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1、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
2、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，Ion exchange） 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
3、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%的工艺采用离子交换法,概 述,吸附分离技术在生物分离中的应用,常用于从稀溶液中将溶质分离出来，由于受固体吸附剂的限制，处理能力较小； 对溶质的作用较小，这一点在蛋白质分离中特别重要； 可直接从发酵液中分离所需产物，成为发酵与分离的耦合过程，从而消除产物抑制；,吸附法的特点：,概 述,优点： 有机溶剂掺入少 操作简便，安全，设备简单 适于稳定性差的物质 缺点： 吸附选择性差 收率低 无机吸附剂性能不稳定,吸附法的特点：,概 述,第一节 吸附分离介质,多孔型,凝胶型,孔道结构,
4、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,PH6.8 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
5、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
6、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
7、（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） 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 chapter 7), 凝胶型吸附剂,（）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 （）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
8、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0or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,
9、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(cation exchanger) 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(anion exchanger) 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,(a)阳离子交换树脂,交换前,交换达到平衡后,（
10、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（）,pH,pH,离子化率(ionized fraction),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
11、(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62 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/mmol,pH,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; (
12、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、
13、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,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,R-SO3H，磺酸基 R-PO(OH)2 磷酸基 R-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
14、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,强碱型:三甲胺基 强碱II型：二甲基-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
15、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-sephadex C-25、DEAE-sephadex A-25等,离子交换树脂命名(了解),
16、 ,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,强酸性,苯乙烯系,交联度为%,顺序号为,0017交联度为7%的苯乙烯 系凝胶型强酸性阳离子交换树脂,315-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。,间歇式分批操作,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(ion exchange chromatography)。,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
