生物分離工程-吸附和離子交換

1、第六章吸附分離技術(shù)和理第六章吸附分離技術(shù)和理論論概述概述l吸附現(xiàn)象吸附現(xiàn)象當氣體或液體與某些固體接觸時，氣體或液體的當氣體或液體與某些固體接觸時，氣體或液體的分子會分子會積聚在固體表面積聚在固體表面上，這種現(xiàn)象稱之為吸附上，這種現(xiàn)象稱之為吸附流體分子富集在固體表面，流體分子富集在固體表面，形成一吸附層形成一吸附層( (或稱吸附或稱吸附膜膜) )，而沒有向固體內(nèi)部滲，而沒有向固體內(nèi)部滲透透利用固體利用固體吸附劑吸附劑對液體或氣體中某一組分具有對液體或氣體中某一組分具有選擇選擇性吸附的能力性吸附的能力，使其富集在吸附劑表面，使其富集在吸附劑表面, ,以除去有害以除去有害成分或分離回收有用目標產(chǎn)物的

2、過程。成分或分離回收有用目標產(chǎn)物的過程。吸附操作吸附操作表面能發(fā)生吸附作用的表面能發(fā)生吸附作用的固體，一般為多孔微粒固體，一般為多孔微?；蚨嗫啄?，具有較大比或多孔膜，具有較大比表面積，也稱表面積，也稱吸附介質(zhì)吸附介質(zhì)吸附是一種固體表面現(xiàn)象吸附是一種固體表面現(xiàn)象，只有那些具有較大內(nèi)表面的只有那些具有較大內(nèi)表面的多孔性固體才具有吸附能力多孔性固體才具有吸附能力概述概述吸附劑對溶質(zhì)吸附劑對溶質(zhì)的吸附作用力的吸附作用力n吸附的類型吸附的類型吸附劑和吸附物通過吸附劑和吸附物通過分子力分子力產(chǎn)生的吸附產(chǎn)生的吸附吸附劑表面活性點與吸附物之間發(fā)生吸附劑表面活性點與吸附物之間發(fā)生化化學鍵合學鍵合, ,產(chǎn)生產(chǎn)生電

3、子轉(zhuǎn)移電子轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象的現(xiàn)象離子交換劑表面鍵合的離子基團通過離子交換劑表面鍵合的離子基團通過靜靜電引力電引力吸附帶相反電荷的離子吸附帶相反電荷的離子, ,發(fā)生電發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移荷轉(zhuǎn)移常見的各種吸附類型的主要特點常見的各種吸附類型的主要特點概述概述又稱范德華又稱范德華吸附，是一吸附，是一種種可逆可逆過程過程。 活化吸附，活化吸附，不可逆不可逆l物理吸附物理吸附 吸附量的多少取決于溶質(zhì)與吸附劑極性的相似性和溶吸附量的多少取決于溶質(zhì)與吸附劑極性的相似性和溶劑極性。劑極性。l離子交換吸附（簡稱離子交換，離子交換吸附（簡稱離子交換，Ion exchangeIon exchange） 基于基于離子交換原理離子交

4、換原理的吸附操作的吸附操作概述概述分離工程中的吸附操作分離工程中的吸附操作通過溶液中通過溶液中帶電的溶質(zhì)分子與離子交換劑帶電的溶質(zhì)分子與離子交換劑中可交中可交換的離子進行換的離子進行交換交換，利用其，利用其靜電作用力的差異靜電作用力的差異而而達到分離純化的方法。達到分離純化的方法。概述概述l離子交換法的基本概念離子交換法的基本概念l離子交換的特點離子交換的特點分辨率高、工作容量大且易于操作分辨率高、工作容量大且易于操作l原料液原料液脫色、除臭脫色、除臭l目標產(chǎn)物的目標產(chǎn)物的提取、濃縮和粗分離提取、濃縮和粗分離如蛋白質(zhì)、多肽、核酸及大部分發(fā)酵產(chǎn)物如蛋白質(zhì)、多肽、核酸及大部分發(fā)酵產(chǎn)物分離純化，在生

5、化分離中分離純化，在生化分離中約有約有75%75%的工藝采的工藝采用離子交換法用離子交換法概述吸附分離技術(shù)在生物分離中的應用吸附分離技術(shù)在生物分離中的應用常用于常用于從稀溶液中將溶質(zhì)分離從稀溶液中將溶質(zhì)分離出來，由于受固體吸出來，由于受固體吸附劑的限制，處理能力較??；附劑的限制，處理能力較??；對溶質(zhì)的作用較小，這一點在對溶質(zhì)的作用較小，這一點在蛋白質(zhì)分離蛋白質(zhì)分離中特別重中特別重要；要；可直接從發(fā)酵液中分離所需產(chǎn)物，成為發(fā)酵與分離可直接從發(fā)酵液中分離所需產(chǎn)物，成為發(fā)酵與分離的的耦合耦合過程，從而消除產(chǎn)物抑制過程，從而消除產(chǎn)物抑制；吸附法的特點：吸附法的特點：概述概述優(yōu)點優(yōu)點： 有機溶劑摻入少有

6、機溶劑摻入少 操作簡便，安全，設備簡單操作簡便，安全，設備簡單 適于穩(wěn)定性差的物質(zhì)適于穩(wěn)定性差的物質(zhì)缺點缺點： 吸附選擇性差吸附選擇性差 收率低收率低 無機吸附劑性能不穩(wěn)定無機吸附劑性能不穩(wěn)定吸附法的特點：吸附法的特點：概述概述第一節(jié)吸附分離介質(zhì)第一節(jié)吸附分離介質(zhì)多孔型多孔型凝膠型凝膠型孔道結(jié)構(gòu)孔道結(jié)構(gòu)吸附劑吸附劑吸附劑的分類吸附劑的分類一、吸附劑一、吸附劑多孔吸附劑多孔吸附劑 活性炭活性炭 硅膠硅膠 大網(wǎng)格聚合物類吸附劑大網(wǎng)格聚合物類吸附劑l特點特點：非極性吸附劑，吸附能力強，易吸附非極性或：非極性吸附劑，吸附能力強，易吸附非極性或極性小的有機物，在水中吸附能力大于有機溶劑極性小的有機物，在

7、水中吸附能力大于有機溶劑l形式形式：粉末活性炭和顆?；钚蕴浚悍勰┗钚蕴亢皖w?；钚蕴縧應用應用：助濾、：助濾、脫色、去熱源、除臭脫色、去熱源、除臭 活性炭經(jīng)典吸附劑活性炭經(jīng)典吸附劑活性炭對物質(zhì)的吸附規(guī)律活性炭對物質(zhì)的吸附規(guī)律（1)1)活性炭對不同吸附物的吸附力大小情況：活性炭對不同吸附物的吸附力大小情況： 碳鏈長的脂肪酸碳鏈長的脂肪酸 碳鏈短的脂肪酸碳鏈短的脂肪酸 ; ; 多糖多糖 單糖單糖; ; 多肽多肽 氨氨基酸基酸; ; 芳香族化合物芳香族化合物 脂肪族化合物脂肪族化合物 對相對分子量大的化合物對相對分子量大的化合物 相對分子量小的化合物相對分子量小的化合物（2 2）pH pH 值的影響值

8、的影響 在酸性溶液中吸附能力大在酸性溶液中吸附能力大,PH6.8 ,PH6.8 吸附吸附能力較差能力較差 （3 3）溫度）溫度 低溫吸附時低溫吸附時, ,未達吸附平衡前未達吸附平衡前 吸附量隨溫度升高而增加吸附量隨溫度升高而增加l具有多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu), ,極性吸附劑極性吸附劑，可吸附非極，可吸附非極性和極性化合物性和極性化合物 l化學惰性，具有較大的吸附量，化學惰性，具有較大的吸附量，易制備不同類易制備不同類型的多孔硅膠型的多孔硅膠l活性與含水量有關(guān)活性與含水量有關(guān): :含水量低，活性強；反之，含水量低，活性強；反之，弱；使用前需活化弱；使用前需活化l具有微酸性，適用于分離酸性和中

9、性物質(zhì)具有微酸性，適用于分離酸性和中性物質(zhì), ,用用于芳香油于芳香油, ,萜類萜類, ,脂肪類脂肪類, ,氨基酸等的分離氨基酸等的分離 硅膠硅膠l種類：種類：多孔性聚苯乙烯多孔性聚苯乙烯和和多孔性聚酯多孔性聚酯樹脂樹脂l特點：機械強度高，選擇性好，使用壽命長，吸附質(zhì)特點：機械強度高，選擇性好，使用壽命長，吸附質(zhì)易脫附，流體阻力小，解析、再生容易易脫附，流體阻力小，解析、再生容易l應用應用: :抗生素抗生素( (如頭孢菌素等如頭孢菌素等) )和維生素和維生素B B1212等的分離濃等的分離濃縮過程?？s過程。大網(wǎng)格聚合物類吸附劑大網(wǎng)格聚合物類吸附劑（大孔網(wǎng)狀吸附樹脂）（大孔網(wǎng)狀吸附樹脂）硅藻土顆粒

10、吸附劑硅藻土顆粒吸附劑氧化鋁氧化鋁硅藻土礦硅藻土礦大孔網(wǎng)狀吸附樹脂的分類大孔網(wǎng)狀吸附樹脂的分類非極性吸附樹脂非極性吸附樹脂：苯乙烯交聯(lián)而成，交聯(lián)劑為：苯乙烯交聯(lián)而成，交聯(lián)劑為二乙烯苯，又稱二乙烯苯，又稱芳香族吸附劑芳香族吸附劑。中等極性吸附樹脂中等極性吸附樹脂：甲基丙烯酸酯交聯(lián)而成，：甲基丙烯酸酯交聯(lián)而成，交聯(lián)劑亦為甲基丙烯酸酯，故又稱交聯(lián)劑亦為甲基丙烯酸酯，故又稱脂肪族吸附脂肪族吸附劑。劑。極性吸附樹脂極性吸附樹脂：丙烯酰胺或亞砜經(jīng)聚合而成，：丙烯酰胺或亞砜經(jīng)聚合而成，通常含有硫氧、酰胺、氮氧等基團。通常含有硫氧、酰胺、氮氧等基團。（1 1） 非極性吸附劑從極性溶劑中吸附非極性物質(zhì)非極性吸附

11、劑從極性溶劑中吸附非極性物質(zhì)（2 2） 高極性吸附劑從非極性溶劑中吸附極性物質(zhì)高極性吸附劑從非極性溶劑中吸附極性物質(zhì)（3 3） 中等極性吸附劑對兩種情況均有吸附能力中等極性吸附劑對兩種情況均有吸附能力（4 4） 水溶液中，同族化合物分子量大，極性弱易吸附水溶液中，同族化合物分子量大，極性弱易吸附（5 5） 無機鹽促進吸附無機鹽促進吸附大孔吸附樹脂吸附規(guī)律大孔吸附樹脂吸附規(guī)律大孔吸附樹脂解吸規(guī)律大孔吸附樹脂解吸規(guī)律（1) 1) 低級醇，酮或其水溶液（低級醇，酮或其水溶液（a a 溶脹聚合物，溶脹聚合物，b b 溶解吸附溶解吸附物，減弱溶質(zhì)與吸附劑間作用力）物，減弱溶質(zhì)與吸附劑間作用力）（2 2）

12、弱酸性物質(zhì)用堿解吸（成鹽）弱酸性物質(zhì)用堿解吸（成鹽）（3 3）弱堿性物用酸解吸（成鹽）弱堿性物用酸解吸（成鹽）（4 4）高鹽吸附時用水解吸（降低離子強度，降低吸附量）高鹽吸附時用水解吸（降低離子強度，降低吸附量）（5 5）易揮發(fā)溶質(zhì)用熱水或蒸汽解吸）易揮發(fā)溶質(zhì)用熱水或蒸汽解吸大孔吸附樹脂的應用大孔吸附樹脂的應用抗生素分離純化（再生容易、產(chǎn)品灰分少）抗生素分離純化（再生容易、產(chǎn)品灰分少） 內(nèi)酰胺類、大環(huán)內(nèi)酯類、氨基糖貳類、肽類、內(nèi)酰胺類、大環(huán)內(nèi)酯類、氨基糖貳類、肽類、博萊霉素類、含氮雜環(huán)類及其他新抗生素博萊霉素類、含氮雜環(huán)類及其他新抗生素維生素的提取純化維生素的提取純化 VBVB1212，VBV

13、B2 2，VC VC 天然產(chǎn)物的分離天然產(chǎn)物的分離 生物堿，黃酮，多糖，苷類生物堿，黃酮，多糖，苷類 生化藥物生化藥物 酶、氨基酸、蛋白質(zhì)、肽，甾體酶、氨基酸、蛋白質(zhì)、肽，甾體l多孔性纖維素、瓊脂糖凝膠、葡聚糖凝多孔性纖維素、瓊脂糖凝膠、葡聚糖凝膠、聚丙烯酰胺凝膠膠、聚丙烯酰胺凝膠 （詳見（詳見 chapter 7)chapter 7) 凝膠型吸附劑凝膠型吸附劑l（）孔徑（）孔徑適當?shù)目讖接欣谌苜|(zhì)在孔隙中的擴散，提高吸適當?shù)目讖接欣谌苜|(zhì)在孔隙中的擴散，提高吸附容量和吸附操作速度附容量和吸附操作速度l（）比表面積（）比表面積：每克吸附劑所具有的表面積：每克吸附劑所具有的表面積孔徑越大，比表面

14、積越小?？讖皆酱?，比表面積越小。比表面積越大，吸附量越大，反之，越小。比表面積越大，吸附量越大，反之，越小。增加比表面積的方法：增加比表面積的方法：a.a.粉碎成小顆粒粉碎成小顆粒 b.b.吸附吸附劑的活化劑的活化 吸附劑性能的評價吸附劑性能的評價l對被分離的物質(zhì)具有較強的吸附能力對被分離的物質(zhì)具有較強的吸附能力l有較高的吸附選擇性有較高的吸附選擇性l機械強度高機械強度高l再生容易、性能穩(wěn)定再生容易、性能穩(wěn)定l價格低廉。價格低廉。優(yōu)良的吸附劑通常應具備以下特征優(yōu)良的吸附劑通常應具備以下特征影響吸附過程的因素影響吸附過程的因素（1 1）吸附劑的特性）吸附劑的特性（比表面積、粒度、極性大小、活化條

15、（比表面積、粒度、極性大小、活化條件）件）（2 2）吸附物的性質(zhì)）吸附物的性質(zhì)（極性大小、分子量）（極性大小、分子量）（3 3）吸附的條件）吸附的條件 pHpH（對蛋白等兩性物質(zhì)在（對蛋白等兩性物質(zhì)在PIPI附近吸附量最大）附近吸附量最大） 溫度（對蛋白分子，一般認為溫度（對蛋白分子，一般認為TT吸附量吸附量，考慮到穩(wěn)定，考慮到穩(wěn)定性性, ,通常在通常在0or0or室溫操作）室溫操作） 鹽濃度（影響復雜，阻止鹽濃度（影響復雜，阻止oror促進吸附）促進吸附）（4 4）吸附物濃度與吸附劑用量）吸附物濃度與吸附劑用量（吸附物濃度（吸附物濃度，吸附量，吸附量，吸附法純化蛋白時，要求濃度吸附法純化蛋白

16、時，要求濃度1%,(吸附劑最小流化吸附劑最小流化速率速率) )流入時，流入時，吸附劑床層膨脹，吸附劑床層膨脹，調(diào)節(jié)器上升調(diào)節(jié)器上升膨脹床膨脹床 綜合固定床和流化床優(yōu)點，使吸附綜合固定床和流化床優(yōu)點，使吸附顆粒按自身的物理性質(zhì)相對穩(wěn)定地處在床顆粒按自身的物理性質(zhì)相對穩(wěn)定地處在床層中的一定層次上實現(xiàn)穩(wěn)定分級，而流體層中的一定層次上實現(xiàn)穩(wěn)定分級，而流體保持以平推流的形式流過床層，同時吸附保持以平推流的形式流過床層，同時吸附顆粒間有較大的空隙，使料液中的固體顆顆粒間有較大的空隙，使料液中的固體顆粒能順利通過床層。粒能順利通過床層。膨脹床中吸附劑粒子的混合程度低，膨脹床中吸附劑粒子的混合程度低，吸附吸附

17、效率高效率高 膨脹床中液體流動接近平推流，膨脹床中液體流動接近平推流，吸附效率吸附效率高高膨脹床吸附操作的優(yōu)點膨脹床吸附操作的優(yōu)點 與流化床相比與流化床相比, ,液固相液固相反混程度較低反混程度較低, ,吸附效率吸附效率較高較高與固定床相比與固定床相比, ,床層空隙率高床層空隙率高, ,可使菌體細胞或可使菌體細胞或細胞碎片自由通過細胞碎片自由通過. .可直接處理菌體發(fā)酵液或細可直接處理菌體發(fā)酵液或細胞勻漿液胞勻漿液. .膨脹床吸附操作集膨脹床吸附操作集料液澄清料液澄清，目標產(chǎn)物濃縮目標產(chǎn)物濃縮和和分離分離純化純化為一體為一體，可節(jié)省離心或過濾等預處理過程，提，可節(jié)省離心或過濾等預處理過程，提高

18、目標產(chǎn)物收率，降低分離純化過程成本高目標產(chǎn)物收率，降低分離純化過程成本。定義：吸附操作中定義：吸附操作中固相可連續(xù)固相可連續(xù)輸入和排出吸附塔輸入和排出吸附塔，與料液形，與料液形成逆流接觸流動，可實現(xiàn)成逆流接觸流動，可實現(xiàn)連續(xù)連續(xù)穩(wěn)態(tài)的吸附操作穩(wěn)態(tài)的吸附操作。缺點：吸附劑的磨損缺點：吸附劑的磨損;固相出口固相出口易堵塞，固相的移動操作有一易堵塞，固相的移動操作有一定難度定難度 第七節(jié)第七節(jié) 移動床和模擬移動床吸附移動床和模擬移動床吸附1.1.移動床移動床(moving bed)(moving bed)2.模擬移動床（模擬移動床（simulated moving bed, SMB）固相本身不移動而通過移動固相本身不移動而通過移動切換液相（料液和洗脫液）切換液相（料液和洗脫液）的入口和出口的入口和出口產(chǎn)生移動床的產(chǎn)生移動床的分離效果，使分離效果，使液固逆流接觸液固逆流接觸的吸附分離方法稱為模擬移的吸附分離方法稱為模擬移動床吸附動床吸附基于模擬移基于模擬移動