生物分離工程吸附和離子交換

生物分離工程吸附和離子交換第一頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日概述吸附現(xiàn)象當(dāng)氣體或液體與某些固體接觸時，氣體或液體的分子會積聚在固體表面上，這種現(xiàn)象稱之為吸附流體分子富集在固體表面，形成一吸附層(或稱吸附膜)，而沒有向固體內(nèi)部滲透第二頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日

利用固體吸附劑對液體或氣體中某一組分具有選擇性吸附的能力，使其富集在吸附劑表面,以除去有害成分或分離回收有用目標(biāo)產(chǎn)物的過程。吸附操作表面能發(fā)生吸附作用的固體，一般為多孔微?；蚨嗫啄?，具有較大比表面積，也稱吸附介質(zhì)吸附是一種固體表面現(xiàn)象，只有那些具有較大內(nèi)表面的多孔性固體才具有吸附能力第三頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日概述物理吸附化學(xué)吸附離子交換吸附吸附劑對溶質(zhì)的吸附作用力吸附的類型吸附劑和吸附物通過分子力產(chǎn)生的吸附吸附劑表面活性點與吸附物之間發(fā)生化學(xué)鍵合,產(chǎn)生電子轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象離子交換劑表面鍵合的離子基團通過靜電引力吸附帶相反電荷的離子,發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移第四頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日常見的各種吸附類型的主要特點概述又稱范德華吸附，是一種可逆過程?；罨?，不可逆第五頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日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劑極性。離子交換吸附（簡稱離子交換，Ionexchange）基于離子交換原理的吸附操作概述分離工程中的吸附操作第六頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日

通過溶液中帶電的溶質(zhì)分子與離子交換劑中可交換的離子進行交換，利用其靜電作用力的差異而達到分離純化的方法。概述離子交換法的基本概念離子交換的特點分辨率高、工作容量大且易于操作第七頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日原料液脫色、除臭目標(biāo)產(chǎn)物的提取、濃縮和粗分離如蛋白質(zhì)、多肽、核酸及大部分發(fā)酵產(chǎn)物分離純化，在生化分離中約有75%的工藝采用離子交換法概述吸附分離技術(shù)在生物分離中的應(yīng)用第八頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日常用于從稀溶液中將溶質(zhì)分離出來，由于受固體吸附劑的限制，處理能力較?。粚θ苜|(zhì)的作用較小，這一點在蛋白質(zhì)分離中特別重要；可直接從發(fā)酵液中分離所需產(chǎn)物，成為發(fā)酵與分離的耦合過程，從而消除產(chǎn)物抑制；吸附法的特點：概述第九頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日優(yōu)點：有機溶劑摻入少操作簡便，安全，設(shè)備簡單適于穩(wěn)定性差的物質(zhì)缺點：吸附選擇性差收率低無機吸附劑性能不穩(wěn)定吸附法的特點：概述第十頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日第一節(jié)吸附分離介質(zhì)多孔型凝膠型孔道結(jié)構(gòu)吸附劑吸附劑的分類一、吸附劑第十一頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日多孔吸附劑活性炭硅膠大網(wǎng)格聚合物類吸附劑第十二頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日特點：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形式：粉末活性炭和顆?；钚蕴繎?yīng)用：助濾、脫色、去熱源、除臭

活性炭種類顆粒大小表面積吸附力吸附量洗脫粉末活性炭小大大大難顆粒活性炭較小較大較小較小難活性炭－經(jīng)典吸附劑第十三頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日活性炭對物質(zhì)的吸附規(guī)律（1)活性炭對不同吸附物的吸附力大小情況：

碳鏈長的脂肪酸>碳鏈短的脂肪酸;多糖>單糖;多肽>氨基酸;芳香族化合物>脂肪族化合物對相對分子量大的化合物>相對分子量小的化合物（2）pH值的影響在酸性溶液中吸附能力大,PH>6.8吸附能力較差

（3）溫度低溫吸附時,未達吸附平衡前吸附量隨溫度升高而增加第十四頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日─具有多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),極性吸附劑，可吸附非極性和極性化合物─化學(xué)惰性，具有較大的吸附量，易制備不同類型的多孔硅膠─活性與含水量有關(guān):含水量低，活性強；反之，弱；使用前需活化─具有微酸性，適用于分離酸性和中性物質(zhì),用于芳香油,萜類,脂肪類,氨基酸等的分離硅膠第十五頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日種類：多孔性聚苯乙烯和多孔性聚酯樹脂特點：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、再生容易應(yīng)用:抗生素(如頭孢菌素等)和維生素B12等的分離濃縮過程。大網(wǎng)格聚合物類吸附劑（大孔網(wǎng)狀吸附樹脂）第十六頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日硅藻土顆粒吸附劑氧化鋁硅藻土礦第十七頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日大孔網(wǎng)狀吸附樹脂的分類非極性吸附樹脂：苯乙烯交聯(lián)而成，交聯(lián)劑為二乙烯苯，又稱芳香族吸附劑。中等極性吸附樹脂：甲基丙烯酸酯交聯(lián)而成，交聯(lián)劑亦為甲基丙烯酸酯，故又稱脂肪族吸附劑。極性吸附樹脂：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。第十八頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日第十九頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日第二十頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日第二十一頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日（1）非極性吸附劑從極性溶劑中吸附非極性物質(zhì)（2）高極性吸附劑從非極性溶劑中吸附極性物質(zhì)（3）中等極性吸附劑對兩種情況均有吸附能力（4）水溶液中，同族化合物分子量大，極性弱易吸附（5）無機鹽促進吸附大孔吸附樹脂吸附規(guī)律第二十二頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日大孔吸附樹脂解吸規(guī)律（1)低級醇，酮或其水溶液（a溶脹聚合物，b溶解吸附物，減弱溶質(zhì)與吸附劑間作用力）（2）弱酸性物質(zhì)用堿解吸（成鹽）（3）弱堿性物用酸解吸（成鹽）（4）高鹽吸附時用水解吸（降低離子強度，降低吸附量）（5）易揮發(fā)溶質(zhì)用熱水或蒸汽解吸第二十三頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日大孔吸附樹脂的應(yīng)用抗生素分離純化（再生容易、產(chǎn)品灰分少）

β—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)類及其他新抗生素維生素的提取純化

VB12，VB2，VC天然產(chǎn)物的分離生物堿，黃酮，多糖，苷類生化藥物酶、氨基酸、蛋白質(zhì)、肽，甾體第二十四頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日多孔性纖維素、瓊脂糖凝膠、葡聚糖凝膠、聚丙烯酰胺凝膠（詳見chapter7)凝膠型吸附劑第二十五頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日（１）孔徑

適當(dāng)?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（２）比表面積：每克吸附劑所具有的表面積孔徑越大，比表面積越小。比表面積越大，吸附量越大，反之，越小。增加比表面積的方法：a.粉碎成小顆粒b.吸附劑的活化

吸附劑性能的評價第二十六頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日對被分離的物質(zhì)具有較強的吸附能力有較高的吸附選擇性機械強度高再生容易、性能穩(wěn)定價格低廉。優(yōu)良的吸附劑通常應(yīng)具備以下特征第二十七頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日影響吸附過程的因素（1）吸附劑的特性（比表面積、粒度、極性大小、活化條件）（2）吸附物的性質(zhì)（極性大小、分子量）（3）吸附的條件

pH（對蛋白等兩性物質(zhì)在PI附近吸附量最大）溫度（對蛋白分子，一般認(rèn)為T↑吸附量↑，考慮到穩(wěn)定性,通常在0℃or室溫操作）鹽濃度（影響復(fù)雜，阻止or促進吸附）（4）吸附物濃度與吸附劑用量（吸附物濃度↑，吸附量↑，吸附法純化蛋白時，要求濃度<1%,以增強選擇性,吸附劑用量↑，吸附物總量↑，但過量吸附劑導(dǎo)致成本↑，選擇性↓）第二十八頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日二、離子交換劑

陽離子交換劑(cationexchanger)

交換陽離子，活性基團為酸性；根據(jù)具有離子交換能力的pH范圍不同，分為強酸性和弱酸性陽離子交換劑

陰離子交換劑(anionexchanger)

交換陰離子，活性基團為堿性。根據(jù)具有離子交換能力的pH范圍不同，分為強堿性和弱堿性陰離子交換劑。離子交換劑的分類第二十九頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日(1)

惰性不溶性載體（骨架）(2)

功能基團或活性基團（與骨架相聯(lián)）(3)

平衡離子或活性離子（與功能基團所帶電荷相反的可移動的離子）離子交換劑的結(jié)構(gòu)組成↙共價結(jié)合平衡離子第三十頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日(a)陽離子交換樹脂交換前交換達到平衡后第三十一頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日（b）陰離子交換樹脂交換前交換達到平衡后第三十二頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日強離子交換劑的離子化率基本不受pH值影響，離子交換作用的pH范圍寬；弱離子交換劑的離子化率受pH值影響很大，離子交換作用的pH范圍小。離子化率（ｆ）pHpH離子化率(ionizedfraction)反映離子交換能力的參數(shù)弱酸性陽離子交換劑在主要中性和堿性PH范圍內(nèi)使用，PH↓，f↓,離子交換能力↓弱堿性陰離子交換劑主要在中性和酸性PH范圍內(nèi)使用，PH↑，f↓,離子交換能力↓第三十三頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日主要離子交換基團及其結(jié)構(gòu)陽離子交換劑第三十四頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日陰離子交換劑第三十五頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日交換容量（表征離子交換能力的主要參數(shù)）單位質(zhì)量的干燥離子交換劑或單位體積的濕離于交換劑所能吸附的一價離子的毫摩爾數(shù)(mmol)滴定曲線（檢驗和測定離子交換劑性能的重要數(shù)據(jù)）離子交換劑的性能評價第三十六頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日圖6．2幾種典型離于交換劑的滴定曲線1一強酸型(AmberliteIR-120)2一弱酸型(AmberliteIRC-84)3一強堿型(AmberliteIRA-400)4一弱堿型(AmberliteIR-45)n/mmolpH平衡pH每克干離子交換劑加入的NaOH或HCl的量滴定曲線的轉(zhuǎn)折點可估算交換容量，其數(shù)目，可推算離子交換基團的數(shù)目；滴定曲線可反應(yīng)交換容量隨pH的變化第三十七頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日部分市售離子交換劑的離子交換容量和蛋白質(zhì)的離子交換容量測定條件(a)pH=7.0;(b)I=0.1mol/L;(c)牛血清白蛋白,pH=8.3;(d)血紅蛋白pH=8.0,I=0.01mol/L;(e)單位mmol/g;(f)0.1mol/L醋酸緩沖液,pH=5.0第三十八頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日根據(jù)骨架材料不同,離子交換劑可分為離子交換樹脂離子交換纖維凝膠型離子交換劑第三十九頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日骨架種類：苯乙烯—二乙烯苯型樹脂(應(yīng)用最廣）丙烯酸—二乙烯苯型樹脂酚醛型和多乙烯多胺—環(huán)氧氯丙烷型樹脂適用范圍：無機離子交換(水處理、金屬回收)和有機酸、氨基酸、抗生素等生物小分子的回收、提取

不適用于蛋白質(zhì)等生物大分子的分離提?。ㄔ颍汗羌苁杷愿?、交聯(lián)度大、孔隙小和電荷密度高）

用于生物小分子的離子交換劑---離子交換樹脂第四十頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日骨架葡聚糖凝膠、瓊脂糖凝膠纖維素親水性聚乙烯;硅膠和可控孔玻璃特點：親水性高、孔徑較大離子交換基陰離子交換基：DEAE（最常用）、QAE

陽離子交換基：CM、SP和P用于生物大分子的離子交換劑---離子交換纖維和凝膠型離子交換劑第四十一頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日強酸性陽離子交換樹脂Ｒ－表示樹脂骨架這類樹脂的交換反應(yīng)如下：常用的離子交換樹脂(了解)交換能力與pH無關(guān)①R-SO3H，磺酸基②R-PO(OH)2磷酸基③R-PHO(OH)次磷酸基第四十二頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日弱酸性陽離子交換樹脂這類樹脂的典型交換反應(yīng)如下：對于羧基樹脂，應(yīng)該在pH＞7的溶液中操作，而對于酚羥基樹脂，溶液的pH應(yīng)＞9。功能團可以為羧基-COOH，-OH(酚羥基）這類樹脂的電離程度小，其交換性能和溶液的pH有很大關(guān)系。在酸性溶液中，這類樹脂幾乎不能發(fā)生交換反應(yīng)，交換能力隨溶液的pH增加而提高。

第四十三頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日強堿性陰離子交換樹脂強堿Ⅰ型:三甲胺基強堿II型：二甲基-β-羥基-乙基胺基團I型的堿性比II型強，但再生較困難，II型樹脂的穩(wěn)定性較差。和強酸性樹脂一樣，強堿性樹脂使用的pH范圍沒有限制，其典型的交換反應(yīng)如下：第四十四頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日弱堿性陰離子交換樹脂和弱酸性樹脂一樣，其交換能力隨pH變化而變化，pH越低，交換能力越大。

生成的鹽RNH3Cl很易水解。這類樹脂和OH離子結(jié)合能力較強，故再生成羥型較容易，耗堿量少。功能團為：第四十五頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日離子交換樹脂性能比較性能陽離子交換樹脂陰離子交換樹脂強酸性弱酸性強堿性弱堿性活性基團磺酸羧酸季氨胺pH對交換能力的影響無在酸性溶液中交換能力很小無在堿性溶液中交換能力很小生成鹽的穩(wěn)定性穩(wěn)定洗滌時要水解穩(wěn)定洗滌時要水解再生需過量的強酸很容易需要過量的強堿再生容易，可用碳酸鈉或氨交換速度快慢(除非離子化后)快慢(除非離子化后)第四十六頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日主要的多糖基離子交換劑離子交換纖維素

骨架：纖維素

分類：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(CM-C)、二乙基氨基乙基纖維素

第四十七頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日葡聚糖凝膠及瓊脂糖凝膠離子交換劑

骨架：葡聚糖凝膠(sephadex)，瓊脂糖凝膠(sepharose)，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劑

特點：除了具有離子交換功能以外，兼有分子篩的功能，提高了分離的效率

常用的葡聚糖凝膠離子交換劑：CM-sephadexC-25、DEAE-sephadexA-25等第四十八頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日離子交換樹脂命名(了解)Ｄ●●●交聯(lián)度數(shù)值順序號骨架代號分類代號分類代號順序號分類代號骨架代號大孔型代號００１×７０－強酸性０－苯乙烯系交聯(lián)度為７%順序號為１001×7－交聯(lián)度為7%的苯乙烯系凝膠型強酸性陽離子交換樹脂Ｄ315-大孔型丙烯酸弱堿性陰離子交換樹脂大孔型凝膠型(微孔型)●●●×●第四十九頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日離子交換法的操作方式又叫靜態(tài)處理，將離子交換劑浸泡于工作液中達到平衡后濾出介質(zhì)進行洗脫。①間歇式分批操作②柱式操作又稱動態(tài)法。交換、洗脫、再生等步驟均在柱內(nèi)進行，亦稱為離子交換層析法(ionexchangechromatography)。第五十頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日離子交換操作過程樹脂預(yù)處理離子交換吸附洗脫第五十一頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日樹脂預(yù)處理物理處理：去雜、過篩，水洗，以獲得粒度均勻的樹脂顆粒；化學(xué)處理：轉(zhuǎn)型陽離子樹脂酸—堿—酸（氫型樹脂）堿—酸—堿（鈉型樹脂）陰離子樹脂酸—堿—酸（氯型樹脂）堿—酸—堿（羥型樹脂）（酸、堿交替浸泡時，要求水洗至中性）

最后水洗至中性備用或用緩沖液平衡數(shù)小時后備用第五十二頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日吸附靜態(tài)交換：操作簡單、設(shè)備要求低，但分批操作，交換不完全，不適宜多組分分離動態(tài)交換：離子交換柱，操作連續(xù)、交換完全，適宜多組份分離

第五十三頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日洗脫離子交換完成后，將樹脂吸附的物質(zhì)重新轉(zhuǎn)入溶液的方法，分為動態(tài)洗脫和靜態(tài)洗脫洗脫液：酸、堿、鹽、溶劑洗脫方法（1）改變?nèi)芤簆H值（酸、堿）（2）改變?nèi)芤弘x子強度（鹽溶液）第五十四頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日第二節(jié)吸附平衡理論（略）第三節(jié)吸附過程傳質(zhì)動力學(xué)（略）第五十五頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日第四節(jié)固定床吸附操作吸附和離子交換操作設(shè)備間歇攪拌槽（較少使用）固定床(fixed

bed)吸附設(shè)備-吸附塔（常用）

第五十六頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日圖6.4固定床吸附操作料液泵原理：吸附塔內(nèi)填充吸附劑(或離子交換劑，以下均稱吸附，包括一般的吸附和離子交換)，料液連續(xù)輸入吸附塔中，溶質(zhì)被吸附劑吸附。當(dāng)柱內(nèi)吸附劑溶質(zhì)吸附近飽和時，溶質(zhì)從柱中流出，當(dāng)出口溶質(zhì)濃度與入口濃度相等時，吸附達完全飽和。第五十七頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日固定床吸附操作—單柱吸附穿透曲線：吸附過程中吸附塔出口溶質(zhì)濃度的變化曲線。穿透點：出口處溶質(zhì)濃度開始上升的點稱為穿透點。穿透時間：達到穿透點所用的操作時間。（一般將出口濃度達入口濃度5％-10％的時間稱穿透時間）在穿透點附近需停止吸附操作，順次轉(zhuǎn)入洗滌、洗脫和再生操作吸附操作達到穿透點時，繼續(xù)進料對增加吸附量效果不大，反而會造成目標(biāo)產(chǎn)物損失。第五十八頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日固定床吸附操作—多柱串聯(lián)吸附操作1234料液洗脫液再生吸附質(zhì)(a)1234料液洗脫液再生吸附質(zhì)(b)1234料液洗脫液再生吸附質(zhì)(c)操作順序:(a)(b)(c)第五十九頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日多柱串聯(lián)固定床吸附操作的特點優(yōu)點:─整個進料過程中進料(吸附)從未間斷,屬于半連續(xù)操作─流體流動更接近平推流,反混小,吸附效率高缺點:─無法處理含顆粒的料液，因會堵塞床層，造成壓力降增大而最終使操作無法進行。第六十頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日第五節(jié)固定床吸附過程理論（略）第六十一頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日流化床吸附操作(補充)流化床(Fluidizedbed)內(nèi)吸附劑粒子呈流化狀態(tài)可間歇或連續(xù)操作間歇操作：料液從床底以較高的流速循環(huán)輸入，使固相產(chǎn)生流化，同時料液中的溶質(zhì)在固相上發(fā)生吸附或離子交換作用。連續(xù)操作：吸附劑粒子從床上方輸入，從床底排出；料液在出口僅少量排出，大部分循環(huán)返回流化床，以提高吸附效率。第六十二頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日優(yōu)點壓降小，可處理高粘度或含固體微粒的粗料液。無需特殊的吸附劑，設(shè)備操作簡便。易連續(xù)化。缺點床內(nèi)固相和液相的返混劇烈，特別是高徑比較小的流化床。使床層理論塔板數(shù)降低,吸附劑利用效率降低(遠低于固定床和膨脹床)。流化床吸附操作的特點第六十三頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日

第六節(jié)膨脹床吸附操作定義:

液固相返混程度較低的液固流化床，是一種特殊形式的流化床，兼具固定床和流化床的優(yōu)點,并避免二者的缺陷膨脹床與流化床的區(qū)別：

流化的固相介質(zhì)基本可以懸浮在膨脹床內(nèi)的固定位置,流體流動接近平推流(類似于固定床),液固兩相軸向混合程度較低,