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1、1 大孔树脂 Macroporousresin 又称全多孔树脂 聚合物吸附剂 它是一类以吸附为特点 对有机物具有浓缩 分离作用的高分子聚合物 大孔树脂是由聚合单体和交联剂 致孔剂 分散剂等添加剂经聚合反应制备而成 聚合物形成后 致孔剂被除去 在树脂中留下了大大小小 形状各异 互相贯通的孔穴 因此大孔树脂在干燥状态下其内部具有较高的孔隙率 且孔径较大 在100 1000nm之间 故称为大孔吸附树脂 利用吸附剂对液体或气体某一组分选择性吸附的能力 使其富集在吸附剂表面的过程 2 物理吸附 吸附作用力为分子间引力 无选择性 无须高活化能 吸附层可为多层或单层 吸附和解吸速度较快 化学吸附 吸附作用力
2、为化学键合力 需要高活化能 只能以单层吸附 选择性强 吸附和解吸速度慢 3 1 结构大孔吸附树脂是近20余年发展起来的 它是一种新型非离子型高分子聚合物吸附剂 一般为白色球形颗粒 粒度为20 60目 大孔树脂的宏观小球系由许多彼此间存在孔穴的微观小球组成 如果把一个宏观小球比做远看的一簇葡萄 那么每一个微观小球就相当于近看的一颗小葡萄 小葡萄间存在孔穴的总体积与一簇葡萄体积之比 称为孔度 小葡萄之间的距离称孔径 所有小葡萄的面积之和就是一簇葡萄的表面积 亦即树脂的表面积 如果以单位质量计算 将此表面积除以一簇葡萄的质量 即得比表面积 m2 g 一 大孔树脂的结构 组成 原理 类型 4 吸附树脂
3、的多数品种是由悬浮聚合法制得的 孔的形成是一个渐变的过程 聚合开始后 生成的高分子链溶解在单体与致孔剂组成的混合体系中 当高分子链逐步增大后 便会从混合体系中析出 这就是 相分离 最初分离出的聚合物形成5 20nm的微胶核 微胶核又互相聚集成60 500nm的微球 随着聚合反应的继续进行 微胶核与微胶核及微球与微球都互相连接在一起 而致孔剂 特别是不良溶剂 则最终残留在核与核或微球与微球之间的孔隙中 当致孔剂被去除之后 留下的空间便是孔 根据以上孔的形成过程 可以想像孔的形状是不规则的 孔径大小也是不均匀的 5 2 组成大孔吸附树脂主要以苯乙烯 二乙烯苯等为原料 在0 5 的明胶溶液中 加入一
4、定比例的致孔剂聚合而成 其中 苯乙烯为聚合单体 二乙烯苯为交联剂 甲苯 二甲苯等作为致孔剂 它们互相交联聚合形成了大孔树脂的多孔骨架结构 6 7 3 树脂的特性及分离原理大孔吸附树脂是通过物理吸附从溶液中有选择地吸附有机物质 从而达到分离提纯的目的 其理化性质稳定 不溶于酸 碱及有机溶剂 对有机物选择性较好 不受无机盐类及强离子 低分子化合物存在的影响 大孔吸附树脂为吸附性和筛选性原理相结合的分离材料 由于其本身具有吸附性 能吸附液体中的物质 故称之为吸附剂 树脂吸附的实质是一种物体高度分散或表面分子受作用力不均等而产生的表面吸附现象 大孔树脂的吸附力是由于范德华力或产生氢键的结果 其中 范德
5、华力是一种分子间作用力 包括定向力 色散力 诱导力等 同时由于树脂的多孔性结构使其对分子大小不同的物质具有筛选作用 因此 有机化合物根据吸附力的不同及分子量的大小 在树脂的吸附机理和筛分原理作用下实现分离 8 4大孔树脂的性质及类型大孔树脂按其极性大小和所选用的单体分子结构不同 可分为非极性 中等极性 极性和强极性四种类型 9 1 吸附树脂的预处理原因 吸附树脂的孔体积一般来说小于其合成时所用致孔剂的体积 这就是说在生产过程或去除致孔剂的过程中出现了缩孔现象 吸附树脂也不宜干燥 原因是易引起缩孔 使树脂吸附性能下降 商品吸附树脂都是含水的 在储存过程中有可能会因失水而缩孔 另一方面 商品吸附树
6、脂在出厂前也未进行彻底清洗 不可避免地会残留一些原料或副产物 因而在使用前必须进行预处理 以去除树脂所含的杂质 合理的处理方法还可使树脂的孔得到最大限度的恢复 二 吸附树脂的使用方法 10 方法 吸附树脂的预处理应在树脂柱中进行 一般是将树脂装至柱高的2 3处 用水进行反洗 使树脂层松散 展开 将树脂的微细粉末及一些机械杂质洗去 然后放出水 至水面略高于树脂的层面 接着 用酒精以适当的流速淋洗 至流出的酒精中无油溶性杂质为止 最后用水洗出酒精即可使用 这样可洗出小分子有机物 有时因长期存放变干 或要求更严格的清洗 可用水 乙醇 甲苯 乙醇 水依次淋洗 这样不仅能洗出有机杂质 还可洗出线型聚合物
7、 对于变干缩孔的吸附树脂还能使其孔结构恢复至最佳状态 11 1 静态吸附可在带搅拌的釜或槽中进行 溶液黏度较大 悬浮物较多或分配比较大时可用此方式 如果加入吸附树脂后不进行搅拌 这时靠近吸附树脂的色素逐渐被吸附 离吸附树脂较远的色素逐渐向吸附树脂附近扩散 这种静止的扩散较慢 吸附树脂的吸附速度和水的颜色变浅的速度也就较慢 若进行适当的搅拌 这仍然称为静态吸附 吸附的速度会大大加快 12 13 2 固定床吸附装置该装置实际上是一种常规的离子交换柱 常用的为几百升至几百立方米的不锈钢或搪瓷柱 下部或上 下部装有80目的滤网 实验室则常用玻璃柱 这种吸附树脂是固定的 溶液是流动的 因而被称为动态吸附
8、 固定床因装填的不均匀性 气泡 壁效应或沟流的存在 吸附饱和层面的下移常是不整齐的 即存在所谓 偏流 现象 并且当吸附过程临近结束 部分吸附质从柱子随溶剂漏出时 柱子底部的树脂层尚未达到吸附平衡 因而柱式吸附时树脂的负载量可能会有些变化 14 15 1 应用范围广大孔吸附树脂的应用范围比离子交换树脂广 表现在 其一 许多生物活性物质对pH较为敏感 易受酸碱作用而失去活性 限制了离子交换法的应用 而采用大孔吸附树脂 既能选择性吸附 又便于溶剂洗脱 整个过程pH不变 其二 对于存在有大量无机盐的发酵液 离子交换树脂受严重阻碍无法使用 而大孔树脂却能从中分离提取抗菌素等物质 2 理化性质稳定大孔树脂
9、稳定性高 机械强度好 经久耐用 且又避免了溶剂法对环境的污染和离子交换法对设备的腐蚀等不良影响 16 3 分离性能优良大孔树脂对有机物的选择性良好 分离效能高 且脱色能力强 效果不亚于活性炭 4 使用方便大孔树脂一般系小球状 直径在0 2 0 8mm之间 因此流体阻力小于粉状活性炭 使用方便 5 溶剂用量少溶剂法是液液萃取 溶剂消耗大 回收较难 而大孔树脂吸附法仅用少量溶剂洗脱即达到分离目的 不仅溶剂用量少 而且又避免了严重的乳化现象 提高了效率 6 可重复使用 降低成本大孔吸附树脂再生容易 一般用水 稀酸 稀碱或有机溶剂如低浓度乙醇 丙酮对树脂进行反复清洗 即可再生重复使用 大孔吸附树脂价格
10、较贵 吸附效果易受流速和溶质浓度的影响 品种有限 不能满足中药多成分 多结构的需求 操作较为复杂 对树脂的技术要求较高 17 在运用大孔树脂进行分离精制工艺时 其大致操作步骤为 树脂预处理 树脂上柱 药液上柱 树脂的解吸 树脂的清洗 再生 由于每一个操作单元都会影响到树脂的分离效果 因此对树脂的精制工艺和分离技术的要求就相对较高 四 大孔吸附树脂吸附分离技术要求 18 1 树脂的预处理除去未聚合单体 致孔剂 分散剂 防腐剂等有机残留物 提高树脂洁净度 经预处理的树脂方可使用 预处理方法 取市售大孔树脂 加丙酮或甲醇浸泡24h 加热回流洗脱 或用改良索氏提取器加热洗脱 视树脂中可溶性杂质的多寡
11、一般为3 4d 甚至长达7 8d 洗至洗脱液蒸干后无残留物 溶剂挥尽后保存备用 检查 取干树脂0 5g 加70 乙醇5ml振摇 滤液蒸干不得有残留物 19 2 装柱以蒸馏水湿法装柱 并用乙醇在柱上流动清洗 检查流出的乙醇与水混合不呈白浊色为止 取lml流出液加5ml水 然后以大量蒸馏水洗去乙醇 注意少量乙醇的存在会大大降低树脂的吸附力 20 3 药液的上柱吸附 1 泄漏曲线与吸附容量的考察大孔吸附树脂的吸附作用主要是通过表面吸附 表面电性或氢键等 有一定吸附容量 当吸附量达到饱和时 其对化学物质吸附减弱甚至消失 此时化学成分即泄漏流出 故需要考察树脂的泄漏曲线 为预算树脂用量与可上柱药液量提供
12、依据 有人用大孔树脂D1300精制当归煎液时 对其泄漏曲线作了如下考察研究 21 取D1300树脂100ml置树脂床上 加入浓度为0 51g ml的药液 并控制药液上样流速为24 1000 V min V为树脂床体积 径高比为1 40 每2 0ml收集一份 薄层检测后 选择不同馏分定量测定当归煎液中有效成分5 HMF 5 HMF为方中熟地黄成分 斑点的峰面积 见图1 泄漏曲线见图2 22 扫描结果显示 第111分峰面积高于110分峰7 48倍 明显表现出泄露现象 按每2 0mL计算 总上样体积220 0mL相当于110 0g生药量 由计算公式 树脂吸附容量 泄露点前上柱样品体积 m1 X样品浓
13、度 mg L 可得出该树脂对当归煎液的吸附容量 即每lml树脂最大吸附量为1 10g生药 23 2 药液上柱前的预处理为避免大孔树脂被污染堵塞 药液上柱前一般需经过滤 除去较多的悬浮颗粒杂质 保证树脂的使用完全 顺利 3 上柱工艺条件的筛选 影响树脂吸附性能的因素有诸多方面 其中最基本的是树脂自身因素 包括树脂的 骨架结构 功能基性质及其极性等 此外 样品浓度 pH 吸附柱径高比及上样流速等条件 均不同程度地影响树脂的吸附性能 上样溶液pH值对吸附和分离效果至关重要 根据化合物结构特点 灵活改变溶液pH值 可使提纯工作达到理想效果 一般情况下 酸性化合物在适当酸性溶液中充分被吸附 碱性化合物则
14、在适当碱性条件下较好地被吸附 中性化合物可在大约中性的条件下被吸 药液浓度 流速及树脂柱径高比等因素也直接影响了大孔吸附树脂的吸附性能 24 4 树脂的解吸解吸时 通常先用水 继而以醇 水洗脱 逐步加大醇的浓度 同时配合适当理化反应和薄层层析 如硅胶薄层层析 纸层析 聚酰胺薄层层析及HLPC等 作指导 洗脱液的选择及其浓度 用量对解吸效果有着显著影响 如在赤芍总苷生产工艺条件研究时发现 在用大孔吸附树脂进行分离 解析时 先用水洗脱至还原糖反应显阴性 Molish反应检测 改用10 20 30 50 95 浓度的乙醇梯度洗脱 结合高效液相色谱法检测 发现10 20 乙醇洗脱液中均含有芍药苷 而3
15、0 以上浓度的乙醇中未检出 故选用30 乙醇洗脱 即可将柱上的芍药苷全部解吸 25 对非极性大孔树脂 洗脱剂极性越小 洗脱能力越强 对于中性大孔树脂和极性较大的化合物来说 则用极性较大的溶剂洗脱较为合适 为达到满意的效果 可设几种不同浓度的洗脱剂 确定洗脱浓度 实际工作中 甲醇 乙醇 丙酮应用较多 流速一般控制在0 5 5ml min为好 根据吸附力强弱选用不同的洗脱剂及浓度 对弱碱性化合物 如生物碱类 则用酸性洗脱剂 解吸效果较为理想 例 如小檗碱的洗脱 分别以50 70 甲醇与含0 5 硫酸的50 甲醇洗脱 用薄层色谱法检测 表明后者有较好的洗脱 解吸能力 26 解吸效果的评价 根据洗脱曲
16、线 选择洗脱峰最集中的条件 如喜树碱的不同洗脱剂的洗脱曲线见图 27 5 树脂的再生大孔吸附树脂的一大优点就是可再生供重复使用 由于树脂再生后的性能影响到下一轮的纯化分离 故需建立评价树脂再生是否合格的指标与方法 证明树脂经多次反复再生后其纯化效果保持一致 树脂再生的方法一般用无水乙醇或95 乙醇洗脱至五色后 树脂柱即已再生 然后用大量水洗去醇 可用于相同植物成分的分离 若树脂颜色变深 可试用稀碱或稀酸溶液洗脱 最后水洗至中性 如果柱上方沉积有悬浮物 影响流速 可用水或醇从柱下进行反洗 以便把悬浮物顶出 树脂经多次使用 有时柱床挤压过紧或树脂颗粒部分破碎而影响流速 可自柱中取出树脂盛于烧杯中用水漂洗去太小的颗粒和悬浮的杂质 再重新装柱使用 大孔树脂应湿态保存 若部分颗粒暴露在空气中 在进行水溶性杂质分离时 失水后被空气填充的颗粒会悬浮于水面 此时将上浮树脂用乙醇处理 将树脂内部的空气排出后使用 28 1 大孔树脂规格的选择正确选择和使用符合规格要求的大孔树脂是实现分离纯化目的要求的首要条件 在筛选大孔树脂型号与规格时 要求供应方提供树脂有关技术要求的资料 并结合以下因素考虑树脂的合理选
