生物分离工程-吸附和离子交换

第六章　吸附分离技术和理论概　述吸附现象当气体或液体与某些固体接触时，气体或液体的分子会积聚在固体 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面上，这种现象称之为吸附流体分子富集在固体表面，形成一吸附层(或称吸附膜)，而没有向固体内部渗透　利用固体吸附剂对液体或气体中某一组分具有选择性吸附的能力，使其富集在吸附剂表面,以除去有害成分或分离回收有用目标产物的过程。吸附操作表面能发生吸附作用的固体，一般为多孔微粒或多孔膜，具有较大比表面积，也称吸附介质吸附是一种固体表面现象，只有那些具有较大内表面的多孔性固体才具有吸附能力概　述物理吸附化学吸附离子交换吸附吸附剂对溶质的吸附作用力吸附的类型吸附剂和吸附物通过分子力产生的吸附吸附剂表面活性点与吸附物之间发生化学键合,产生电子转移的现象离子交换剂表面键合的离子基团通过静电引力吸附带相反电荷的离子,发生电荷转移常见的各种吸附类型的主要特点概　述又称范德华吸附，是一种可逆过程。活化吸附，不可逆物理吸附吸附量的多少取决于溶质与吸附剂极性的相似性和溶剂极性。离子交换吸附（简称离子交换，Ionexchange）基于离子交换原理的吸附操作概　述分离工程中的吸附操作　通过溶液中带电的溶质分子与离子交换剂中可交换的离子进行交换，利用其静电作用力的差异而达到分离纯化的方法。概　述离子交换法的基本概念离子交换的特点分辨率高、工作容量大且易于操作原料液脱色、除臭　目标产物的提取、浓缩和粗分离如蛋白质、多肽、核酸及大部分发酵产物分离纯化，在生化分离中约有75%的 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 采用离子交换法概　述吸附分离技术在生物分离中的应用第一节　吸附分离介质多孔型凝胶型孔道结构吸附剂吸附剂的分类一、吸附剂多孔吸附剂活性炭硅胶大网格聚合物类吸附剂特点：非极性吸附剂，吸附能力强，易吸附非极性或极性小的有机物，在水中吸附能力大于有机溶剂形式：粉末活性炭和颗粒活性炭应用：助滤、脱色、去热源、除臭　活性炭－经典吸附剂活性炭对物质的吸附规律（1)活性炭对不同吸附物的吸附力大小情况：碳链长的脂肪酸>碳链短的脂肪酸;多糖>单糖;多肽>氨基酸;芳香族化合物>脂肪族化合物对相对分子量大的化合物>相对分子量小的化合物（2）pH值的影响在酸性溶液中吸附能力大,PH>6.8吸附能力较差（3）温度低温吸附时,未达吸附平衡前吸附量随温度升高而增加─具有多孔网状结构,极性吸附剂，可吸附非极性和极性化合物─化学惰性，具有较大的吸附量，易制备不同类型的多孔硅胶─活性与含水量有关:含水量低，活性强；反之，弱；使用前需活化─具有微酸性，适用于分离酸性和中性物质,用于芳香油,萜类,脂肪类,氨基酸等的分离硅胶种类：多孔性聚苯乙烯和多孔性聚酯树脂　特点：机械强度高，选择性好，使用寿命长，吸附质易脱附，流体阻力小，解析、再生容易应用:抗生素(如头孢菌素等)和维生素B12等的分离浓缩过程。大网格聚合物类吸附剂（大孔网状吸附树脂）硅藻土颗粒吸附剂氧化铝硅藻土矿大孔网状吸附树脂的分类非极性吸附树脂：苯乙烯交联而成，交联剂为二乙烯苯，又称芳香族吸附剂。中等极性吸附树脂：甲基丙烯酸酯交联而成，交联剂亦为甲基丙烯酸酯，故又称脂肪族吸附剂。极性吸附树脂：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。（1）非极性吸附剂从极性溶剂中吸附非极性物质（2）高极性吸附剂从非极性溶剂中吸附极性物质（3）中等极性吸附剂对两种情况均有吸附能力（4）水溶液中，同族化合物分子量大，极性弱易吸附（5）无机盐促进吸附大孔吸附树脂吸附规律大孔吸附树脂解吸规律（1)低级醇，酮或其水溶液（a溶胀聚合物，b溶解吸附物，减弱溶质与吸附剂间作用力）（2）弱酸性物质用碱解吸（成盐）（3）弱碱性物用酸解吸（成盐）（4）高盐吸附时用水解吸（降低离子强度，降低吸附量）（5）易挥发溶质用热水或蒸汽解吸大孔吸附树脂的应用抗生素分离纯化（再生容易、产品灰分少）β—内酰胺类、大环内酯类、氨基糖贰类、肽类、博莱霉素类、含氮杂环类及其他新抗生素维生素的提取纯化VB12，VB2，VC天然产物的分离生物碱，黄酮，多糖，苷类生化药物酶、氨基酸、蛋白质、肽，甾体多孔性纤维素、琼脂糖凝胶、葡聚糖凝胶、聚丙烯酰胺凝胶（详见chapter7)凝胶型吸附剂（１）孔径　适当的孔径有利于溶质在孔隙中的扩散，提高吸附容量和吸附操作速度（２）比表面积：每克吸附剂所具有的表面积　孔径越大，比表面积越小。　比表面积越大，吸附量越大，反之，越小。　增加比表面积的方法：a.粉碎成小颗粒b.吸附剂的活化吸附剂性能的评价对被分离的物质具有较强的吸附能力有较高的吸附选择性机械强度高再生容易、性能稳定价格低廉。优良的吸附剂通常应具备以下特征影响吸附过程的因素（1）吸附剂的特性（比表面积、粒度、极性大小、活化条件）（2）吸附物的性质（极性大小、分子量）（3）吸附的条件pH（对蛋白等两性物质在PI附近吸附量最大）温度（对蛋白分子，一般认为T↑吸附量↑，考虑到稳定性,通常在0℃or室温操作）盐浓度（影响复杂，阻止or促进吸附）（4）吸附物浓度与吸附剂用量（吸附物浓度↑，吸附量↑，吸附法纯化蛋白时，要求浓度<1%,以增强选择性,吸附剂用量↑，吸附物总量↑，但过量吸附剂导致成本↑，选择性↓）二、离子交换剂　阳离子交换剂(cationexchanger)　　交换阳离子，活性基团为酸性；　根据具有离子交换能力的pH范围不同，分为强酸性和弱酸性阳离子交换剂　阴离子交换剂(anionexchanger)　　　交换阴离子，活性基团为碱性。　根据具有离子交换能力的pH范围不同，分为强碱性和弱碱性阴离子交换剂。离子交换剂的分类(1)惰性不溶性载体（骨架）(2)功能基团或活性基团（与骨架相联）(3)平衡离子或活性离子（与功能基团所带电荷相反的可移动的离子）离子交换剂的结构组成↙共价结合平衡离子(a)阳离子交换树脂交换前交换达到平衡后（b）阴离子交换树脂交换前交换达到平衡后强离子交换剂的离子化率基本不受pH值影响，离子交换作用的pH范围宽；弱离子交换剂的离子化率受pH值影响很大，离子交换作用的pH范围小。离子化率（ｆ）pHpH离子化率(ionizedfraction)反映离子交换能力的参数弱酸性阳离子交换剂在主要中性和碱性PH范围内使用，PH↓，f↓,离子交换能力↓弱碱性阴离子交换剂主要在中性和酸性PH范围内使用，PH↑，f↓,离子交换能力↓主要离子交换基团及其结构阳离子交换剂阴离子交换剂交换容量（表征离子交换能力的主要参数）单位质量的干燥离子交换剂或单位体积的湿离于交换剂所能吸附的一价离子的毫摩尔数(mmol)滴定曲线（检验和测定离子交换剂性能的重要数据）离子交换剂的性能评价图6．2几种典型离于交换剂的滴定曲线1一强酸型(AmberliteIR-120)2一弱酸型(AmberliteIRC-84)3一强碱型(AmberliteIRA-400)4一弱碱型(AmberliteIR-45)n/mmolpH平衡pH每克干离子交换剂加入的NaOH或HCl的量滴定曲线的转折点可估算交换容量，其数目，可推算离子交换基团的数目；滴定曲线可反应交换容量随pH的变化部分市售离子交换剂的离子交换容量和蛋白质的离子交换容量测定条件(a)pH=7.0;(b)I=0.1mol/L;(c)牛血清白蛋白,pH=8.3;(d)血红蛋白pH=8.0,I=0.01mol/L;(e)单位mmol/g;(f)0.1mol/L醋酸缓冲液,pH=5.0根据骨架材料不同,离子交换剂可分为离子交换树脂离子交换纤维凝胶型离子交换剂骨架种类：苯乙烯—二乙烯苯型树脂(应用最广）　　　　　　丙烯酸—二乙烯苯型树脂　　　　　　　酚醛型和多乙烯多胺—环氧氯丙烷型树脂适用范围：　　无机离子交换(水处理、金属回收)和有机酸、氨基酸、抗生素等生物小分子的回收、提取　　　　不适用于蛋白质等生物大分子的分离提取（原因：骨架疏水性高、交联度大、孔隙小和电荷密度高）　用于生物小分子的离子交换剂---离子交换树脂骨架葡聚糖凝胶、琼脂糖凝胶纤维素亲水性聚乙烯;硅胶和可控孔玻璃特点：亲水性高、孔径较大离子交换基阴离子交换基：DEAE（最常用）、QAE阳离子交换基：CM、SP和P用于生物大分子的离子交换剂---离子交换纤维和凝胶型离子交换剂强酸性阳离子交换树脂Ｒ－表示树脂骨架这类树脂的交换反应如下：常用的离子交换树脂(了解)交换能力与pH无关①R-SO3H，磺酸基②R-PO(OH)2磷酸基③R-PHO(OH)次磷酸基弱酸性阳离子交换树脂这类树脂的典型交换反应如下：对于羧基树脂，应该在pH＞7的溶液中操作，而对于酚羟基树脂，溶液的pH应＞9。功能团可以为羧基-COOH，-OH(酚羟基）这类树脂的电离程度小，其交换性能和溶液的pH有很大关系。在酸性溶液中，这类树脂几乎不能发生交换反应，交换能力随溶液的pH增加而提高。强碱性阴离子交换树脂强碱Ⅰ型:三甲胺基强碱II型：二甲基-β-羟基-乙基胺基团I型的碱性比II型强，但再生较困难，II型树脂的稳定性较差。和强酸性树脂一样，强碱性树脂使用的pH范围没有限制，其典型的交换反应如下：弱碱性阴离子交换树脂和弱酸性树脂一样，其交换能力随pH变化而变化，pH越低，交换能力越大。生成的盐RNH3Cl很易水解。这类树脂和OH离子结合能力较强，故再生成羟型较容易，耗碱量少。功能团为：离子交换树脂性能比较主要的多糖基离子交换剂离子交换纤维素骨架：纤维素分类：阳离子交换纤维素和阴离子交换纤维素两类特点：骨架松散、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、分辨率高常用的离子交换纤维素有：甲基磺酸纤维素、羧甲基纤维素(CM-C)、二乙基氨基乙基纤维素葡聚糖凝胶及琼脂糖凝胶离子交换剂骨架：葡聚糖凝胶(sephadex)，琼脂糖凝胶(sepharose)，根据功能基团的不同，亦可分为阳离子交换和阴离子交换剂特点：除了具有离子交换功能以外，兼有分子筛的功能，提高了分离的效率常用的葡聚糖凝胶离子交换剂：CM-sephadexC-25、DEAE-sephadexA-25等离子交换树脂命名(了解)Ｄ●●●交联度数值顺序号骨架代号分类代号分类代号顺序号分类代号骨架代号大孔型代号００１×７０－强酸性０－苯乙烯系交联度为７%顺序号为１001×7－交联度为7%的苯乙烯系凝胶型强酸性阳离子交换树脂Ｄ315-大孔型丙烯酸弱碱性阴离子交换树脂大孔型凝胶型(微孔型)●●●×●离子交换法的操作方式又叫静态处理，将离子交换剂浸泡于工作液中达到平衡后滤出介质进行洗脱。①间歇式分批操作②柱式操作又称动态法。交换、洗脱、再生等步骤均在柱内进行，亦称为离子交换层析法(ionexchangechromatography)。离子交换操作过程树脂预处理离子交换吸附洗脱树脂预处理物理处理：去杂、过筛，水洗，以获得粒度均匀的树脂颗粒；化学处理：转型阳离子树脂酸—碱—酸（氢型树脂）碱—酸—碱（钠型树脂）阴离子树脂酸—碱—酸（氯型树脂）碱—酸—碱（羟型树脂）（酸、碱交替浸泡时，要求水洗至中性）最后水洗至中性备用或用缓冲液平衡数小时后备用吸附静态交换：操作简单、设备要求低，但分批操作，交换不完全，不适宜多组分分离动态交换：离子交换柱，操作连续、交换完全，适宜多组份分离　洗脱离子交换完成后，将树脂吸附的物质重新转入溶液的方法，分为动态洗脱和静态洗脱洗脱液：酸、碱、盐、溶剂洗脱方法（1）改变溶液pH值（酸、碱）（2）改变溶液离子强度（盐溶液）第二节　吸附平衡理论（略）第三节　吸附过程传质动力学（略）第四节固定床吸附操作吸附和离子交换操作设备间歇搅拌槽（较少使用）固定床(fixed　bed)吸附设备-吸附塔（常用）　图6.4　固定床吸附操作料液泵原理：吸附塔内填充吸附剂(或离子交换剂，以下均称吸附，包括一般的吸附和离子交换)，料液连续输入吸附塔中，溶质被吸附剂吸附。当柱内吸附剂溶质吸附近饱和时，溶质从柱中流出，当出口溶质浓度与入口浓度相等时，吸附达完全饱和。固定床吸附操作—单柱吸附穿透曲线：吸附过程中吸附塔出口溶质浓度的变化曲线。穿透点：出口处溶质浓度开始上升的点称为穿透点。穿透时间：达到穿透点所用的操作时间。（一般将出口浓度达入口浓度5％-10％的时间称穿透时间）在穿透点附近需停止吸附操作，顺次转入洗涤、洗脱和再生操作吸附操作达到穿透点时，继续进料对增加吸附量效果不大，反而会造成目标产物损失。固定床吸附操作—多柱串联吸附操作1234料液洗脱液再生吸附质(a)1234料液洗脱液再生吸附质(b)1234料液洗脱液再生吸附质(c)操作顺序:(a)(b)(c)多柱串联固定床吸附操作的特点优点:─整个进料过程中进料(吸附)从未间断,属于半连续操作─流体流动更接近平推流,反混小,吸附效率高缺点:─无法处理含颗粒的料液，因会堵塞床层，造成压力降增大而最终使操作无法进行。第五节固定床吸附过程理论（略）流化床吸附操作(补充)流化床(Fluidizedbed)内吸附剂粒子呈流化状态可间歇或连续操作间歇操作：料液从床底以较高的流速循环输入，使固相产生流化，同时料液中的溶质在固相上发生吸附或离子交换作用。连续操作：吸附剂粒子从床上方输入，从床底排出；料液在出口仅少量排出，大部分循环返回流化床，以提高吸附效率。优点压降小，可处理高粘度或含固体微粒的粗料液。无需特殊的吸附剂，设备操作简便。易连续化。缺点床内固相和液相的返混剧烈，特别是高径比较小的流化床。使床层理论塔板数降低,吸附剂利用效率降低(远低于固定床和膨胀床)。流化床吸附操作的特点　第六节膨胀床吸附操作定义:液固相返混程度较低的液固流化床，是一种特殊形式的流化床，兼具固定床和流化床的优点,并避免二者的缺陷膨胀床与流化床的区别：流化的固相介质基本可以悬浮在膨胀床内的固定位置,流体流动接近平推流(类似于固定床),液固两相轴向混合程度较低,目标物的吸附效率高　膨胀床与传统固定床的区别：膨胀床:有可调节床层高度的调节器，料液从床底以一定流速(>吸附剂最小流化速率)流入时，吸附剂床层膨胀，调节器上升膨胀床综合固定床和流化床优点，使吸附颗粒按自身的物理性质相对稳定地处在床层中的一定层次上实现稳定分级，而流体保持以平推流的形式流过床层，同时吸附颗粒间有较大的空隙，使料液中的固体颗粒能顺利通过床层。膨胀床中吸附剂粒子的混合程度低，吸附效率高膨胀床中液体流动接近平推流，吸附效率高膨胀床吸附操作的优点─与流化床相比,液固相反混程度较低,吸附效率较高　─与固定床相比,床层空隙率高,可使菌体细胞或细胞碎片自由通过.可直接处理菌体发酵液或细胞匀浆液.膨胀床吸附操作集料液澄清，目标产物浓缩和分离纯化为一体，可节省离心或过滤等预处理过程，提高目标产物收率，降低分离纯化过程成本。　定义：吸附操作中固相可连续输入和排出吸附塔，与料液形成逆流接触流动，可实现连续稳态的吸附操作。缺点：吸附剂的磨损;固相出口易堵塞，固相的移动操作有一定难度　第七节移动床和模拟移动床吸附1.移动床(movingbed)2.模拟移动床（simulatedmovingbed,SMB）固相本身不移动而通过移动切换液相（料液和洗脱液）的入口和出口产生移动床的分离效果，使液固逆流接触的吸附分离方法称为模拟移动床吸附基于模拟移动床原理料液从床层中部连续输入固相自下向上移动吸附质连续排出非吸附质连续排出吸附质洗脱回收和吸附剂再生段由12个固定床构成的模拟移动床某一时刻的操作状态b1以后的操作状态从b1到b2液相的入口和出口分别向下移动一个床位,相当于液相的入\出口不变,而固相向上移动一个床位,形成液固逆流接触操作