1、生物工程下游技術(shù)第六章 吸附分離技術(shù)與理論學(xué)習(xí)目的和要求 在了解吸附劑和離子交換劑、吸附和離子交換平衡的基礎(chǔ)上，掌握吸附和離子交換操作及其設(shè)計的理論基礎(chǔ)。 通過本章學(xué)習(xí)應(yīng)掌握以下內(nèi)容：什么是吸附過程？吸附的類型有哪些？它們是如何劃分的？常用的吸附劑種類有哪些？什么是吸附等溫線？其意義何在？影響吸附過程的因素有哪些？什么是親和吸附？其特點有哪些？常用的吸附單元操作有哪些方式？什么是離子交換？離子交換樹脂的分類？其主要的理化性質(zhì)有哪些？離子交換的機(jī)理是什么？什么是離子交換的選擇性？其選擇性受哪些因素影響？基本的離子交換操作是怎樣的？如何利用離子交換法分離蛋白質(zhì)？目錄引言吸附劑與離子交換劑吸附平衡離

2、子交換平衡固定床吸附操作膨脹床吸附操作一、引言吸附定義 吸附（adsorption）是溶質(zhì)從液相或氣相轉(zhuǎn)移到固相的現(xiàn)象,即利用吸附劑對液體或氣體中某一組分具有選擇性吸附的能力，使其富集在吸附劑表面。（1）定義吸附操作 利用固體吸附的原理從液體或氣體除去有害成分或提取回收有用目標(biāo)產(chǎn)物的過程，一般包括待分離料液與吸附劑混合、吸附質(zhì)被吸附到吸附劑表面、料液流出、吸附質(zhì)解吸回收等四個過程料液與吸附劑混合吸附質(zhì)被吸附料液流出吸附質(zhì)解吸附Step1Step2Step3Step4（2）吸附分類物理吸附：基于吸附劑與溶質(zhì)間范德華力，無選擇性、無需高活化能、吸附層可以是單層，也可以是多層、吸附和解吸附速度通常較

3、快；化學(xué)吸附：基于吸附劑與溶質(zhì)之間的化學(xué)結(jié)合，吸附過程產(chǎn)生電子轉(zhuǎn)移；需要高活化能、只能以單分子層吸附，選擇性強、吸附和解吸附速度較慢；離子交換：基于吸附劑與溶質(zhì)之間的靜電引力，吸附過程發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移 常見的吸附類型及其主要特點物理吸附化學(xué)吸附吸附作用力 分子間引力化學(xué)鍵合力選擇性較差較高所需活化能低高吸附層單層或多層單層達(dá)到平衡所需時間快慢二、吸附分離介質(zhì)識記：生物分離中常用的吸附劑和離子交換劑 理解：吸附劑、離子交換劑性能評估方法 應(yīng)用：掌握典型離子交換劑的滴定曲線 1、常用的吸附劑吸附劑應(yīng)具備的特征：對被分離的物質(zhì)具有較強的吸附能力有較高的吸附選擇性機(jī)械強度高再生容易、性能穩(wěn)定價格低廉。常用

4、的吸附劑 活性炭，硅膠，金屬氧化物，有機(jī)高分子樹脂聚苯乙烯樹脂評價吸附性能的參數(shù)：比表面積、孔徑比表面積：孔徑：比表面積直接影響到溶質(zhì)的吸附容量，較大的比表面積可使溶質(zhì)的吸附量增加?？讖綄ξ絼┬阅艿挠绊懼饕w現(xiàn)在其對溶質(zhì)在吸附劑內(nèi)擴(kuò)散的影響方面。當(dāng)孔徑越大，溶質(zhì)分子擴(kuò)散越容易，反之則越困孔徑和比表面積相互制約，孔徑越大，比表面積越小?；?性 炭活性炭種類顆粒大小表面積吸附力吸附量洗脫粉末活性炭小大大大難顆粒活性炭較小較大較小較小難錦綸活性炭大小小小易粉末活性炭錦綸活性炭活性炭對物質(zhì)的吸附規(guī)律活性炭是非極性吸附劑，因此在水中吸附能力大于有機(jī)溶劑中的吸附能力。針對不同的物質(zhì)，活性炭的吸附規(guī)律遵循

5、以下規(guī)律：（1）對極性基團(tuán)多的化合物的吸附力大于極性基團(tuán)少的化合物（2）對芳香族化合物的吸附能力大于脂肪族化合物;（3）對相對分子量大的化合物的吸附力大于相對分子量小的化合物;（4）pH 值的影響 堿性 中性吸附 酸性洗脫; 酸性 中性吸附 堿性洗脫;（5）溫度 未平衡前 隨溫度升高而增加;大孔網(wǎng)狀吸附劑特點：脫色去臭效果理想；對有機(jī)物具有良好的選擇性；物化性質(zhì)穩(wěn)定；機(jī)械強度好；吸附速度快；解吸、再生容易。但價格昂貴，吸附效果易受流速以及溶質(zhì)濃度等因素的影響。大孔網(wǎng)狀吸附樹脂的種類非極性吸附樹脂：苯乙烯交聯(lián)而成，交聯(lián)劑為二乙烯苯，又稱芳香族吸附劑。中等極性吸附樹脂：甲基丙烯酸酯交聯(lián)而成，交聯(lián)劑

6、亦為甲基丙烯酸酯，故又稱脂肪族吸附劑。極性吸附劑：丙烯酰胺或亞砜經(jīng)聚合而成，通常含有硫氧、酰胺、氮氧等基團(tuán)。大孔吸附樹脂的吸附機(jī)理非離子型共聚物，借助于范德華力從溶液中吸附各種有機(jī)物，其吸附能力與樹脂的化學(xué)結(jié)構(gòu)、物理性能以及與溶質(zhì)、溶劑的性質(zhì)有關(guān)。通常遵循以下規(guī)律：非極性吸附劑可從極性溶劑中吸附非極性溶質(zhì)；極性吸附劑可從非極性溶劑中吸附極性物質(zhì)；中等極性吸附劑兼有以上兩種能力2、常用的解吸方法低級醇、酮或水溶液解吸 原理：使大孔樹脂溶脹，減弱溶質(zhì)與吸附劑間 的相互作用力堿解吸附 原理：成鹽，主要針對弱酸性溶質(zhì)酸解吸附原理同上水解吸附 原理：降低體系中的離子強度，降低溶質(zhì)的吸 附量3、吸附等溫線

7、概念：當(dāng)溫度一定時，吸附量與濃度之間的函數(shù)關(guān)系稱為吸附等溫線。Langmuir吸附等溫線 qo和K是經(jīng)驗常數(shù)，c代表溶液中溶質(zhì)濃度蛋白質(zhì)分離提純時適合此吸附方程Langmuir吸附等溫線4、影響吸附的主要因素吸附劑的性質(zhì)：比表面積、粒度大小、極性吸附質(zhì)的性質(zhì)：對表面張力的影響，溶解度，極性，相對分子量溫度：吸附是放熱過程，吸附質(zhì)的穩(wěn)定性溶液pH值：影響吸附質(zhì)的解離鹽濃度：影響復(fù)雜，要視具體情況而定5、什么是親和吸附？親和吸附分離是利用溶質(zhì)和吸附劑之間特殊的化學(xué)作用，從而實現(xiàn)分離。吸附劑由載體（Carrier）和配位體(Ligand)組成Affinity adsorption（1）親和吸附的特點

8、效率高：利用親和吸附可以從粗提液中一次性分離得到高純度的活性物質(zhì)。分離精度高：可用于分離含量極低，結(jié)構(gòu)相近的化合物通用性較差，洗脫條件苛刻（2）親和吸附載體的種類種 類組 成性 能多孔玻璃載體硅酸鹽堅硬、耐酸堿、易修飾聚丙烯酰胺凝膠載體丙烯酰胺N,N-亞甲基雙丙烯酰胺親水性好可供活化基團(tuán)多纖維素載體多糖類物質(zhì)來源豐富，但非特異性吸附及空間位阻強，對分離不利葡聚糖凝膠載體經(jīng)環(huán)氧丙烷交聯(lián)的多糖類理化性質(zhì)穩(wěn)定，但粒徑太小（3）載體的活化和偶聯(lián)親和吸附的載體通常是惰性的，往往不能直接與配基連接，偶聯(lián)前需要先活化，活化的方法主要有：溴化氰活化法：瓊脂糖、葡聚糖引入亞氨基碳酸鹽高碘酸活化法：氧化多糖，生成

9、烷基胺環(huán)氧化法：多糖類載體與環(huán)氧氯丙烷作用生成環(huán)氧化合物，再與氨基偶聯(lián)甲苯磺酰氯法：雙功能試劑法 二乙烯砜環(huán)氧化法表氯醇Activation配基偶聯(lián)方法載體經(jīng)活化后，就可以進(jìn)行與配基的偶聯(lián)反應(yīng)。具體方法如下：碳二亞胺縮合法(脫水)酸酐法疊氮化法重氮化法（4）影響親和吸附的因素配基濃度 配基濃度高有利；空間位阻 加入“手臂鏈”以降低空間位阻的影響；配基與載體的結(jié)合位點 就蛋白質(zhì)等大分子作為配基時，與載體連接的鍵越少越好；載體孔徑：孔道大小；微環(huán)境：載體或“手臂鏈”的極性、電性；6、常用的吸附單元操作方式間歇吸附 依據(jù)是吸附等溫線和物料衡算方程連續(xù)攪拌吸附固定床吸附 柱式塔 穿透點三、離子交換(i

10、on exchange) 概念：利用離子交換樹脂作為吸附劑，將溶液中的待分離組分，依據(jù)其電荷差異，依靠庫侖力吸附在樹脂上，然后利用合適的洗脫劑將吸附質(zhì)從樹脂上洗脫下來，達(dá)到分離的目的。1、離子交換樹脂的構(gòu)成具有三維空間立體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)骨架聯(lián)接在骨架上的活性基團(tuán)活性基團(tuán)所帶的相反電荷的活性離子（可交換離子）樹脂的網(wǎng)絡(luò)骨架2、離子交換劑分類離子交換劑陽離子交換劑（活性基團(tuán)為酸性）強陽離子：磺酸基、磺丙基、膦酸基弱陽離子：羧甲基、羧基陰離子交換劑（活性基團(tuán)為堿性）強陰離子：三甲胺基、季胺乙基、二乙胺乙基弱陰離子：氨基3、常用的離子交換劑生物小分子的回收 種類：苯乙烯-二乙烯基苯型，丙烯酸-二乙烯苯型，

11、多乙烯多胺-環(huán)氧氯丙烷型樹脂 特點：疏水性高、交聯(lián)度大、孔隙率小及電荷密度高生物大分子的回收 種類：葡聚糖凝膠，瓊脂糖凝膠，醋酸纖維素凝膠： 特點：親水性好、非特異性吸附小 4、離子交換劑之交換容量定義 交換容量是單位質(zhì)量的干燥離子交換劑或單位體積的濕離子交換劑所能吸附的一價離子的毫摩爾數(shù)。 吸附容量是表征離子交換能力的主要參數(shù) 交換容量的測定陽離子交換劑 轉(zhuǎn)化為氫型 陰離子交換劑 轉(zhuǎn)化為氯型 5、離子交換的一般過程6、常用的離子交換樹脂強酸性陽離子交換樹脂：活性基團(tuán)是-SO3H（磺酸基）和-CH2SO3H（次甲基磺酸基）；弱酸性陽離子交換樹脂：活性基團(tuán)有-COOH, -OCH2COOH, C

12、6H5OH等弱酸性基團(tuán)；強堿性陰離子交換樹脂：活性基團(tuán)為季銨基團(tuán)，如三甲胺基或二甲基-羥基乙基胺基；弱堿性陰離子交換樹脂：活性基團(tuán)為伯胺或仲胺，堿性較弱；7、新型離子交換樹脂大孔離子交換樹脂 大孔離子交換樹脂具有和大孔吸附劑相同的骨架結(jié)構(gòu)，在大孔吸附劑合成后（加入致孔劑），再引入化學(xué)功能基團(tuán)，便可得到大孔離子交換樹脂大孔離子交換樹脂的優(yōu)點通過在合成時加入惰性致孔劑，克服了普通凝膠樹脂由于溶脹現(xiàn)象，產(chǎn)生的“暫時孔”現(xiàn)象，從而強化了離子交換的功能；減少了凝膠樹脂在離子交換過程中的“有機(jī)污染”現(xiàn)象（大分子不易洗脫）；可以通過致孔劑選擇調(diào)整孔徑大小、樹脂的比表面積，以適應(yīng)不同的分離要求。常用的致孔劑有

13、：良溶劑（能與單體互溶的）甲苯、四氯化碳；不良溶劑 長鏈醇（碳4-10） 煤油；高分子聚合物 聚苯乙烯、聚丙烯酸酯其它離子交換樹脂類型兩性樹脂：同時含有酸、堿兩種基團(tuán)的樹脂；均孔型離子交換樹脂：主要是陰離子型凝膠離子交換樹脂，孔徑均勻，交換容量高、機(jī)械強度好；螯合樹脂：樹脂上含有具有螯合能力的集團(tuán)，既可以形成離子鍵，又可以形成配位鍵；主要用于脫除金屬離子；*多糖基離子交換樹脂：固相載體為多糖類物質(zhì)，親水性強、交換空間大、對生物大分子物致變性作用主要的多糖基離子交換樹脂離子交換纖維素 樹脂骨架為纖維素，根據(jù)活性基團(tuán)的性質(zhì)可分為陽離子交換纖維素和陰離子交換纖維素兩類 特點：骨架松散、親水性強、表面

14、積大、交換容量大、吸附力弱、交換和洗脫條件溫和、分辨率高 常用的離子交換纖維素有： 甲基磺酸纖維素、羧甲基纖維素、二乙基氨基乙基纖維素葡聚糖凝膠離子交換樹脂骨架為葡聚糖凝膠，如sepharose、sephadex，根據(jù)功能基團(tuán)的不同，亦可分為陽離子交換和陰離子交換樹脂命名方法：交換活性基團(tuán)+骨架+原骨架編號特點：除了具有離子交換功能以外，兼有分子篩的功能，提高了分離的效率常用的葡聚糖凝膠離子交換樹脂：CM-sephadex C-25、DEAE-sephadex A-25等DEAE anion exchangerCMC Cation Exchanger離子交換樹脂的命名方法 離子交換樹脂命名法中

15、分類代號和骨架代號代號分類名稱骨架名稱0強酸性苯乙烯系1弱酸性丙烯酸系2強堿性酚醛系3弱堿性環(huán)氧系4螯合性乙烯哌啶系5兩性脲醛系6氧化還原氯乙烯系8、離子交換樹脂的制備加聚法和縮聚法（依聚合方法分類）加聚：指具有一個或一個以上雙鍵的單體為原料，在分散相中進(jìn)行聚合縮聚法是基于縮合反應(yīng)的聚合過程；共聚法和均聚法（以單體分類）共聚是指兩個或兩個以上的單體進(jìn)行聚合均聚是指以一種單體進(jìn)行聚合幾種主要的離子交換樹脂制備方法苯乙烯型離子交換樹脂 單體：苯乙烯、二乙烯苯 酸性樹脂引入磺酸基，堿性樹脂引入季 銨，伯、叔胺酚醛樹脂 單體：水揚酸、苯酚、甲醛經(jīng)縮聚而成離子交換樹脂的理化性能外觀：球形、淺色為宜，粒度

16、大小為1660目90%；機(jī)械強度：90%；含水量：0.30.7g/g 樹脂；交換容量：重量交換容量、體積交換容量、工作交換容量或稱表觀交換容量（在某一條件下）；穩(wěn)定性：化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性；膨脹度：交聯(lián)度、活性基團(tuán)的性質(zhì)與數(shù)量、活性離子的性質(zhì)、介質(zhì)的性質(zhì)和濃度、骨架結(jié)構(gòu)；濕真密度：單位體積濕樹脂的重量；孔度、孔徑、比表面積離子交換過程離子交換過程是可逆多相化學(xué)反應(yīng) 式中 A1，A2液相中的離子 吸附的離子 Z1，Z2 A1，A2的價數(shù) 液相和樹脂相中的溶劑 ns 離子交換時，溶劑從樹脂移入液相的毫摩爾數(shù)離子交換機(jī)理A+自溶液中擴(kuò)散到樹脂表面A+從樹脂表面進(jìn)入樹脂內(nèi)部的活性中心A+與RB在活性中

17、心上發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)解吸附離子B+自樹脂內(nèi)部擴(kuò)散至樹脂表面B+離子從樹脂表面擴(kuò)散到溶液中交換速度的控制步驟是擴(kuò)散速度，不同的分離體系可能由內(nèi)部擴(kuò)散或外部擴(kuò)散控制交換速度方程外部擴(kuò)散控制內(nèi)部擴(kuò)散控制K1外擴(kuò)散速度常數(shù)F時間為t時，樹脂的飽和度r0為樹脂顆粒半徑D1為液相中的擴(kuò)散系數(shù)為吸附常數(shù)9、影響交換速度的因素顆粒大小：愈小越快交聯(lián)度：交聯(lián)度小，交換速度快溫度：越高越快離子化合價：化合價與高，交換越快離子大小：越小越快攪拌速度：在一定程度上，越大越快溶液濃度：當(dāng)交換速度為外擴(kuò)散控制時， 濃度越大，交換速度越快10、離子交換的選擇性離子交換常數(shù)：交換勢或交換系數(shù)R-A、R-B表示結(jié)合在樹脂上的A離

18、子和B離子濃度AS、BS表示溶液中A離子和B離子越大B越易被交換11、影響離子交換選擇性的因素水合離子半徑：半徑越小，親和力越大；離子化合價：高價離子易于被吸附；溶液pH：影響交換基團(tuán)和交換離子的解離程度，但不影響交換容量；離子強度：越低越好；有機(jī)溶劑：不利于吸附；交聯(lián)度、膨脹度、分子篩：交聯(lián)度大，膨脹度小，篩分能力增大；交聯(lián)度小，膨脹度大，吸附量減少； 樹脂與粒子間的輔助力：除靜電力以外，還有氫鍵和范德華力等輔助力；離子交換操作方法樹脂預(yù)處理離子交換吸附洗脫樹脂預(yù)處理物理處理：水洗、過篩，去雜，以獲得粒度均勻的樹脂顆粒；化學(xué)處理：轉(zhuǎn)型（氫型或鈉型） 陽離子樹脂 酸堿酸 陰離子樹脂 堿酸堿 最

19、后以去離子水或緩沖液平衡離交操作方式靜態(tài)：操作簡單、但是分批操作，交換不完全動態(tài)：離子交換柱，操作連續(xù)、交換完全，適宜多組份分離 柱式固定床（FixedBed） 模擬移動床（SMB）模擬移動床（SMB）洗脫方式離子交換完成后，將樹脂吸附的物質(zhì)重新轉(zhuǎn)入溶液的方法洗脫方法（1）改變?nèi)芤簆H值（2）改變?nèi)芤弘x子強度樹脂再生是指使離子交換樹脂重新具有交換能力的過程酸性陽離子樹脂 酸-堿-酸-緩沖溶液淋洗堿性陰離子樹脂 堿-酸-堿-緩沖溶液淋洗方式有：順流再生和逆流再生硬水軟化離子交換應(yīng)用實例離子交換法提取蛋白質(zhì)較無機(jī)離子的離子交換平衡復(fù)雜，其吸附行為與離子間的靜電引力、氫鍵、疏水作用以及范德華力有關(guān)蛋

20、白質(zhì)是生物大分子物質(zhì)，因此，其擴(kuò)散行為也較無機(jī)離子復(fù)雜 Some of the charged regions which will influence ion exchange Different proteins have different charges and different patterns of surface chargeBasis for selectivityNH3RCOOH+NH3RCOO+-RNH2COO-Low pHPositive chargeHigh pHNegative chargeHydrogen gainedHydrogen lostEffect of

21、pH on charge-+Overall charge on proteinNH3RCOOH+NH3RCOO+-RNH2COO-acid isoelectric point alkalineexcess positive charge balanced positive and negative charge excess negative chargepH310Titration curves蛋白質(zhì)離子交換分離的基本步驟平衡上樣吸附洗脫再生+-anion exchange beadEquilibrationSample applicationand wash-+-Elution-+-Reg

22、eneration-+Sampleapplicationand washElutionEquilibrationRegeneration-+-常用于蛋白質(zhì)提取分離的離子交換劑要求：良好的親水性、具有較大的均勻網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、粒度越小分辨率越高種類：多糖類 離子交換纖維素 交聯(lián)葡聚糖 交聯(lián)瓊脂糖 聚乙烯醇類 Mono系列 Amersham Pharmacia四、吸附平衡-學(xué)習(xí)要點識記：吸附平衡概念 理解：用蘭格繆爾的單分子層吸附理論解釋溶質(zhì)吸附現(xiàn)象 概念 當(dāng)吸附劑達(dá)到吸附平衡后，固相表面溶質(zhì)濃度q與液相中溶質(zhì)濃度c存在一定的關(guān)系， 吸附平衡形式低濃度下高濃度下m 分配系數(shù)，C 濃度-蘭格繆爾單分子吸附

23、理論 吸附劑上有多個活性位點；每個活性具有相同的能量；并只能吸附一個分子的溶質(zhì)；吸附的分子間無相互作用； 根據(jù)蘭格繆爾理論，可得離子交換平衡-學(xué)習(xí)要點識記：離子交換平衡概念 理解：離子交換分配系數(shù)的推導(dǎo) 離子交換平衡在沒有待分離的溶質(zhì)存在時，離子交換劑表面離子基團(tuán)一直被其反離子所覆蓋。 由于溶質(zhì)與反離子帶有相同的電荷，典型的離子交換過程如下：陰離子交換劑： 陽離子交換劑： 離子交換平衡-完全解離電解質(zhì)的分配平衡 對于完全解離的電解質(zhì)XH而言，其在固液之間的分配系數(shù)為 平衡常數(shù)代入溶液中反離子濃度越高，離子交換的分配系數(shù)越小 離子交換平衡-不完全解離電解質(zhì)的分配平衡單價弱電解質(zhì)XH存在著如下的解

24、離平衡，弱電解質(zhì)在溶液中的分配系數(shù)可表示為 離子交換平衡-通用分配平衡模型普遍化的離子交換反應(yīng)可表示為達(dá)到平衡后，分配平衡常數(shù)為 離子交換平衡-蛋白質(zhì)的離子交換平衡隨著分子量的升高，交換劑對蛋白質(zhì)分子的空間排阻作用增大，蛋白質(zhì)分子進(jìn)入離子交換劑困難，無法與所有的離子交換劑活性中心接觸吸附于吸附劑上的蛋白質(zhì)分子會妨礙其它蛋白與游離的離子交換活性中心接觸，同時阻礙分子擴(kuò)散 蛋白質(zhì)帶多價電荷，可與多個離子交換基發(fā)生作用。其在離子交換劑上的吸附受到反離子濃度的影響，可用如下的公式表示 固定床吸附操作 -學(xué)習(xí)要點識記：穿透曲線、穿透點和穿透時間等概念 理解：固定床吸附過程理論基礎(chǔ) 應(yīng)用：掌握固定床操作過

25、程以及多床串聯(lián)吸附操作的優(yōu)缺點 固定床吸附操作 -吸附操作模式 間歇攪拌槽 一級吸附平衡，效率低，用于吸附動力學(xué)和機(jī)理研究 固定床吸附塔 多級吸附平衡，分離效率高 固定床吸附的基本步驟平衡上樣吸附洗脫再生+-anion exchange beadEquilibrationSample applicationand wash-+-Elution-+-Regeneration-+Sampleapplicationand washElutionEquilibrationRegeneration-+-固定床吸附操作 -吸附過程吸附塔內(nèi)填充著活性炭等吸附劑或者離子交換劑。當(dāng)料液連續(xù)輸入吸附塔中，溶質(zhì)被吸附劑吸附。從吸附塔人口開始，吸附劑的吸附質(zhì)濃度不斷上升，其飽和（最大）吸附濃度q0與入口料液濃度c0相平衡，即當(dāng)吸附塔內(nèi)溶質(zhì)的吸附接近飽和時，溶質(zhì)開始從塔中流出，出口處溶質(zhì)濃度升高，最后達(dá)到入口料液濃度，即吸附達(dá)到完全飽和。固定床吸附操作 -穿透曲線及相關(guān)概念穿透曲線 吸附過程中吸附塔出口溶質(zhì)濃度的變化曲線稱為穿透曲線 穿透點 出口處