生物制藥(工藝)學(xué)課件：第八章離子交換法

1、 第八章 離子交換法 （Ion-exchange） 第一節(jié) 離子交換的基本原理概念：利用離子交換劑與溶液中的離子間所發(fā)生的交換反應(yīng)進(jìn)行分離的方法。原理：它是利用溶液中各種帶電粒子與離子交換劑之間結(jié)合力的差異進(jìn)行物質(zhì)分離的操作方法。作用力：帶電粒子與離子交換劑之間的作用力-靜電力，結(jié)合是可逆的，即在一定條件下能夠結(jié)合，條件改變后也可被釋放出來。離子交換劑指具有離子交換性能的一類高分子化合物。常見的離子交換劑有： 離子交換樹脂 離子交換纖維素 葡聚糖凝膠離子交換劑第二節(jié) 離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)與分類惰性的不溶性高分子固定骨架載體與載體以共價鍵連接的不能移動的活性基團功能基團與功能基團以離子鍵連接的可移

2、動的活性離子平衡離子結(jié)構(gòu)圖中以波形線條代表樹脂的骨架，活性基團 磺酸基（SO3-）,活性離子H+。聚苯乙烯型磺酸基陽離子交換樹脂樹脂的網(wǎng)絡(luò)骨架 離子交換現(xiàn)象可用下面的方程式表示： R -X + + Y+ R - Y + + X + R- -表示陽離子交換劑的功能基團和載體； Y +-表示交換離子；X + -表示平衡離子 平衡離子帶正電荷的為陽離子交換樹脂平衡離子帶負(fù)電荷的為陰離子交換樹脂離子交換樹脂三維空間立體結(jié)構(gòu)離子交換樹脂離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)帶有活性基團的網(wǎng)狀高分子聚合物骨架活性基團酚醛樹脂聚乙烯樹脂交聯(lián)劑酸性基團堿性基團SO3HCOOHN+R3OH-NR2Ion exchange resi

3、ns特殊基團分類按活性基團分類，可分為:陽離子交換樹脂(cation exchange)（含酸性基團）陰離子交換樹脂(anion exchange)（含堿性基團）。具體又可以分為：強陽、弱陽 強陰、弱陰常用的離子交換樹脂強酸性陽離子交換樹脂：活性基團是-SO3H（磺酸基）和-CH2SO3H（次甲基磺酸基）；弱酸性陽離子交換樹脂：活性基團有-COOH, -OCH2COOH, C6H5OH等弱酸性基團；強堿性陰離子交換樹脂：活性基團為季銨基團，如三甲胺基或二甲基-羥基乙基胺基；弱堿性陰離子交換樹脂：活性基團為伯胺或仲胺，堿性較弱。離子交換樹脂的分類依據(jù)活性基團分類陽離子交換樹脂陰離子交換樹脂螯合樹

4、脂兩性交換樹脂強酸型弱酸型交換基為酸性，H+與陽離子交換SO3HCOOHOHpH 2pH 6使用 pH 范圍pH 10交換基為堿性，陰離子發(fā)生交換強堿型弱堿型N+(CH3)3Cl-N+H3 OH-N+H2R OH-N+HR2 OH-pH 12pH 6的溶液中操作，R-OH應(yīng)在9的溶液中操作）。這類樹脂也是用酸進(jìn)行再生。交換基是堿性基團，能交換陰離子的樹脂。2、陰離子交換樹脂（1）強堿性陰離子交換樹脂具有強堿性的活潑基團：-CH2N(CH3)3+Cl -特性淡黃色的球狀顆粒；對強酸根和弱酸根都能交換；對酸堿氧化劑及某些有機溶劑都比較穩(wěn)定；在酸性、堿性溶液中都能使用，交換容量不受溶液中pH值影響。

5、再生一般用強堿（如NaOH）進(jìn)行。R-NR3OHR-NR3+ OH反應(yīng)簡式為：（2）弱堿性陰離子交換樹脂具有弱堿性的活潑基團：-CH2NH3+Cl - -CH2NH2(CH3)+Cl - -CH2NH(CH3)2+Cl -此類樹脂的交換能力受酸度的影響較大。大孔弱堿性苯乙烯型陰離子交換樹脂 用Na2CO3、NH4OH等進(jìn)行再生。3、特殊的離子交換樹脂螯合樹脂 具有高選擇性的離子交換樹脂選擇性好，可用于陰、陽離子的分離。特點：高選擇性和高穩(wěn)定性。 穩(wěn)定性: 是由于它與金屬離子形成了內(nèi)絡(luò)鹽的緣故。 選擇性: 主要決定于樹脂中螯合基的結(jié)構(gòu)。分類：螯合樹脂按其含有的官能團區(qū)分，大致分為亞氨二乙酸型樹脂

6、，偶氮、偶氮胂、8-羥基喹啉類樹脂、水楊酸樹脂、葡萄糖型樹脂等。離子交換樹脂的實際交換能力受自身解離情況的影響。強酸型陽離子交換樹脂的交換能力幾乎不受環(huán)境pH的影響。它在很寬的pH范圍內(nèi)都保持良好的交換能力。不論在酸性、中性范圍內(nèi)它都能較好地解離。弱酸型陽離子交換樹脂在酸性環(huán)境中的解離度受到抑制，故交換能力差，只有在堿性或中性環(huán)境中有較好的交換能力。命名 根據(jù)1958年化工部擬定的離子交換樹脂命名法草案，各類樹脂命名編號如下： 強酸類陽離子 1-100 弱酸類陰離子 101-200 強堿類陰離子 201-300 弱堿類陰離子 301-400 中強酸類 401-500命名 1997年我國石化部頒

7、布了新的規(guī)范化命名法。離子交換樹脂的型號由三位阿拉伯?dāng)?shù)字組成。交聯(lián)度：是合成載體骨架時交聯(lián)劑重量的百分?jǐn)?shù)，用“”將樹脂編號與交聯(lián)度分開。弱酸101 4其交聯(lián)度為4。國內(nèi)常用樹脂命名：724；732；717國內(nèi)外離子交換樹脂相應(yīng)牌號對照704 = 3112717 = 2017732 = 0017711 = 2014703 = D311HD42 = 001Amberlite IR系列Zerolit 系列 神膠系列離子交換樹脂的骨架（載體） 活性功能團的支持介質(zhì)1、苯乙烯型樹脂： 由苯乙烯（單體）和二乙烯苯（交聯(lián)劑）的共聚物為骨架，再引入所需的酸性基或堿性基。 如：聚苯乙烯磺酸型陽離子交換樹脂 再引

8、入磺化-強酸樹脂 或氯甲基化后引入季胺基-強堿樹脂 R-SO3H + M+ = R-SO3M + H+312、丙烯酸型陽離子交換樹脂 將丙烯酸甲酯與二乙烯苯以過氧化苯甲酰作為引發(fā)劑，聚合后再水解即得到樹脂。 特點：活性基因存在于單體，交換容量大。110樹脂：丙烯酸甲酯與二乙烯苯聚合而成。724樹脂：它是由甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯和二乙烯苯三元共聚而得 。3、環(huán)氧氯丙烷樹脂 是很強的縮聚劑，能和叔胺基結(jié)合，形成強堿性季胺基團。將其滴加到多乙烯胺中，形成樹脂漿弱堿性樹脂。4、蛇籠樹脂 由丙烯酸或甲基丙烯酸在季銨型陰離子交換樹脂中聚合而成的一類樹脂。由于樹脂中的羧基(C00)和季銨基N（CH3)3

9、是等摩爾的，故樹脂在反應(yīng)上是中性的。這類樹脂可用于生物化學(xué)中的脫鹽。5、選擇性離子交換樹脂 是利用某些特殊的有機化合物可與某些金屬離子起選擇性反應(yīng)的原理而制得。螯形樹脂吸附樹脂電子交換樹脂（氧化還原樹脂）常用離子交換樹脂特性表 36第三節(jié) 離子交換動力學(xué) 離子交換平衡 樹脂吸附離子，主要靠靜電力。將含陽離子A+的交換樹脂RA+浸入到含陽離子B+的溶液中，交換反應(yīng)為：RA+ + B+ RB+ + A+KB/A1說明什么？KB/A1樹脂對B+的親和力比A+大，B+能比較牢固地結(jié)合在樹脂上KB/A1樹脂對B+的親和力比A+小影響親和力的因素 水合離子的半徑越小，電荷越高，離子的極化程度越大，其親和力

10、也越大。一、離子交換平衡 R代表離子交換樹脂，Z1及Z2分別為離子A1和A2的價電數(shù)。 表示溶液中與樹脂表面的兩種離子。 39尼科爾斯基方程式用m1、m2及C1、C2分別代表樹脂上和溶液中的兩種離子的濃度。數(shù)量關(guān)系可表示: 尼科爾斯基方程式K1時 離子A1比離子A2對樹脂有較大的吸引力 離子交換速度RB+ + A+ RA+ + B+離子交換過程：1、A+從溶液擴散到樹脂表面。2、A+從樹脂顆粒表面擴散到顆粒中心。3、平衡離子A+ 與離子B+交換。4、B+從交換中心擴散到離子表面。5、B+ 再擴散到溶液中。粒子擴散速度： 顆?？讖健?顆粒半徑、 樹脂交換容量、 離子A+的半徑與電荷、 平衡離子的

11、性質(zhì)（電荷、半徑）。42離子交換過程A+自溶液中擴散到樹脂表面（膜擴散）A+從樹脂表面進(jìn)入樹脂內(nèi)部的活性中心（粒子擴散）離子A+與平衡離子B+在活性中心上發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)解吸附離子B+自樹脂內(nèi)部擴散至樹脂表面B+離子從樹脂表面擴散到溶液中交換速度的控制步驟是擴散速度，不同的分離體系可能由內(nèi)部擴散或外部擴散控制離子交換速度的影響因素樹脂粒度：粒度大交換速度慢。攪拌速度：一定程度上與交換速度呈正相關(guān)。交聯(lián)度：交聯(lián)度大則樹脂孔徑小，交換速度低。離子半徑和離子價：離子水合半徑增大，交換速度下降。溫度：溫度越高，交換速度也加快。離子濃度：交換體系如是稀溶液，交換速度隨離子濃度的上升而加快。當(dāng)達(dá)到一定濃度后

12、，交換速度不再隨濃度上升。離子交換動力學(xué)交換離子被吸附，平衡離子被釋放。交換帶：交換離子A1由于被樹脂吸附，其濃度從起始濃度Co逐漸下降到0，而平衡離子A2由于逐漸被釋放，則濃度由0上升到Co。交換帶窄：K1 ；A1濃度??；流速慢。 第四節(jié) 離子交換樹脂性能離子交換對樹脂的基本要求： 1、交換容量大，選擇性好 2、生物惰性，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定 3、化學(xué)動力學(xué)性能好 4、物理性能好影響性能的幾個因素： 1、 功能團的數(shù)目和種類 2 、樹脂交聯(lián)度 3 、樹脂骨架和平衡離子 交聯(lián)度 指樹脂的交聯(lián)程度，通常用加入樹脂中交聯(lián)劑的百分含量表示。樹脂的交聯(lián)度一般在414%之間。例如：國產(chǎn)強酸型樹脂112，表示是強

13、酸型樹脂，編號1，交聯(lián)度12%。離子交換樹脂的性能參數(shù)操作交換容量：單位體積濕樹脂或單位重量干樹脂中，實際參加反應(yīng)的活性基團的總數(shù)。單位：mmol/mL、mmol/g允許pH范圍和允許溫度范圍：查相關(guān)手冊！注意：它是常數(shù)，不代表真實交換能力。交換容量 總交換容量：單位體積濕樹脂或單位重量干樹脂中，所有交換基團的總數(shù)。 含水量 定義：樹脂顆粒在水中吸收水分達(dá)到平衡后用離心法在規(guī)定轉(zhuǎn)速和時間內(nèi)除去外部水分，得到含平衡水的濕樹脂，然后105oC烘干，比較烘干前后的重量，即得到平衡含量占濕樹脂的重量百分?jǐn)?shù)，這就是含水量。 含水量的大小取決于親水基團的多少及樹脂孔隙的大小。對凝膠型樹脂，交聯(lián)度對含水量的

14、影響比較大。密度真體積V真 質(zhì)量為w1的含有平衡水的濕樹脂加到水中，觀察排開水的量，即得到樹脂的真體積V真。視體積V視 將含平衡水的樹脂裝入量筒，敲擊振動使體積達(dá)極小，得樹脂空間體積，即為視體積V視。濕視密度d視：樹脂的濕視密度d視=w1/ V視 濕真密度： d視=w1/ V真 膨脹度及機械性能 干燥的樹脂接觸溶劑后的體積變化稱為絕對膨脹度；濕樹脂從一種離子型態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N離子形態(tài)時的體積變化稱為相對膨脹度。 樹脂膨脹與下列因素有關(guān)：（1）可交換基因性質(zhì)，易電離，水合程度高則膨脹程度高。（2）骨架，尤其與交聯(lián)度，孔徑有關(guān) 。（3）外部溶液性質(zhì)。機械性能：即保持樹脂顆粒完整的能力。交換容量及化學(xué)

15、穩(wěn)定性定義：每克干樹脂能交換離子的物質(zhì)的量，以mmol（毫摩爾）為單位。 總交換容量或稱全交換容量、極限交換容量、最大交換容量。它是由樹脂中功能基含量所決定的。交換容量應(yīng)注明樹脂的離子形態(tài)。如RSO3H，交換容量為5.2mmol/g（干樹脂），轉(zhuǎn)化成Na型即RSO3Na，交換容量為4.67mmol/g（干樹脂） 第五節(jié) 離子交換的選擇性離子的化合價和水合半徑的影響 溶液中的某一離子能否于樹脂上的平衡離子進(jìn)行交換主要取決于這兩種離子與樹脂的相對親和力和相對濃度。 一般而言：電荷效應(yīng)越強的離子與樹脂的親和力越大，而決定電荷效應(yīng)的主要因素是價電數(shù)和離子半徑。 1 、半徑相似，優(yōu)先吸附多價離子 2 、

16、同價離子，優(yōu)先吸附原子序數(shù)大的 水合離子的半徑越小，電荷越高，離子的極化程度越大，其親和力也越大。示例：Li+，Na+，K+的水合離子的電荷數(shù)目相同，但它們水合離子半徑依次減小，樹脂對它們親和力依次增強。 eg：一價陽離子親和力的次序： Li + Na + K + =NH4 + Ag + 對弱堿性樹脂：OH -親和力最強 對弱酸性樹脂： H +親和力最強 離子交換樹脂的親和力強酸型陽離子交換樹脂 a. 不同價態(tài)離子，電荷越高，親和力越大。 例如： Na+Ca2+Al3+Thb. 當(dāng)離子價態(tài)相同時親和力隨著水合離子半徑減小而增大。 例如： Li + H + Na + NH4+K + Rb + C

17、s + Ag + Tl+ c. 二價離子的親和力順序：例如：UO22+Mg2+Zn2+Co2+Cu2+Cd2+Ni2+Ca2+Sr2+Pb2+Ba2+ 弱酸型陽離子交換樹脂 H+的親和力比其它陽離子大，但其他陽離子的親和力與強酸型陽離子相似。 強堿型型陰離子交換樹脂：FOHCH3COOHCOOClNO2 CNBrHSO4ICrO4SO4檸檬酸根離子弱堿型陰離子交換樹脂：FClBrICH3COOMoO42PO43 AsO43NO3酒石酸根離子CrO42SO42OH離子價與離子濃度的影響 鈉離子存在時，溶液稀釋對酚醛樹脂吸附鏈霉素的影響溶液中離子濃度 meq/ml 鏈霉素吸附量meq/g 鏈霉素

18、鈉 0.00517 1.500 0.265 0.00258 0.750 0.800 0.00103 0.300 1.93 0.00052 0.150 2.76稀溶液中，樹脂吸附高價離子的傾向很大。 交換環(huán)境的影響： 1、溶液PH： 決定樹脂交換基團及交換離子的解離程度。 a.對弱樹脂的影響大 b.Pr等大分子的交換多采用弱樹脂 2、離子強度 離子濃度高，交換容量下降； 吸附選擇性下降，交換速度下降。 3、有機溶劑 降低樹脂對有機離子的吸附能力，傾向吸附無機離子。 樹脂結(jié)構(gòu)的影響 1、樹脂載體交聯(lián)度： 膨脹度：由于介質(zhì)條件不同而引起的體積變化。 交聯(lián)度 膨脹度 彈性 交換能級差 選擇性； 2、輔

19、助力 存在于交換離子是有機離子的情況下。 無機離子 交換常數(shù)K： 1-10 有機離子 K：102-103 包括 ：氫鍵、范氏力 芳香族化合物的吸附力：含萘環(huán)的樹脂含苯環(huán)的樹脂脂鏈樹脂 3、功能基團的特殊親和力 eg：羧基對Ca2+、Cu2+、Ni2+有特殊親和力偶極離子排斥作用 正、負(fù)電中心不重疊，遂成偶極 eg： RSO3-Na+H3+NRCOO- RSO3-H3+NRCOO-+Na+ 第六節(jié) 離子交換操作方法一、 樹脂的選擇： 1、帶正電荷的堿性物質(zhì) 陽離子樹脂 帶負(fù)電荷的酸性物質(zhì) 陰離子樹脂 2、強堿性和強酸性物質(zhì) 弱堿或弱酸性樹脂 弱堿性和弱酸性物質(zhì) 強堿或強酸性樹脂 對aa: 強酸樹

20、脂，保證足夠的結(jié)合力，便于分步洗脫； Pr E等大分子： 弱酸或弱堿樹脂，以減少變性，利于洗脫，提高選擇性。 樹脂： 要求：孔徑適宜：粒 度： 柱層析 0.3-0.5mm 工 業(yè) 0.3-1.2mm機械性能： 陽陰；苯乙烯 酚醛； Cl型O型 型型；酸性介質(zhì)堿性介質(zhì)；大孔凝膠 二、樹脂的處理，再生（一）預(yù)處理：、先物理處理：去雜、過篩、浮選；水洗去雜（木屑，泥沙）溶劑浸泡（去除吸附的少量有機物）、后化學(xué)處理：eg：以陽離子性樹脂為例 （1）8倍，1M 鹽酸攪拌浸泡，水洗到中性- 酸處理 （2）8倍，1M NaOH攪拌浸泡，水洗到中性-堿處理 （3）8倍，1M 鹽酸攪拌浸泡，水洗到中性-轉(zhuǎn)型 強

21、酸性陽樹脂，氫型：酸-堿-酸處理 鈉型：堿-酸-堿處理 陰離子交換樹脂，最后用NaOH 液處理-羥型 HCl 液處理-氯型 轉(zhuǎn)型完畢，用緩沖液平衡 （二）樹脂的再生： 1、去雜：大量水沖洗，去除樹脂表面和孔隙內(nèi)雜質(zhì)。 2、酸堿處理：除去與官能團結(jié)合的雜質(zhì)?；謴?fù)靜電吸附能力。 3、轉(zhuǎn)型：即樹脂去雜后，賦予平衡離子的過程。 “毒化”：樹脂失去交換性能后，不能以一般的再生手段重獲交換能力的現(xiàn)象。 毒化原理：堵塞孔隙，活性基團脫落，生成不可逆鹽 解毒：常法用酸、堿浸泡，或用有機溶劑浸泡，酶處理三、基本操作方法1離子交換操作的方式靜態(tài)交換：是將樹脂與交換溶液混合置于一定的容器中攪拌進(jìn)行。靜態(tài)交換操作方法

22、簡單、設(shè)備要求低，需分批進(jìn)行，交換不完全，不適宜多種成分的分離，樹脂有一定損耗。工業(yè)上（間歇式工藝） ：交換罐。實驗室中： 燒杯。動態(tài)交換：操作是先將樹脂裝柱，交換溶液以平流方式通過柱床進(jìn)行交換。該法不須攪拌、交換完全、操作連續(xù)，吸附與洗脫可在柱床的不同部位同時進(jìn)行，適用于多組分離。工業(yè)上（連續(xù)交換工藝、柱交換工藝） ：離子交換器實驗室中：交換柱或滴定管2洗脫方式“洗脫”離子交換完成后將樹脂所吸附的物質(zhì)釋放出來重新轉(zhuǎn)入溶液的過程。洗脫亦分靜態(tài)與動態(tài)兩種。一般動態(tài)交換也作動態(tài)洗脫，靜態(tài)交換也作靜態(tài)洗脫。洗脫液有酸、堿、鹽等。酸、堿洗脫液旨在改變吸附物的電荷或改變樹脂活性基團的解離狀態(tài)，以消除靜電

23、結(jié)合力，使目的物被釋放出來。鹽類洗脫液是通過高濃度的帶同種荷的離子與目的物競爭樹脂上的活性基團，使吸附物游離。實際工作中，靜態(tài)洗脫可多次反復(fù)進(jìn)行，旨在提高目的物收率。動態(tài)洗脫在層析柱上進(jìn)行。洗脫液的pH和離子強度可以保持不變，也可以按分離要求人為地分階段改變其pH或離子強度，即“階段洗脫”，常用于多組分分離。洗脫液的改變也可以通過儀器(如梯度混合儀)來完成，使洗脫條件的改變連續(xù)化，其洗效果優(yōu)于階段洗脫。這種連續(xù)“梯度洗脫”特別適用于分辨率高的分析。 離子交換車間 +-anion exchange beadEquilibration平衡陰離子交換樹脂Sample applicationand w

24、ash-+-Elution-+-洗脫Regeneration-+再生Sampleapplicationand washElutionEquilibrationRegeneration-+- 第五節(jié) 新型離子交換劑大孔型離子交換樹脂（大網(wǎng)格離子交換樹脂） 具有和大孔吸附劑相同的骨架結(jié)構(gòu)。制備時先在聚合物原料中加進(jìn)致孔劑（不參加反應(yīng)），聚合物形成后再將致孔劑除去。這樣便可在樹脂內(nèi)部形成大的空隙，得到大孔離子交換樹脂。 常用的致孔劑有：高級醇類有機物大孔型離子交換樹脂的特征：載體骨架交聯(lián)度高，有較好的化學(xué)和物理穩(wěn)定性及機械強度；孔徑大，且為永久性孔隙?？稍诜撬苊浵率褂?；抗污染能力強，交換速度快；表

25、面積大，表面吸附能力強，對大分子物質(zhì)的交換容量大；孔隙率徑大、比重小，對小離子的體積交換量比凝膠樹脂小。均孔型離子交換樹脂屬凝膠型陰離子交換樹脂。骨架交聯(lián)度比較均勻?？讖酱笮∫恢?。重量和體積交換容量都較高。膨脹度、相對密度適中、機械強度好?？刮廴竞驮偕芰姟?均均多糖基離子交換樹脂 固相載體為多糖類物質(zhì)，親水性強、交換空間大、對生物大分子無致變性作用。主要的多糖基離子交換樹脂離子交換纖維素 樹脂骨架為纖維素，根據(jù)活性基團的性質(zhì)可分為陽離子交換纖維素和陰離子交換纖維素兩類。 特點： 骨架松散、親水性強、表面積大、交換容量大、吸附力弱、交換和洗脫條件溫和、分辨率高常用的離子交換纖維素有： 甲基磺酸纖維素、羧甲基纖維素、二乙基氨基乙基纖維素葡聚糖凝膠離子交換劑骨架為葡聚糖凝膠，如sepharose、sephadex，根據(jù)功能基團的不同，亦可分為陽離子交換和陰離子交換樹脂。命名方法：交換活性基團+骨架+原骨架編號特點： 除