出液帶出反應器。3、本發明採用脈衝永磁鐵系統，這一設計使反應器中磁性分離載體，能夠始終保 持在流態化的狀態，液體流過反應器時無死角，顆粒傳質界面更新快，提高了分離載體與與 液相之間的傳質效率，改善了目的產品分離的速度和效果。總之，本發明的脈衝磁性吸附與解吸裝置用於生化產品的分離中，通過永磁鐵的 周期脈衝運動，對磁性分離載體進行交替磁吸附和磁脫離，到達對超順磁性分離介質的捕 獲和釋放，實現反應器內部的流態化，加快介質表面的更新，有利於提高反應器內部的傳 質，避免分離介質的流失，同時通過吸附-解吸(反應)的交替，實現分離介質的重複利用。


圖1為本發明的脈衝磁性吸附與解吸裝置的結構示意圖；圖2為本發明的脈衝磁性吸附與解吸裝置的一種使用狀態示意圖；圖3為本發明的脈衝磁性吸附與解吸裝置的另一種使用狀態示意圖；圖4為本發明實施例1的磁性微球對漆酶蛋白吸附量和解吸量隨時間的變化曲線 圖；圖5為本發明實施例2的磁性納米顆粒載體對漆酶蛋白吸附量和解吸量隨時間的 變化曲線圖。附圖標識1、連杆系統2、圓盤擋板3、彈簧
4、圓筒7、隔離筒10、吸附/解吸反應器13、磁性載體入口16、連接管路19、固定軸套22、電路25、出料罐
5、鐵質圓盤彈片 8、吸盤式電磁鐵 11、套筒 14、液體分布板 17、回流管路 20、脈衝永磁鐵系統 23、磁性載體 26、電磁閥
6、永磁鐵 9、環形擋板 12、閥門 15、進料口 18、料液儲罐 21、出料口
24、時間繼電器 27、精密計量泵
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
，對本發明的裝置及其使用效果進行說明。如圖1所示，本發明的脈衝磁性吸附與解吸裝置包括吸附/解吸反應器10，脈衝永 磁鐵系統20、精密計量泵27、電磁閥26、時間繼電器M、料液儲罐18和出料罐25。其中，吸附/解吸反應器10有一套筒11，套筒11底部為錐形，在反應器10裡面 的下部裝有液體分布板14，反應器10底部中央有一進料口 15與電磁閥沈相連，吸附/解 吸反應器10的側面下部，液體分布板的上方安裝一磁性載體入口 13，吸附/解吸反應器10 通過安裝在套筒11壁上的出料口 21與出料罐25相連通，套筒11之內的上部中央固定安 裝一個帶有密封底的隔離筒7，隔離筒7下方的套筒11的筒壁上設有環形擋板9，隔離筒7 內部為雙層結構，由兩個同圓心不同半徑圓柱體構成，用於放置永磁鐵6。一脈衝永磁鐵系統20，有一連杆系統1，連杆系統1的兩側連杆上對稱的各連接一 圓盤擋板2和鐵質圓盤彈片5，圓盤擋板2固定在連杆系統1上，鐵質圓盤彈片5連接在連 杆系統1的兩側連杆的末端，圓盤擋板2和鐵質圓盤彈片5之間安裝一底部封閉並開孔的 圓筒4，圓筒4固定不動，圓筒4的底部與圓盤擋板2之間安裝一彈簧3，連杆系統1的兩側 連杆順次穿過圓盤擋板2，彈簧3和圓筒4，在鐵質圓盤彈片5的正下方固定兩個吸盤式電 磁鐵8，吸盤式電磁鐵8與時間繼電器對相連，時間繼電器通過控制電源的通斷實現脈衝永 磁鐵系統20中永磁鐵6的周期性脈衝運動，永磁鐵6由兩個同圓心半徑不同的環形永磁鐵 組成並與連杆系統1的中間連杆的末端連接。一連接管路16將料液儲罐18、精密計量泵27、電磁閥沈、吸附/解吸反應器10和 出料罐25串聯起來，在精密計量泵27和電磁閥沈之間的連接管路16上連接回流管路17， 回流管路17的出口與料液儲罐18相連通。一電路22將吸盤式電磁鐵8和電磁閥沈與時間繼電器M連接起來，通過時間繼 電器來控制吸盤式電磁鐵8和電磁閥沈的電流的同步通斷。所述連杆系統1由4根主要連杆組成，一根水平連杆，兩端連接兩根連杆，水平連 杆中間連接一根連杆與永磁鐵6相連，連杆系統1在同一個平面內且與工作平臺垂直。所述永磁鐵6由兩個圓心相同半徑不同的環形磁鐵組成，兩個環形磁鐵在同一個 水平面內且相互之間有間隔，永磁鐵6的尺寸與隔離筒7的尺寸相配套。所述回流管路17與連接管路16的直徑比1 3，這是因為回流管路17主要起分 流、保護管路的作用，特別是在電磁閥沈關閉的時段將料液回流，降低精密計量泵27和電 磁閥沈之間的連接管路16中的壓力。
所述反應器、罐體和管路的材質均為不鏽鋼、玻璃或塑料。實施例1本實施例中，採用的永磁鐵6由兩個環形磁鐵組成，其中一塊永磁鐵的外徑為 50mm,內徑40mm，厚度10mm，另一塊永磁鐵的外徑30mm，內徑20mm，厚度10mm。可根據實際 需要選擇不同尺寸，不同型號，不同材質的磁鐵。本實施例的磁性載體25是用磁性聚乙酸乙烯酯微球表面接枝甲基丙烯酸縮水甘 油脂和亞氨基二乙酸合成的Cu2+螯合的親和吸附磁性微球(PVA-g-GMA-IDA-Cu2+)，實驗證 明該磁性微球具有超順磁性。親和吸附與解吸的實驗方法如下用PVA-g-GMA-IDA-Cu2+磁性微球作為磁性載體 親和吸附漆酶蛋白，再通過含咪唑的緩衝溶液中將載體上的漆酶蛋白解吸下來。(1)吸附操作該磁性微球的親和吸附(反應)漆酶蛋白的操作在pH = 3. 0、濃度為20mM的 Michaelis酒石酸緩衝液中進行。將含Ig該磁性微球的150ml酒石酸緩衝液在攪拌混合器 中攪拌數分鐘，與0. 2mg/ml漆酶蛋白的酒石酸緩衝液150ml同時加入到反應器10中，使漆 酶蛋白的總濃度為0. lmg/ml，與此同時，開啟精密計量泵27，將料液儲罐18中0. lmg/ml漆 酶蛋白的酒石酸緩衝液以lOml/min的流量泵入反應器10中，在出料口 21定時取樣測定漆 酶蛋白的濃度，計算吸附量隨時間的變化。(2)解吸操作該磁性微球上漆酶蛋白的解吸操作在pH = 3. O、含咪唑200mM、濃度為20mM的酒 石酸緩衝液中進行，採用同樣測量方法測定解吸量隨時間的變化。(3)實驗得到的磁性微球(PVA-g-GMA-IDA-Cu2+)對漆酶蛋白吸附量和解吸量隨時 間的變化曲線如圖4所示。實驗結論該超順磁性微球，對漆酶蛋白具有較高的吸附容量，添加咪唑能夠使大 部分漆酶蛋白解吸下來，吸附和解吸在60-80min內達到平衡，微米級超順磁性分離載體能 夠成功的在脈衝磁性吸附與解吸裝置中進行漆酶的分離。實施例2本實施例採用本發明提供的用於生化產品分離的脈衝磁性吸附與解吸裝置，如圖 1所示。本實施例中，採用的永磁鐵6由兩個環形磁鐵組成，其中一塊永磁鐵的外徑為 50mm,內徑40mm，厚度5mm，另一塊永磁鐵的外徑30mm，內徑20mm，厚度5mm。本實施例的磁性載體25是用包覆Si02的磁性納米顆粒表面接枝3_氯丙基三甲 氧基矽烷和亞氨基二乙酸合成的Cu2+螯合的親和吸附磁性納米顆粒(CPTS-IDA-Cu2+)分離 載體，實驗證明該磁性納米顆粒具有超順磁性。親和吸附與解吸的實驗方法如下用CPTS-IDA-Cu2+磁性納米顆粒作為分離載體 親和吸附漆酶蛋白，再通過含咪唑的緩衝溶液中將載體上的漆酶蛋白解吸下來。(1)吸附操作該CPTS-IDA-Cu2+的親和吸附(反應)漆酶蛋白的操作在pH = 3. 6、濃度為20mM 的Michaelis乙酸緩衝液中進行。將含Ig該磁性納米顆粒的150ml酒石酸緩衝液在攪拌 混合器中攪拌數分鐘，與0. 2mg/ml漆酶蛋白的乙酸緩衝液150ml同時加入到反應器10中，使漆酶蛋白的總濃度為0. lmg/ml，與此同時，開啟精密計量泵27，將料液儲罐18中0. Img/ ml漆酶蛋白的乙酸緩衝液以lOml/min的流量泵入反應器10中，在出料口 21定時取樣測定 漆酶蛋白的濃度，計算吸附量隨時間的變化。(2)解吸操作該磁性納米顆粒上漆酶蛋白的解吸操作在pH = 4、含咪唑200mM、濃度為20mM的 乙酸緩衝液中進行，採用同樣的測量方法測定解吸量隨時間的變化。(3)實驗得到的磁性納米顆粒(CPTS-IDA-Cu2+)對漆酶蛋白吸附量和解吸量隨時 間的變化曲線如圖5所示。實驗結論該超順磁性納米顆粒，對漆酶蛋白具有很好的吸附容量，90%以上漆酶 蛋白能夠被解吸下來，吸附和解吸在40-60min內達到平衡，納米級超順磁性分離載體能夠 在脈衝磁性吸附與解吸裝置中成功進行漆酶的分離。最後所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制。儘管參 照實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發明的技術方 案進行修改或者等同替換，都不脫離本發明技術方案的精神和範圍，其均應涵蓋在本發明 的權利要求範圍當中。
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權利要求
1.一種用於生化產品分離的脈衝磁性吸附與解吸裝置，包括吸附與解吸反應器(10)、電磁閥( )、料液儲罐(18)和出料罐05)；所述的吸附與解吸反應器(10)有一套筒(11)，套筒(11)底部為錐形，在反應器(10)裡面的下部裝有液體分布板(14)，反應器(10) 底部中央有一進料口(15)，所述的進料口(1 通過電磁閥06)連接到料液儲罐(18)上； 所述的吸附與解吸反應器(10)的側面下部，液體分布板(14)的上方安裝一磁性載體入口 (13)；所述的吸附與解吸反應器(10)通過安裝在套筒(11)上端部的出料管與出料罐 (25)相連通；其特徵在於，還包括一脈衝永磁鐵系統；所述的脈衝永磁鐵系統有一連杆(1)，該連杆(1)的中心連杆向下通過固定軸套(19) 固設兩個同軸布置的環形永磁鐵(6)，該兩個環形永磁鐵(6)套設在帶有密封底的隔離筒(7)內，所述的隔離筒(7)固定安裝在套筒(11)上部的中心位置；所述的連杆(1)的兩端對稱地垂直向下延伸，該延伸部依次向下穿設有圓盤擋板O)、 彈簧(3)、圓筒(4)和鐵質圓盤彈片(5)，其中，圓盤擋板(2)和鐵質圓盤彈片(5)固定在連 杆⑴上，圓筒⑷固定不動；所述的鐵質圓盤彈片(5)的正下方分別固定有吸盤式電磁鐵(8)，兩個吸盤式電磁鐵(8)與時間繼電器04)相連，通過控制電源的通斷實現永磁鐵(6)的周期性脈衝運動。
2.根據權利要求1所述的脈衝磁性吸附與解吸裝置，其特徵在於，所述的套筒(11)的 內壁上位於隔離筒(7)下方設有環形擋板(9)，該環形擋板(9)位於出料管的下方，其 內圓環面位於隔離筒(7)的外壁沿線以內。
3.根據權利要求1或2所述的脈衝磁性吸附與解吸裝置，其特徵在於，所述的隔離筒 (7)為雙層套筒結構，用於分別放置兩個同軸布置的環形永磁鐵(6)。
4.根據權利要求1所述的脈衝磁性吸附與解吸裝置，其特徵在於，所述的脈衝永磁鐵 系統中的兩塊環形永磁鐵(6)放置在同一水平面內。
5.根據權利要求1所述的脈衝磁性吸附與解吸裝置，其特徵在於，所述的料液儲罐 (18)和一個精密計量泵(XT)形成迴路；所述的精密計量泵(XT)的泵出端分成兩路，一路經連接管路(16)和電磁閥06)連接 到進料口(15)，另一路經回流管路(17)連接到料液儲罐(18)；所述的回流管路(17)的直徑與連接管路(16)直徑比為1 2 4。
6.根據權利要求5所述的脈衝磁性吸附與解吸裝置，其特徵在於，所述的電磁閥06) 與時間繼電器04)相連。
7.根據權利要求5所述的脈衝磁性吸附與解吸裝置，其特徵在於，所述的反應器(10)、 料液儲罐(18)、出料罐0 和管路的材質均為不鏽鋼、玻璃或塑料。
8.根據權利要求5所述的脈衝磁性吸附與解吸裝置，其特徵在於，所述的回流管路 (17)的直徑與連接管路(16)直徑比為1 3。
全文摘要
本發明提供了一種用於生化產品分離的脈衝磁性吸附與解吸裝置，包括吸附與解吸反應器、電磁閥、料液儲罐和出料罐；還包括一脈衝永磁鐵系統；所述的脈衝永磁鐵系統有一連杆，該連杆的中心連杆向下通過固定軸套固設兩個同軸布置的環形永磁鐵，該兩個環形永磁鐵套設在帶有密封底的隔離筒內，所述的隔離筒固定安裝在套筒上部的中心位置；所述的連杆的兩端對稱地垂直向下延伸，該延伸部依次向下穿設有圓盤擋板、彈簧、圓筒和鐵質圓盤彈片，其中，圓盤擋板和鐵質圓盤彈片固定在連杆上，圓筒固定不動；所述的鐵質圓盤彈片的正下方分別固定有吸盤式電磁鐵，兩個吸盤式電磁鐵與時間繼電器相連。本發明簡單、高效。
文檔編號B01D15/08GK102085425SQ20091024226
公開日2011年6月8日 申請日期2009年12月8日 優先權日2009年12月8日
發明者劉春朝, 安震濤, 王 鋒, 郭晨 申請人:中國科學院過程工程研究所