离子交换柱自动化升级设计实例

刘明艳，卞晓红，陈晓亭

（山东鲁新设计工程有限公司，山东淄博 255000）

离子交换柱自动化升级设计实例

刘明艳，卞晓红，陈晓亭

（山东鲁新设计工程有限公司，山东淄博 255000）

阴阳离子交换柱是离子交换层析（Ion Exchange Chromatography 简称为IEC）的一种，在我国的应用时间比较久远，具有灵敏度高，重复性、选择性好，分离速度快等优点，是当前最常用的层析法之一，常用于多种离子型生物分子的分离，包括蛋白质、氨基酸、多肽及核酸等。但是很难实现自动化，造成运行成本高，人工操作失误率高等缺点，现根据近几年的设计经验对离子交换柱的自控方式做论述。

离子交换柱；自动化；连续进料；联锁控制

阴阳离子交换柱是离子交换层析（Ion Exchange Chromatography 简称为IEC）一种操作方法，是以离子交换剂为固定相，依据流动相中的组分离子与交换剂上的平衡离子进行可逆交换时的结合力大小的差别而进行分离的一种层析方法。离子交换层析是目前生物化学领域中常用的一种层析方法，广泛地应用于各种生化物质如氨基酸、蛋白、糖类、核苷酸等的分离纯化。

离子交换层析是通过带电的溶质分子与离子交换层析介质中可交换离子进行交换而达到分离纯化的方法，也可以认为是蛋白质分子中带电的氨基酸与带相反电荷的介质的骨架相互作用而达到分离纯化的方法。

离子交换层析法主要依赖电荷间的相互作用，利用带电分子中电荷的微小差异而进行分离，具有较高的分离容量。几乎所有的生物大分子都是极性的，都可使其带电，所以离子交换层析法已广泛用于生物大分子的分离、中等纯化及精制的各个步骤中。

由于离子交换层析法分辨率高，工作容量大，并容易操作，同时还具有灵敏度高，重复性、选择性好，分离速度快等优点，因此它不但在医药、化工、食品等领域成为独立的操作单元，也已成为蛋白质、多肽、核酸及大部分发酵产物分离纯化的一种重要的方法。目前，在生化分离中约有75%的工艺采用离子交换层析法。但是国内的离子交换柱生产及安装厂家基本都基于手工操作，部分厂家可以做到交换柱清洗过程实现自动控制，极少部分厂家可以做到对于物料的进料及出料过程实现自动控制，且整体设计及安装费用较高。本文对离子交换柱的自动化及连续化生产进行论证。

1 设定目标

提高自动化控制过程、确保可以连续化生产、尽量减少人工操作，降低失误率，节约运行成本。

2 分析原因

离子交换柱工艺操作有以下特点，导致连续生产的自动化难以实现：

1）每根离子交换柱需要分别连续进入多种不同物料以实现洗、脱、反洗、再生的过程，每根离子交换柱都重复该过程。

2）对每种物料的进料流速、进料量、放料的技术参数都有精准要求。

3）生产过程为连续性生产。

3 提出方案并确定最佳方案

3.1 根据以上原因提出以下方案

方案一：全自动化过程：即完全脱离人工操作由DCS控制系统完成操作，增加物料的打料泵，即每根离子交换柱对应一套打料泵；

方案二：半自动化：以DCS控制为主，人工操作起辅助作用，多根根离子交换柱共用一套物料打料泵；

3.2 方案的可行性分析

方案一：全自动化过程（控制流程见图1）

为了确保工序的连续性，降低人员劳动量，增加物料打料泵，即每跟离子柱对应一套泵组；此方案可以保证现场不需要人员操作，但是需要增加相应的泵组，这样要求的生产空间相应增加，从而增加了成本。

图1 全自动化控制流程

方案二：半自动化（控制流程见图2）

为了确保工序的连续性，在生产开始时采用人工现场开启物料泵，当所有离子交换柱全部循环完一个过程，手动关闭该物料泵，当下个循环开始时再手动启动，依次循环，采用手动及自控相结合的方式对工艺进行控制；该方案需要现场有工作人员操作，但是相对方案一占地面积较小，设备成本降低；

假设本工艺涉及到物料A、反洗介质B、清洗介质C，根据进料的时间差控制每根离子交换柱的进料的时间。详见流程图2及说明。

Ion exchange column automatic upgrade design example

Liu Ming-yan，Bian Xiao-hong，Chen Xiao-ting
（Zibo，255000）

Ion Exchange column of Yin and Yang is one of the Ion Exchange Chromatography，application time is long in our country，has a high sensitivity，good repeatability，selectivity，separation of the advantages of fast speed，is currently one of the most commonly used Chromatography，often used in a variety of ionic separation of biological molecules，including proteins，amino acids，peptides and nucleic acids.But it is diffi cult to realize automation，high operating costs，manual operation errors higher shortcomings，according to the design experience of recent years to ion exchange column control way to do this.

ion exchange column；automation；continuous feed；interlock control

TP273.5

A

1003-6490（2016）07-0053-02

2016-07-15

刘明艳（1985—），女，山东淄博人，助理工程师，主要研究方向为工业设计。