褚琳娜， 楊輝華*， 張 敏， 梁瓊麟， 王義明， 羅國(guó)安*

(1.桂林電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制學(xué)院，廣西桂林541004;2.清華大學(xué)化學(xué)系，北京100084;3.華東理工大學(xué)藥學(xué)院中藥現(xiàn)代化工程中心，上海200237)

中藥包含的化學(xué)成分非常復(fù)雜，其中起療效作用的有效成分種類(lèi)繁多，提取分離有效成分及有效部位可以降低原藥材的毒性，提高其療效，可以進(jìn)一步改善中藥制劑的劑型，提高制劑質(zhì)量，對(duì)于促進(jìn)中藥現(xiàn)代化有著重要的意義。在中藥制藥過(guò)程中，分離和純化的費(fèi)用常占較大比重，需要的設(shè)備多，工藝過(guò)程長(zhǎng)。而傳統(tǒng)的方法普遍存在耗時(shí)長(zhǎng)、處理效率低等問(wèn)題，成為整個(gè)中藥現(xiàn)代化發(fā)展進(jìn)程的制約步驟。近年來(lái)一些現(xiàn)代高新技術(shù)不斷被應(yīng)用到中藥有效分離純化中來(lái)，大大促進(jìn)了中藥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，使中藥制藥技術(shù)水平上升到一個(gè)新的高度。其中，膨脹床技術(shù)憑借操作簡(jiǎn)便、成本低及易于集成化的特點(diǎn)，成為中藥分離純化領(lǐng)域一項(xiàng)重要的技術(shù)。但因缺乏以小分子物質(zhì)分離純化為目標(biāo)的膨脹床動(dòng)力學(xué)和吸附性能的研究和數(shù)學(xué)模型的建立，所以目前應(yīng)用研究發(fā)展較為緩慢。本文將以數(shù)學(xué)建模為重點(diǎn)，綜述膨脹床技術(shù)在中藥及其他天然產(chǎn)物分離純化上的研究進(jìn)展，并結(jié)合現(xiàn)今較為成熟，對(duì)生物制品中大分子物質(zhì)的吸附的研究，討論其在中藥領(lǐng)域的發(fā)展方向。

1 膨脹床技術(shù)概況

膨脹床是上世紀(jì)90年代由H.A.Chase［1］成功研制，并在生化分離領(lǐng)域得到了較快的發(fā)展，它可以省去離心或過(guò)濾等單元操作步驟，節(jié)約操作周期，提高目標(biāo)產(chǎn)物的收率，降低分離純化的成本，被稱(chēng)為近幾十年來(lái)出現(xiàn)的第一個(gè)新的單元操作。它綜合了流化床和固定床層析的優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)層析的操作方式不同，膨脹床料液是從床的底部進(jìn)入，利用流體向上流動(dòng)產(chǎn)生的速度和浮力，使得床內(nèi)的吸附劑不同程度地向上浮動(dòng)而引起擴(kuò)張。此時(shí)由于吸附劑的擴(kuò)張，吸附劑之間空隙率增大，足以使料液中的細(xì)胞、細(xì)胞碎片等固體顆粒順利通過(guò)床層，達(dá)到除去這些顆粒的目的。又由于填料層處于相對(duì)穩(wěn)定，料液流動(dòng)為平推流，所以料液中的目標(biāo)蛋白基本上按填充床的模式被吸附在吸附劑上，有良好的吸附分離能力。盡管膨脹床發(fā)展的歷史還很短，但膨脹床現(xiàn)已成功地用于許多生化領(lǐng)域，如蘋(píng)果酸脫氫酶［2］、葡萄糖6-磷酸脫氫酶［3］、尿激酶［4］、組氨酸標(biāo)記蛋白［5］、谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶［6］、重組蛋白［7］、單核細(xì)胞［8］、胰島素［9］等多種物質(zhì)的分離純化。

雖然膨脹床技術(shù)發(fā)展較快，而且其特點(diǎn)很適用于中藥及其他天然產(chǎn)物的分離純化，但目前其應(yīng)用研究絕大部分都集中在生物制品的分離純化上，而對(duì)膨脹床在中藥及其他天然產(chǎn)物的分離純化上的應(yīng)用研究較少，而且發(fā)展緩慢，主要有兩方面原因，一方面是還沒(méi)有比較成熟的適用于小分子成分分離純化的吸附劑體系，吸附劑性能包括吸附容量、選擇性、吸附速度等，它的好壞直接影響分離效果，開(kāi)發(fā)出性能良好的吸附劑基質(zhì)，是該項(xiàng)技術(shù)得以在中藥分離純化上廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。另一方面是因?yàn)樘烊划a(chǎn)物的分離純化與生物制品的分離純化有著諸多不同之處，而目前還缺乏以小分子物質(zhì)分離純化為目標(biāo)的膨脹床動(dòng)力學(xué)和吸附性能的研究和數(shù)學(xué)模型的建立。

2 膨脹床技術(shù)研究進(jìn)展

如若要將膨脹床技術(shù)更好地應(yīng)用到中藥及其他天然產(chǎn)物的分離純化上，則必須要了解膨脹床技術(shù)本身的最新發(fā)展水平和發(fā)展方向，并從中借鑒。在膨脹床的發(fā)展中，除去擁有高效吸附性能的吸附介質(zhì)的研究開(kāi)發(fā)，對(duì)膨脹床的動(dòng)力學(xué)和吸附性能的研究和建模，從而得到更優(yōu)的操作條件，最終有一個(gè)高效的分離純化效果是最受相關(guān)研究者關(guān)注的。

2.1 膨脹床流體動(dòng)力學(xué)特性的研究

此方面研究主要有兩個(gè)內(nèi)容，一是擴(kuò)張?zhí)匦缘难芯?，它主要包括流體流速、粘度等性質(zhì)對(duì)于床層擴(kuò)張高度以及床層空隙率的影響，一般采用Richardson-Zaki方程［10］來(lái)對(duì)上述關(guān)系進(jìn)行描述，這在前文所述的小分子物質(zhì)的分離純化工作上都進(jìn)行了相關(guān)研究。另一個(gè)就是軸向擴(kuò)散的研究。對(duì)于膨脹床床層的軸向混合程度，研究報(bào)道中常采用軸向分散系數(shù)來(lái)描述，常用的軸向分散系數(shù)測(cè)定方法為停留時(shí)間分布測(cè)定法［11，12］。一般均以一定濃度的丙酮作示蹤劑，采用脈沖進(jìn)樣的方法，以UV分光光度計(jì)在線檢測(cè)流出曲線的變化，從而計(jì)算出Bo數(shù)以及液體軸向混合系數(shù)Daxl。目前膨脹床在小分子物質(zhì)上的應(yīng)用也都采用這些方法。

對(duì)于膨脹床軸向分散的特性，許多研究者也進(jìn)行了大量卓有成效的新研究，得到許多有意義的研究結(jié)果。其中，H.A.Chase的課題組做了大量工作，他們研究發(fā)現(xiàn)床體的豎直程度對(duì)于床內(nèi)流體流動(dòng)影響很大［13］;他們還考察了管壁開(kāi)孔對(duì)膨脹床流體力學(xué)性能和吸附性能的影響，通過(guò)內(nèi)部抽樣直接與UV連接實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同位置吸附液濃度在線檢測(cè)，結(jié)果表明管壁開(kāi)孔不會(huì)影響膨脹床的基本性能［14］;此外，他們還發(fā)現(xiàn)在膨脹床體內(nèi)顆粒不是均勻分布的，粒徑較大的顆粒大多在床層的底部，沿著床層往上顆粒直徑逐漸變小，床層空隙率也是由下到上逐漸增大。而軸向分散系數(shù)在床體上部較小，底部由于返混劇烈軸向分散系數(shù)較大［15，16］。姚善涇等［17］也通過(guò)脈沖響應(yīng)追蹤結(jié)合床內(nèi)采樣技術(shù)，研究存在密度差異和粒徑對(duì)數(shù)正態(tài)分布的顆粒的軸向擴(kuò)散變化，結(jié)果表明軸向擴(kuò)散系數(shù)在床層底部較大，隨著床高的增加軸向擴(kuò)散系數(shù)逐漸降低。孫彥等［18］進(jìn)行了不同離子交換樹(shù)脂在床體內(nèi)的局部分布的研究，他們使用了Streamline和6AS兩種粒子，結(jié)果發(fā)現(xiàn)前者以粒徑進(jìn)行軸向分級(jí)，后者以密度進(jìn)行軸向分級(jí)。研究者們還發(fā)現(xiàn)隨著流速和粘度的增大，軸向分散系數(shù)也隨著增大，而B(niǎo)o數(shù)變化很?。?9］;但有的研究者在用Streamline分離單克隆抗體時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著流速的增大，軸向分散系數(shù)反而減小［20］，用多孔玻璃珠也得到了類(lèi)似的結(jié)論［21］。在軸向分散研究中，也有新技術(shù)的應(yīng)用。余根［22］就采用微電導(dǎo)探針測(cè)試技術(shù)和CCD圖像采集處理技術(shù)，對(duì)液固膨脹床中徑向局部固含率分布進(jìn)行研究。

在研究的基礎(chǔ)上，一些具有良好預(yù)測(cè)能力的數(shù)學(xué)模型被研究者建立起來(lái)，這又幫助研究者們更好的進(jìn)行軸向分散的研究。姚善涇等在這方面作了一系列系統(tǒng)的工作。他們?cè)诜治龃矊訑U(kuò)張和流體動(dòng)力學(xué)行為的基礎(chǔ)上，建立了一個(gè)模型，來(lái)預(yù)測(cè)不同操作條件下的不同的軸向床層高度下平均粒徑和局部空隙率變化。在此基礎(chǔ)上，他們考慮了不同粒徑的顆粒其密度也不相同的實(shí)際情況，通過(guò)分析吸附劑結(jié)構(gòu)、床體擴(kuò)張和床體內(nèi)流體動(dòng)力學(xué)情況，建立了一個(gè)模型［23］，來(lái)描述平均粒度和局部床體空隙率的軸向變化。在模型中，顆粒密度由一個(gè)函數(shù)描述，這個(gè)函數(shù)包括一個(gè)顆粒的兩部分內(nèi)容:一是樹(shù)脂中心部分，它由樹(shù)脂和內(nèi)核微粒組成;二是樹(shù)脂薄膜部分，它不包括內(nèi)核微粒。這樣，在對(duì)Streamline系列吸附劑建立的模型的基礎(chǔ)上，一個(gè)改進(jìn)的模型就建立起來(lái)了。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明，在床體的絕大多數(shù)部分中，此模型對(duì)床體擴(kuò)張、平均粒度和局部空隙率均能進(jìn)行很好的預(yù)測(cè)。

此外，孫彥等［24］建立了一個(gè)流體動(dòng)力學(xué)的多元分散模型，來(lái)描述膨脹床吸附柱中固體顆粒的動(dòng)力學(xué)行為。這個(gè)模型已經(jīng)由不同研究者在不同操作條件下對(duì)床層擴(kuò)張進(jìn)行仿真。結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果有良好的一致性。此模型對(duì)于流體速度不同情況下床層高度發(fā)生變化和不同軸向位置的顆粒大小分布都有較好的仿真結(jié)果。由于柱內(nèi)的非均勻流和顆粒密度分布，所以對(duì)于柱的底部和頂部區(qū)域，計(jì)算的床空隙率有時(shí)會(huì)與測(cè)量值不同。Travis等［25］建立了一個(gè)分布參數(shù)模型(Bingham-like)來(lái)描述固-液系統(tǒng)擴(kuò)散的特性，預(yù)測(cè)床層動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。在模型中，對(duì)流是由一個(gè)進(jìn)行了改進(jìn)的Richardson-Zaki表達(dá)式來(lái)描述。結(jié)果表明，此模型可以很好的預(yù)測(cè)操作參數(shù)改變導(dǎo)致的床層擴(kuò)張性能的變化。建立的動(dòng)力學(xué)模型可以很好的預(yù)測(cè)操作參數(shù)改變導(dǎo)致的床層擴(kuò)張性能的變化。因?yàn)榘ㄅ蛎洿苍趦?nèi)的下游過(guò)程的發(fā)展都是在小柱上實(shí)現(xiàn)，這也減少了時(shí)間，降低了成本。Legros R［26］等對(duì)膨脹床在不同參數(shù)條件下流體動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行了研究，通過(guò)研究能穩(wěn)定預(yù)測(cè)更大型膨脹床柱分離性能的縮放比例參數(shù)。他們建立了一個(gè)流體動(dòng)力學(xué)模型，這個(gè)模型考慮到了放射狀的液體速度分布圖的影響，縮放比例的效應(yīng)特征以適合膨脹床的表觀軸向擴(kuò)散、塔板數(shù)和NEB的方式給出，模型預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致性良好。這方面的研究將有助于膨脹床的大型化［27］。

2.2 膨脹床吸附性能的研究

吸附分離模型的建立可以對(duì)分離過(guò)程進(jìn)行預(yù)測(cè)，以便實(shí)現(xiàn)工程放大。最早，人們對(duì)蛋白質(zhì)在多孔介質(zhì)內(nèi)的擴(kuò)散現(xiàn)象進(jìn)行了廣泛深入的研究，并提出了許多描述這一過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。目前應(yīng)用較為普遍的模型包括孔擴(kuò)散模型(Pore diffusion model，PDM)［28-30］，均質(zhì)固相模型(Homogenous solid phase model)［28-29］、表面擴(kuò)散模型 (surface diffusion model)［31］和平行擴(kuò)散模型(parallel diffusion model)［32，33］等。孫彥等［34］就曾系統(tǒng)研究了以上4種模型的適用性。

為了使數(shù)學(xué)模型更能反映真實(shí)的實(shí)驗(yàn)情形，許多研究者作了進(jìn)一步的完善。孫彥等做了大量的工作，他們考慮到了吸附劑顆粒尺寸軸向分布不均勻性，建立了一個(gè)數(shù)學(xué)模型來(lái)模擬不同操作條件下牛血清白蛋白(BSA)的膨脹床吸附過(guò)程。實(shí)驗(yàn)中，不同的操作條件包括了不同的原料蛋白濃度、不同的液體流速和黏度。模型參數(shù)通過(guò)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)或者利用關(guān)聯(lián)性進(jìn)行計(jì)算而得到，這樣可以保證實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果之間的較為可靠的比較。使用這些獨(dú)立確定的參數(shù)后，研究發(fā)現(xiàn)模型的預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合。此外，他們還發(fā)現(xiàn)在考慮了軸向粒度分布后，模型的預(yù)測(cè)變得更為精確［35］。同時(shí)，他們還使用酵母細(xì)胞懸液作為原料對(duì)蛋白質(zhì)膨脹床吸附過(guò)程進(jìn)行建模研究［36］。在有細(xì)胞存在的情況下，BSA的膨脹床吸附過(guò)程，包括上樣、淋洗和洗脫步驟，都通過(guò)一個(gè)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了預(yù)測(cè)，模型的參數(shù)都是獨(dú)立確定的。Chase H A等［16］以溶解酵素和牛血清蛋白為模擬物系進(jìn)行了相關(guān)研究，他們假設(shè)顆粒尺寸及空隙率均勻分布，忽略粒子擴(kuò)散，綜合考慮液相擴(kuò)散、膜傳遞、孔擴(kuò)散和吸附，將這4個(gè)過(guò)程建立一個(gè)統(tǒng)一分布模型，并通過(guò)充分利用柱內(nèi)底部和頂部區(qū)域的空隙率軸向變化、液相軸向擴(kuò)散和動(dòng)力能力等信息，來(lái)提高模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值基本吻合。因?yàn)殡S床層高度不同，吸附顆粒尺寸、局部空隙率和液相軸向擴(kuò)散都會(huì)沿軸向改變，所以Li等［37］考慮柱內(nèi)不同區(qū)域的吸附劑尺寸、液體軸向擴(kuò)散系數(shù)、液含率的不同，建立了不均勻分布的三區(qū)模型，對(duì)柱的底部、中部和頂部分別用模型方程進(jìn)行描述，而且模型參數(shù)為帶狀值。用此模型對(duì)溶解酵素的實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道不一致，因此，研究者根據(jù)此結(jié)果指出，在全柱范圍上，模型參數(shù)不能設(shè)為一個(gè)均一值?；谕瑯涌紤]，姚善涇等［38］在以前實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上考慮了吸附劑顆粒沿不同床層高度的分級(jí)分布、液體軸向擴(kuò)散不均一行為、床層空隙率不均一和目標(biāo)成分傳質(zhì)的軸向變化，建立了一個(gè)理論模型，并將此模型用于BSA和溶解酵素的吸附穿透曲線的研究中，結(jié)果表明此模型的預(yù)測(cè)能力可以滿足人們的實(shí)驗(yàn)要求。但是實(shí)驗(yàn)過(guò)程均用的是模擬物系，對(duì)于模擬真實(shí)進(jìn)料過(guò)程還須進(jìn)一步的研究。Li等［39］又進(jìn)一步考慮了固體顆粒的軸向擴(kuò)散，進(jìn)行膨脹床的實(shí)驗(yàn)與模型研究。在研究中，他們分別使用Streamline DEAE和CST I兩種吸附劑，用于牛血清白蛋白(BSA)的吸附研究，建立了一個(gè)數(shù)學(xué)模型對(duì)穿透曲線進(jìn)行預(yù)測(cè)。在這個(gè)模型中，顆粒間擴(kuò)散、模傳質(zhì)、液體軸向擴(kuò)散、固體軸向擴(kuò)散、粒度軸向擴(kuò)散和空隙率軸向變化等因素的影響都包含在內(nèi)。對(duì)DEAE和CST I，都進(jìn)行了BSA吸附穿透曲線的計(jì)算，并與模型預(yù)測(cè)進(jìn)行了比較。另外，也考察了上述各因素變化對(duì)穿透曲線的影響。結(jié)果表明，對(duì)于粒徑分布較寬的Streamline DEAE顆粒，考慮軸向不均勻分布以及固體顆粒的軸向分散能取得更滿意的預(yù)測(cè)結(jié)果。另外，一些研究者也重點(diǎn)研究了在原始料液中富含細(xì)胞碎片等物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)與吸附顆粒的相互作用對(duì)吸附的影響，并以此建立模型進(jìn)行研究［40-43］。

近年來(lái)，一些優(yōu)化算法也應(yīng)用到了膨脹床吸附研究的過(guò)程中，Caroline Costa Moraes［44］等就在使用膨脹床進(jìn)行菊粉酶吸附的數(shù)學(xué)建模中使用了粒子群優(yōu)化算法(PSO)［45］，對(duì)動(dòng)力學(xué)和傳質(zhì)參數(shù)進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的模型的預(yù)測(cè)能力明顯加強(qiáng)。由此可見(jiàn)，具有不同原理的優(yōu)化算法的選擇和使用對(duì)于數(shù)學(xué)建模研究是十分關(guān)鍵和必要的，這也是膨脹床建模研究的一個(gè)重要發(fā)展方向，但此方面研究還比較少。

3 膨脹床技術(shù)在中藥及其他天然產(chǎn)物中的應(yīng)用

目前，在此方面較為系統(tǒng)的研究工作有以下幾個(gè):天津大學(xué)的劉明言教授進(jìn)行的膨脹床用于銀杏黃酮的吸附分離研究［46］，合肥工業(yè)大學(xué)潘麗軍教授等進(jìn)行的膨脹床用于茶葉中兒茶素吸附分離研究［47］，清華大學(xué)羅國(guó)安教授將膨脹床技術(shù)用于中藥梔子中藏紅花酸、環(huán)烯醚萜苷和西紅花苷的分離提取中［48-49］。H.A.Chase的課題組也對(duì)銀杏中黃酮的膨脹床吸附分離進(jìn)行了報(bào)道［50］。

在膨脹床用于銀杏黃酮的吸附分離研究的工作中，研究者首先通過(guò)比較靜態(tài)吸附容量、固定床動(dòng)態(tài)吸附性能、以及動(dòng)態(tài)洗脫效果，選擇出適用于銀杏黃酮吸附分離的樹(shù)脂。然后對(duì)于選出來(lái)的樹(shù)脂，在自制的膨脹床系統(tǒng)上考察膨脹床流體力學(xué)性能，包括了測(cè)定大孔樹(shù)脂的濕密度，固定床液含率，不同顆粒的沉降速度，流速與擴(kuò)張比的關(guān)系，流速與液含率的關(guān)系等，并以丙酮作示蹤劑，研究膨脹床的相混合性能。考察不同流速的下的樹(shù)脂顆粒的軸向擴(kuò)散。最后，對(duì)銀杏黃酮溶液進(jìn)行膨脹床吸附性能的考察，改變流速、固定床高度、銀杏黃酮溶液濃度等操作條件進(jìn)行綜合考察，優(yōu)選出較好的操作參數(shù)。這個(gè)完整而且系統(tǒng)的工作為膨脹床在中藥分離純化領(lǐng)域的應(yīng)用提供了很好的示范作用。但沒(méi)有將中藥分離純化與生物制品分離純化的特點(diǎn)進(jìn)行比較，因此并沒(méi)有指出膨脹床用于中藥分離純化應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注和改進(jìn)的地方。

馬道榮、潘麗軍等在結(jié)合國(guó)內(nèi)外膨脹床技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展和兒茶素粗品的制備與純化的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了膨脹床吸附層析高效分離兒茶素的研究。此研究最大的特點(diǎn)是直接以適用于小分子物質(zhì)分離的低密度、大顆粒的介質(zhì)為研究對(duì)象，詳細(xì)考察其流動(dòng)特性，以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明了低密度、大顆粒的介質(zhì)的膨脹床體內(nèi)流動(dòng)偏離了活塞流，其流動(dòng)模型可用一維(軸向)擴(kuò)散模型來(lái)描述，指出這種類(lèi)型的介質(zhì)在流體動(dòng)力學(xué)特性方面的一些特點(diǎn)，并使用正交設(shè)計(jì)的方法綜合考察了對(duì)膨脹床流動(dòng)的影響因素。但此工作并沒(méi)有對(duì)膨脹床吸附性能方面做詳細(xì)研究，因此并沒(méi)有對(duì)吸附和洗脫的多個(gè)操作條件進(jìn)行優(yōu)化。

羅國(guó)安課題組在詳細(xì)研究了關(guān)于生物制品膨脹床分離純化的基礎(chǔ)上，首先建立了一套用于中藥分離純化的集成化膨脹床裝置，然后從影響膨脹床流體動(dòng)力學(xué)特性的各個(gè)因素著手，研究了各因素對(duì)于膨脹床床層擴(kuò)張?zhí)匦院洼S向分散的影響。并運(yùn)用化學(xué)物質(zhì)組學(xué)的思想，將整個(gè)集成化的膨脹床系統(tǒng)運(yùn)用到中藥有效成分的制備過(guò)程中，成功建立了中藥梔子中環(huán)烯醚萜苷類(lèi)組分、西紅花苷類(lèi)組分和丹參中總丹酚酸類(lèi)組分的集成化膨脹床制備方法。并與傳統(tǒng)方法進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果顯示在時(shí)間耗費(fèi)、試劑消耗及目標(biāo)物質(zhì)回收率等方面，此方法都優(yōu)于傳統(tǒng)制備方法。在整個(gè)過(guò)程中，研究者指出，用于中藥提取液特性的膨脹床吸附介質(zhì)的粒徑較大，這一點(diǎn)區(qū)別于應(yīng)用于生物制品分離的膨脹床介質(zhì)。所以在建模過(guò)程中，吸附劑顆粒終速度的計(jì)算方式就有較大不同，需要先對(duì)流體的流型進(jìn)行判斷屬于艾倫區(qū)，然后根據(jù)艾倫區(qū)顆粒終速度的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。在這些已報(bào)道的工作中，研究者都建立了適于天然產(chǎn)物分離純化的膨脹床裝置，并選擇了適當(dāng)?shù)奈浇橘|(zhì)。

4 發(fā)展方向及前景

通過(guò)綜述在不同研究對(duì)象上膨脹床基礎(chǔ)性能研究的發(fā)展，可以看到，相對(duì)于在生物制品領(lǐng)域的成熟應(yīng)用，膨脹床在中藥和天然產(chǎn)物上的應(yīng)用還存在較大的距離。這也為其指明了今后的發(fā)展目標(biāo)和方向。

首先，對(duì)于動(dòng)力學(xué)特性的研究，我們可以看到生物制品的分離純化研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，對(duì)適于生物制品分離的系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了有效的研究，在下一步的工作中，可以根據(jù)小分子物質(zhì)的吸附介質(zhì)的特點(diǎn)，尋找與生物制品分離相似的，并已有較好研究基礎(chǔ)的介質(zhì)，這樣就可以參考已有的動(dòng)力學(xué)研究模型和結(jié)果進(jìn)行研究。

其次，對(duì)于吸附性能的研究，我們可以看到在小分子物質(zhì)領(lǐng)域，現(xiàn)有的研究工作都是對(duì)單個(gè)影響因素進(jìn)行分別優(yōu)化，而在生物制品領(lǐng)域，最新研究工作報(bào)道的模型都包含了多個(gè)影響因素，而且很多模型也考慮了各個(gè)因素之間的相互作用，這樣的模型有助于獲得最優(yōu)的操作條件，從而得到更好的分離效果。中藥是一個(gè)小分子化合物群組成的復(fù)雜體系，應(yīng)該參照生物制品研究并結(jié)合中藥體系的特點(diǎn)加強(qiáng)多因素優(yōu)化模型的研究。

另外，目前研究者所建立的反映吸附洗脫過(guò)程的模型也主要是針對(duì)生物制品領(lǐng)域的，在天然產(chǎn)物的研究上尚需要加強(qiáng)理論研究。這就要求相關(guān)研究者根據(jù)天然產(chǎn)物有效組分的特點(diǎn):①天然產(chǎn)物中有效組分的極性差異較大;②有效組分的分子量常小于1 000，比生物大分子的分子量要低;③天然產(chǎn)物提取液的黏度要低于生物發(fā)酵液，借鑒生物制品研究上的有效模型，進(jìn)行系統(tǒng)的研究。同時(shí)，也要考慮使用優(yōu)化算法，尋找到適合天然產(chǎn)物分離純化的有效模型。另外，除了參考膨脹床在生物制品領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展，我們也可以從填充床或流化床等相關(guān)技術(shù)在天然產(chǎn)物分離純化上的應(yīng)用得到啟示，如在填充床上成熟使用的Hall模型及全混釜模型，都可以在膨脹床對(duì)天然產(chǎn)物的分離純化上進(jìn)行嘗試。

由于膨脹床具有操作簡(jiǎn)便、成本低及易于集成化的特點(diǎn)，相信隨著更多的相關(guān)研究工作的開(kāi)展，它一定可以在中藥分離純化領(lǐng)域發(fā)揮更重要的作用。

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