CN102085425B - 用于生化产品分离的脉冲磁性吸附与解吸装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于生化产品分离的脉冲磁性吸附与解吸装置，包括：吸附与解吸反应器、电磁阀、料液储罐和出料罐；还包括一脉冲永磁铁系统；所述的脉冲永磁铁系统有一连杆系统，该连杆系统的中心连杆向下通过固定轴套固设两个同轴布置的环形永磁铁，该两个环形永磁铁套设在带有密封底的隔离筒内，所述的隔离筒固定安装在套筒上部的中心位置；所述的连杆系统的两端对称地垂直向下延伸，该延伸部依次向下穿设有圆盘挡板、弹簧、圆筒和铁质圆盘弹片，其中，圆盘挡板和铁质圆盘弹片固定在连杆系统上，圆筒固定不动；所述的铁质圆盘弹片的正下方分别固定有吸盘式电磁铁，两个吸盘式电磁铁与时间继电器相连。本发明简单、高效。

Description

用于生化产品分离的脉冲磁性吸附与解吸装置

技术领域

本发明涉及生化产品的吸附分离技术领域，特别涉及到一种用于生化产品分离的脉冲磁性吸附与解吸装置。 

背景技术

超顺磁性纳米/微米颗粒由于具有很大的表面积，表面活性很高，因此，在热力学上很不稳定，很容易凝聚成团。为了防止磁性颗粒之间的凝聚作用，使其形成稳定的胶体溶液，需要在制备过程中对磁性颗粒表面进行修饰，经过修饰的磁性颗粒表面应带有较丰富的活性功能基团，如-NH2、-COOH、-OH和-CHO等，以便偶联生物分子和亲和配基，得到适合各种应用的适合磁性载体。磁性颗粒内部含有磁性粒子，具有超顺磁性，在外加磁场下表现出较好的磁性，去除外加磁场后，磁性颗粒的剩磁为零，因而其可在外加磁场的作用下方便地控制和分离；磁性颗粒表面本身具有或通过表面改性带有多种活性的功能基团，可进行生物活性物质(如蛋白质、核酸、酶等)的分离，也可以偶联特异性分子(如特异性配体、抗体、抗原等)来专一性地分离生物大分子，因而，超顺磁性纳米/微米载体在生物产品的分离领域有着广泛的应用前景。 

传统的生化产品分离技术通常包括吸附和解吸两个各自独立的单元操作。采用这种技术手段利用超顺磁性纳米/微米载体进行生物产品分离同样需要经过吸附和解吸两个步骤，即采用机械搅拌等方式使磁性颗粒在反应器中进行吸附或物理化学反应，然后，以同样的方式使其在反应器中进行解吸获得目标产品。但是，在传统分离工艺中，机械搅拌产生的剪切力无论是对分离的目标产物还是对分离载体都会产生一定的破坏作用。而且，在吸附和解吸过程中，都需要对磁性载体进行分离，传统工艺通常采用过滤等间歇操作方式，导致操作繁琐、生产效率较低。 

为了满足超顺磁性纳米/微米载体在生化产品分离应用中的需要，磁稳定流化床被用于以磁性载体为分离介质的生化产品分离过程。与传统的分离工艺相比，磁稳定流化床具有操作条件温和、分离速度快、对生物活性影响小等优点。然而，磁稳定流化床引入磁场方式一般采用电磁线圈的形式，这就造成分离过程中耗电量较大，增加了生产成本。此外，在进行磁稳定流化床的放大时，采用电磁线圈投资较大，而且由于床层直径的增加，可导致床层内部磁场不均匀。在磁稳定流化床的实际应用过程中存在着下述问题：少量细颗粒催化剂从反应器出口处被液体夹带流出，造成分离介质的流失；为防流失，通常通过增加外加电磁线圈的电压和电流来加大磁场强度，但在强磁场下，磁稳定流化床处于冻结区，磁性吸附载体呈链状，床内出现沟流现象，流体分布不均匀；加上磁性颗粒处于相对稳定的状态，颗粒传质界面更新慢，导致传质效率降低。

发明内容

本发明的目的在于，克服上述现有以超顺磁性纳米/微米颗粒为分离载体分离装置和技术存在的缺陷，从而提供一种用于生化产品分离的脉冲磁性吸附与解吸装置。该装置可以实现大批量样品的分离，而且结构简单，易操作。 

为了实现上述目的，本发明的一种用于生化产品分离的脉冲磁性吸附与解吸装置，包括：吸附与解吸反应器10、电磁阀26、料液储罐18和出料罐25；所述的吸附与解吸反应器10有一套筒11，套筒11底部为锥形，在反应器10里面的下部装有液体分布板14，反应器10底部中央有一进料口15，所述的进料口15通过电磁阀26连接到料液储罐18上；所述的吸附与解吸反应器10的侧面下部，液体分布板14的上方安装一磁性载体入口13；所述的吸附与解吸反应器10通过安装在套筒11上端部的出料管21与出料罐25相连通；其特征在于，还包括一脉冲永磁铁系统； 

所述的脉冲永磁铁系统有一连杆系统1，该连杆系统1的中心连杆向下通过固定轴套19固设两个同轴布置的环形永磁铁6，该两个环形永磁铁6套设在带有密封底的隔离筒7内，所述的隔离筒7固定安装在套筒11上部的中心位置； 

所述的连杆系统1的两端对称地垂直向下延伸，该延伸部依次向下穿设有圆盘挡板2、弹簧3、圆筒4和铁质圆盘弹片5，其中，圆盘挡板2和铁质圆盘弹片5固定在连杆系统1上，圆筒4固定不动； 

所述的铁质圆盘弹片5的正下方分别固定有吸盘式电磁铁8，两个吸盘式电磁铁8与时间继电器24相连，通过控制电源的通断实现永磁铁6的周期性脉冲运动。 

作为上述技术方案的一种改进，所述的套筒11的内壁上位于隔离筒7下方设有环形挡板9，该环形挡板9位于出料管21的下方，其内圆环面位于隔离筒7的外壁沿线以内。 

这种设计可以使液体无法直接从套筒内壁与隔离筒外壁之间直接流出，而必须流经隔离筒下部，这样，磁性颗粒被磁铁吸引而无法流出，从而有效的防止磁性载体被流出液带出反应器；同时，筒壁的上升流受到挡板阻挡后会生产生下降流，从而带动部分颗粒下行。 

作为上述技术方案的又一种改进，所述的隔离筒7为双层套筒结构，用于分别放置两个同轴布置的环形永磁铁6。所述的脉冲永磁铁系统中的两块环形永磁铁6放置在同一水平面内。 

作为上述技术方案的再一种改进，所述的料液储罐18和一个精密计量泵27形成回路； 

所述的精密计量泵27的泵出端分成两路，一路经连接管路16和电磁阀26连接到进料口15，另一路经回流管路17连接到料液储罐18； 

所述的回流管路17的直径与连接管路16直径比为1∶2～4。优选直径比为1∶3。 

除了回流管路17那一段以外，其他都是连接管路且其直径是一致的。 

所述的电磁阀26与时间继电器24相连。通过时间继电器24来控制吸盘式电磁铁7和电磁阀26的电流的同步通断。 

所述的反应器10、料液储罐18、出料罐25和管路的材质均为不锈钢、玻璃或塑料。 

如图1所示，待分离样品的原料液由吸附/解吸反应器10底部导入，经液体分布板14分散均匀后与吸附/解吸反应器10中的经过解吸具有吸附活性的磁性载体23混合，磁性载体23在脉冲永磁铁系统20控制下与原料液进行充分的传质并对原料液中目的产品进行吸附(反应)，吸附了产品的磁性载体23维持在吸附/解吸反应器10中，被吸附了产品的原料液(废液)由出料口21排出，待磁性载体23吸附饱和后，用洗脱液替换原料液由吸附/解吸反应器10底部导入，磁性载体23在脉冲永磁铁系统20控制下与洗脱液进行充分混合，磁性载体上吸附的目的产品被洗脱下来，洗脱液带着洗脱下来的目的产品从出料口21排出，进入出料罐25，解吸了产品的磁性载体在吸附/解吸反应器10中循环使用。 

本发明的脉冲永磁铁系统20和电磁阀26通过时间继电器24进行同步控制，由时间继电器24设定脉冲时间(即电源的通断时间)，当电路接通时，电磁阀26处于开通，料液储罐18中的液体流经电磁阀26进入吸附/解吸反应器10中，向上的流体作用于磁性载体23并提供方向向上的流体曳力，同时，吸盘式电磁铁8在通电后吸住铁质圆盘弹片5，拉动永磁铁6进入状态A，如图2所示，磁性载体23在向上的流体曳力、浮力和磁力的作用下，克服自身重力，向上运动，实现磁性载体颗粒的 流态化，磁性载体23与原料液(洗脱液)进行传质(反应)，并最终达到稳定状态，形成圆形链状。此时，时间继电器24断开电源，电磁阀26关闭，料液储罐18中液体仍然由精密计量泵27泵出，经回流管路17回到料液储罐中，同时，吸盘式电磁铁8在断电后松开铁质圆盘弹片5，永磁铁6在弹簧3的作用下回到B状态，如图3所示，磁性载体颗粒在重力的作用下向下运动，自动脱落，与原料液(洗脱液)进行传质(反应)，并最终回到稳定的分散状态，永磁铁6在时间继电器24的控制下进行周期性的脉冲运动，磁性载体23在吸附/解吸反应器10中进行A、B状态的周期性转变。 

本发明的优点在于： 

1、本发明利用环形永磁铁代替电磁线圈，克服了电磁线圈投资大，电耗强的缺点，而且环形的设计有利于减少永磁铁的用量，降低设备投资和生产的成本，多层环形磁铁的设计为本发明的放大提供了便利。 

2、本发明环形挡板的设计，可以有效的防止磁性载体被流出液带出反应器。 

3、本发明采用脉冲永磁铁系统，这一设计使反应器中磁性分离载体，能够始终保持在流态化的状态，液体流过反应器时无死角，颗粒传质界面更新快，提高了分离载体与与液相之间的传质效率，改善了目的产品分离的速度和效果。 

总之，本发明的脉冲磁性吸附与解吸装置用于生化产品的分离中，通过永磁铁的周期脉冲运动，对磁性分离载体进行交替磁吸附和磁脱离，到达对超顺磁性分离介质的捕获和释放，实现反应器内部的流态化，加快介质表面的更新，有利于提高反应器内部的传质，避免分离介质的流失，同时通过吸附-解吸(反应)的交替，实现分离介质的重复利用。 

附图说明

图1为本发明的脉冲磁性吸附与解吸装置的结构示意图； 

图2为本发明的脉冲磁性吸附与解吸装置的一种使用状态示意图； 

图3为本发明的脉冲磁性吸附与解吸装置的另一种使用状态示意图； 

图4为本发明实施例1的磁性微球对漆酶蛋白吸附量和解吸量随时间的变化曲线图； 

图5为本发明实施例2的磁性纳米颗粒载体对漆酶蛋白吸附量和解吸量随时间的变化曲线图。 

附图标识 

1、连杆系统    2、圆盘挡板    3、弹簧 

4、圆筒                5、铁质圆盘弹片       6、永磁铁 

7、隔离筒              8、吸盘式电磁铁       9、环形挡板 

10、吸附/解吸反应器    11、套筒              12、阀门 

13、磁性载体入口       14、液体分布板        15、进料口 

16、连接管路           17、回流管路          18、料液储罐 

19、固定轴套           20、脉冲永磁铁系统    21、出料口 

22、电路               23、磁性载体          24、时间继电器 

25、出料罐             26、电磁阀            27、精密计量泵 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明的装置及其使用效果进行说明。 

如图1所示，本发明的脉冲磁性吸附与解吸装置包括吸附/解吸反应器10，脉冲永磁铁系统20、精密计量泵27、电磁阀26、时间继电器24、料液储罐18和出料罐25。 

其中，吸附/解吸反应器10有一套筒11，套筒11底部为锥形，在反应器10里面的下部装有液体分布板14，反应器10底部中央有一进料口15与电磁阀26相连，吸附/解吸反应器10的侧面下部，液体分布板的上方安装一磁性载体入口13，吸附/解吸反应器10通过安装在套筒11壁上的出料口21与出料罐25相连通，套筒11之内的上部中央固定安装一个带有密封底的隔离筒7，隔离筒7下方的套筒11的筒壁上设有环形挡板9，隔离筒7内部为双层结构，由两个同圆心不同半径圆柱体构成，用于放置永磁铁6。 

一脉冲永磁铁系统20，有一连杆系统1，连杆系统1的两侧连杆上对称的各连接一圆盘挡板2和铁质圆盘弹片5，圆盘挡板2固定在连杆系统1上，铁质圆盘弹片5连接在连杆系统1的两侧连杆的末端，圆盘挡板2和铁质圆盘弹片5之间安装一底部封闭并开孔的圆筒4，圆筒4固定不动，圆筒4的底部与圆盘挡板2之间安装一弹簧3，连杆系统1的两侧连杆顺次穿过圆盘挡板2，弹簧3和圆筒4，在铁质圆盘弹片5的正下方固定两个吸盘式电磁铁8，吸盘式电磁铁8与时间继电器24相连，时间继电器通过控制电源的通断实现脉冲永磁铁系统20中永磁铁6的周期性脉冲运动，永磁铁6由两个同圆心半径不同的环形永磁铁组成并与连杆系统1的中间连杆的末端连接。 

一连接管路16将料液储罐18、精密计量泵27、电磁阀26、吸附/解吸反应器10和出料罐25串联起来，在精密计量泵27和电磁阀26之间的连接管路16上连接回 流管路17，回流管路17的出口与料液储罐18相连通。 

一电路22将吸盘式电磁铁8和电磁阀26与时间继电器24连接起来，通过时间继电器来控制吸盘式电磁铁8和电磁阀26的电流的同步通断。 

所述连杆系统1由4根主要连杆组成，一根水平连杆，两端连接两根连杆，水平连杆中间连接一根连杆与永磁铁6相连，连杆系统1在同一个平面内且与工作平台垂直。 

所述永磁铁6由两个圆心相同半径不同的环形磁铁组成，两个环形磁铁在同一个水平面内且相互之间有间隔，永磁铁6的尺寸与隔离筒7的尺寸相配套。 

所述回流管路17与连接管路16的直径比1∶3，这是因为回流管路17主要起分流、保护管路的作用，特别是在电磁阀26关闭的时段将料液回流，降低精密计量泵27和电磁阀26之间的连接管路16中的压力。 

所述反应器、罐体和管路的材质均为不锈钢、玻璃或塑料。 

实施例1 

本实施例中，采用的永磁铁6由两个环形磁铁组成，其中一块永磁铁的外径为50mm，内径40mm，厚度10mm，另一块永磁铁的外径30mm，内径20mm，厚度10mm。可根据实际需要选择不同尺寸，不同型号，不同材质的磁铁。 

本实施例的磁性载体25是用磁性聚乙酸乙烯酯微球表面接枝甲基丙烯酸缩水甘油脂和亚氨基二乙酸合成的Cu²⁺螯合的亲和吸附磁性微球(PVA-g-GMA-IDA-Cu²⁺)，实验证明该磁性微球具有超顺磁性。 

亲和吸附与解吸的实验方法如下：用PVA-g-GMA-IDA-Cu²⁺磁性微球作为磁性载体亲和吸附漆酶蛋白，再通过含咪唑的缓冲溶液中将载体上的漆酶蛋白解吸下来。 

(1)吸附操作 

该磁性微球的亲和吸附(反应)漆酶蛋白的操作在pH＝3.0、浓度为20mM的Michaelis酒石酸缓冲液中进行。将含1g该磁性微球的150ml酒石酸缓冲液在搅拌混合器中搅拌数分钟，与0.2mg/ml漆酶蛋白的酒石酸缓冲液150ml同时加入到反应器10中，使漆酶蛋白的总浓度为0.1mg/ml，与此同时，开启精密计量泵27，将料液储罐18中0.1mg/ml漆酶蛋白的酒石酸缓冲液以10ml/min的流量泵入反应器10中，在出料口21定时取样测定漆酶蛋白的浓度，计算吸附量随时间的变化。 

(2)解吸操作 

该磁性微球上漆酶蛋白的解吸操作在pH＝3.0、含咪唑200mM、浓度为20mM的 酒石酸缓冲液中进行，采用同样测量方法测定解吸量随时间的变化。 

(3)实验得到的磁性微球(PVA-g-GMA-IDA-Cu²⁺)对漆酶蛋白吸附量和解吸量随时间的变化曲线如图4所示。 

实验结论：该超顺磁性微球，对漆酶蛋白具有较高的吸附容量，添加咪唑能够使大部分漆酶蛋白解吸下来，吸附和解吸在60-80min内达到平衡，微米级超顺磁性分离载体能够成功的在脉冲磁性吸附与解吸装置中进行漆酶的分离。 

实施例2 

本实施例采用本发明提供的用于生化产品分离的脉冲磁性吸附与解吸装置，如图1所示。 

本实施例中，采用的永磁铁6由两个环形磁铁组成，其中一块永磁铁的外径为50mm，内径40mm，厚度5mm，另一块永磁铁的外径30mm，内径20mm，厚度5mm。 

本实施例的磁性载体25是用包覆SiO2的磁性纳米颗粒表面接枝3-氯丙基三甲氧基硅烷和亚氨基二乙酸合成的Cu²⁺螯合的亲和吸附磁性纳米颗粒(CPTS-IDA-Cu²⁺)分离载体，实验证明该磁性纳米颗粒具有超顺磁性。 

亲和吸附与解吸的实验方法如下：用CPTS-IDA-Cu²⁺磁性纳米颗粒作为分离载体亲和吸附漆酶蛋白，再通过含咪唑的缓冲溶液中将载体上的漆酶蛋白解吸下来。 

(1)吸附操作 

该CPTS-IDA-Cu²⁺的亲和吸附(反应)漆酶蛋白的操作在pH＝3.6、浓度为20mM的Michaelis乙酸缓冲液中进行。将含1g该磁性纳米颗粒的150ml酒石酸缓冲液在搅拌混合器中搅拌数分钟，与0.2mg/ml漆酶蛋白的乙酸缓冲液150ml同时加入到反应器10中，使漆酶蛋白的总浓度为0.1mg/ml，与此同时，开启精密计量泵27，将料液储罐18中0.1mg/ml漆酶蛋白的乙酸缓冲液以10ml/min的流量泵入反应器10中，在出料口21定时取样测定漆酶蛋白的浓度，计算吸附量随时间的变化。 

(2)解吸操作 

该磁性纳米颗粒上漆酶蛋白的解吸操作在pH＝4、含咪唑200mM、浓度为20mM的乙酸缓冲液中进行，采用同样的测量方法测定解吸量随时间的变化。 

(3)实验得到的磁性纳米颗粒(CPTS-IDA-Cu²⁺)对漆酶蛋白吸附量和解吸量随时间的变化曲线如图5所示。 

实验结论：该超顺磁性纳米颗粒，对漆酶蛋白具有很好的吸附容量，90％以上漆酶蛋白能够被解吸下来，吸附和解吸在40-60min内达到平衡，纳米级超顺磁性分离 载体能够在脉冲磁性吸附与解吸装置中成功进行漆酶的分离。 

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。 

Claims (8)

1.一种用于生化产品分离的脉冲磁性吸附与解吸装置，包括：吸附与解吸反应器（10）、电磁阀（26）、料液储罐（18）和出料罐（25）；所述的吸附与解吸反应器（10）有一套筒（11），套筒（11）底部为锥形，在反应器（10）里面的下部装有液体分布板（14），反应器（10）底部中央有一进料口（15），所述的进料口（15）通过电磁阀（26）连接到料液储罐（18）上；所述的吸附与解吸反应器（10）的侧面下部，液体分布板（14）的上方安装一磁性载体入口（13）；所述的吸附与解吸反应器（10）通过安装在套筒（11）上端部的出料管（21）与出料罐（25）相连通；其特征在于，

还包括一脉冲永磁铁系统；

所述的脉冲永磁铁系统有一连杆系统（1），该连杆系统（1）的中心连杆向下通过固定轴套（19）固设两个同轴布置的环形永磁铁（6），该两个环形永磁铁（6）套设在带有密封底的隔离筒（7）内，所述的隔离筒（7）固定安装在套筒（11）上部的中心位置；

所述的连杆系统（1）的两端对称地垂直向下延伸，该延伸部依次向下穿设有圆盘挡板（2）、弹簧（3）、圆筒（4）和铁质圆盘弹片（5），其中，圆盘挡板（2）和铁质圆盘弹片（5）固定在连杆系统（1）上，圆筒（4）固定不动；

所述的铁质圆盘弹片（5）的正下方分别固定有吸盘式电磁铁（8），两个吸盘式电磁铁（8）与时间继电器（24）相连，通过控制电源的通断实现永磁铁（6）的周期性脉冲运动。

2.根据权利要求1所述的脉冲磁性吸附与解吸装置，其特征在于，所述的套筒（11）的内壁上位于隔离筒（7）下方设有环形挡板（9），该环形挡板（9）位于出料管（21）的下方，其内圆环面位于隔离筒（7）的外壁沿线以内。

3.根据权利要求1或2所述的脉冲磁性吸附与解吸装置，其特征在于，所述的隔离筒（7）为双层套筒结构，用于分别放置两个同轴布置的环形永磁铁（6）。

4.根据权利要求1所述的脉冲磁性吸附与解吸装置，其特征在于，所述的脉冲永磁铁系统中的两块环形永磁铁（6）放置在同一水平面内。

5.根据权利要求1所述的脉冲磁性吸附与解吸装置，其特征在于，所述的料液储罐（18）和一个精密计量泵（27）形成回路；

所述的精密计量泵（27）的泵出端分成两路，一路经连接管路（16）和电磁阀（26）连接到进料口（15），另一路经回流管路（17）连接到料液储罐（18）；

所述的回流管路（17）的直径与连接管路（16）直径比为1：2～4。

6.根据权利要求5所述的脉冲磁性吸附与解吸装置，其特征在于，所述的电磁阀（26）与时间继电器（24）相连。

7.根据权利要求5所述的脉冲磁性吸附与解吸装置，其特征在于，所述的反应器（10）、料液储罐（18）、出料罐（25）和管路的材质均为不锈钢、玻璃或塑料。

8.根据权利要求5所述的脉冲磁性吸附与解吸装置，其特征在于，所述的回流管路（17）的直径与连接管路（16）直径比为1：3。

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