生物分离工程吸附分离技术与理论省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

生物工程下游技术生物工程下游技术第六章第六章 吸附分离技术与理论吸附分离技术与理论第第1页页学习目和要求 在了解吸附剂和离子交换剂、吸附在了解吸附剂和离子交换剂、吸附和离子交换平衡基础上，掌握吸附和离子交换平衡基础上，掌握吸附和离子交换操作及其设计理论基础。和离子交换操作及其设计理论基础。第第2页页经过本章学习应掌握以下内容经过本章学习应掌握以下内容：n n什么是吸附过程？什么是吸附过程？n n吸附类型有哪些？它们是怎样划分？吸附类型有哪些？它们是怎样划分？n n惯用吸附剂种类有哪些？惯用吸附剂种类有哪些？n n什么是吸附等温线？其意义何在？什么是吸附等温线？其意义何在？n n影响吸附过程原因有哪些？影响吸附过程原因有哪些？n n什么是亲和吸附？其特点有哪些？什么是亲和吸附？其特点有哪些？n n惯用吸附单元操作有哪些方式？惯用吸附单元操作有哪些方式？第第3页页n n什么是离子交换？什么是离子交换？n n离子交换树脂分类？其主要理化性质有哪些？离子交换树脂分类？其主要理化性质有哪些？n n离子交换机理是什么？离子交换机理是什么？n n什么是离子交换选择性？其选择性受哪些原因影响什么是离子交换选择性？其选择性受哪些原因影响？n n基本离子交换操作是怎样？基本离子交换操作是怎样？n n怎样利用离子交换法分离蛋白质？怎样利用离子交换法分离蛋白质？第第4页页目录目录n引言引言n吸附剂与离子交换剂吸附剂与离子交换剂n吸附平衡吸附平衡n离子交换平衡离子交换平衡n固定床吸附操作固定床吸附操作n膨胀床吸附操作膨胀床吸附操作第第5页页一、引言一、引言吸附定义吸附定义 吸附（吸附（adsorptionadsorption）是溶质从液相或气相转移）是溶质从液相或气相转移到固相现象到固相现象,即利用即利用吸附剂吸附剂对液体或气体中某一组对液体或气体中某一组分含有分含有选择性选择性吸附能力，使其吸附能力，使其富集富集在吸附剂表面。在吸附剂表面。（1）定义）定义第第6页页n吸附操作吸附操作 利用固体吸附原理从液体或气体利用固体吸附原理从液体或气体除除去有害成份去有害成份或或提取回收有用目标产物提取回收有用目标产物过程，普过程，普通包含待分离料液与吸附剂混合、吸附质被吸通包含待分离料液与吸附剂混合、吸附质被吸附到吸附剂表面、料液流出、吸附质解吸回收附到吸附剂表面、料液流出、吸附质解吸回收等四个过程等四个过程料液与吸料液与吸料液与吸料液与吸附剂混合附剂混合附剂混合附剂混合吸附质吸附质吸附质吸附质被吸附被吸附被吸附被吸附料液料液料液料液流出流出流出流出吸附质解吸附质解吸附质解吸附质解吸附吸附吸附吸附Step1Step2Step3Step4第第7页页（2 2）吸附分类）吸附分类n物物理理吸吸附附：基基于于吸吸附附剂剂与与溶溶质质间间范范德德华华力力，无无选选择择性性、无无需需高高活活化化能能、吸吸附附层层能能够够是是单单层层，也也能能够够是是多层、吸附和解吸附速度通常较快多层、吸附和解吸附速度通常较快；n化化学学吸吸附附：基基于于吸吸附附剂剂与与溶溶质质之之间间化化学学结结合合，吸吸附附过过程程产产生生电电子子转转移移；需需要要高高活活化化能能、只只能能以以单单分分子子层吸附，选择性强、吸附和解吸附速度较慢；层吸附，选择性强、吸附和解吸附速度较慢；n离离子子交交换换：基基于于吸吸附附剂剂与与溶溶质质之之间间静静电电引引力力，吸吸附附过程发生电荷转移过程发生电荷转移 第第8页页常见吸附类型及其主要特点常见吸附类型及其主要特点物理吸附物理吸附化学吸附化学吸附吸附作用力吸附作用力 分子间引力分子间引力n化学键协力选择性选择性较差较差较高较高所需活化能所需活化能低低高高吸附层吸附层单层或多层单层或多层单层单层n抵达平衡所需时间快快慢慢第第9页页二、吸附分离介质二、吸附分离介质n识记：识记：生物分离中惯用吸附剂和离子交生物分离中惯用吸附剂和离子交换剂换剂 n了解：了解：吸附剂、离子交换剂性能评定方吸附剂、离子交换剂性能评定方法法 n应用：应用：掌握经典离子交换剂滴定曲线掌握经典离子交换剂滴定曲线 第第10页页1 1、惯用吸附剂、惯用吸附剂n吸附剂应具备特征：吸附剂应具备特征：n n对被分离物质含有较强吸附能力对被分离物质含有较强吸附能力对被分离物质含有较强吸附能力对被分离物质含有较强吸附能力n n有较高吸附选择性有较高吸附选择性有较高吸附选择性有较高吸附选择性n n机械强度高机械强度高机械强度高机械强度高n n再生轻易、性能稳定再生轻易、性能稳定再生轻易、性能稳定再生轻易、性能稳定n n价格低廉。价格低廉。价格低廉。价格低廉。第第11页页n惯用吸附剂惯用吸附剂 活性炭，硅胶，金属氧化物，有机高分活性炭，硅胶，金属氧化物，有机高分子树脂子树脂聚苯乙烯树脂聚苯乙烯树脂第第12页页n评价吸附性能参数：评价吸附性能参数：比表面积、孔径比表面积、孔径n比表面积：n孔径：第第13页页n比表面积直接影响到溶质吸附容量，较大比表面积比表面积直接影响到溶质吸附容量，较大比表面积可使溶质吸附量增加。可使溶质吸附量增加。n孔径对吸附剂性能影响主要表达在其对溶质在吸附孔径对吸附剂性能影响主要表达在其对溶质在吸附剂内扩散影响方面。当孔径越大，溶质分子扩散剂内扩散影响方面。当孔径越大，溶质分子扩散越轻易，反之则越困越轻易，反之则越困n孔径和比表面积相互制约，孔径越大，比表面积越孔径和比表面积相互制约，孔径越大，比表面积越小。小。第第14页页活活 性性 炭炭活性炭种类活性炭种类颗粒大小颗粒大小表面积表面积吸附力吸附力吸附量吸附量洗脱洗脱粉末活性炭粉末活性炭小小大大大大大大难难颗粒活性炭颗粒活性炭较小较小较大较大较小较小较小较小难难锦纶活性炭锦纶活性炭大大小小小小小小易易第第15页页粉末活性炭粉末活性炭第第16页页锦纶活性炭锦纶活性炭第第17页页活性炭对物质吸附规律活性炭对物质吸附规律n活性炭活性炭是非极性吸附剂是非极性吸附剂，所以在水中吸附能力大于，所以在水中吸附能力大于有机溶剂中吸附能力。有机溶剂中吸附能力。n针对不一样物质，活性炭吸附规律遵照以下规律：针对不一样物质，活性炭吸附规律遵照以下规律：（1 1）对极性基团多化合物吸附力大于极性基团少化合物）对极性基团多化合物吸附力大于极性基团少化合物（2 2）对芳香族化合物吸附能力大于脂肪族化合物）对芳香族化合物吸附能力大于脂肪族化合物;（3 3）对相对分子量大化合物吸附力大于相对分子量小化合物）对相对分子量大化合物吸附力大于相对分子量小化合物;（4 4）pH 值影响值影响 碱性碱性 中性吸附中性吸附 酸性洗脱酸性洗脱;酸性酸性 中性吸附中性吸附 碱性洗脱碱性洗脱;（5 5）温度）温度 未平衡前未平衡前 随温度升高而增加随温度升高而增加;第第18页页大孔网状吸附剂n n特点：脱色去臭效果理想；对有机物含有良特点：脱色去臭效果理想；对有机物含有良好选择性；物化性质稳定；机械强度好；吸好选择性；物化性质稳定；机械强度好；吸附速度快；解吸、再生轻易。附速度快；解吸、再生轻易。n n但价格昂贵，吸附效果易受流速以及溶质浓但价格昂贵，吸附效果易受流速以及溶质浓度等原因影响。度等原因影响。第第19页页大孔网状吸附树脂种类大孔网状吸附树脂种类n非极性吸附树脂非极性吸附树脂：苯乙烯交联而成，交联剂：苯乙烯交联而成，交联剂为二乙烯苯，又称芳香族吸附剂。为二乙烯苯，又称芳香族吸附剂。n中等极性吸附树脂中等极性吸附树脂：甲基丙烯酸酯交联而成，：甲基丙烯酸酯交联而成，交联剂亦为甲基丙烯酸酯，故又称脂肪族吸交联剂亦为甲基丙烯酸酯，故又称脂肪族吸附剂。附剂。n极性吸附剂：极性吸附剂：丙烯酰胺或亚砜经聚合而成，丙烯酰胺或亚砜经聚合而成，通常含有硫氧、酰胺、氮氧等基团。通常含有硫氧、酰胺、氮氧等基团。第第20页页大孔吸附树脂吸附机理大孔吸附树脂吸附机理n非离子型共聚物，借助于范德华力从溶液中吸附各种有机物，其吸附能力与树脂化学结构、物理性能以及与溶质、溶剂性质相关。通常遵照以下规律：n非极性吸附剂可从极性溶剂中吸附非极性溶质；n极性吸附剂可从非极性溶剂中吸附极性物质；n中等极性吸附剂兼有以上两种能力第第21页页2、惯用解吸方法n n低级醇、酮或水溶液解吸低级醇、酮或水溶液解吸 原理：使大孔树脂溶胀，减弱溶质与吸附剂间原理：使大孔树脂溶胀，减弱溶质与吸附剂间 相互作用力相互作用力n n碱解吸附碱解吸附 原理：成盐，主要针对弱酸性溶质原理：成盐，主要针对弱酸性溶质n n酸解吸附酸解吸附原理同上原理同上n n水解吸附水解吸附 原理：降低体系中离子强度，降低溶质吸原理：降低体系中离子强度，降低溶质吸 附量附量第第22页页3、吸附等温线n n概念：当温度一定时，吸附量与浓度之间函数概念：当温度一定时，吸附量与浓度之间函数关系称为吸附等温线。关系称为吸附等温线。Langmuir吸附等温线吸附等温线 q qo o和和K K是经验常数，是经验常数，c c代表溶液中溶质浓度代表溶液中溶质浓度蛋白质分离提纯时适合此吸附方程蛋白质分离提纯时适合此吸附方程第第23页页Langmuir吸附等温线第第24页页4、影响吸附主要原因n n吸附剂性质：比表面积、粒度大小、极性吸附剂性质：比表面积、粒度大小、极性n n吸附质性质：对表面张力影响，溶解度，极性，相吸附质性质：对表面张力影响，溶解度，极性，相对分子量对分子量n n温度：吸附是温度：吸附是放热放热过程，吸附质稳定性过程，吸附质稳定性n n溶液溶液pHpH值：影响吸附质解离值：影响吸附质解离n n盐浓度：影响复杂，要视详细情况而定盐浓度：影响复杂，要视详细情况而定第第25页页5、什么是亲和吸附？n n亲和吸附分离是利用溶质和吸附剂之间特殊化学亲和吸附分离是利用溶质和吸附剂之间特殊化学作用，从而实现分离。作用，从而实现分离。n n吸附剂由载体（吸附剂由载体（CarrierCarrier）和配位体）和配位体(LigandLigand)组成组成第第26页页Affinity adsorption第第27页页（1）亲和吸附特点n n效率高：效率高：利用亲和吸附能够从粗提液中一次性利用亲和吸附能够从粗提液中一次性分离得到高纯度活性物质。分离得到高纯度活性物质。n n分离精度高：分离精度高：可用于分离含量极低，结构相近可用于分离含量极低，结构相近化合物化合物n n通用性较差通用性较差，洗脱条件苛刻，洗脱条件苛刻第第28页页（2）亲和吸附载体种类种种种种 类类类类组组组组 成成成成性性性性 能能能能多孔玻璃载体多孔玻璃载体硅酸盐硅酸盐坚硬、耐酸碱、易修饰坚硬、耐酸碱、易修饰聚丙烯酰胺聚丙烯酰胺凝胶载体凝胶载体丙烯酰胺丙烯酰胺N,N-N,N-亚甲基双丙烯酰胺亚甲基双丙烯酰胺亲水性好亲水性好可供活化基团多可供活化基团多纤维素载体纤维素载体多糖类物质多糖类物质n起源丰富，但非特异性吸附及空间位阻强，对分离不利葡聚糖凝胶载体葡聚糖凝胶载体n经环氧丙烷交联多糖类理化性质稳定，但粒径太小理化性质稳定，但粒径太小第第29页页（3）载体活化和偶联n n亲和吸附载体通常是惰性，往往不能直接与配基连接，偶联前需要先活化，活化方法主要有：n n溴化氰活化法：琼脂糖、葡聚糖引入亚氨基碳酸盐溴化氰活化法：琼脂糖、葡聚糖引入亚氨基碳酸盐n n高碘酸活化法：氧化多糖，生成烷基胺高碘酸活化法：氧化多糖，生成烷基胺n n环氧化法环氧化法：多糖类载体与环氧氯丙烷作用生成环氧：多糖类载体与环氧氯丙烷作用生成环氧化合物，再与氨基偶联化合物，再与氨基偶联n n甲苯磺酰氯法：双功效试剂法甲苯磺酰氯法：双功效试剂法 二乙烯砜二乙烯砜第第30页页环氧化法表氯醇Activation第第31页页配基偶联方法n n载体经活化后，就能够进行与配基偶联反应。详细方法以下：n n碳二亚胺缩正当碳二亚胺缩正当(脱水脱水)n n酸酐法酸酐法n n叠氮化法叠氮化法n n重氮化法重氮化法第第32页页（4）影响亲和吸附原因n n配基浓度配基浓度 配基浓度高有利；配基浓度高有利；n n空间位阻空间位阻 加入加入“手臂链手臂链”以降低空间位阻影响；以降低空间位阻影响；n n配基与载体结合位点配基与载体结合位点 就蛋白质等大分子作为配基就蛋白质等大分子作为配基时，与载体连接键越少越好；时，与载体连接键越少越好；n n载体孔径：孔道大小；载体孔径：孔道大小；n n微环境：载体或微环境：载体或“手臂链手臂链”极性、电性；极性、电性；第第33页页6、惯用吸附单元操作方式n n间歇吸附 依据是吸附等温线和物料衡算方程n n连续搅拌吸附n n固定床吸附 柱式塔 穿透点第第34页页三、离子交换三、离子交换(ion exchange)n概念：利用概念：利用离子交换树脂作为吸附剂离子交换树脂作为吸附剂，将溶液中待分离组分，依据其将溶液中待分离组分，依据其电荷差异电荷差异，依靠依靠库仑力库仑力吸附在树脂上，然后利用适吸附在树脂上，然后利用适当洗脱剂将吸附质从树脂上洗脱下来，当洗脱剂将吸附质从树脂上洗脱下来，到达分离目标。到达分离目标。第第35页页1、离子交换树脂组成、离子交换树脂组成n含有三维空间立体结构网络骨架含有三维空间立体结构网络骨架n联接在骨架上活性基团联接在骨架上活性基团n活性基团所带相反电荷活性离子（可交换离活性基团所带相反电荷活性离子（可交换离子）子）第第36页页树脂网络骨架树脂网络骨架第第37页页第第38页页2 2、离子交换剂分类、离子交换剂分类离子交换剂离子交换剂阳离子交换剂阳离子交换剂（活性基团为酸性）（活性基团为酸性）强阳离子：磺酸基、磺丙基、膦酸基强阳离子：磺酸基、磺丙基、膦酸基弱阳离子：羧甲基、羧基弱阳离子：羧甲基、羧基阴离子交换剂阴离子交换剂（活性基团为碱性）（活性基团为碱性）强阴离子：三甲胺基、季胺乙基、二乙胺乙基强阴离子：三甲胺基、季胺乙基、二乙胺乙基弱阴离子：氨基弱阴离子：氨基第第39页页3 3、惯用离子交换剂、惯用离子交换剂n生物小分子回收生物小分子回收 种类：种类：苯乙烯苯乙烯-二乙烯基苯型，丙烯酸二乙烯基苯型，丙烯酸-二乙烯苯型，二乙烯苯型，多乙烯多胺多乙烯多胺-环氧氯丙烷型树脂环氧氯丙烷型树脂 特点：特点：疏水性高、交联度大、孔隙率小及电荷密度高疏水性高、交联度大、孔隙率小及电荷密度高n生物大分子回收生物大分子回收 种类：种类：葡聚糖凝胶，琼脂糖凝胶，醋酸纤维素凝胶：葡聚糖凝胶，琼脂糖凝胶，醋酸纤维素凝胶：特点：特点：亲水性好、非特异性吸附小亲水性好、非特异性吸附小 第第40页页4 4、离子交换剂之交换容量、离子交换剂之交换容量n定义定义 交交换换容容量量是是单单位位质质量量干干燥燥离离子子交交换换剂剂或或单单位位体体积积湿湿离离子交换剂所能吸附一价离子毫摩尔数。子交换剂所能吸附一价离子毫摩尔数。吸附容量是表征离子交换能力主要参数吸附容量是表征离子交换能力主要参数 n交换容量测定交换容量测定阳离子交换剂阳离子交换剂 转化为氢型转化为氢型 阴离子交换剂阴离子交换剂 转化为氯型转化为氯型 第第41页页5、离子交换普通过程第第42页页6、惯用离子交换树脂n n强酸性阳离子交换树脂：活性基团是强酸性阳离子交换树脂：活性基团是-SOSO3 3HH（磺酸基）和磺酸基）和-CHCH2 2SOSO3 3HH（次甲基磺酸基）；次甲基磺酸基）；n n弱酸性阳离子交换树脂：活性基团有弱酸性阳离子交换树脂：活性基团有-COOHCOOH,-OCH-OCH2 2COOH,CCOOH,C6 6HH5 5OHOH等弱酸性基团；等弱酸性基团；n n强碱性阴离子交换树脂：活性基团为季铵基团，强碱性阴离子交换树脂：活性基团为季铵基团，如三甲胺基或二甲基如三甲胺基或二甲基-羟基乙基胺基；羟基乙基胺基；n n弱碱性阴离子交换树脂：活性基团为伯胺或仲胺，弱碱性阴离子交换树脂：活性基团为伯胺或仲胺，碱性较弱；碱性较弱；第第43页页7、新型离子交换树脂n n大孔离子交换树脂大孔离子交换树脂 大孔离子交换树脂含有和大孔离子交换树脂含有和大孔吸附剂相同骨架大孔吸附剂相同骨架结构结构，在大孔吸附剂合成后（加入，在大孔吸附剂合成后（加入致孔剂致孔剂），），再引入化学功效基团，便可得到大孔离子交换再引入化学功效基团，便可得到大孔离子交换树脂树脂第第44页页大孔离子交换树脂优点n n经过在合成时加入惰性致孔剂，克服了普通凝经过在合成时加入惰性致孔剂，克服了普通凝胶树脂因为溶胀现象，产生胶树脂因为溶胀现象，产生“暂时孔暂时孔”现象，现象，从而强化了离子交换功效；从而强化了离子交换功效；n n降低了凝胶树脂在离子交换过程中降低了凝胶树脂在离子交换过程中“有机污染有机污染”现象（大分子不易洗脱）；现象（大分子不易洗脱）；n n能够经过致孔剂选择调整孔径大小、树脂比表能够经过致孔剂选择调整孔径大小、树脂比表面积，以适应不一样分离要求。面积，以适应不一样分离要求。n n惯用致孔剂有：良溶剂（能与单体互溶）甲苯、惯用致孔剂有：良溶剂（能与单体互溶）甲苯、四氯化碳；不良溶剂四氯化碳；不良溶剂 长链醇（碳长链醇（碳4-104-10）煤油；煤油；高分子聚合物高分子聚合物 聚苯乙烯、聚丙烯酸酯聚苯乙烯、聚丙烯酸酯第第45页页其它离子交换树脂类型n n两性树脂两性树脂：同时含有酸、碱两种基团树脂；：同时含有酸、碱两种基团树脂；n n均孔型离子交换树脂：主要是阴离子型凝胶离均孔型离子交换树脂：主要是阴离子型凝胶离子交换树脂，孔径均匀，交换容量高、机械强子交换树脂，孔径均匀，交换容量高、机械强度好；度好；n n螯合树脂螯合树脂：树脂上含有含有螯合能力集团，既：树脂上含有含有螯合能力集团，既能够形成离子键，又能够形成配位键；主要用能够形成离子键，又能够形成配位键；主要用于脱除金属离子；于脱除金属离子；n n*多糖基离子交换树脂多糖基离子交换树脂：固相载体为多糖类物：固相载体为多糖类物质，亲水性强、交换空间大、对生物大分子物质，亲水性强、交换空间大、对生物大分子物致变性作用致变性作用第第46页页主要多糖基离子交换树脂n n离子交换纤维素离子交换纤维素 树脂骨架为纤维素，依据活性基团性质可分为阳离树脂骨架为纤维素，依据活性基团性质可分为阳离子交换纤维素和阴离子交换纤维素两类子交换纤维素和阴离子交换纤维素两类 特点：骨架涣散、亲水性强、表面积大、交换容特点：骨架涣散、亲水性强、表面积大、交换容量大、吸附力弱、交换和洗脱条件温和、分辨率高量大、吸附力弱、交换和洗脱条件温和、分辨率高 惯用离子交换纤维素有：惯用离子交换纤维素有：甲基磺酸纤维素、羧甲基纤维素、二乙基氨基乙甲基磺酸纤维素、羧甲基纤维素、二乙基氨基乙基纤维素基纤维素 第第47页页n n葡聚糖凝胶离子交换树脂葡聚糖凝胶离子交换树脂骨架为葡聚糖凝胶，如骨架为葡聚糖凝胶，如sepharosesepharose、sephadexsephadex，依据功，依据功效基团不一样，亦可分为阳离子交换和阴离子交换树效基团不一样，亦可分为阳离子交换和阴离子交换树脂脂n n命名方法：交换活性基团命名方法：交换活性基团+骨架骨架+原骨架编号原骨架编号n n特点：除了含有离子交换功效以外，兼有分子筛功效，特点：除了含有离子交换功效以外，兼有分子筛功效，提升了分离效率提升了分离效率n n惯用葡聚糖凝胶离子交换树脂：惯用葡聚糖凝胶离子交换树脂：CM-sephadex C-25CM-sephadex C-25、DEAE-sephadex A-25DEAE-sephadex A-25等等第第48页页DEAE anion exchanger第第49页页CMC Cation Exchanger第第50页页第第51页页离子交换树脂命名方法第第52页页 离子交换树脂命名法中分类代号和骨架代号离子交换树脂命名法中分类代号和骨架代号代号代号分类名称分类名称骨架名称骨架名称0 0强酸性强酸性苯乙烯系苯乙烯系1 1弱酸性弱酸性丙烯酸系丙烯酸系2 2强碱性强碱性酚醛系酚醛系3 3弱碱性弱碱性环氧系环氧系4 4螯合性螯合性乙烯哌啶系乙烯哌啶系5 5两性两性脲醛系脲醛系6 6氧化还原氧化还原氯乙烯系氯乙烯系第第53页页8、离子交换树脂制备n n加聚法和缩聚法（依聚合方法分类）加聚法和缩聚法（依聚合方法分类）n n加聚：指含有一个或一个以上双键单体为原料，在加聚：指含有一个或一个以上双键单体为原料，在分散相中进行聚合分散相中进行聚合n n缩聚法是基于缩合反应聚合过程；缩聚法是基于缩合反应聚合过程；n n共聚法和均聚法（以单体分类）共聚法和均聚法（以单体分类）n n共聚是指两个或两个以上单体进行聚合共聚是指两个或两个以上单体进行聚合n n均聚是指以一个单体进行聚合均聚是指以一个单体进行聚合第第54页页几个主要离子交换树脂制备方法n n苯乙烯型离子交换树脂苯乙烯型离子交换树脂 单体：苯乙烯、二乙烯苯单体：苯乙烯、二乙烯苯 酸性树脂引入磺酸基，碱性树脂引入季酸性树脂引入磺酸基，碱性树脂引入季 铵，伯、铵，伯、叔胺叔胺n n酚醛树脂酚醛树脂 单体：水扬酸、苯酚、甲醛经缩聚而成单体：水扬酸、苯酚、甲醛经缩聚而成第第55页页离子交换树脂理化性能n n外观：球形、浅色为宜，粒度大小为外观：球形、浅色为宜，粒度大小为16601660目目90%90%；n n机械强度：机械强度：90%90%；n n含水量：含水量：0.30.7g/g 0.30.7g/g 树脂；树脂；n n交换容量：重量交换容量、体积交换容量、工作交换交换容量：重量交换容量、体积交换容量、工作交换容量或称表观交换容量（在某一条件下）；容量或称表观交换容量（在某一条件下）；n n稳定性：化学稳定性、热稳定性；稳定性：化学稳定性、热稳定性；n n膨胀度：交联度、活性基团性质与数量、活性离子性膨胀度：交联度、活性基团性质与数量、活性离子性质、介质性质和浓度、骨架结构；质、介质性质和浓度、骨架结构；n n湿真密度：单位体积湿树脂重量；湿真密度：单位体积湿树脂重量；n n孔度、孔径、比表面积孔度、孔径、比表面积第第56页页离子交换过程n n离子交换过程是可逆多相化学反应离子交换过程是可逆多相化学反应 式中式中 A1A1，A2A2液相中离子液相中离子 吸附离子吸附离子 Z1Z1，Z2 A1Z2 A1，A2A2价数价数 液相和树脂相中溶剂液相和树脂相中溶剂 ns ns 离子交换时，溶剂从树脂移入液相毫摩尔数离子交换时，溶剂从树脂移入液相毫摩尔数第第57页页离子交换机理A A+自溶液中扩散到树脂表面自溶液中扩散到树脂表面A A+从树脂表面进入树脂内部活性中从树脂表面进入树脂内部活性中心心A A+与与RBRB在活性中心上发生复分解反在活性中心上发生复分解反应应解吸附离子解吸附离子B+B+自树脂内部扩散至树自树脂内部扩散至树脂表面脂表面B B+离子从树脂表面扩散到溶液中离子从树脂表面扩散到溶液中交换速度控制步骤是扩散速度，不交换速度控制步骤是扩散速度，不一样分离体系可能由内部扩散或外一样分离体系可能由内部扩散或外部扩散控制部扩散控制第第58页页交换速度方程外部扩散控制外部扩散控制内部扩散控制内部扩散控制K1外扩散速度常数F时间为t时，树脂饱和度r0为树脂颗粒半径D1为液相中扩散系数为吸附常数第第59页页9、影响交换速度原因n n颗粒大小：愈小越快颗粒大小：愈小越快n n交联度：交联度小，交换速度快交联度：交联度小，交换速度快n n温度：越高越快温度：越高越快n n离子化合价：化合价与高，交换越快离子化合价：化合价与高，交换越快n n离子大小：越小越快离子大小：越小越快n n搅拌速度：在一定程度上，越大越快搅拌速度：在一定程度上，越大越快n n溶液浓度：当交换速度为外扩散控制时，溶液浓度：当交换速度为外扩散控制时，浓度越大，交换速度越快浓度越大，交换速度越快第第60页页10、离子交换选择性n n离子交换常数：交换势或交换系数离子交换常数：交换势或交换系数R-A、R-B表示结合在树脂上A离子和B离子浓度AS、BS表示溶液中A离子和B离子越大B越易被交换第第61页页11、影响离子交换选择性原因n n水合离子半径：半径越小，亲和力越大；水合离子半径：半径越小，亲和力越大；n n离子化合价：高价离子易于被吸附；离子化合价：高价离子易于被吸附；n n溶液溶液pHpH：影响交换基团和交换离子解离程度，但不影：影响交换基团和交换离子解离程度，但不影响交换容量；响交换容量；n n离子强度：越低越好；离子强度：越低越好；n n有机溶剂：不利于吸附；有机溶剂：不利于吸附；n n交联度、膨胀度、分子筛：交联度大，膨胀度小，筛交联度、膨胀度、分子筛：交联度大，膨胀度小，筛分能力增大；交联度小，膨胀度大，吸附量降低；分能力增大；交联度小，膨胀度大，吸附量降低；n n树脂与粒子间辅助力：除静电力以外，还有氢键和范树脂与粒子间辅助力：除静电力以外，还有氢键和范德华力等辅助力；德华力等辅助力；第第62页页离子交换操作方法n n树脂预处理树脂预处理n n离子交换吸附离子交换吸附n n洗脱洗脱第第63页页第第64页页树脂预处理n n物理处理：水洗、过筛，去杂，以取得粒度均物理处理：水洗、过筛，去杂，以取得粒度均匀树脂颗粒；匀树脂颗粒；n n化学处理：转型（氢型或钠型）化学处理：转型（氢型或钠型）阳离子树脂阳离子树脂 酸酸碱碱酸酸 阴离子树脂阴离子树脂 碱碱酸酸碱碱 最终以去离子水或缓冲液平衡最终以去离子水或缓冲液平衡第第65页页离交操作方式n n静态：操作简单、不过分批操作，交换不完全静态：操作简单、不过分批操作，交换不完全n n动态：离子交换柱，操作连续、交换完全，适动态：离子交换柱，操作连续、交换完全，适宜多组份分离宜多组份分离 柱式固定床（柱式固定床（FixedFixedBedBed）模拟移动床（模拟移动床（SMBSMB）第第66页页模拟移动床（SMB）第第67页页第第68页页第第69页页洗脱方式n n离子交换完成后，将树脂吸附物质重新转入溶离子交换完成后，将树脂吸附物质重新转入溶液方法液方法n n洗脱方法洗脱方法（1 1）改变溶液）改变溶液pHpH值值（2 2）改变溶液离子强度）改变溶液离子强度第第70页页树脂再生n n是指使离子交换树脂重新含有交换能力过程是指使离子交换树脂重新含有交换能力过程n n酸性阳离子树脂酸性阳离子树脂 酸酸-碱碱-酸酸-缓冲溶液淋洗缓冲溶液淋洗n n碱性阴离子树脂碱性阴离子树脂 碱碱-酸酸-碱碱-缓冲溶液淋洗缓冲溶液淋洗n n方式有：顺流再生和逆流再生方式有：顺流再生和逆流再生第第71页页硬水软化第第72页页离子交换应用实例n n离子交换法提取蛋白质离子交换法提取蛋白质n n较无机离子离子交换平衡复杂，其吸附行为与较无机离子离子交换平衡复杂，其吸附行为与离子间静电引力、氢键、疏水作用以及范德华离子间静电引力、氢键、疏水作用以及范德华力相关力相关n n蛋白质是生物大分子物质，所以，其扩散行为蛋白质是生物大分子物质，所以，其扩散行为也较无机离子复杂也较无机离子复杂第第73页页 Some of the charged regions which will influence ion exchange Different proteins have different charges and different patterns of surface chargeBasis for selectivity第第74页页NH3RCOOH+NH3RCOO+-RNH2COO-Low pHPositive chargeHigh pHNegative chargeHydrogen gainedHydrogen lostEffect of pH on charge第第75页页-+Overall charge on proteinNH3RCOOH+NH3RCOO+-RNH2COO-acid isoelectric point alkalineexcess positive charge balanced positive and negative charge excess negative chargepH310Titration curves第第76页页第第77页页蛋白质离子交换分离基本步骤n n平衡平衡n n上样吸附上样吸附n n洗脱洗脱n n再生再生第第78页页+-anion exchange beadEquilibration第第79页页Sample applicationand wash-+-第第80页页Elution-+-第第81页页Regeneration-+第第82页页Sampleapplicationand washElutionEquilibrationRegeneration-+-第第83页页惯用于蛋白质提取分离离子交换剂n n要求：良好亲水性、含有较大均匀网格结构、要求：良好亲水性、含有较大均匀网格结构、粒度越小分辨率越高粒度越小分辨率越高n n种类：多糖类种类：多糖类 离子交换纤维素离子交换纤维素 交联葡聚糖交联葡聚糖 交联琼脂糖交联琼脂糖 聚乙烯醇类聚乙烯醇类 MonoMono系列系列 Amersham PharmaciaAmersham Pharmacia第第84页页四、吸附平衡四、吸附平衡-学习关键点学习关键点n识记：识记：吸附平衡概念吸附平衡概念 n了解：了解：用兰格缪尔单分子层吸附理论解用兰格缪尔单分子层吸附理论解释溶质吸附现象释溶质吸附现象 第第85页页概念概念 当吸附剂到达吸附平衡后，固相表面溶当吸附剂到达吸附平衡后，固相表面溶质浓度质浓度q与液相中溶质浓度与液相中溶质浓度c存在一定关存在一定关系，系，第第86页页吸附平衡形式吸附平衡形式n低浓度下低浓度下n高浓度下高浓度下m 分配系数，分配系数，C 浓度浓度第第87页页-兰格缪尔单分子吸附理论兰格缪尔单分子吸附理论 n吸附剂上有多个活性位点；吸附剂上有多个活性位点；n每个活性含有相同能量；每个活性含有相同能量；n并只能吸附一个分子溶质；并只能吸附一个分子溶质；n吸附分子间无相互作用；吸附分子间无相互作用；依据兰格缪尔理论，可得依据兰格缪尔理论，可得第第88页页离子交换平衡离子交换平衡-学习关键点学习关键点n识记：识记：离子交换平衡概念离子交换平衡概念 n了解：了解：离子交换分配系数推导离子交换分配系数推导 第第89页页离子交换平衡离子交换平衡n在没有待分离溶质存在时，离子交换剂表面在没有待分离溶质存在时，离子交换剂表面离子基团一直被其反离子所覆盖。离子基团一直被其反离子所覆盖。n因为溶质与反离子带有相同电荷，经典离子因为溶质与反离子带有相同电荷，经典离子交换过程以下：交换过程以下：阴离子交换剂：阴离子交换剂：阳离子交换剂：阳离子交换剂：第第90页页离子交换平衡离子交换平衡-完全解离电解质分配平衡完全解离电解质分配平衡 n对于完全解离电解质对于完全解离电解质XHXH而言，其在固液之间而言，其在固液之间分配系数为分配系数为 平衡常数代入平衡常数代入溶液中反离子浓度越高，离子交换分配系数越小溶液中反离子浓度越高，离子交换分配系数越小 第第91页页离子交换平衡离子交换平衡-不完全解离电解质分配平衡完全解离电解质分配平衡n单价弱电解质单价弱电解质XH存在着以下解离平衡，存在着以下解离平衡，n弱电解质在溶液中分配系数可表示为弱电解质在溶液中分配系数可表示为 第第92页页离子交换平衡离子交换平衡-通用分配平衡模型分配平衡模型n普遍化离子交换反应可表示为普遍化离子交换反应可表示为n到达平衡后，分配平衡常数为到达平衡后，分配平衡常数为 第第93页页离子交换平衡离子交换平衡-蛋白质离子交换平衡蛋白质离子交换平衡n伴随分子量升高，交换剂对蛋白质分子空间排阻作伴随分子量升高，交换剂对蛋白质分子空间排阻作用增大，蛋白质分子进入离子交换剂困难，无法与用增大，蛋白质分子进入离子交换剂困难，无法与全部离子交换剂活性中心接触全部离子交换剂活性中心接触n吸附于吸附剂上蛋白质分子会妨碍其它蛋白与游离吸附于吸附剂上蛋白质分子会妨碍其它蛋白与游离离子交换活性中心接触，同时妨碍分子扩散离子交换活性中心接触，同时妨碍分子扩散 n蛋白质带多价电荷，可与多个离子交换基发生作用。蛋白质带多价电荷，可与多个离子交换基发生作用。其在离子交换剂上吸附受到反离子浓度影响，可用其在离子交换剂上吸附受到反离子浓度影响，可用以下公式表示以下公式表示 第第94页页固定床吸附操作固定床吸附操作-学习关键点学习关键点n识记：识记：穿透曲线、穿透点和穿透时间等概念穿透曲线、穿透点和穿透时间等概念 n了解：了解：固定床吸附过程理论基础固定床吸附过程理论基础 n应用：应用：掌握固定床操作过程以及多床串联吸掌握固定床操作过程以及多床串联吸附操作优缺点附操作优缺点 第第95页页固定床吸附操作固定床吸附操作-吸附操作模式吸附操作模式 n间歇搅拌槽间歇搅拌槽 一级吸附平衡，效率低，用于吸附动力学和机一级吸附平衡，效率低，用于吸附动力学和机理研究理研究 n固定床吸附塔固定床吸附塔 多级吸附平衡，分离效率高多级吸附平衡，分离效率高 第第96页页固定床吸附基本步骤固定床吸附基本步骤n平衡平衡n上样吸附上样吸附n洗脱洗脱n再生再生第第97页页+-anion exchange beadEquilibration第第98页页Sample applicationand wash-+-第第99页页Elution-+-第第100页页Regeneration-+第第101页页Sampleapplicationand washElutionEquilibrationRegeneration-+-第第102页页固定床吸附操作固定床吸附操作-吸附过程吸附过程吸附塔内填充着活性炭等吸吸附塔内填充着活性炭等吸附剂或者离子交换剂。附剂或者离子交换剂。当料液连续输入吸附塔中，当料液连续输入吸附塔中，溶质被吸附剂吸附。溶质被吸附剂吸附。从吸附塔人口开始，吸附剂从吸附塔人口开始，吸附剂吸附质浓度不停上升，其饱吸附质浓度不停上升，其饱和（最大）吸附浓度和（最大）吸附浓度q0与入口与入口料液浓度料液浓度c0相平衡，即当吸附相平衡，即当吸附塔内溶质吸附靠近塔内溶质吸附靠近饱和时，溶质开始从塔中流出，出口处溶质浓度升高，最终到饱和时，溶质开始从塔中流出，出口处溶质浓度升高，最终到达入口料液浓度，即吸附到达完全饱和。达入口料液浓度，即吸附到达完全饱和。第第103页页固定床吸附操作固定床吸附操作-穿透曲线及相关概念穿透曲线及相关概念n穿透曲线穿透曲线 吸附过程中吸附塔出口溶质浓度改变曲线称为穿透吸附过程中吸附塔出口溶质浓度改变曲线称为穿透曲线曲线 n穿透点穿透点 出口处溶质浓度开始上升点称为穿透点出口处溶质浓度开始上升点称为穿透点 n穿透时间穿透时间 到达穿透点所用操作时间称为穿透时间到达穿透点所用操作时间称为穿透时间 第第104页页固定床吸附操作固定床吸附操作-吸附带概念吸附带概念 在吸附过程中，当吸附塔内某处溶质到达吸在吸附过程中，当吸附塔内某处溶质到达吸附饱和后，该位置处固液两相浓度均不再改附饱和后，该位置处固液两相浓度均不再改变。而在其下游区域依然存在着溶质浓度从变。而在其下游区域依然存在着溶质浓度从c0到到0改变区域。普通将吸附塔中液相（或固相）改变区域。普通将吸附塔中液相（或固相）溶质浓度从溶质浓度从c0（或或q0）到到0分布区域称为浓度分布区域称为浓度波或吸收带波或吸收带 第第105页页固定床吸附操作固定床吸附操作-恒定图式概念恒定图式概念 恒定图式吸附带是指吸附带浓度分布（浓度恒定图式吸附带是指吸附带浓度分布（浓度波）以一定形状移动，则称为此浓度分布为波）以一定形状移动，则称为此浓度分布为恒定图式分布恒定图式分布 恒定图式普通发生在优惠吸附中恒定图式普通发生在优惠吸附中 第第106页页固定床吸附过程理论基础固定床吸附过程理论基础-轴向扩散模型假设轴向扩散模型假设n在与流体流动方向垂直每一截面上，含有均在与流体流动方向垂直每一截面上，含有均匀径向分布匀径向分布 n在每一截面及流体流动方向上，流体速率和在每一截面及流体流动方向上，流体速率和轴向扩散系数均为恒定值轴向扩散系数均为恒定值 n溶质浓度为流动距离连续函数溶质浓度为流动距离连续函数 第