多通道流动电泳中流体流动的计算流体力学模拟与应用研究

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流动型制备电泳因具有分离速度快、可连续操作等优点而日益受到重视,但电泳过程中的焦耳热效应、浓差扩散及电渗等会导致电泳分离速度和精度下降。对于大规模流动电泳过程而言,更需要深入地研究设备内流体流动及其与分离操作条件和设备结构的关系,在此基础上选择合适的操作条件及设备放大准则,以实现高分离产量和分离精度。本文以多通道流动电泳为研究对象,建立了腔室内的离子分布模型和流动模型,通过计算流体力学方法模拟腔室内离子迁移、pH梯度及流场分布,并通过实验以验证其正确性,在此基础上进行设备放大。 第一章首先对制备电泳的发展状况进行了综述,重点介绍了流动型制备电泳技术,分析了目前制备型电泳技术研究中存在的问题与不足。指出了计算流体力学方法(ComputationalFluidDynamics,CFD)在电泳技术和设备研究中的潜在重要性并简要介绍了CFD原理、方法和CFD商业软件。本章还介绍了非水介质电泳的原理、特点和发展状况,分析了利用非水介质电泳来提高制备电泳过程分离精度的可行性,最后提出了本论文的研究内容和整体框架。 第二章首先通过实验证实了电场方向对多通道流动电泳技术分离蛋白质过程的影响。通过分析电泳过程的质量传递并基于电离平衡和电中性原则确定了多通道流动电泳中的离子分布模型,在此基础上得到各腔室中的电导率分布与pH分布,实验证实了模型预期的正确性。该模型为后续计算流体力学模拟分离过程中腔室内的流体流动提供了基础。 第三章通过分析多通道流动电泳中的各种传递现象及其相互关系,将传热、传质和流动过程解耦,将腔室内的电导率分布代入流体力学计算方程,通过计算得到腔室内的流场分布和温度场分布,进而模拟不同操作条件及不同设备尺寸下腔室中的流体流动。以此为基础可进行分离条件的优化和设备的放大,实验结果证实了理论模拟的正确性。 第四章将非水介质电泳技术原理与多通道流动电泳分离过程相结合以提高其分离精度并拓展其应用范围。为此,首先采用毛细管电泳技术研究蛋白质在非水溶液中的电迁移性质,考察了二元蛋白混合物在非水介质毛细管电泳中的分离行为及其影响因素。最后采用多通道流动电泳技术进行了非水介质制备电泳的研究。 第五章采用多通道流动电泳技术进行狂犬疫苗的分离纯化研究。首先通过空白体系实验确定分离模式和缓冲溶液体系,优化分离操作条件;然后采用由牛血清白蛋白和牛血红蛋白组成的模拟体系进行可行性研究及工艺优化;最后采用多通道流动电泳技术进行狂犬疫苗的分离。在上述工作的基础上,提出以多通道流动电泳技术为核心的狂犬疫苗新分离纯化工艺,并对该工艺路线中的电泳前处理与后处理步骤的操作条件进行实验研究,为新工艺的开发提供了基础。
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