離子交換柱自動化升級設計實例

劉明艷，卞曉紅，陳曉亭

（山東魯新設計工程有限公司，山東淄博 255000）

離子交換柱自動化升級設計實例

劉明艷，卞曉紅，陳曉亭

（山東魯新設計工程有限公司，山東淄博 255000）

陰陽離子交換柱是離子交換層析（Ion Exchange Chromatography 簡稱為IEC）的一種，在我國的應用時間比較久遠，具有靈敏度高，重復性、選擇性好，分離速度快等優點，是當前最常用的層析法之一，常用于多種離子型生物分子的分離，包括蛋白質、氨基酸、多肽及核酸等。但是很難實現自動化，造成運行成本高，人工操作失誤率高等缺點，現根據近幾年的設計經驗對離子交換柱的自控方式做論述。

離子交換柱；自動化；連續進料；聯鎖控制

陰陽離子交換柱是離子交換層析（Ion Exchange Chromatography 簡稱為IEC）一種操作方法，是以離子交換劑為固定相，依據流動相中的組分離子與交換劑上的平衡離子進行可逆交換時的結合力大小的差別而進行分離的一種層析方法。離子交換層析是目前生物化學領域中常用的一種層析方法，廣泛地應用于各種生化物質如氨基酸、蛋白、糖類、核苷酸等的分離純化。

離子交換層析是通過帶電的溶質分子與離子交換層析介質中可交換離子進行交換而達到分離純化的方法，也可以認為是蛋白質分子中帶電的氨基酸與帶相反電荷的介質的骨架相互作用而達到分離純化的方法。

離子交換層析法主要依賴電荷間的相互作用，利用帶電分子中電荷的微小差異而進行分離，具有較高的分離容量。幾乎所有的生物大分子都是極性的，都可使其帶電，所以離子交換層析法已廣泛用于生物大分子的分離、中等純化及精制的各個步驟中。

由于離子交換層析法分辨率高，工作容量大，并容易操作，同時還具有靈敏度高，重復性、選擇性好，分離速度快等優點，因此它不但在醫藥、化工、食品等領域成為獨立的操作單元，也已成為蛋白質、多肽、核酸及大部分發酵產物分離純化的一種重要的方法。目前，在生化分離中約有75%的工藝采用離子交換層析法。但是國內的離子交換柱生產及安裝廠家基本都基于手工操作，部分廠家可以做到交換柱清洗過程實現自動控制，極少部分廠家可以做到對于物料的進料及出料過程實現自動控制，且整體設計及安裝費用較高。本文對離子交換柱的自動化及連續化生產進行論證。

1 設定目標

提高自動化控制過程、確保可以連續化生產、盡量減少人工操作，降低失誤率，節約運行成本。

2 分析原因

離子交換柱工藝操作有以下特點，導致連續生產的自動化難以實現：

1）每根離子交換柱需要分別連續進入多種不同物料以實現洗、脫、反洗、再生的過程，每根離子交換柱都重復該過程。

2）對每種物料的進料流速、進料量、放料的技術參數都有精準要求。

3）生產過程為連續性生產。

3 提出方案并確定最佳方案

3.1 根據以上原因提出以下方案

方案一：全自動化過程：即完全脫離人工操作由DCS控制系統完成操作，增加物料的打料泵，即每根離子交換柱對應一套打料泵；

方案二：半自動化：以DCS控制為主，人工操作起輔助作用，多根根離子交換柱共用一套物料打料泵；

3.2 方案的可行性分析

方案一：全自動化過程（控制流程見圖1）

為了確保工序的連續性，降低人員勞動量，增加物料打料泵，即每跟離子柱對應一套泵組；此方案可以保證現場不需要人員操作，但是需要增加相應的泵組，這樣要求的生產空間相應增加，從而增加了成本。

圖1 全自動化控制流程

方案二：半自動化（控制流程見圖2）

為了確保工序的連續性，在生產開始時采用人工現場開啟物料泵，當所有離子交換柱全部循環完一個過程，手動關閉該物料泵，當下個循環開始時再手動啟動，依次循環，采用手動及自控相結合的方式對工藝進行控制；該方案需要現場有工作人員操作，但是相對方案一占地面積較小，設備成本降低；

假設本工藝涉及到物料A、反洗介質B、清洗介質C，根據進料的時間差控制每根離子交換柱的進料的時間。詳見流程圖2及說明。

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

劉明艷（1985—），女，山東淄博人，助理工程師，主要研究方向為工業設計。