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制备型高效液相色谱分离技术及其在生化工程中的应用.pdf

制备型高效液相色谱分离技术及其在生化工程中的应用

musicorchard
2010-05-07 0人阅读 举报 0 0 0 暂无简介

简介:本文档为《制备型高效液相色谱分离技术及其在生化工程中的应用pdf》,可适用于医药卫生领域

··化工进展年月外’新技术制备型高效液相色谱分离技术及其在生化工程中的应用国内何志敏王志详天津大学化学工程研究所余国凉天津,制备型高效液相色谱是近年来引人注目的新型高效分离技术。本文从化学工程角度出发,对制备型比分离过程的非线性色谱理论、优化和放大,以及在生化产品分离纯化中的应用进行综述。并在此基础上,指出制备型分离过程的研究方向。引言色谱法分离技术是利用组分在固定相和流动相中的分配系数的微小差异,当两相作相对运动时,不同组分将形成不同迁移速度的谱带,使各组分彼此分离,从而达到分离的目的。目前色谱法已在化学、化工等领域,特别是生物化学和生物化工领域中,得到了极为广泛的应用。对于那些用常规方法难以分离的物系、热敏性物系以及具有生物活性物系的分离,色谱法具有独特的优越性。按照流动相状态的不同,色谱法可分为气相色谱和液相色谱法种。前者已广泛应用于石油、化工等领域的化学分析,早已为人们所熟知。而后者特别适用于生化产品的分离纯化。在年代,由于检测仪器和填料技术的重大进展,诞生了新一代的高效液相色谱装置,使得色谱法的应用领域不断扩大。至今,已成为最重要和最有效的分析和分离方法。按操作方式和目的来分,可分为分析型和制备型两类。分析型的目的是为了获得反映样品组成的信息,而制备型的目的是为了获得产品。所以,前者是一种分析工具,而后者是一种分离技术。由于目的不同,分析型和制备型所选用的操作条件有显著不同,前者的进样量愈小愈好,且要避免柱超载后者为了提高产量,柱必须超载。对于分析型可用线性色谱理论来描述而对于制备型,只能用非线性色谱理论来描述。本文将按照化学工程的观点,对制备型的过程理论、模拟、优化及其在生化产品分离纯化中的应用现状进行简要综述。非线性色谱理论色谱系统的数学模型色谱问题是将柱出口处的谱带的浓度曲线同平衡等温线、传质动力学和注入谱带曲线联系起来。在化学工程中,最典型的方法是质量衡算、传质动力学和求解偏微分方程。对色谱柱中的传质过程可描述为一召“,一一戈了七‘七,‘口不‘。国家教委留学回国人员工作资助费支持项目。式中、。,分别为组分公在固定相和流动相中的浓度,“为流动相流速,为扩散系数君为色谱柱的孔隙率。不同的研究者所使用的传质表达式形式各异,但都可经方程简化而得。为了得到系统的数学模型,还必须建立和之间的第期化进展表色漪不统的平衡关系类型平衡表达式应文献线性,,二。‘型‘,,二‘一,矛。口艺凡一,一口浓度很低或线性吸附适用于单组分吸附。时,等温线渐近于直线适用于多组分物系〔〕当‘很大或很小〔〕〔,〕。山型一,一‘盆‘经验等温线,据,可用于拟合大多数平衡数等温线无渐近线〔〕表中,、人、。、。,、‘为平衡常数衷色,系统的传质速率表达式传质速率表达式文献、、舟弓︸、‘,令一嵘几,一“,孚一二一。,一,·令一鲁十子令有限传质有限传质并趋于平衡,是上一种清况的特例有限传质,且溶质在球形填料内、外扩散这里尚需填料周围环境的附加边界条件〔〕表中,人、为传质速率常数‘。,为与固定相成平衡时的流动相中组分玄的浓度刀为填料颗粒内的扩散系数。裹典型的边界和初始条件初始或边界条件文献恒定进料浓度当二。、一。时,一,’,二夕‘,盆,亡用恒定浓度的溶剂洗提溶质,品用有限脉冲的方式注入例如线性色谱或样,,〕以及当。、‘。时,或当二、进科时溶质通过往出口处无吸附。,,‘当乙、。时,。,〔,片韶在柱出口内、外的扩散和流速相似,且相对于扩散和对流而言,累积很小〔〕柱内的初始浓度为零当,、一时,‘,,‘以及、一时,,,二‘柱出口处有返混几乎对所有的情况都适用。界条件可用于所列出的各种边〔,,〕当一、‘。时,。匹借男,一二,’,,在柱出以通过扩口处散的可有返混,如果存在浓度梯度,物质可方式进出柱〔〕二“二表中,口,,为色谱柱进口处的浓度,它是一个常数或为时间的函数为色谱柱的长度。关系,这些关系可以是平衡关系,也可以是动表达式以及初始条件和边界条件,构成了色谱力学关系即传质速率方程。表和表分系统的数学模型。别归纳了目前广泛采用的平衡关系和传质速率系统摸型的求解方程。对于不同的情况有不同的边界条件和初迄今为止,尚无法得到色谱系统数学模型始条件。表列出了一些研究者所采用的边界的一般解析解,因此,无法编制通用的计算程条件。序。这不仅是由于计算过程十分复杂和费时,方程与相应的平衡关系、传质速率而且是由系统的数学性质决定的。当进行数值化工进展年月模拟时,使用传统算法往往收敛不稳定,如果不对所涉及的数值问题进行仔细分析,编制的程序可能会导致无法接受的解。有鉴于此,合理的简化是必不可少的。常用的方法主要有假定柱效无限大。此时可以完全忽略动力学方程,用有限差分法,对问题编制程序求解“,”。通过对偏微分方程的性质进行研究,对解的数值计算可选择合适的时间和空间增量。等仁,,发现这种选择是不确定的,当选择与板高度相等的空何增量时,可使计算得到的曲线与低浓度时测得的曲线相吻合。‘保留动力学方程,但假设是线性等温线,这可解决分析色谱中所遇到的问题。此时可得到系统模型的精确解析解,即曲线,也可以获得板高方程式。保留动力学方程,求近似解析解。等‘。】使用复杂的数学变换,得到了非线性等温线时,单一峰曲线的近似解析解,但他们的方法不能推广到二元或二元以上混合物的问题。一些研究者川,’’假定扩散系数为表观扩散系数,且为常数,从而获得了系统的近似解。在中等超载的中,理论值与实验值吻合较好。然而,许多物质的分子,特别是生命科学中的或蛋白质等生物大分子,在流动相中的扩散系数并非常数,而与浓度有关,此时,等的方法将不适用〔,,】。尽管许多研究者对非线性色谱理论进行广泛的研究,但就这一领域的现状而言,离解决制备型分离过程最优化等间题,尚有很大的差距。过程的优化和放大制备型分离过程的目的是按照一定的纯度要求,以最大的产率和可行的投资,来生产所需要的产品。为此,按照化学工程的观点对过程进行优化、放大是必须的。下面讨论几个主要的影响因素。样品的注入和壁效应在制备型分离过程中,柱的壁效应是很重要的,它可以反映填料堆积的难易程度、柱效以及柱的使用期限等问题。由于壁效应的存在,将导致柱性能的严重恶化。等‘弓,将色谱柱的壁效应分为类直接壁效应,即柱壁对填料的支撑效应,桥效应,即在小直径柱中,填料颗粒互相挤压,形成桥,热量壁效应,在大内径的制备柱中,可以没有桥效应。但在这些制备柱中,摩擦热和吸附热效应更为重要。由于柱壁材料通常具有比床层更大的热膨胀系数,因此,当溶剂从床层巾通过并产生热量时,壁面能同床层分离开来,使壁面附近的渗透性变高,从而使柱性能下降。最初,等〔‘“,认为壁面区相当于个填料顺粒直径厚。但是,通过对色谱柱内径向浓度分布的进一步研究,等〔“,发现壁面区至少向柱内扩展相当于个常规填料颗粒直径,而且很可能达到相当于个常规填料顺粒直径。为了减少壁效应的影响,许多研究者对样品的注入方式进行了研究。年代后期,等“,提出了分析型色谱柱的“无限直径效应”的概念,即如果柱子足够粗,那么,将样品注入到柱入口的中心,所有组分的谱带可不经过壁面附近的不规则区域而到达柱出口,从而可消除壁效应的影响。“”认为,在制备型中,显然应该利用无限直径效应。然而,一方面,由于柱按照无限直径方式操作时,其填料的利用率太低,另一方面,在制备型中,样品量相对较多,很难完全按照中心注入的方式进样。等,对中心进料和截面均匀进料所获得的结果进行了比较,结果表明低样品浓度时,中心注入的等板高度较小。但随着超载程度的增加,中心注入的增加,使得在高超载程度时,中心注入的更大。体积超载或浓度超软一般地,为了提高柱产量,必须提高样品第期化工进展体积。这有种方式〔使用小的注入体积,但增加样品浓度,即所谓的“质量超载”保持较小的样品浓度,但增加样品体积,即所谓的“体积超载”。许多研究者‘,”。,对这种操作方式进行了研究,发现在质量超载条件下,操作要好一些。等”,计算了最大样品负荷能力,得到的回收率对每个组分而言接近于。等‘,‘’对柱的质量超载情况进行了研究,结果表明,为了实现柱的最大生产能力,注入样品体积必须保持在一个最小值。从实用的观点而言,首先要提高注入样品的浓度。如果在达到最大生产速率之前,样品在流动相中的流动度已达到极限值,那么就要提高样品注入体积。他们指出,在任何情况下,都有一个最优的注入体积,这取决于样品在流动相中的流动度。坡料尺寸在中,填料尺寸直接影响柱效、负荷能力及压降。在分析型中,已广泛研究过填料尺寸对分离效率的影响。但在柱超载情况下,对填料尺寸进行优化研究却少有报道。等〔翻对不同填料尺寸的制备型过程进行了优化,认为在柱超载情况下,使用大尺寸的填料并适当加大柱长,可使分离效果基本上不下降。在制备型中,对填料尺寸的优化存在种观点。一种观点认为使用小顺粒填料,可以获得高柱效,尤其是对于难分离物系,可以获得很高的分离度。缺点是压降太大,填料较昂贵。另一种观点是使用大颖粒填料,可以获得较大的生产能力,而且填料相当便宜。但此时必须以牺牲柱效为代价,或者增加柱长以获得与小顺粒填料相同的柱效。为了获得合适的分离度,对于填料尺寸的优化还没有很好的解决。色谱过程将导致样品的严重稀释,且柱效越低,洗提浓度就越低。产量固然重要,但如果回收率太低,过程还是不适用的。在制备型分离过程中,最重要的是产率,必须据此对制备型分离过程的填料尺寸进行优化。。流速流动相的最大流速由填料尺寸、柱径和泵能力决定。最初认为按最大流速操作可以获得最大产量‘翎,但对于最大产量的操作是否是最优的,必须加以权衡。因为随着流速的增大,将增加,因而使峰重叠增加,所以在产量和分离度之间有一个权衡问题。此外,随着流速的增加,溶剂消耗将增加。当流速超过某一极限时,收益将少于花费。在制备型巩分离过程中,对流速的优化需要系统的研究,而且必须同其它参数结合起来。柱径对色谱柱的早期研究主要局限于的小直径柱。在分析型中,等“们发现,由于“无限直径效应”使大直径柱更为高效。等〔”,的研究肯定了这一结果。他们将柱内径放大到时,柱效没有损失。。、等〔‘“,的研究也进一步证实了这一结果。翔将柱内径放大到时发现,同小直径的分析柱相比,大直径柱无论在理论上还是在实际上,都可以提高柱的操作性能。团等‘‘,将柱内径放大到,对脱氢皋丸激素进行了分析和制备分离,制备量在,甚至更多。等〔”,将柱内径放大到,对四氢化菲混合物进行了制备分离,处理量可以达到,甚至达到。目前已经出现了既可进行分析分离,又可进行大规模制备分离的色谱系统。虽然,增大色谱柱的直径,可以增加样品的处理量,但柱直径也不能无限放大,必须受到泵能力的限制。因为在同样的流速下,柱直径增加倍,泵流量必须增加倍。此外,在大直径色谱柱中,如何使样品在柱截面上均匀分布,也是一个令人棘手的问题。否则,柱效将大为下降。迄今为止,在制备型条件下,柱径增大对分离性能影响的研究还很不完善,迫切需要进一步的深入研究。这是制备型技化工年月术大规模地用于工业分离过程的关键所在。。柱长在制备型中,柱长要同柱径、柱效、流速、填料尺寸等一起优化。有一个最小柱长,低于这个值,谱带之间的分离程度不够,就不能生产足够纯的产品。等,,主张使用很长的制备柱,这样可以提高样品的处理量。但是,等〔幻指出,增加柱长所获得的收益有一个极限值。当柱长超过某一长度后,由于填充床层的不均匀性,使柱效并不能随柱长线性增加。使柱长产生上限的另一个因素是泵的能力,即柱长要受到泵的最大操作压力的限制,因为压力降将随着柱长的增加而增大。等‘”认为,如果柱子的压降太大,可以考虑使用多根柱子。也可以象等〔翻那样采用循环操作技术。关于制备型孔分离过程的优化、放大,还没有形成系统的理论,尚有许多问题需要解决。然而,目前这一领域的研究很活跃。预计在不久的将来,这些间题可望得到初步解决。域中,将日益发挥着越来越重要的作用。农翻备型分离技术在生化产品分离纯化中的应用实例序号物质名称柱尺寸往填料处理量脱氢皋丸激素腺嚓吟核普缩二氮酸抗菌素糖砍人胰生长激素胰蛋白酶抑制剂蛤毒配基醋少乳球蛋自尿酸免疫球蛋白类叶红素人胰岛素链只。。硅胶‘”树脂硅胶硅胶树脂硅胶硅胶一应用实例在年代兴起的新技术革命中,生物工程得到迅速发展,它的各个分支基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程中,都面临着大量的蛋白质、多肚、核酸等生物大分子的分离和纯化任务。这些生物大分子在分子量、琉水性、热稳定性、化学稳定性、反应性能等方面,不同于小分子或中等分子量的化合物,不能用常规的分离技术来分离这些生物大分子。从分离科学的现有水平来看,电泳法和是目前分离生物大分子的最佳手段。然而,电泳法在制备和生产规模上受到限制,因此,就成为目前分离和纯化生物大分子的主要手段。表列出了制备型分离技术在生物大分子分离和纯化领域中的一些应用。其中,柱尺寸为内径长度,,处理量级为批。可以相信,随着生物工程的迅速发展,制备型分离技术在生物大分子的分离和纯化领结束语制备型是一种新型高效分离技术,无论在原理上、还是在设备上,都与分析型·显著不同。目前制备型的发展趋势是开发大规模工业过程。然而,现有的理论结构还很不完善,不能指导制备型分离过程的放大和优化。特别是涉及到柱超载、柱设计等间题,还远未解决。从工业应用角度出发,今后的研究方向主要是以下几方面。对指导制备型分离过程优化和放大的非线性色谱理论进行研究。只有在这方面取得突破性进展之后,才能掌握制备型分离过程的最优设计。按照化学工程的观点,对制备型分离过程进行模拟、优化和放大研究,为整个过程最优设计提供科学依据。开发适用于制备型分离过程的低成本、通用型和高选择性填料,以降低生产成本和提高产品纯度。对制备型分离过程的关键设备色谱柱及其内件进行最优设计,以适合工业规模的应用。最后必须指出的是,制备型技术无第期化工进展·疑是迄今为止最有效的一种分离纯化生物分子的方法。但是,它的应用并不仅仅局限于生物分子,而是可以广泛地用于各种化工产品,特别是精细化工产品的精制。参考文献孟心,艺,,,。,。一,一功,,,,,,,·,,,,,,,产,一,,,‘,,。,弓二,,,】,二,一,‘通,一,,,,·,一,,刁,〕,。,,刁,,,,至,上接第页火,,,卜朗城,,,,,‘,,,·,,,人,·,,通,此,,通卜兔,主,·川,月,袁孝竞,李福生,余国珠大型填料塔内液相分布状态的研究化工学报,,,,,,口‘,,,功,,召,,“吕,戈云,,,,,,马〕,,,,,劝,玫,,,,,,仕,,峨峨一,,片,,,盯,七叫,,,。,乳,,,,,,

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