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扩张床吸附是一种新型的生化分离技术,可以直接从细胞培养液或细胞匀浆液中捕获目标物,集固液分离、浓缩和初步纯化于一个操作单元中。扩张床吸附中应用最广泛是离子交换吸附,吸附容量较大,适用范围广。但是,中性pH条件下生物质(细胞或细胞碎片)一般带负电荷,很容易吸附到带正电荷的阴离子交换介质表面,降低吸附容量,破坏床层的稳定性。前期研究表明,经匀浆处理的生物质与吸附剂间相互作用会减弱。本研究详细考察了两种常用的细胞破碎方法(超声破碎和高压匀浆)的不同操作条件对生物质/吸附剂相互作用的影响。为了深入探索生物质/吸附剂相互作用的微观机理,引入zeta电位概念,希望找到辅助扩张床吸附过程设计的控制参数。 选择Escherichia coli,Bacillus subtilis和Pichia pastoris作为模型生物质(分别代表革兰氏阴性菌、革兰氏阳性菌和酵母菌);典型的阴离子交换剂STREAMLINE DEAE作为扩张床吸附剂。通过生物质脉冲响应实验获得生物质穿透指数(BTI),用来定量评估生物质/吸附剂间相互作用。BTI的大小和生物质/吸附剂相互作用强弱成反比关系,BTI=0.9可作为含生物质料液形成稳定扩张床层的最低要求。结果表明,对于不同的模型生物质来说,BTI均随着超声功率的增大或者超声时间的延长而显著增加。提高French Press的操作压力或者增加其循环破碎次数也能达到同样的效果。在破碎过程中,对细胞碎片的平均粒径和zeta电位进行了测量分析,平均粒径随着破碎条件的加强而逐渐减小,最终达到极限值;在平均粒径减小的同时,zeta电位绝对值也相应减小。利用带电球体(生物质颗粒)与带电平板(吸附剂表面)静电作用的模型,进行必要的简化后,发现参数(-ζ_A·ζ_B·d_B)可表征扩张床中生物质/吸附剂间相互作用,其中ζ_A是吸附剂的zeta电位,ζ_B是生物质的zeta电位,d_B是生物质的平均粒径。将BTI值与相应的(-ζ_A·ζ_B·d_B)作图,两者之间存在良好的线性关系。当(-ζ_A·ζ_B·d_B)<120 mV~2μm时,BTI>0.9,该指标可作为细胞破碎过程的控制参数。这表明合适的细胞破碎方法能够减弱生物质/吸附剂相互作用,改善扩张床的稳定性。同时应用zeta电位参数可简化扩张床吸附的过程设计,更快找到