用于连续床层析的超大孔晶胶介质的制备与性能研究

论文摘要

超大孔连续床晶胶层析分离技术是一种近几年才出现的新型生物分离技术,其晶胶介质内具有尺寸达数微米至数百微米的超大孔隙,允许发酵液中的微生物细胞、细胞碎片等固体颗粒顺利通过,柱压低、传质阻力小,目标物的吸附传质主要为对流传质,吸附分离迅速,可在高流速下直接从复杂料液中分离纯化生物分子或生物颗粒。研究晶胶基质的成孔规律和机理、功能基团固载和修饰方法、晶胶介质对蛋白质的吸附分离特性以及晶胶层析的应用等问题,具有十分重要的意义。本论文以聚丙烯酰胺基体系为反应液,用结晶致孔法制备了晶胶基质,研究了基质反应液的液—固相变特性、晶胶基质的成孔规律以及晶胶介质的基本性能和层析性能,考察了控制晶胶基质成孔和性能的影响因素,并探讨了晶胶基质内超大孔隙的形成机理;进而,通过固载金属离子,制备了金属螯合亲和晶胶介质;通过孔内直接接枝法,固载磺酸基和氨基功能基团,制备得到了离子交换晶胶介质;最后,以酵母发酵液中三磷酸胞苷（CTP）和三磷酸腺苷（ATP）的分离为例,探讨了晶胶介质的应用问题。对基质反应液液固相变特性的研究结果表明,基质反应液的起始结晶温度（Tc）和冰点温度(Tmc)随反应液浓度、冷冻速率和冷冻终温等的变化而呈现不同的规律:冷冻速率对Tc与Tmc的影响较小,Tc与Tmc随冷冻终温的下降略有降低,但Tmc随反应液浓度增大而减小。对基质成孔规律的研究结果表明,晶胶基质的成孔是溶剂结晶和单体聚合反应两个动态过程同时发生的复杂过程,晶胶基质的孔隙结构和性能受床柱尺寸、冷冻终温、冷冻速率、反应液组成、催化剂用量等因素的影响。通过条件优化,在一定内径的床柱内,于较合适的冷冻速率下,控制冷冻终温在-15℃以下,可得到孔隙大小在10～100μm、分布较均匀、连通性好、孔隙率82～85%、理论等板高度为0.5～1.1 mm的晶胶基质。对Cu2+-IDA（iminodiacetic acid）、Ni2+-IDA、Zn2+-IDA等不同金属螯合亲和晶胶介质的实验研究结果表明,螯合金属离子后,晶胶孔隙结构形态、理论等板高度、渗透率等基本不变;金属螯合亲和晶胶介质对牛血清白蛋白（BSA）的吸附和解吸特性受缓冲液pH值、离子强度、流速、洗脱液组成等因素的影响,其吸附机理主要为配位作用和静电作用。当缓冲液pH值在蛋白质等电点附近时,蛋白质吸附容量可达最大值,盐离子的存在会降低吸附容量,但上样流速对吸附容量的影响很小。用咪唑溶液可对蛋白质进行有效洗脱,较小的流速对洗脱有利。对基质孔内接枝方法和相应离子交换晶胶介质的研究结果表明,通过孔内直接接枝法,以K5[Cu（HIO6）2]溶液为催化剂,可以顺利地将带磺酸基的2-羟基-3-烯丙氧基丙磺酸钠（AHPSA）和带氨基的甲基丙烯酸二甲氨基乙酯（DMAEMA）接枝到聚丙烯酰胺基晶胶基质上,得到离子交换晶胶介质。接枝AHPSA的阳离子交换晶胶介质的理论等板高度基本不受接枝反应时间和单体浓度的影响,其渗透率随接枝反应时间增大略有减小,其对溶菌酶的吸附容量与接枝单体的浓度成正比,受接枝反应时间的影响较小。接枝DMAEMA的阴离子交换晶胶介质对BSA的吸附容量随离子强度的增大而下降;料液中存在NaCl或CH3COONa时,吸附容量随离子强度增大呈线性下降;存在C6H5Na3O7或Na2SO4时,吸附容量随离子强度增大呈指数下降。对酵母发酵液中CTP和ATP的晶胶层析分离研究结果表明,用带有氨基的阴离子交换晶胶介质,可以在较高的流速（2～10 cm/min）下,直接从含有酵母细胞的发酵料液中分离得到较高纯度的CTP和ATP产品。经过一次层析分离操作,分步洗脱,CTP纯度可达93.4%,回收率为35%;ATP纯度可达98.3%,回收率为58%。在高达10 cm/min的层析流速下,经过一次层析分离操作,ATP纯度仍可高达97.4%,回收率达49%。

论文目录

摘要

ABSTRACT

第一章前言

第二章文献综述

2.1 引言

2.2 常规连续床层析分离技术

2.3 晶胶层析分离技术

2.3.1 晶胶基质的制备

2.3.1.1 基质材料的选择

2.3.1.2 晶胶骨架的形成

2.3.1.3 超大孔隙的形成

2.3.1.4 制备条件

2.3.2 晶胶基质的修饰

2.3.2.1 亲和晶胶介质

2.3.2.2 离子交换晶胶介质

2.3.2.3 内嵌磁性纳米粒晶胶介质

2.3.3 晶胶介质的性能研究

2.3.3.1 孔隙结构特征

2.3.3.2 孔隙率

2.3.3.3 膨胀度

2.3.3.4 渗透性能

2.3.3.5 停留时间分布（RTD）

2.3.3.6 吸附层析性能

2.4 晶胶层析分离技术的应用

2.4.1 亲和晶胶介质的应用

2.4.2 离子交换晶胶介质的应用

2.5 晶胶层析分离技术存在的问题

2.6 本文思路和主要研究内容

符号说明

参考文献

第三章晶胶基质成孔规律的研究

3.1 引言

3.2 材料与方法

3.2.1 试剂和仪器

3.2.2 基质反应液冷冻相变实验

3.2.3 晶胶基质的制备实验

3.2.4 晶胶基质基本性能的测试

3.2.4.1 停留时间分布（RTD）

3.2.4.2 孔隙率

3.2.4.3 渗透率

3.2.4.4 孔隙结构形态

3.3 结果与讨论

3.3.1 基质反应液的液固相变特性

3.3.1.1 温度检测装置标定

3.3.1.2 基质反应液冷冻曲线分析

c和T_mc'>3.3.1.3 T_c和T_mc

3.3.2 晶胶基质成孔的控制因素

3.3.2.1 冷冻终温

3.3.2.2 冷冻速率

3.3.2.3 床柱直径

3.3.2.4 催化剂

3.3.3 晶胶基质成孔的机理分析

3.3.3.1 结晶致孔

3.3.3.2 聚合反应

3.4 本章小结

符号说明

参考文献

第四章金属螯合亲和晶胶介质的制备与性能研究

4.1 引言

4.2 材料与方法

4.2.1 试剂和仪器

4.2.2 晶胶基质的制备

4.2.3 金属离子的固载

4.2.4 性能测试

4.2.5 BSA层析实验

4.2.6 RNA层析实验

4.3 结果与讨论

4.3.1 金属螯合亲和晶胶介质的基本性能

4.3.1.1 孔隙结构

4.3.1.2 轴向扩散性能

4.3.1.3 渗透性能

4.3.2 金属螯合亲和晶胶介质对蛋白质的吸附特性

4.3.2.1 穿透特性

4.3.2.2 吸附容量

4.3.3 金属螯合亲和晶胶介质对蛋白质的洗脱特性

4.3.3.1 洗脱液组成的影响

4.3.3.2 洗脱速度的影响

4.3.4 金属螯合亲和晶胶介质对RNA的层析特性

4.4 本章小结

符号说明

参考文献

第五章离子交换晶胶介质的制备研究

5.1 引言

5.2 离子交换基团的接枝方法

5.2.1 功能基团

5.2.2 接枝聚合反应机理

5.2.3 孔内直接接枝

5.3 材料与方法

5.3.1 试剂和仪器

5.3.2 晶胶基质的制备

5.3.3 二过碘酸合铜（Ⅲ）钾溶液的制备

5.3.4 离子交换基团的接枝固载

5.3.5 性能测试

5.3.6 溶菌酶层析实验

5.4 结果与讨论

5.4.1 反应时间对晶胶介质性能的影响

5.4.2 单体浓度对晶胶介质性能的影响

5.5 本章小结

符号说明

参考文献

第六章离子交换晶胶介质层析中的盐效应研究

6.1 引言

6.2 材料与方法

6.2.1 试剂和仪器

6.2.2 阴离子交换晶胶介质的制备

6.2.3 基本性能测试

6.2.4 BSA层析实验

6.3 结果与讨论

6.3.1 阴离子交换功能基团的固载

6.3.2 晶胶床柱的基本性能

6.3.3 离子强度对阴离子交换晶胶层析特性的影响

6.3.4 离子种类对阴离子交换晶胶层析特性的影响

6.4 本章小结

符号说明

参考文献

第七章晶胶介质分离纯化CTP和ATP的研究

7.1 引言

7.2 材料与方法

7.2.1 试剂和仪器

7.2.2 发酵液

7.2.3 晶胶介质的制备与基本性能测试

7.2.4 吸附层析实验

7.2.4.1 纯CTP的吸附层析实验

7.2.4.2 发酵液中CTP的层析分离

7.2.4.3 发酵液中ATP的层析分离

7.2.5 CTP和ATP的分析

7.2.5.1 定性分析

7.2.5.2 定量分析

7.3 结果与讨论

7.3.1 CTP的层析分离

7.3.1.1 晶胶床柱的基本性能

7.3.1.2 CTP的吸附与解吸特性

7.3.1.3 发酵液中CTP的层析分离

7.3.1.4 CTP层析分离条件分析

7.3.2 ATP的层析分离

7.3.2.1 晶胶床柱的基本性能

7.3.2.2 发酵液中ATP的层析分离

7.3.2.3 ATP层析分离条件分析

7.3.3 高流速下ATP的层析分离

7.3.3.1 晶胶床柱的基本性能

7.3.3.2 高流速下纯ATP的层析特性

7.3.3.3 高流速下发酵液中ATP的层析特性

7.4 本章小结

符号说明

参考文献

第八章结论与展望

8.1 结论

8.2 展望

博士期间论文发表情况

致谢

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