四种5 -核糖核苷酸在强酸性阳离子交换树脂上的传质过程及分离机理外文翻译资料

 2022-08-08 10:53:31

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四种5 -核糖核苷酸在强酸性阳离子交换树脂上的传质过程及分离机理

摘要

5-核糖核酸包括腺苷5-单磷酸(AMP)、胞苷5-单磷酸(CMP)、鸟苷5-单磷酸(GMP)和尿苷5-单磷酸(UMP)在食品和制药工业中得到了广泛的应用。本文主要研究了强阳离子交换树脂NH-1对4种5-核糖核苷酸和反离子Nat的传质过程及其分离机理。通过Boyd模型在树脂NH-1上进行传质或AMP、CMP、GMP和Nat的粒内扩散被确定为限速步骤。同时，提出了结合离子交换和物理吸附的均相扩散模型(HSDM)，并对间歇吸附系统的吸附动力学数据进行了测试。建立了基于HSDM的固定床膜-表面扩散模型，成功预测了动态吸附分离过程中固定床出口处5rsquo;-核糖核苷酸的浓度分布和pH值的变化。最后，结合模型预测和实验结果，提出了5-核糖核苷酸的分离机理。UMP、GMP和CMP的分离主要取决于它们等电点的差异，AMP和CMP的分离主要取决于它们与NH-1树脂的物理吸附结合能力的差异

。

一、介绍

离子交换色谱是一种历史悠久、用途广泛的分离纯化生化物质的方法，如柠檬酸、氨基酸、细菌素、肝素、单克隆抗体和核酸[1-6]，1975年由Small等人提出[7]。离子交换色谱法在样品纯化方面比其他方法有许多优点，尤其适用于多组分非均相等电点分离。离子交换色谱的主要分离机制是基于不同吸附剂之间的静电相互作用与离子交换的差异，以及大小不同的吸附质分子由于水的数量屏蔽紫外光表面影响离子交换机制。除了上述机制外，离子交换色谱还可能基于吸附质分子的非离子部分与离子交换聚合物主链之间的物理吸附作用[8,9]。Hirano[10]等人发现，在钠离子和精氨酸存在的情况下，带负电荷的树脂与不带电荷的芳香溶质的结合亲和力可以增强。他们确信这种增强归功于阳离子相互作用的贡献。Zhu等[11]报道溶菌酶和单克隆抗体在阳离子交换树脂上的保留机制与静电相互作用和疏水性的集体效应有关。这些研究证明了吸附质与吸附剂之间的物理吸附(包括疏水相互作用和范德华力)在离子交换过程中的重要性。Moreira等[12.13]研究了苯丙氨酸和酪氨酸在强碱型阴离子树脂上的吸附行为，发现了物理吸附的意义。物理吸附的贡献描述为离子交换的变化选择性系数。然而，两性离子与阴离子或两性离子与阳离子在离子交换系统中的联合吸附由于其分离机理复杂，很少被考虑。实际上，焦等人[14]发现两性离子在阳离子交换树脂上的吸附起着重要的作用，这一点不容忽视。

5-核糖核苷酸，包括5-一磷酸腺苷单磷酸(GMP)和尿苷5-单磷酸(UMP)通常来自生物生产过程[15]中RNA的酶水解。我们小组之前已经成功地使用了强酸性阳离子交换树脂NH-1来分离这四种成分[14]。研究了NH-1树脂的吸附平衡性能。提出了一种结合离子交换和物理吸附的改进的Helfferich平衡模型。

在离子交换色谱[16]中，固定床柱吸附是一种必要的分离微量生化产物的方法。通过对间歇式和固定床柱传质过程的研究，为确定4种5rsquo;-核糖核苷酸的分离机理提供了有效途径，有利于后续连续分离工艺的设计和优化。摘要准确的色谱柱模型对于离子交换系统的设计和优化，特别是多组分分离系统的设计和优化至关重要。因此，本文通过实验数据和合适的数学模型，阐明了四种5-核糖核苷酸的传质过程和分离机理。

文献中已有许多固定床模型用于系统研究离子交换系统的传质过程。在这些模型中,一般速度模型通常被认为是最全面的质量传递模型对液柱色谱法和几个表情来自它已经提出,如孔隙扩散模型(PDM)[17],孔隙和表面扩散模型(PSDM)[18]和均匀表面扩散模型(HSDM)[19]。但这些模型大多只考虑离子交换过程，没有考虑物理吸附过程，特别是两性离子的物理吸附过程。

作为我们之前研究[14]的延续，本文重点研究了四种5rsquo;-核糖核苷酸的传质过程强阳离子交换树脂NH-1。Boyd模型被用来确定5核糖核苷酸从本体溶液到树脂颗粒的传质的限速步骤。提出了基于改进的Helfferich平衡的HSDM模型，并对其在不同封闭批处理系统中的吸附动力学数据进行了测试。随后,固定床膜表面扩散模型考虑轴向方向的色散以及传质过程(包括外部从体相液膜传质到外部表面吸附剂和吸附剂颗粒的扩散运输)成立来描述相关的突破曲线和洗脱浓度配置文件。动态柱模型也用于预测pH值分布。在固定床实验和模型预测的基础上，对其分离机理进行了探讨。此外，Na 作为RNA酶解液中的组分之一，在5-核糖核苷酸的分离过程中起着重要作用，本文还对其吸附行为进行了研究。

二、材料和方法

2.1材料

5′-核糖核苷酸(纯度:2 99%)由南京生物科技有限公司(南京，中国)提供。去离子水为来自净水器(第30号，中国南京)。采用中国汕头西隆化工有限公司供应的NH4H2PO4(纯度:2 99%)和美国Tedia公司供应的甲醇(纯度:2 99.9%)制备流动相，用于高效液相色谱分析，无需进一步纯化。其他化学物质，包括NaCI、HCI和NaOH，均来自当地的分析级别。国家工程技术研究中心提供的氢态强酸性阳离子交换树脂NH-1作为吸附剂，其平均直径为0.4毫米。NH-1树脂的理化性质见表S1。所涉及的吸附剂预处理依次用1mol/L NaOH、去离子水、1mol/L HCI、去离子水进行洗涤，确保所有实验所用树脂条件一致。

2.2分析方法

采用Agilent 1200高效液相色谱系统(Agilent Technologies, CA, USA)，配备紫外检测器(254 nm)和Zorbax SB-Ag C18色谱柱(Agilent, CA, USA, 250 x 4.6 mm, 5 um)，梯度洗脱。色谱柱室温，流动相流速为1 mL/min。流动相为溶剂A (2.3 g/L NH4H, PO4和3.5%的甲醇水溶液混合溶液)和溶剂B(纯甲醇)。15分钟梯度洗脱谱列于表S2。溶液的pH值由pH计(poliliyte Plus ARC 120, Hamilton Bonaduz AG, Switzerland)测定，Nat浓度由Nat密度计(DWS-51)测定。上海仪科电气仪器股份有限公司，中国上海)。

2.3实验方法

2.3.1采用间歇式吸附实验

研究了在293plusmn;1 K的温度下，5 -核糖核苷酸(包括AMP、CMP和GMP)和Na 在强酸性阳离子交换树脂NH-1上的单组分/二元/三元吸附动力学。在一个典型的实验中，将10.0 g湿树脂加入含有250 mL不同初始浓度的单/二元/三元体系的500 mL锥形瓶中，用玻璃塞封闭在磁性搅拌器上，以250转/分钟摇晃。经过一定的时间间隔后，用注射器取上清液，然后通过0.45 mu;m膜过滤，测定5 -核糖核苷酸和Na 的浓度，直到达到平衡。从烧瓶中取出的样品的总体积约为10毫升，仅占烧瓶中溶液总体积的4%。因此，溶液的体积在整个实验过程中可以认为是不变的。溶液的pH值受Clminus;浓度的影响。为了评价单组分吸附过程中pH值对吸附动力学的影响，通过加入HCl水溶液来调节初始溶液中Clminus;的浓度(相应改变溶液的pH值)。其他操作步骤与上述实验一致。

2.3.2通过动态柱吸附实验

考察了单组分吸附体系中5rsquo;-核糖核苷酸和Na 在强酸性阳离子交换树脂NH-1上293plusmn;1 K的柱吸附性能。玻璃柱(直径1.46 cm，长度13.7 cm)连接恒温水浴(宁波新智生物科技有限公司，2k。戴晓鹏，庄伟等。采用水套恒温法，用约18 g NH-1树脂填充，进行柱吸附实验。具体操作条件见表S3。不同浓度的进料流通过较长的定流蠕动泵(BT100-1L，上海默西科学仪器有限公司，中国)以向下流动方式泵入塔内。用自动取样仪(BSZ-100，上海虎西分析仪器厂有限公司，中国)收集柱出口的出水，按预先确定的时间间隔测定出口浓度，直到接近进料溶液浓度为止。同时监测柱出口pH值，评价动态吸附过程。

2.3.3动态柱洗脱实验

采用玻璃柱，内径1.93 cm，柱长18.9 cm，填充约39 g NH-1树脂。进、洗脱的体积流速均为0.16 mL/min，流速为向下恒定。以37 mL真酶解液(制备方法详见补充剂)为料液，以去离子水为解吸剂。其他运行条件和监测方法同2.3.2

2.4模型与理论

均相表面扩散模式(HSDM)包括物理吸附和离子交换。该模型主要基于以下假设:bull;树脂颗粒为球形，粒径均匀，内部结构均匀。bull;只考虑沿树脂颗粒扩散的径向发生。bull;粒子的内表面扩散是整个离子交换过程的限速步骤。bull;常见离子(包括Cl -、OH -和5rsquo;-核糖核苷酸负离子)不能进入树脂颗粒。bull;在树脂颗粒的外表面立即实现吸附平衡。5rsquo;-核糖核苷酸阳离子、两性离子形式或Na 在树脂颗粒中的表面扩散方程表示为式(1)[20]:

其中q i为i组分(t时刻)在固相中的浓度(mmol/g)， ds s为i组分的表面扩散系数(cm 2 /min)， r为颗粒中的径向坐标(cm)。据文献[14]报道，除了5 -核糖核苷酸的阳离子形式(AMP /CMP /GMP )外，AMPplusmn;和GMPplusmn;也可以被NH-1吸附，而CMPplusmn;对NH-1的吸附可以忽略。因此，5rsquo;-核糖核苷酸在本体液相中的质量守恒方程与Na 的质量守恒方程不同。由式(2)和式(3)[12]计算出固态和固态液相间Na 的质量守恒方程:

其中C b,i表示组分i的体相浓度(mol/L)， V表示体溶液体积(mL)， m为树脂质量(g)， q av,i表示组分i的平均吸附量(mmol/g)。体液相与固相之间CMP 的质量守恒方程分别表示为式(4)、式(5)

体积液相与固相AMP 、GMP 的质量守恒方程如式(6)、式(7)所示:

其中，AMP t、CMP t和GMP t分别表示AMP、CMP和GMP的总5 -核糖核苷酸。初始和边界条件如式(8 - 10)[21]:

边界条件在r = r p表现出吸附等利眠宁的关系表面上被吸附物的树脂粒子,这是所描述的修改Helfferich 平衡模型含有离子交换和物理吸附(电中性条件下液相,5 核糖核苷酸离解方程,5 -核糖核苷酸在固体表面的吸附平衡关系方程可参考文献[14])。在求解过程中，以表面扩散系数为优化变量。通过调整优化变量使如下目标函数最小，得到表面扩散系数D s，如式(1 1)所示:

其中N为实验点总数，C b、exp和C cal分别为实验结果和计算结果。特别讨论了补充材料中Boyd模型、固定床膜-表面扩散模型、数值求解以及模型参数之间的关系。

三、结果与讨论

3.1树脂NH-1颗粒中5 -核糖核苷酸和Na 的传质

表1离子交换选择性、自由扩散系数和表面扩散系数为5 lsquo;-核糖核苷酸阳离子，zwitters和Na 。

K H a: 5 -核糖核苷酸阳离子和Na 相对于H 的离子交换选择性系数以及5 -核糖核苷酸双向离子的分配系数(所有K H a值均来自参考[14])

单组分吸附体系中AMP、CMP、GMP和Na 在NH-1树脂上的吸附动力学曲线如图1 (a)所示，Bt与t的关系为如图1 (b)所示。通过坐标原点的线性图表明，颗粒内扩散是AMP、CMP、GMP和Na 向树脂NH-1颗粒传质的限速步骤。一般情况下，与吸附剂颗粒的颗粒内传质阻力相比，外膜传质阻力的影响可以忽略不计[22-24]，这可能是由于搅拌速率高，外膜薄造成的。因此，本研究不考虑间歇实验中的外膜传质阻力。

图2为不同浓度的co离子(Clminus;)下5rsquo;-核糖核苷酸的吸附动力学曲线和反离子Na 的吸附动力学曲线。和图S1。作为一种凝胶型吸附剂，NH-1树脂具有较小的颗粒孔径，即使在溶胀条件下一般也小于2 nm。因此，我们采用HSDM，不考虑孔扩散和外膜传质阻力，模拟5rsquo;-核糖核苷酸和Na 的传质动力学。如图2所示，HSDM与5rsquo;-核糖核苷酸和Na 的吸附动力学数据吻合较好。表1给出了不同形态的5 -核糖核苷酸的表面扩散系数和离子交换选择性系数。Ac-根据Miyabe等人[25]的研究，强保留组分的表面扩散系数低于弱保留组分，这是因为它们与固定相的亲和力不同。5′-核糖核苷酸阳离子与NH-1的相互作用比两性离子与NH-1的相互作用更显著。因此，AMP 和CMP 的表面扩散系数分别低于AMPplusmn;和CMPplusmn;，这与表1得到的结果一致。固定相中的表面扩散系数与液相中分子的扩散系数成正比，与固液两相的吸附平衡常数[26]成反比。在这部作品中,表面扩散系数——Na 字母系数高于其他三个5′-核糖核苷酸阳离子(AMP , CMP 和GMP ),这是分配给贡献——从更高的Na 分子扩散系数和相似的吸附平衡常数[14]。AMP 的吸附平衡常数高于CMP 和GMP ，而这三种5 -核糖核苷酸的分子扩散系数相似。AMP 的表面扩散系数低于CMP 和GMP 。

利用HSDM预测不同初始浓度-下和Na 的吸附动力学曲线。绘制在图3,HSDM与单一表面扩散合作有效预测的动力学曲线有一个适合度不同初始浓度下,这表明表面——锡安系数5 5rsquo;-核糖核苷酸和Na 测试浓度范围内几乎没有影响。

在双组分和三组分吸附体系中，对NH-1树脂进行了5 -核糖核苷酸和Na 的吸附动力学实验，研究了其竞争性吸附。UMP在树脂NH- 1上吸附较差，且较其它3种5 -核糖核苷酸洗脱速度快。Na 与树脂NH-1紧密结合，洗脱速度低于5 -核糖核苷酸。因此，树脂NH-1对UMP和Na 的吸附速率在传质过程中不受其他三种5rsquo;-核糖核苷酸的影响。如图4所示，绘制了5rsquo;-核糖核苷酸双组份和三组份的HSDM吸附动力学数据和预测曲线。对单组分吸附系统中5rsquo;-核

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