生物分离工程第五章吸附分离及离子交换课件.ppt

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1、1,第五章吸附分离及离子交换,2,内容简介,吸附分离原理及操作离子交换原理及操作吸附平衡理论（热力学）吸附传质(动力学）吸附设备 固定床 扩张床 搅拌釜,3,第一节吸附分离原理及操作,吸附(adsorption)：溶质从液相或气相转移到固相的现象。吸附机制：固体表面分子(或原子)处于特殊的状态。固体内部分子所受的力是对称的，故彼此处于平衡。但在界面分子的力场是不饱和的，即存在一种固体的表面力，它能从外界吸附分子、原子、或离子，并在吸附表面上形成多分子层或单分子层。吸附作用:物质从气体或液体浓缩到固体表面从而实现分离的过程吸附剂:在表面上能发生吸附作用的固体吸附物:被吸附的物质,4,吸 附 法特

2、点,吸附法的优点：对溶质的作用较小，一般对蛋白活性构象影响小，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的产物，成为发酵与分离的耦合过程，从而可消除某些产物对微生物的抑制作用；操作简便、安全、设备简单吸附法的缺点：选择性较差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；溶质和吸附剂之间的相互作用及吸附平衡关系通常是非线性关系，故设计比较复杂，实验的工作量较大。,5,1.1 吸附剂,1.2.1吸附剂分类A、非多孔类：非多孔性固体的比表面仅取决于颗粒的外表面，比较而言比表面积小，用粉碎的方法可以增加其比表面积。B、多孔类：多孔性颗粒的表面是由“外表面”和“内表面

3、”所组成，内表面积可比外表面积大几百倍。由于颗粒内微孔的存在，比表面很大，可达每克几百平方米，有较高的吸附势。,6,1.2.2 有机吸附剂的制备（按反应溶剂分）,本体聚合 组分简单，通常只含单体和少量引发剂，所以操作简便，产物纯净；缺点是聚合热不易排除。（无溶剂）溶液聚合 优点是体系粘度低，传热、混合容易，温度易于控制；缺点是聚合度较低，产物常含少量溶剂，使用和回收溶剂需增加设备投资和生产成本。（相溶）悬浮聚合 通常是在大量的水介质中进行，散热容易,产物是0.052mm左右的小颗粒，容易洗涤、分离，产物纯度较高；缺点是产物容易粘壁，影响聚合釜传热和生产周期。（非极性单体和产物都不溶解于溶剂，常

4、加分散剂）乳液聚合 单体在胶束中引发、聚合是在单体聚合物乳胶粒中进行。其特点是速度快、产物分子量大（100纳米，最小可达50纳米到1微米）、体系粘度低、易于散热；缺点是乳化剂等不易除净，影响产物性能。（非极性单体溶解与胶束中）,7,8,单体、引发剂（使单体变自由基具有反应活性）、水、分散剂(dispersant)。,组分：,分散剂类型：1）水溶性有机高分子：吸附在液滴表面，形成保护膜。主要有聚乙烯醇等合成高分子，及纤维素衍生物、明胶等天然高分子及其衍生物。多采用质量稳定的合成高分子。2）不溶于水的无机粉末：包围液滴，起机械隔离作用。主要有碳酸镁、滑石粉、高岭土等。,悬浮聚合,9,液液分散和成粒

5、过程,图4-1 悬浮单体液滴分散过程示意图,在搅拌的剪切力作用下，单体液层分散成液滴。单体和水界面间存在界面张力。界面张力越大，形成液滴也越大。,分散剂(dispersant)、搅拌(agitation),剪切力和界面张力对成滴作用影响相反,在一定搅拌强度和界面张力下，液滴通过一系列分散、合并过程，构成动平衡，最后达到一定的平均细度。,10,1.2.3吸附剂的表征,（1）比表面积 单位重量吸附剂的表面积称为比表面积吸附剂的粒径越小，或是微孔越发达，其比表面积越大。吸附剂的比表面积越大，则吸附能越强。,比表面积的测定一般采用B.E.T(Brunueer-Emmett-Teller)法：在液氮温度

6、下(-196C)，用吸附剂吸附氮气，在吸附剂表面形成单分子吸附层，测定氮气的吸附体积vm(cm3/g)，计算比表面积a(cm2/g):N-阿弗加德罗常数，s-被吸附分子的横截面积，在-196C 氮气分子的s=1.6210-15 cm2。,11,（2）孔径,吸附剂内孔的大小和分布对吸附性能影响很大。孔径太大，比表面积小，吸附能力差；孔径太小，则不利于吸附质扩散，并对直径较大的分子起屏蔽作用，通常将孔半径大于0.1m的称为大孔，210-30.1m的称为过渡孔，而小于210-3的称为微孔。大部分吸附表面积由微孔提供。采用不同的原料和活化工艺制备的吸附剂其孔径分布是不同的。再生情况也影响孔的结构。,1

7、2,孔径及分布测定吸附剂的孔径及分布可采用水银压入法，利用汞孔度计测定。当压力升高时，水银可进入到细孔中，压力p与孔径d的关系为-水银的表面张力(0.48N/m2)，-水银与细孔壁的接触角(=140)。通过测定水银体积与压力之间的关系即可求出孔径的分布情况。,13,吸附剂在制造过程中会形成一定量的不均匀表面氧化物，其成分和数量随原料和活化工艺不同而异。一般把表面氧化物分成酸性的和碱性的两大类.经常指的酸性氧化物基因有：羧基、酚羟基、醌型羰基、正内酯基、萤光型内酯基、羧酸酐基及环式过氧基等。酸性氧化物在低温（500）活化时形成。对于碱性氧化物的说法尚有分歧碱性氧化物在高温（8001000）活化时

8、形成，在溶液中吸附酸性物。表面氧化物成为选择性的吸附中心，使吸附剂只有类似化学吸附的能力，一般说来，有助于对极性分子的吸附，削弱对非极性分子的吸附。,（3）表面化学性质,14,1.2.4常用的吸附剂,对被分离的物质具有较强的吸附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。,1）无机：硅胶、氧化铝、磷酸钙凝胶、沸石等2）有机：活性炭、（大孔）吸附树脂、纤维素等,15,1.2.4.1活 性 炭,活性炭是一种非极性吸附剂。活性炭主要成分除碳以外，还含有少量的氧、氢、硫等元素，以及水分、灰分。它具有良好的吸附性能和稳定的化学性质，可以耐强酸、强碱，能经受水浸、高温、高压作用，不易破碎。活性

9、炭具有巨大的比表面和特别发达的微孔。通常活性炭的比表面积高达5001700m2/g，这是活性炭吸附能力强，吸附容量大的主要原因。活性炭的吸附以物理吸附为主，但由于表面氧化物存在，也进行一些化学选择性吸附。如果在活性炭中掺入一些具有催化作用的金属离子可以改善处理效果。活性炭应用时，常出现产品批次质量难控制，吸附选择性差等特点。,16,（一）活性炭分类,17,粉状活性炭颗粒极细，呈粉末状，其表面积、吸附力和吸附量都非常大，是活性炭中吸附力最强的一类。但因其颗粒太细，给后续过滤操作带来困难。颗粒状活性炭的颗粒粒径较前者大，表面积相应减小，吸附力与吸附量次于粉末状活性炭，但过滤较前者容易。锦纶-活性炭

10、是以锦纶为粘合剂，将粉末状活性炭制成颗粒。其表面积较纯颗粒状活性炭大，较粉末状活性炭小，但吸附能力较两者都弱。锦纶不仅起粘合作用，也起着脱活性作用，因此可用于分离前两种活性炭吸附太强而不易解吸的物质，如分离酸性氨基酸或碱性氨基酸，效果良好。,18,（二）活性炭的吸附机理,(1)物理吸附说 活性炭晶体是由诸多晶面组成的，晶面上碳原子呈六方形格子排列，每个碳原子以共价键与相邻的三个碳原子相键合，晶格中形成空穴或空隙，处于晶体边缘这些空穴或空隙将出现未饱和键，具有吸附活性。空隙度愈高表面积愈大，其活性点就愈多，吸附活性将愈大。活性炭的吸附是由于范德华力引起的物理吸附。,19,(2)电化学吸附说 活性

11、炭与氧接触时被还原为羟基，并析出过氧化氢，碳失去电子而荷正电，故可吸附阴离子，其反应为：02+2H20+2eH202+20H C一2eC2,20,(3)离子交换说含金浸出液中的Au(CN)2在与活性炭作用时滞留在活性炭的微孔内壁的活性中心上，这种活性中心(称为氧化性点)能释放出阴离子并与Au(CN)2 进行离子交换反应，从而使Au(CN)2 吸附于活性炭上。(4)双电层说金氰络离子Au(CN)2在活性炭微孔壁上活化点吸附后，形成局部负电区，在静电作用下，矿浆中的正离子Me+产生定向运动，并与Au(CN)2形成双电层，双电层不稳定并进而形成离子偶MeAu(CN)2。离子偶在CO、H2及H2O等的

12、氧化还原作用下，最终形成Au(CN)2、Au及Au3CN等。,21,（三）活性炭对物质的吸附规律,活性炭是非极性吸附剂，因此在水中吸附能力大于有机溶剂中的吸附能力。针对不同的物质，活性炭的吸附遵循以下规律：（1）对极性基团多的化合物的吸附力大于极性基团少的化合物（2）对芳香族化合物的吸附能力大于脂肪族化合物（3）对相对分子量大的化合物的吸附力大于相对分子量小的化合物（4）pH 值的影响 碱性物质 酸性条件吸附 中性条件洗脱 酸性物质碱性条件吸附 中性条件洗脱（5）温度 未平衡前 随温度升高而增加,22,再生：指在吸附剂本身结构不发生或极少发生变化的情况下，用某种方法将被吸附的物质，从吸附剂的细

13、孔中除去，以达到能够重复使用的目的。1）加热再生法：分为高温再生和低温再生；一般采用高温再生。脱水（活性炭与液体分离）干燥（100150度）炭化（300700度）活化（用蒸汽）冷却2）药剂再生法：酸碱、有机溶剂3）化学氧化法：湿式氧化、臭氧4）生物再生法：利用微生物作用,（四）活性碳的再生,23,硅胶是应用很广的一种极性吸附剂。是具有硅氧交联结构，表面有许多硅醇基的多孔性微粒。硅醇基可与极性化合物或不饱和化合物形成氢键而使硅胶具较强的吸附力。通过控制胶团的尺寸和堆积配位数可以控制硅胶的孔容、孔径和表面积。硅胶的表面保留着大约5wt.的羟基，是硅胶的吸附活性中心。在200以上羟基会脱去，所以硅胶

14、的活化温度应低于200。,|O O|SiOSiOH|O O|,1.2.4.2 硅胶,24,硅胶的化学式：SiO2 nH20 O O SiOSiOH O O 硅胶是极性吸附剂，难于吸附非极性物质，易于吸附极性物质（如水、甲醇等）；吸湿，高湿度气体的干燥。,25,硅胶具有微酸性，极性化合物如水、醇、醚、酮、酚、胺、吡啶等能与硅胶表面的羟基生成氢键，吸附力很强。对极性高的分子如芳香烃、不饱和烃等的吸附能力次之。对饱和烃、环烷烃等只有色散力的作用，吸附力最弱。硅胶的活性与含水量有关：含水量高则吸附力减弱。当游离水含量17%以上时，吸附能力极低，可作为分配色谱的载体。硅胶常作为干燥剂用于气体或液体的干燥

15、脱水，也可用于分离烷烃与烯烃、烷烃与芳烃，同时硅胶也是常用的色谱柱填充材料。,26,化学式：Al2O3 n H2O含水氧化铝加热脱水制成的一种极性吸附剂。比表面积约为200300m2/g，与硅胶相比，机械强度高，物化稳定性高，耐高温，抗腐蚀，但不宜在强酸、强碱条件下使用活性氧化铝表面的活性中心是羟基和路易斯酸中心，极性强，对水有很强的亲和作用。活性氧化铝广泛应用于脱除气体中的水，磷的吸附。氧化铝的活性与其含水量有很大的关系。水分会掩盖活性中心，故含水量愈高，活性愈低。,1.2.4.3 活性氧化铝,27,化学式：Mex/n(AlO2)x(SiO2)y mH2O其中Me阳离子，n为原子价数，m为结

16、晶水分子数沸石分子筛由高度规则的笼和孔组成每一种分子筛都有相对均一的孔径，其大小随分子筛种类的不同而异。,强极性吸附剂，对极性分子如H2O、CO2、H2S等有很强的亲和力，对氨氮的吸附效果好，而对有机物的亲和力较弱。,1.2.4.4 沸石,28,分子筛晶体中有许多一定大小的空穴，空穴之间有许多同直径的孔（也称“窗口”）相连。由于分子筛能将比其孔径小的分子吸附到空穴内部，而把比孔径大的分子排斥在其空穴外，起到筛分分子的作用，故得名分子筛。,29,1.2.4.5 大孔树脂吸附剂,组成结构：有机高分子聚合物的多孔网状结构特点：选择性好；解吸容易；机械强度好；流体阻力较小；反复使 用；价格高树脂的吸附

17、能力一般随吸附质亲油性的增强而增大。类型：非极性吸附剂芳香族（苯乙烯等）中等极性吸附剂脂肪族（甲基丙烯酸酯等）极性吸附剂含硫氧、酰氨、氮氧等基团,30,1.2.4.6羟基磷灰石（磷酸钙）,在无机吸附剂中，磷酸钙是唯一的适用于生物活性高分子物质（如蛋白质、核酸）的分离的吸附剂。羟基磷灰石主要适用于蛋白质的层析分离，也适用于较小的核酸，如转移RNA的分离。,31,聚酰胺对很多极性物质有吸附作用，这是由于聚酰胺的一CO及NH基能与被分离物质之间形成氢键。如酚类(包括黄酮类、鞣质等)和酸类如核苷酸、氨基酸等)是以其羟基与酰胺键的羰基形成氢键；硝基化合物和醌类等物质与酰胺键的氨基形成氢键。被分离物质形成

18、氢键能力的强弱，确定吸附能力的差异。水中氢键最强，有机溶剂中次之，碱性溶剂中形成氢键能力最弱。,1.2.4.7 聚酰胺,32,1.2 吸附力及吸附类型,吸附力A范德华力B静电作用力C氢键D疏水相互作用E空间位阻等F酶与基质结合时的亲和力（综合了空间和其它力的综合力）吸附类型A物理吸附吸附剂和吸附物通过分子间力(范德华力)产生的吸附称为物理吸附。这是一种最常见的吸附现象，其特点是吸附不仅限于一些活性中心，而是整个自由界面。,B、化学吸附 化学吸取附是由于吸附剂在吸附物之间的电子转移，发生化学反应而产生的，属于库仑力范围，它与通常的化学反应不同的地方在于吸附剂表面的反应原子保留了它或它们原来的格子

19、不变。C物理吸附与化学吸附的比较,33,1.3 影响吸附的主要因素,（1）吸附剂的性质：比表面积、粒度大小（影响吸附量；操作时间）极性 孔径（影响吸附质的传递）,溶液中，固体吸附剂的吸附要考虑三种作用力：1、界面层上固体与溶质之间的作用力；2、固体与溶剂之间的作用力；3、溶质与溶液之间的作用力。,非极性吸附剂可从极性溶剂中吸附非极性溶质；极性吸附剂可从非极性溶剂中吸附极性物质；中等极性吸附剂兼有以上两种能力,34,（2）吸附质的性质：表面张力的影响，能使表面张力降低的物质容易吸附 溶解度，在溶剂中溶解度大的不容易吸附 极性（和吸附剂相似），相对分子量(越大越吸附）（3）温度：吸附是放热过程；吸

20、附质的稳定性（4）溶液pH值：影响吸附质的解离状况（5）盐浓度：影响复杂，一般高盐有促进吸附的效果。（6）其它组分：抢占吸附位点；也有帮组吸附的物质,35,1.4 吸附法一般操作过程,吸附是利用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的过程。吸附过程通常包括：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、吸附质解吸回收等四个过程。,料液与吸附剂混合,吸附质被吸附,料液流出,吸附质解吸附,Step1,Step2,Step3,Step4,36,2.1 离子交换剂的骨架分类,第二节离子交换原理及操作,化工高分子材料：苯乙烯-二乙烯基苯型，丙烯酸-二乙烯苯型

21、 特点：疏水性高（导致蛋白变性）、交联度大（蛋白难通过）、孔隙率小及电荷密度高（大分子结合位点多，解吸难），常用于生物小分子的回收天然高分子：葡聚糖凝胶，琼脂糖凝胶，醋酸纤维素凝胶：特点：亲水性好、非特异性吸附小，常用于生物大分子的回收,37,2.1.1 聚苯乙烯磺酸型阳离子交换树脂,交联剂,活性基团,38,2.1.2 离子交换纤维素,树脂骨架为纤维素，根据活性基团的性质可分为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：羧甲基纤维素二乙基氨基乙基纤维素,39,骨架为葡聚糖凝胶，如seph

22、arose、sephadex，根据功能基团的不同，亦可分为阳离子交换和阴离子交换树脂命名方法：交换活性基团+骨架+原骨架编号特点：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树脂：CM-sephadex C-25、DEAE-sephadex A-25等,2.1.3葡聚糖凝胶离子交换树脂,40,强酸性阳离子交换树脂：活性基团是-SO3H（磺酸基）和-CH2SO3H（次甲基磺酸基）；弱酸性阳离子交换树脂：活性基团有-COOH,-OCH2COOH,C6H5OH等弱酸性基团；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-羟基乙基胺基；弱碱性阴离子

23、交换树脂：活性基团为伯胺或仲胺，碱性较弱；,2.2 按电荷划分的离子交换树脂,同离子：与树脂骨架电荷性质相同的离子反离子：与树脂骨架电荷性质相反的离子,41,强酸型阳离子交换剂（含有磺酸基-SO3H等）对各种正离子的亲和力次序为：Fe3+Al3+Zn2+Cu2+Ni2+Co2+Fe2+Ba2+Cr2+Ca2+Mg2+Cs+Rb+K+Na+H+Li+弱酸型阳离子交换剂（含有羧基-COOH，酚羟基-OH等）转为氢型时很容易，仅需很少量的酸即可。强碱性阴离子交换剂（含季胺-N+(CH3)3等）对各种负离子的亲和力次序为：柠檬酸根 SO42-Cr2O4-I-NO3-CrO4-Br-SCN-Cl-HCO

24、O-OH-F-CH3COO-弱碱性阴离子交换剂易于转变为羟型。阳离子只能被阳离子交换剂吸附，阴离子只能被阴离子交换剂吸附；亲和力大的易于吸附，难于洗脱，亲和力小的难于吸附，容易洗脱；,42,这类树脂含有强酸性基团，如磺酸基SO3H。能在溶液中离解H+而呈强酸性。反应简式为：树脂中的SO3-基团能吸附溶液中的其他阳离子如：强酸性树脂的离解能力很强，在酸性或碱性溶液中都能离解和产生离子交换作用，因此使用时的pH没有限制。,2.2.1强酸性阳离子树脂,43,2.2.2 弱酸性阳离子树脂,这类树脂含有弱酸性基团，如羧基COOH、酚羟基 OH，能在水中离解出H+而呈弱酸性。反应简式为：只能在碱性、中性或

25、微酸性溶液中发挥作用(羧基pH6，酚羟基pH9)。这类树脂也是用酸进行再生。,44,2.2.3强碱性阴离子树脂,这类树脂含有强碱性基团，如季铵基NR3OH，能在水中离解出OH-而呈碱性，反应简式为：离解性很强，使用的pH范围没有限制，再生一般用强碱。,45,2.2.4 弱碱性阴离子树脂,这类树脂含有弱碱性基团，如伯胺基(NH2)、仲胺基(NHR)或叔胺基(NR2)，反应简式为：离解能力较弱，只能在低pH值下工作，可用弱碱再生。,46,四种基本类型树脂的实用型,1）将强酸性阳离子树脂与NaCl作用，转变为钠型树脂；避免了溶液pH值下降和由此产生的副作用，如对设备的腐蚀。进行再生时，用盐水而不用强

26、酸。2）弱酸性树脂生成的盐RCOONa很易水解，呈碱性，所以用水洗不到中性，一般只能洗到pH910左右。但是弱酸性树脂和氢离子结合能力很强，再生成氢型较容易，耗酸量少。,47,四种基本类型树脂的实用型,3）强碱性阴离子树脂可先转变为氯型，工作时用Cl-交换其他阴离子，再生只需用食盐水。4）弱碱性树脂生成的盐RNH3 Cl同样易水解。这类树脂和OH-离子结合能力较强，所以 再生成羟型较容易，耗碱量少。强酸性树脂和强碱性树脂在转变成钠型和氯型后，在使用时就不再有强酸性及强碱性。但它们仍具有这些树脂的其他典型性能，如强离解性和工作的pH范围宽等。,48,离子交换树脂的命名方法,49,2.3树脂性能评

27、价,(1)外观：球形（减少流体阻力）、浅色为宜（一般颜色和性能关联不大），粒度大小为1660目90%；(2)交联度：其大小决定着树脂机械强度以及网状结构的疏密。交联度大，网孔小，结构紧密，树脂机械强度大；交联度小，树脂网孔大，结构疏松，机械强度小。同时，交联度的变化，使离子交换树脂对大小不同的各种离子具有选择性通过的能力（离子筛）。(3)含水量：将树脂在105110干燥至恒重就可以测定其含水量。将树脂离心(400g,30min)，所失去的水分称为溶胀水。它和树脂的交联度有关，可作为测定交联度的一种方法。(4)膨胀度：干树脂加水，不时摇动，24h后，测定树脂体积，前后体积之比，为膨胀系数。骨架结

28、构（无机结构不容易膨胀；分子刚性大的膨胀小）；与交联度(越大越高）；活性基团的性质与数量（水合离子半径大的树脂溶胀性强）；活性离子的性质（活性离子水合度大，离子价数高，膨胀度大）有机溶剂存在条件下膨胀度小,50,(5)机械强度：树脂必须具有一定的物理稳定性，以避免或减少在使用过程中破损流失。一般来说，膨胀度越大，交联度小的树脂，机械强度就越差。(6)湿真密度：树脂的密度有干真密度、湿真密度、视密度等。取所需型式的湿树脂，在布氏漏斗中抽干。迅速称取25g抽干树脂，入密度瓶中，加水至刻度称重，计算。密度压力计算可用于评价颗粒所受压力。(7)稳定性：化学稳定性、热稳定性；(8)孔隙度、孔径、比表面积

29、 孔径越大，越容易大分子通过；比表面积越大，可接入的交换基团越多。,51,（9）交换容量A交换容量(exchange capacity)指单位质量的干燥离子交换剂或单位体积的湿离子交换剂所能吸附的一价离子的毫摩尔数(mmol)，是表征交换剂离子交换能力的主要参数。B交换容量的测定对于阳离子交换剂：用HCl将其处理成氢型，称重并测定其含水量；称数克交换剂，加入到过量已知浓度的NaOH溶液，发生交换反应,待反应达到平衡后(强酸性的需要静置24h，弱酸性的需静置数日)，测定剩余的NaOH摩尔数，就可求得阳离子交换剂的交换容量。对于阴离子交换剂：将阴离子交换剂转换成Cl型后，取一定量的Cl型交换剂，通

30、入Na2SO4,用铬酸钾作指示剂，用硝酸银溶液滴定流出液的Cl-，根据Cl-量计算交换容量。蛋白质的交换容量：比小分子化合物要小的多：树脂孔道的空间排阻作用大；交换后排阻其他蛋白质的扩散和交换；蛋白质的多电荷与多个交换中心结合,52,C滴定曲线全面评价表征交换剂的重要参数方法：1g氢型(或羟型)交换剂+x-ml 0.1M NaOH/or HCl+水至50 ml(其中1支+50 ml 0.1 M NaCl)+静置24h(对强交换剂)/or 7d(对弱交换剂)+测pH+作图意义：1st 强离子交换剂的交换；2nd 弱离子交换剂的交换；3rd 滴定曲线的转折点 交换容量；4th 转折点数 交换基团的

31、种类数；5th 交换容量随pH的变化。,53,1亲水性及生物相容性：以亲水性骨架衍生的离子交换剂为生物大分子提供适宜的微环境，有很好的生物相容性；2孔结构：生化用离子交换剂在分离中兼有分子筛与离子交换的双重作用，要求孔径分布更加均匀。3电荷密度：电荷密度要适当。过大，生物大分子多个带电荷的残基与多个官能团结合，可能使其发生构象变化，导致失活。4粒度：生物大分子扩散速率小，运动阻力大，要提高交换速度只能减小粒径，一般在20一30m范围内。,生化用离子交换剂的特点：,54,2.4 树脂的应用选择,55,原因：强酸对强碱，解吸较困难；弱酸对弱碱，形成的盐易水解，不易吸附；低交联度便于大分子扩散到树脂

32、内部，但交联度过低，会 影响树 脂的选择性和机械强度；交联度过高，树脂在清洗再生及转型过程中，膨胀度较大，对设备造成损坏。,56,2.5 离子交换树脂使用一般流程,2.5.1 树脂预处理预处理原因：离子交换树脂合成时残留一定的单体，分散剂，引发剂，有机溶剂等，会阻碍离子交换效果和分离对象活性。常用预处理方法有：物理处理：水洗、过筛，去杂，以获得粒度均匀的树脂颗粒；化学处理：转型（氢型或钠型）阳离子树脂（中性）：酸（水）碱（水）酸（水）阴离子树脂:碱（水）酸（水）碱（水）最开始也用乙醇等有机溶剂洗 中间用水洗是为了节约最后以去离子水或缓冲液平衡目前也有不少方法动态流洗，主要采用有机溶剂，盐或酸碱

33、,57,2.5.2 离子交换,静态：操作简单、但是分批操作，交换不完全动态：离子交换柱，操作连续、交换完全，适宜多组份分离 柱式固定床（FixedBed）,58,1离子价数：离子交换树脂总是优先选择高价离子。2 离子的水化半径：离子在水溶液中的大小应用水化半径来表征，而不是原子量。水化半径较小的离子优先吸附（原子半径小，表面电荷密度大，水化半径大，进入吸附剂离子扩散层的数目就少，吸附能力低）；阴离子交换能力和感胶能力顺序有差别，在于感胶离子还剥离胶体水膜有关，而进入扩散层数目则成了次要因素。3 离子浓度：低交换性质的离子可通过提高浓度增强其交换性能。,2.5.3洗脱-影响交换和洗脱的因素,59

34、,4.树脂的交联度，膨胀度 交联度小的树脂有利于离子通过孔道，到达活性位点起交换作用。5.树脂与离子的辅助力 有的离子水合半径大，但交换量大，如一些阳离子，这时候起作用的主要是范德华力及氢键。6.有机溶剂影响 一方面影响介电系数，此外降低树脂的离子溶剂化水平，都是交换效果降低。7.pH 一些弱酸弱碱树脂在一定pH不解离成离子而不能使用离子交换；另外，被交换物质的离子化水平受pH影响，也会改变交换效果。,60,2.4.4 树脂再生,是指使离子交换树脂重新具有交换能力的过程酸性阳离子树脂 酸-碱-酸-缓冲溶液淋洗碱性阴离子树脂 碱-酸-碱-缓冲溶液淋洗方式有：顺流再生和逆流再生,61,第三节吸附平

35、衡理论,吸附平衡离子交换平衡,62,3.1吸附平衡,3.1.1 吸附类型吸附等温线：当吸附剂与溶液中的溶质达到平衡时，其吸附量q*同溶液中溶质的平衡应与温度有关。当温度一定时，吸附量只和浓度有关，q*=f(c)-吸附等温线。生物分离中至少有四种等温吸附线(见图)。,吸附等温线的绘制摇瓶间歇吸附法动态色谱吸附法,63,3.1.1.1 henry type,Henry type 在一定温度下，平衡时吸附剂吸附溶质浓度q*与液相溶质浓度c之间的关系为线性函数：m为分配系数。适应条件：在低浓度范围之内成立。当浓度较高时，上式无效。,64,3.1.1.2 Freundlich type,其经验公式为其中

36、，k和n为常数，n一般在1-10之间。Freundlich等温线可以描述大多数抗生素、类固醇、甾类激素等在溶液中的吸附过程。,65,n一般大于1，n值越大，其吸附等温线与线性偏离越大。当n10，吸附等温线几乎变成矩形，是不可逆吸附。,相对压力,相对吸附量,弗兰德里希等温线,66,3.1.1.3 Langmuir,假定：吸附在活性中心上进行，这些活性中心具有均匀的能量，且相隔较远。因此吸附物分子之间无相互作用力。每一个活性只能吸附一个分子，即形成单分子吸附层。吸附速度与溶液浓度C和吸附剂表面未被占据的活性中心数目成正比；解吸速度与吸附剂表面为该溶质所占据活性中心数目成正比,67,设固体表面上具有

37、吸附能力的总的晶格位置数（吸附位置数）N。因为吸附速率与A的浓度 c 及固体表面上的空位数(1-)N 成正比。,公式推导,68,若设：,b为吸附作用平衡常数。,可得：,69,当n个分子在一个活性中心发生吸附时，即存在此时有：当吸附剂对溶质的吸附作用非常大时，这时存在 n 10，或用前式表示Kb非常大，这时游离的溶质浓度对吸附浓度影响极小，接近不可逆吸附。此时吸附类型为Rectangle type如在固定化单克隆抗体的免疫亲和吸附中，一般存在 n 10。,70,B.E.T.模型假定在原先被吸附的分子上面仍可吸附另外的分子，同发生多分子层吸附；而且不一定等第一层吸满后再吸附第二层；对每一单层却可用

38、Langmuir式描述，第一层吸附是靠吸附剂与吸附质间的分子引力，而第二层以后是靠吸附质分子间的引力，这两类引力不同，因此它们的吸附热也不同。总吸附量等于各层吸附量之和。由此导出的二常数B.E.T.等温式为：式中 cs吸附质的饱和浓度；ce-吸附质的单层平衡浓度（Langmuir式）B常数，与吸附剂和吸附质的相互作用能有关。,3.1.1.4 B.E.T.等温式,71,BET理论与朗缪尔理论的相同、不同点的对照:,72,73,适用范围：BET二参数公式在吸附质浓度较低或较高的情况下，均产生较大偏差。,产生偏差原因：1）固体表面实际是不均匀的，各点吸附能力不同，最初吸附总是发生在能量最有利的位置上

39、；2）假定同一吸附层的分子间无相互作用力，上下层分子间却存在吸引力，这本身就是矛盾的；3）在低温、高压下，在吸附剂的毛细孔中，可能发生毛细凝结效应等等因素未考虑在内。,虽然至今为止，许多人想建立一个能解决表面不均匀性与分子间有相互作用的吸附理论，但均未成功。所以BET理论仍然是迄今为止应用最广、最成功的理论。,74,3.2.1 计量交换模型,3.2离子交换平衡,意义（1）反离子强度越高，分配系数越少，交换在在离子树脂上的成分就越少；（2）交换平衡常数Kxu越大，分配系数越大；（3）离子交换剂交换位点越多（RU)，分配系数越大;（4）pH值越大，分配系数越大；,A 强电解质XH的分配系数m,B

40、弱电解质XH的分配系数m,75,上式中I代表反离子数目，Z表示吸附一个担保交换的反离子数，一般为210意义：（1）离子强度和pH微小变化，会引起分配系数巨大变化；（2）分配系数往往很小，一般采用低离子强度下进行离子交换,C 蛋白质的分配系数m(交换物质为多价离子）,76,3.2.2 空间质量交换模型随着分子量的升高，交换剂对蛋白质分子的空间排阻作用增大，蛋白质分子进入离子交换剂困难，无法与所有的离子交换剂活性中心接触吸附于吸附剂上的蛋白质分子会妨碍其它蛋白与游离的离子交换活性中心接触，同时阻碍分子扩散 SMA 模型是以质量作用原理为基础的三参数模型.特征电荷数z b 描述了蛋白质在离子交换介质

41、上吸附的多位点特性（pH在其等电点时影响很大）;空间因子反映出吸附蛋白对介质上离子交换基团的空间屏障作用;平衡常数K 体现了蛋白质与离子交换介质之间相互作用的强度.,77,3.2.3 双电层模型在水溶液中，蛋白质和离子交换介质表面都存在双电层，蛋白质与离子交换剂的相互作用是通过双电层之间的静电作用完成的，但双电层之间的作用不符合质量作用定律，因此，不存在特征电荷；另外，吸附的蛋白质与离子交换介质不接触。模型可计算除静电作用以外的作用力，如范德华力，对平衡常数的影响；目前已有考虑了分子间相互作用力的双电层模型提出。,78,第四节吸附动力学,79,4.1吸附过程,80,固体颗粒表面对吸附质的吸附过

42、程按以下三步进行：吸附质通过扩散传递到固体颗粒的外表面，简称外扩散；吸附质从固体颗粒的外表面通过颗粒上的微孔进入颗粒内部表面，简称内扩散；在固体颗粒内表面上的吸附质被吸附剂吸附。在物理吸附过程中，在固体颗粒表面上的吸附质吸附过程很快，吸附的速率由前面两步决定。在大多数情况下，内扩散的速率较外扩散慢，吸附过程为内扩散控制；但有的情况下，外扩散速率比内扩散速率慢得多，吸附速度由外扩散速率决定，称为外扩散控制。,81,4.2离子交换过程,溶液离子向树脂表面扩散（膜扩散）；离子通过树脂表面向内部扩散（颗粒扩散）；“慢”树脂内进行离子交换（交换反应）；已交换离子从树脂内部向外扩散（颗粒扩散）；“慢”已交

43、换离子由树脂表面向本体溶液扩散（膜扩散）。,82,83,4.3.1水膜内的物质迁移速度 由Fick定律，水膜内的传质速度NA由下式结出：式中 D溶质在水膜中的扩散系数，m2/L；水膜厚度，m；kf水膜传质系数，m/L；c水中溶质的浓度，kg/m3；ci颗粒表面的溶质浓度，kg/m3。,4.3 各过程迁移速度公式,84,4.3.2固定床填充层单位容积的吸附速度,式中 b填充层的表现密度，kg/m3；av填充层单位容积的颗粒外表面积，m2/m3。,85,多孔固体载体内的扩散运动,在具有连续空隙的多孔体(含粒子充填层)内，分子在这种细孔中的移动，可分为“细孔扩散”和“表面扩散”两种机理。(1)微孔内

44、扩散：由于扩散距离增加而导致扩散系数的减少。设多孔体内的空隙为，有效扩散系数为De，则：D De=d式中 D细孔空间的流体相中运动分子的扩散系数 d 与扩散有关的细孔曲折系数(2)表面扩散：当分子被吸附在多孔介质表面时,就会在表面浓度梯度的作用下产生表面分子迁移,这种流动称为表面扩散.表面扩散速率取决于组分在膜孔表面上的吸附平衡和表面扩散系数（溶质由于来回在孔道表面吸附解吸导致扩散速率下降）(3)阻滞扩散：由于凝胶阻滞现象引起，既大分子无法扩散到多孔体的孔径中。有效扩散系数与细孔分子的半径、凝胶纤维半径、凝胶浓度，溶质蛋白浓度电荷及半径都有关联。,86,多孔性物质内部的扩散现象极为复杂，受到细

45、孔扩散和细孔壁表面扩散两方面的影响，但类似于分子扩散，均以扩散物质的浓度梯度作为推动力。其中通过细孔内液相向颗粒内部扩散的速度为 式中 NP细孔内的扩散速度，kg/(m2.h)；DP一细孔内有效扩散系数，m2/h；c-细孔内溶液浓度，kg/m3；r扩散方向的距离，m。,87,细孔壁上的表面扩散以吸附量梯度为推动力，沿表面从吸附量大处向小处作二维移动。表面扩散速度与吸附质分子的大小、温度、吸附质与吸附剂之间的结合能有关。其速度为：式中 Ns一表面扩散速度，kg/(m2h)；a一吸附剂的表观密度,kg/m3；Ds一表面扩散系数，m2/h。颗粒内总扩散速度为之和,即,88,孔扩散模型：游离溶质为主要

46、推动力，无表面扩散现象；表面扩散模型：只考虑表面扩散现象；均相扩散模型：把吸附剂离子看作均相网络结构粒子，所有溶质浓差为主要传质推动力；平行扩散模型：认为孔扩散和表面扩散现象同等重要。,固体扩散模型,89,4.4 影响交换速度的因素,颗粒大小：愈小越快交联度：交联度小，交换速度快温度：越高越快离子化合价：化合价与高，交换越快离子大小：越小越快搅拌速度：在一定程度上，越大越快溶液浓度：当交换速度为外扩散控制时，浓度越大，交换速度越快,90,第五节吸附设备原理及操作,5.1固定床吸附操作5.2膨胀床吸附操作5.3流化床吸附操作5.4模拟/移动床吸附操作5.5搅拌釜吸附操作,好的吸附设备考虑：单位体

47、积吸附剂多少；吸附剂与吸附质的良好传递；吸附剂在吸附装置的保留与流失；吸附剂的磨损,91,5.1固定床吸附操作,饱和(最大)吸附浓度q0:与入口料液浓度c0相平衡的吸附浓度。穿透曲线(breakthrough curve)：穿透时间:一般为出口浓度达到入口浓度的5%-10%的时间。浓度波/吸附带/交换带：吸附塔中液相或固相溶质浓度从c0/或q0到0的分布区带。传质区：在交换带中发生的液、固相之间的传质恒定图式分布(constant patern)：浓度波以恒定的形式移动，一般发生在Langmuir和Freundlich型的吸附操作中。,92,动态法测定吸附量曲线1为不吸附溶质的穿透曲线，对应的

48、体积为V0。曲线2为吸附溶质的曲线，对应体积为V。吸附剂吸附溶质的量为斜线面积，即为c0(V-V0)。利用不同浓度的溶液反复作吸附操作，即可得到吸附平衡关系q*=f(c).,93,5.2流化床吸附操作,固定床：在吸附颗粒确定以后，床层的膨胀与通过床层液体的表观流速U有关。当U不大时，颗粒之间仍保持静止并互相接解，这为固定床。流化床：当U增大至起始流态化速度Umf，颗粒不再相互支撑，开始悬浮在液体中；进一步提高U，床层随之膨胀，床层的压力降几乎不变，但床层中颗粒的运动加剧，这时的床层为流化床。固定床优点：流体在介质层中基本上呈平推流，返混小，柱效率高。缺点：无法处理含颗粒的料液，因会堵塞床层，造

49、成压力降增大而最终使操作无法进行。流化床缺点：存在严重的返混，特别是高径比很小的流化床，使床层理论塔板数降低，吸附剂的利用率低,94,5.3膨胀床吸附操作,膨胀床综合固定床和流化床的优点，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(见图)。,95,操作 见图。计算当颗粒较小时(雷诺数 20),起始流态化速度:而自由沉降速度Ut为：液体表观流速U为Richardson-Zaki公式：n-系数(层流时为4.8),-膨胀率。在稳定膨胀时，通过床层的表观流速U应在起始流态化速度U

50、mf和自由沉降速度Ut之间。,96,膨胀床吸附操作-膨胀床操作,97,膨胀床与固定床区别,膨胀床底部安装有底部液体分布器和床层高度调节器；液体以高于吸附剂最小流化速率达流速输入；膨胀床状态下床层高度为固定床的1.53.0倍；膨胀床所独有的高床层空隙率允许菌体细胞或碎片自由通过,98,膨胀床与流化床区别,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,99,4.4模拟/移动床吸附操作,1）、移动床(moving bed)吸附床：再生床：吸附质的轴向浓度分布：存在问题A吸附剂的磨损;B固相出口的堵塞(为此，必须采用床层震动或用球形旋转阀等特殊装置)。,100,流