CN102120102B - 用于生化分离技术的膨胀床色谱分离装置 - Google Patents

Abstract

一种用于生化分离技术的膨胀床色谱分离装置，属生化领域。其在膨胀床多孔筛网/筛板下设置包括进料管、径向喷射孔和径向导流圆盘的液体分布器，在膨胀床的底端设置一个物料排出口。其通过改变流体沿导流圆盘径向流动时的流通面积，来克服/抵消因变质量流动和流道呈扇形几何形状变化所引起的液体分布压力变化，解决了膨胀床在工业放大生产过程中低床层压降下料液供液压力沿半径方向均匀分布的问题，确保了过床层的流体呈现平推流状态，大大改善膨胀床的使用效果和使用效率，提高了膨胀床的吸附载量和脱附分辨率。使得膨胀床技术可应用于所有用微生物和动物细胞生产的蛋白类物质的纯化分离，允许含固体颗粒或沉淀物的物料直接用于色谱分离。

Description

用于生化分离技术的膨胀床色谱分离装置

技术领域

本发明属于生物化学技术领域，尤其涉及一种在工业化规模生产中用于提取/分离/纯化的色谱分离装置。

背景技术

色谱分离是生化分离过程中最常用的方法之一。

传统的色谱分离柱(简称色谱柱)采用固定床形式，即将吸附树脂用上下多孔筛板压紧固定于色谱柱中，使之无法流动，俗称“固定床”，其具体结构可参见说明书附图1a所示。

传统固定床的特点是由于床层空隙率较小，流体通过床层的阻力较大，流体流过床层呈“活塞流”，径向上的流体流速均布较好。

但在实际的大规模工业化生产中，固定床色谱分离柱会因为阻塞而无法直接处理含有固体的料液，比如无法直接从含有细胞或细胞碎片的高黏度料液中分离出目标产物。因为料液中的固体物质会聚集在细小流道中，不断增加床层阻力，最终堵塞床层。

因此，在传统工艺/实际生产中，在采用固定床处理含固物料时，需首先将物料中稍大固体颗粒采用离心机除去，随后再用过滤方式除去细小的颗粒，最后经过预处理的物料进入固定床色谱分离柱，进行目标成分的捕获与分离。

传统的固定床色谱分离工艺虽能满足日常生化产品生产过程中的分离要求，但其工艺流程较长，设备投资额较高，高速/大容量离心机的价格昂贵，过滤设备需经常更换过滤膜，导致了整个生产/操作的成本和费用较高，且难以降低。

色谱分离柱采用膨胀床(Expanded Bed Adsorption)的概念自上世纪80年代开始推出。

所谓膨胀床，就是流体从色谱柱底部进入床层，利用流体向上流动时对固体颗粒吸附剂产生的浮力和表面曳力，使固体吸附剂颗粒不同程度向上悬浮而引起床层膨胀，故称之为膨胀床，其具体结构可参见说明书附图1b所示。

由于膨胀床中固体吸附剂颗粒处于悬浮状态，床层的空隙率远大于固定床的空隙率，可以使原料液中的细胞、细胞碎片等固体颗粒杂质顺利通过床层，溶于原料液中的目标成分被膨胀床中固体吸附剂捕获。因此，膨胀床无需对原料液的固体颗粒进行特别的处理，可直接进行色谱捕获；故此，可将膨胀床应用于色谱分离过程中，以取代传统的固定床色谱分离柱，并缩短工艺流程，降低生化分离的操作费用和生产成本。

虽然膨胀床色谱分离技术在工业上已有成功应用的实例，但其使用范围并不广泛。目前，在生物化学领域的实际工业化规模生产中只有少量的商业应用，如大肠杆菌匀浆、包涵体、大肠杆菌培养液，酵母细胞匀浆，酵母培养液，杂交瘤细胞培养液以及动物组织产物的提取等。

影响膨胀床使用范围/使用效率的主要的原因之一，是因为膨胀床在处理含固体的料液时，虽然料液中的固体能通过吸附剂之间的空隙穿过床层，但是由于承载吸附剂的下支承丝网之筛板(亦称筛网支撑板或支撑筛板)的孔径较小，固体颗粒会聚集在支撑筛板和吸附剂挡板的下部，随着固体物质越聚越多，最后导致固体颗粒堵塞支撑筛板和孔道。而支撑筛板和孔道的堵塞，轻则造成流体均布情况恶化，清洗困难，重则造成停产。在有沉淀或重聚现象的物料系统中，此类堵塞不仅在底部分布器的筛网上发生，也会在膨胀床的顶网上发生，故而严重地影响了膨胀床的正常使用和运行。

另一个影响膨胀床使用范围/使用效率的主要问题，是传统的膨胀床分布器不能在膨胀床床层的底部迅速地形成平推流。

膨胀床内部的流体分布可参见说明书附图1c所示，该图给出了膨胀床内部的流(体)场分布情况。由图可知，由于现有膨胀床的底部分布器不能形成膨胀床横截面上的均压布水(即压力与流体的均匀分布)，导致膨胀床中心区域与其边缘区域的布水压力不均衡，进而造成了非平排流形态，使得床体内部产生返流现象，导致了膨胀床在吸附时的总理论板数较低(只有大约50)。

理论板数是基于停留时间概念的衡量色谱柱中流型接近平推流程度或轴向返混程度的参数，是指在一些分离操作中为完成某一指定分离要求所需理论塔板的数量。

理论板数为无穷大代表理想平推流状态，而理论板数为1则对应着全混流状态。

根据理论和经验估算，理论总板数大于400时，色谱分离装置的吸附/脱附性能很少再受板数的影响，而实际上大部分固定床的理论总板数远超出400(通常大于3000)。膨胀床的优势在于通过牺牲不必要的理论板数来提高处理通量和获取直接处理颗粒的能力，由于其半流化的特性，膨胀床层本身不能提供很大的阻力降，因此其分布器在低压降下的液体分布性能对膨胀床技术有关键影响。

目前关于膨胀床分布器的研究很少有公开或见报导。

据申请人所知，已经有两项主要用于解决筛网和分布器堵塞的技术：AmershamBiosciences和Upfront提出的可周期性转动的蜘蛛臂避免堵塞结构，以及美国专利US2007199899A1中提到的筛板切向清扫流设计方案。

采用蜘蛛臂结构的技术方案(见说明书附图2a)，其进料液流通过图中的支管向下进入膨胀床中，同时由多个支管构成的蜘蛛臂周期性地旋转，以力图减轻其堵塞的情况。

虽采用蜘蛛臂设计方案解决了色谱交换柱的清洗和清洁问题，但其应用后料液的液体均布性能较差，不能在膨胀床床层的底部规则地形成平推流，会导致膨胀床的总理论板数偏低(尤其在脱附时造成低分辨率和稀释的产物)，失去了色谱分离的主要优势。另外，蜘蛛臂的旋转导致了膨胀床交换柱内经常的机械摇动，机械密封困难，对吸附颗粒有磨损。故该设计方案虽然形成了商业化产品，但并没有能够在实际工业化生产中得到大范围的推广和应用。

在美国专利US2007199899A1中，提出了一种能自清洁下支撑筛板的膨胀床分离柱，其具体结构见说明书附图2b所示，样品料液经进料泵110和流量控制器120进入膨胀床多孔丝网支撑板的下部，部分样品液穿过多孔丝网支撑板进入吸附树脂膨胀床层，而更多的样品料液，与膨胀床内流体方向成垂直角度地、切向流过膨胀床多孔丝网支撑板的下表面(见图中箭头125所示)，从而起到清扫的作用，此股清扫液由循环泵140提供动力和流量控制器130控制流量。

采用筛板切向清扫流设计方案，理论上可降低分布器内多孔丝网支撑板的堵塞和对多孔丝网支撑板起到辅助清洗作用，可是该设计存在着明显的不足：

1)没有能考虑流体从进口到出口的轴向上样品料液的压力均布问题，也没有考虑在与进出口轴线相垂直的方向上(即筛板平面上)流体压力的均布问题。因此，该分布器内的料液流体在进口到出口的轴线及其相垂直的轴线上都会有不同程度的压力不均匀(取决于吹扫液体的流速和分布器空腔的体积)。为了达到压力均布的目标，膨胀床的空腔体积势必要大，但空腔的体积增大了，又会导致返混现象严重，影响膨胀床的使用效果/使用效率；

2)到了“上样”过程的中、晚期，随着循环样品液中固含量的增加，固体颗粒发生聚并，此时高黏度、高固含量的循环样品液很难起到清扫多孔丝网支撑板的作用，堵塞现象仍会发生，且难以避免。

所以，该技术方案直到目前，在现实工业化生产中并未得到实际应用，亦未见有相应的商业产品。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于生化分离技术的膨胀床色谱分离装置，其通过在膨胀床多孔筛网/筛板的下方设置液体分布器，可以更好地对进入膨胀床的原料样品料液进行均布，解决了膨胀床在工业放大生产过程中低床层压降下料液供液压力沿半径方向均匀分布的问题，较好地确保了通过膨胀床床层的流体呈现平推流状态，还可以自动清洁多孔筛网/筛板及支撑板，大大改善膨胀床的使用效果和使用效率，提高了膨胀床的吸附载量和脱附分辨率。

本发明的技术方案是：提供一种用于生化分离技术的膨胀床色谱分离装置，包括位于膨胀床下端器壁上的多孔筛网支撑板和进料管，其特征是：所述的进料管设置在膨胀床底端器壁的中心部位，所述进料管的末端，设置在多孔筛网支撑板的下方，在所述进料管的末端，设置径向喷射孔；在膨胀床底端器壁与多孔筛网支撑板之间，设置一径向导流圆盘；在径向导流圆盘的中心部位开设通孔，通孔的直径大于或等于所述进料管的外径，进料管贯穿所述的通孔设置；所述的径向导流圆盘与多孔筛网支撑板的下表面配合，在径向导流圆盘的中心沿着导流圆盘的半径方向上，构成流体均布流道；所述流体均布流道的纵向截面为斜楔状；在膨胀床底端器壁上，设置一个物料排出口。

其中，所述的进料管沿膨胀床的纵向轴线设置；所述的径向喷射孔沿进料管末端的管壁圆周均布设置。

具体的，所述的径向导流圆盘为倒置喇叭状或倒置锥状圆盘，所述径向导流圆盘的中心部位与多孔筛网支撑板下表面之间的距离，大于径向导流圆盘的圆周边缘部位与多孔筛网支撑板下表面之间的距离。

进一步的，所述的径向导流圆盘在沿半径方向设置有多块竖立的导流板，所述的导流板按圆周方向均布排列设置。

同时，在所述径向导流圆盘下方与膨胀床下端的器壁之间，设置返流流道，以确保多孔筛板下液体的压力沿径向基本恒定。

此外，所述径向导流圆盘中心部位通孔的直径大于或等于所述进料管的外径，在通孔与进料管外管壁之间，形成一个液体流通间隙，构成内部液体循环流道。

所述的流体均布流道采用斜楔状的纵向截面结构形式，通过改变流体沿导流圆盘径向流动时的流通面积，来克服/抵消因变质量流动和流道呈扇形几何形状变化所引起的液体分布压力变化。

更进一步的，所述的径向导流圆盘与多孔筛网支撑板的下表面相配合，在多孔筛网支撑板的下方，构成一个径向变截面流体流道或径向变质量流通道，从径向导流圆盘的中心沿导流圆盘的半径方向，所述径向变截面流体流道或径向变质量流通道的横截面积依次递减，料液流体沿导流圆盘作径向流动时的流通面积依次减小。

所述的径向导流圆盘与多孔筛网支撑板在结构上相配合，利用料液流体流道径向截面的变化，辅以内部液体循环通道，对进入膨胀床的原料样品料液，进行沿膨胀床径向的液体压力均布，确保多孔筛网支撑板下的液体压力沿径向基本恒定，从而使通过膨胀床床层的料液流体呈现平推流状态，以此来提高膨胀床的分离理论板数和色谱分离效率，改善/提高膨胀床的使用效果/使用效率。

再进一步地，从所述径向喷射孔中喷射出的原料样品料液，沿膨胀床或径向导流圆盘的半径方向，向四周喷射，在径向导流圆盘的引导下，对多孔筛网支撑板进行侧向/切向冲刷，实现对多孔筛网支撑板的自清洁作用；原料样品料液在径向导流圆盘的圆周边缘部位向下经返流流道折返，将在多孔筛网支撑板下方聚集的固体颗粒冲洗回流体主流，从物料排出口排出，返回到原料罐中进行循环。

与现有技术比较，本发明的优点是：

1.设置径向导流圆盘和位于进料管末端的径向喷射孔来构成料液分布器，其径向流和特定的流体均布流道/分布通道设计，保证了料液流体从中心到边缘都可以有较高的/均匀的流速，使得筛板下的料液液体压力分布均匀，且料液喷射流速越高，分布越均匀，带来了自稳定的料液液体压力均布作用；

2.沿径向导流圆盘半径方向上，流体通道的径向纵截面设计成“中心厚、边缘薄”的斜楔状结构形式，构成一个径向变截面流体流道或径向变质量流通道，通过改变流体沿径向流动时的流通面积，来克服因变质量流动和流道呈扇形几何形状变化所引起的压力变化，以确保多孔筛板下的液体压力沿径向基本恒定，从而通过床层的流体呈现平推流状态，如此可大大提高膨胀床的分离理论板数和色谱分离效率；

3.分布器设有流体进料管和除多孔筛网/筛板之外的物料排出口，可与外部泵配合使用，使料液在储罐和分布器之间循环，该循环流量直接影响进料管的料液喷射流速，可作为控制压力分布的操作变量；

4.由于流体流道尺寸和多孔筛网/筛板阻力在设计时已经确定，循环流量和透过流量则为可控操作变量，故其膨胀床整体容易控制，工业化规模放大容易；同时，分布器内死体积小，分布器内返混和床层相比可忽略，从而可以实现低压下小体积内的流体均布，使得低膨胀率、高理论板数的膨胀床在生化分离技术上的工业化应用得以实现，达到使用膨胀床的核心优势；

5.设置有内部液体循环流道，当料液从进料管喷射流速足够高时，分布器内会形成内部小循环，进一步确保了多孔筛网/筛板下的压力沿径向基本恒定。从而通过床层的流体呈现平推流状态，如此，可进一步地提高膨胀床的吸附载量和脱附分辨率；

6.从径向喷射孔中喷射出的径向料液流，对多孔筛网支撑板进行侧向/切向冲刷，实现对多孔筛网支撑板的自清洁，避免了筛板的堵塞，可实现完全在位清洗，无死点/死区。

附图说明

图1a是现有固定床的结构示意图；

图1b是现有膨胀床的结构示意图；

图1c是现有膨胀床内部的流体分布示意图；

图2a是蜘蛛臂技术方案的示意图；

图2b是美国专利筛板切向清扫流设计方案的示意图；

图3是本发明的结构示意图；

图4是径向导流圆盘的俯视结构示意图；

图5是本技术方案中膨胀床的内部流体分布示意图。

图中102为料液储罐，110为进料泵，120为流量控制部件，125为切向流，130为流量控制部件，140为循环流泵，202为分离柱，220为膨胀床吸附树脂，222为下支撑筛板；

301为膨胀床器壁，302为多孔筛网支撑板，303为进料管，304为径向喷射孔，305为径向导流圆盘，305-1为径向导流圆盘的中心部位，305-2为径向导流圆盘的圆周边缘部位，305-3为通孔，305-4为导流圆盘下方返流，306为排出口，307为变截面切线流，308为内部液体循环流，309为导流板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

图1a中，传统的色谱柱将吸附树脂用上下多孔筛板压紧固定于色谱柱中，使之无法流动，故称为“固定床”。

传统固定床的特点是由于床层空隙率较小，流体通过床层的阻力较大，流体流过床层呈活塞流，径向上的流体流速均布较好。

但固定床色谱分离柱会因为阻塞而无法直接处理含有固体的料液，比如无法直接从含有细胞或细胞碎片的高黏度料液中分离出目标产物；因为料液中的固体物质会聚集在细小流道中，不断增加床层阻力，最终堵塞床层。

图1b中，流体从色谱柱的底部进入床层，利用流体向上流动时对固体颗粒吸附剂产生的浮力和表面曳力，使固体吸附剂颗粒不同程度向上悬浮而引起床层膨胀，故称之为膨胀床。

膨胀床工作原理的核心是较高的通量，稍低的理论板数(与固定床相比)，及处理颗粒的能力。由于膨胀床有较大的空隙率，床层内流体流动应与固定床相似，接近平推流，远离散式流化床内流体的全混流，以此获得较高的分离效率和理论塔板数。特殊的有较大密度的固体吸附颗粒是此项技术的另一重要方面。较高的颗粒密度可以允许在同样膨胀比时有更高的通量。

由于膨胀床中固体吸附剂颗粒处于悬浮状态，床层的空隙率远大于固定床的空隙率，可以使原料液中的细胞、细胞碎片等固体颗粒杂质顺利通过床层，溶于原料液中的目标成分被膨胀床中固体吸附剂捕获。

由于膨胀床承载吸附剂的下支承丝网之筛板孔径较小，固体颗粒会聚集在支撑筛板和吸附剂挡板的下部，随着固体物质越聚越多，最后导致固体颗粒堵塞支撑筛板和孔。

此外，传统的膨胀床分布器不能在膨胀床床层的底部迅速地形成平推流，导致了膨胀床在吸附时的总理论板数较低。

图1c中，由于传统膨胀床的底部分布器不能形成膨胀床横截面上的均压布水，导致了膨胀床中心区域与其边缘区域的布水压力不均衡，进而造成了非平排流形态，使得床体内部产生返流现象(图中以圆环流表示)，导致了膨胀床在吸附时的总理论板数较低。

图2a中，进料液流通过图中的四个支管向下进入膨胀床中，同时由四个支管构成的蜘蛛臂定期/定时旋转，对膨胀床承载吸附剂的下支承丝网/筛板进行相应的冲洗/冲刷，以力图减轻其堵塞的情况。

虽采用蜘蛛臂设计方案解决了柱子的清洗和清洁问题，但其应用后会导致膨胀床的总理论板数偏低(尤其在脱附时造成低分辨率和稀释的产物)，失去了色谱分离的主要优势。

另外，蜘蛛臂的旋转导致了膨胀床交换柱内经常的机械摇动，机械密封困难，对吸附颗粒有磨损。

图2b中，样品料液经进料泵110和流量控制部件120进入膨胀床分离柱202下部的多孔丝网支撑板222的下方，部分样品液穿过多孔丝网支撑板进入吸附树脂220的膨胀床层，而更多的样品料液，与膨胀床内流体方向成垂直角度地，切向流过膨胀床多孔丝网支撑板的下表面(见图中切向流125所指)，从而起到清扫的作用，此股切向清扫液由循环泵140提供动力和通过流量控制器130来控制流量。

该设计的料液流体在进口到出口的轴线及其相垂直的轴线上都会有不同程度的供液压力不均匀现象(取决于吹扫液体的流速和分布器空腔体积的大小)；为了达到供液压力均布的目标，膨胀床的空腔体积势必要大，但空腔的体积增大了，又会导致返混现象严重，影响膨胀床的使用效果/使用效率。

同时，随着循环样品液中固含量的增加，固体颗粒发生聚并，此时高黏度、高固含量的循环样品液很难起到清扫多孔丝网支撑板的作用，堵塞现象仍会发生，且难以避免。

图3中，本申请的技术方案提供了一种用于生化分离技术的膨胀床色谱分离装置，包括位于膨胀床下端器壁上的多孔筛网支撑板和进料管，其发明点在于：

在膨胀床下端多孔筛网支撑板的下方，设置有一个包括末端带有径向喷射孔的进料管和径向导流圆盘所构成的、具有自稳定的料液均布作用、且带有自清除功能的料液均匀分布器。

在机械结构上，其进料管303设置在膨胀床底端301器壁的中心部位，进料管的末端，设置在多孔筛网支撑板302的下方，在进料管的末端，设置有径向喷射孔304；在膨胀床底端器壁与多孔筛网支撑板之间，设置一径向导流圆盘305；在径向导流圆盘的中心部位开设通孔305-3，通孔的直径大于或等于所述进料管的外径，进料管贯穿通孔设置。

径向导流圆盘与多孔筛网支撑板的下表面配合，在径向导流圆盘的中心沿着导流圆盘的半径方向上，构成了一个流体均布流道(见图中变截面切线流307所在路径，为简洁亦可用307来表示该流体均布流道，下同)；其流体均布流道沿导流圆盘径向的纵向截面为斜楔状结构。

在径向导流圆盘下方与膨胀床下端的器壁之间，设置有返流流道(见图中导流圆盘下方返流305-4所在路径，为简洁亦可用305-4来表示该返流流道，下同)。

其通孔的直径大于进料管的外径，在通孔与进料管外管壁之间，形成一个液体流通间隙，构成内部液体循环流道(见图中内部液体循环流308所在路径，为简洁亦可用308来表示该内部液体循环流道，下同)。

在膨胀床底端器壁上，设置了一个物料排出口306。

其中，进料管沿膨胀床的纵向轴线设置；径向喷射孔沿进料管末端的管壁圆周均布设置。

具体的，径向导流圆盘为倒置喇叭状或倒置锥状圆盘，所述径向导流圆盘的中心部位305-1与多孔筛网支撑板302下表面之间的距离，大于径向导流圆盘的圆周边缘部位305-2与多孔筛网支撑板302下表面之间的距离。

由于多孔支撑筛板302两侧存在压差，部分原料液及其细小固体颗粒会穿过多孔支撑筛板进入膨胀的吸附床层中，进而实现了目标成分的吸附。

从现有技术中可知，当原料液从喷射小孔喷出后，在向导流圆盘圆周边缘流动过程中，有部分原料液会穿过多孔支撑筛板进入膨胀床中，因此流体的体积流量和质量流量都在变化。同时，在液体由中心向四周流动的过程中，由于流道呈扇形，流通面积逐步扩大，会产生流体沿半径方向上的压力分布或压力差，使得多孔支撑筛板两侧的压差沿半径方向存在一个不希望的分布。

为避免这种不理想的压力分布变化，本技术方案中流体均布流道沿径向的纵向截面设计成“中心宽/厚、边缘薄/窄”的呈斜楔状的结构形式，通过改变流体沿径向流动时的流通面积，来克服因变质量流动和流道呈扇形几何形状变化所引起的布液/供液压力变化。

此外，上述流体均布流道采用斜楔状的纵向截面结构形式，使得径向导流圆盘与多孔筛网支撑板的下表面相配合，在多孔筛网支撑板的下方，构成一个径向变截面流体流道或径向变质量流通道，从导流圆盘的中心沿其半径方向向外的液体流经路径上，液体流道/通道的横截面积依次递减，流体沿导流圆盘作径向流动时的流通面积依次减小。

这样，本技术方案通过上述结构和布局设计，通过改变流体沿导流圆盘径向流动时的流通面积，来克服/抵消因变质量流动和流道呈扇形几何形状变化所引起的压力变化，保证了料液流体从中心到边缘都可以有较高的/均匀的流速，使得筛板下的料液液体压力分布均匀，且料液喷射流速越高，分布越均匀，带来了自稳定的料液液体均布作用。

通过设置返流流道，确保了多孔筛板下液体的压力沿径向基本恒定。

当原料样品料液从进料管末端的径向喷射孔中，沿膨胀床或径向导流圆盘的半径方向，向四周喷射时，在径向导流圆盘的引导下，对多孔筛网支撑板进行侧向/切向冲刷，实现对多孔筛网支撑板的自清洁作用，避免了筛板堵塞，可实现完全在位清洗，无死点/死区。

最后，原料样品料液在径向导流圆盘的圆周边缘部位向下经返流流道折返，将在多孔筛网支撑板下方聚集的固体颗粒冲洗回流体主流，从物料排出口排出，返回到原料罐中进行外循环。

实际工作状态下，原料样品料液由进料管303进入分布器，从进料管末端顶部的喷射孔304中沿半径方向，向四周喷射，依次流经流体均布流道307、径向导流圆盘圆周边缘部位305-2和返流流道305-4，最后从物料排出口306排出，返回到原料罐中进行外循环。

作为进一步的延伸，在外循环回路中还可以设置粗过滤器或筛网，以去除处理过程中形成的大团固体物，在“上样”后期可以在料液罐中注入稀释液，以降低料液的粘度和提高回收率。

图4中，径向导流圆盘301在沿半径方向设置有多块竖立的导流板309，导流板按圆周方向均布排列设置，以确保从喷射孔喷射出的流体在向圆周边缘方向流动时，能沿圆周均匀分布。

图5中，通过采用前述结构和布局设计，径向导流圆盘与多孔筛网支撑板在结构上相配合，利用流体流道径向截面的变化或流体沿径向压力均布的形式，辅以内部液体的循环通道，对进入膨胀床的原料样品料液进行沿膨胀床径向的液体均布，确保了多孔筛网支撑板下的液体压力沿径向基本恒定，从而使通过膨胀床床层的流体呈现平推流状态，以此来提高膨胀床的分离理论板数和色谱分离效率，改善/提高膨胀床的使用效果/使用效率。

图中膨胀床中平行向上的液流箭头，就显示了色谱交换柱中独立于床层阻力的平推流，将其与图1c中所示的非理想流形态相比，可以明显看出，由于膨胀床中心区域与其边缘区域的布水压力基本恒定，床体内部返流现象得以抑制，使得膨胀床在吸附时的总理论板数大大提高。

本申请的技术方案中，充分考虑到料液喷射流速(循环流加上透过流)、循环流道的大小以及筛板的透过阻力这三大影响分布器内液体压力均布的主要因素，采用低压下流体均布设计、变截面流道、分布器内流体循环和分布器外流体循环相结合，不但可以清洁多孔支撑筛板，更主要的发明点在于可以更好地对进入膨胀床的原料液进行均布，成功地解决了膨胀床在工业放大生产过程中低床层压降下料液供液压力沿半径方向均匀分布的问题，较好地确保了通过膨胀床床层的流体呈现平推流状态，可大大改善/提高膨胀床的使用效果/使用效率，提高了膨胀床的吸附载量和脱附分辨率。

由于膨胀床中固体吸附剂颗粒处于悬浮状态，床层的空隙率远大于固定床的空隙率，可以使原料液中的细胞、细胞碎片等固体颗粒杂质顺利通过床层，溶于原料液中的目标成分被膨胀床中固体吸附剂捕获。因此，膨胀床无需对原料液的固体颗粒进行特别的处理，将原有的离心、过滤、捕获三个步骤合成为一步，直接进行色谱捕获。为此，可将膨胀床应用于色谱分离过程中取代传统的固定床色谱分离柱，并缩短工艺流程，降低生化分离的操作费用和生产成本。

膨胀床技术具有生产能力高，工艺时间短，设备成本低(无需贵重的离心设备和过滤设备的投资)，更高的总收率(与过去三步法总收率比较)等重要优点。

由于在本申请的技术方案中，流体流道尺寸和多孔筛网/筛板阻力在设计时已经确定，循环流量和透过流量则为可控操作变量，故其膨胀床整体控制方便，工业化规模放大容易；同时，分布器内死体积小，分布器内返混和床层相比可忽略，从而可以实现低压下小体积内的流体均布，使得低膨胀率、高理论板数的膨胀床在生化分离技术上的工业化应用得以实现，达到使用膨胀床的核心优势

采用本申请的技术方案后，膨胀床技术可应用于所有用微生物和动物细胞生产的蛋白类物质的纯化分离，允许含固体颗粒或沉淀物的物料直接用于色谱。

本申请的技术方案，特别适合于对生物行业中含固细胞液或细胞裂解液直接进行处理，实现高通量、高理论板数的色谱分离；其免去了现有的“离心”和“过滤”工艺步骤，简化了生化分离的生产工艺流程，尤其对单克隆抗体类，人体重组白蛋白等需要大规模工业化生产的产品意义重大，经济效益明显。

Claims (7)

1.一种用于生化分离技术的膨胀床色谱分离装置，包括位于膨胀床下端器壁上的多孔筛网支撑板和进料管，其特征是：

所述的进料管设置在膨胀床底端器壁的中心部位，所述进料管的末端，设置在多孔筛网支撑板的下方，在所述进料管的末端，设置径向喷射孔；

在膨胀床底端器壁与多孔筛网支撑板之间，设置一径向导流圆盘；

在径向导流圆盘的中心部位开设通孔，通孔的直径大于或等于所述进料管的外径，进料管贯穿所述的通孔设置；

所述的径向导流圆盘与多孔筛网支撑板的下表面配合，在径向导流圆盘的中心沿着导流圆盘的半径方向上，构成流体均布流道；所述流体均布流道的纵向截面为斜楔状；

在膨胀床底端器壁上，设置一个物料排出口；

其中，所述的径向导流圆盘为倒置喇叭状或倒置锥状圆盘，所述径向导流圆盘的中心部位与多孔筛网支撑板下表面之间的距离，大于径向导流圆盘的圆周边缘部位与多孔筛网支撑板下表面之间的距离；

其所述的进料管沿膨胀床的纵向轴线设置；所述的径向喷射孔沿进料管末端的管壁圆周均布设置；

在所述径向导流圆盘下方与膨胀床下端的器壁之间，设置返流流道。

2.按照权利要求1所述的用于生化分离技术的膨胀床色谱分离装置，其特征是所述的径向导流圆盘在沿半径方向设置有多块竖立的导流板，所述的导流板按圆周方向均布排列设置。

3.按照权利要求1所述的用于生化分离技术的膨胀床色谱分离装置，其特征是所述径向导流圆盘中心部位通孔的直径大于所述进料管的外径，在通孔与进料管外管壁之间，形成一个液体流通间隙，构成内部液体循环流道。

4.按照权利要求1所述的用于生化分离技术的膨胀床色谱分离装置，其特征是所述的流体均布流道采用斜楔状的纵向截面结构形式，通过改变流体沿导流圆盘径向流动时的流通面积，来克服/抵消因变质量流动和流道呈扇形几何形状变化所引起的液体分布压力变化。

5.按照权利要求1、2、3或4所述的用于生化分离技术的膨胀床色谱分离装置，其特征是所述的径向导流圆盘与多孔筛网支撑板的下表面相配合，在多孔筛网支撑板的下方，构成一个径向变截面流体流道或径向变质量流通道，从径向导流圆盘的中心沿导流圆盘的半径方向，所述径向变截面流体流道或径向变质量流通道的横截面积依次递减，料液流体沿导流圆盘作径向流动时的流通面积依次减小。

6.按照权利要求1、2、3或4所述的用于生化分离技术的膨胀床色谱分离装置，其特征是所述的径向导流圆盘与多孔筛网支撑板在结构上相配合，利用料液流体流道径向截面的变化，辅以内部液体循环通道，对进入膨胀床的原料样品料液，进行沿膨胀床径向的液体压力均布，确保多孔筛网支撑板下的液体压力沿径向基本恒定，从而使通过膨胀床床层的料液流体呈现平推流状态，以此来提高膨胀床的分离理论板数和色谱分离效率，改善/提高膨胀床的使用效果/使用效率。

7.按照权利要求1、2、3或4所述的用于生化分离技术的膨胀床色谱分离装置，其特征是从所述径向喷射孔中喷射出的原料样品料液，沿膨胀床或径向导流圆盘的半径方向，向四周喷射，在径向导流圆盘的引导下，对多孔筛网支撑板进行侧向/切向冲刷，实现对多孔筛网支撑板的自清洁作用；原料样品料液在径向导流圆盘的圆周边缘部位向下经返流流道折返，将在多孔筛网支撑板下方聚集的固体颗粒冲洗回流体主流，从物料排出口排出，返回到原料罐中进行循环。

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