生物分离工程吸附和离子交换

1、第六章吸附分离技术和理第六章吸附分离技术和理论论概述概述l吸附现象吸附现象当气体或液体与某些固体接触时，气体或液体的当气体或液体与某些固体接触时，气体或液体的分子会分子会积聚在固体表面积聚在固体表面上，这种现象称之为吸附上，这种现象称之为吸附流体分子富集在固体表面，流体分子富集在固体表面，形成一吸附层形成一吸附层( (或称吸附或称吸附膜膜) )，而没有向固体内部渗，而没有向固体内部渗透透利用固体利用固体吸附剂吸附剂对液体或气体中某一组分具有对液体或气体中某一组分具有选择选择性吸附的能力性吸附的能力，使其富集在吸附剂表面，使其富集在吸附剂表面, ,以除去有害以除去有害成分或分离回收有用目标产物的

2、过程。成分或分离回收有用目标产物的过程。吸附操作吸附操作表面能发生吸附作用的表面能发生吸附作用的固体，一般为多孔微粒固体，一般为多孔微粒或多孔膜，具有较大比或多孔膜，具有较大比表面积，也称表面积，也称吸附介质吸附介质吸附是一种固体表面现象吸附是一种固体表面现象，只有那些具有较大内表面的只有那些具有较大内表面的多孔性固体才具有吸附能力多孔性固体才具有吸附能力概述概述吸附剂对溶质吸附剂对溶质的吸附作用力的吸附作用力n吸附的类型吸附的类型吸附剂和吸附物通过吸附剂和吸附物通过分子力分子力产生的吸附产生的吸附吸附剂表面活性点与吸附物之间发生吸附剂表面活性点与吸附物之间发生化化学键合学键合, ,产生产生电

3、子转移电子转移的现象的现象离子交换剂表面键合的离子基团通过离子交换剂表面键合的离子基团通过静静电引力电引力吸附带相反电荷的离子吸附带相反电荷的离子, ,发生电发生电荷转移荷转移常见的各种吸附类型的主要特点常见的各种吸附类型的主要特点概述概述又称范德华又称范德华吸附，是一吸附，是一种种可逆可逆过程过程。 活化吸附，活化吸附，不可逆不可逆l物理吸附物理吸附 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。剂极性。l离子交换吸附（简称离子交换，离子交换吸附（简称离子交换，Ion exchangeIon exchange） 基于基于离子交换原理离子交

4、换原理的吸附操作的吸附操作概述概述分离工程中的吸附操作分离工程中的吸附操作通过溶液中通过溶液中带电的溶质分子与离子交换剂带电的溶质分子与离子交换剂中可交中可交换的离子进行换的离子进行交换交换，利用其，利用其静电作用力的差异静电作用力的差异而而达到分离纯化的方法。达到分离纯化的方法。概述概述l离子交换法的基本概念离子交换法的基本概念l离子交换的特点离子交换的特点分辨率高、工作容量大且易于操作分辨率高、工作容量大且易于操作l原料液原料液脱色、除臭脱色、除臭l目标产物的目标产物的提取、浓缩和粗分离提取、浓缩和粗分离如蛋白质、多肽、核酸及大部分发酵产物如蛋白质、多肽、核酸及大部分发酵产物分离纯化，在生

5、化分离中分离纯化，在生化分离中约有约有75%75%的工艺采的工艺采用离子交换法用离子交换法概述吸附分离技术在生物分离中的应用吸附分离技术在生物分离中的应用常用于常用于从稀溶液中将溶质分离从稀溶液中将溶质分离出来，由于受固体吸出来，由于受固体吸附剂的限制，处理能力较小；附剂的限制，处理能力较小；对溶质的作用较小，这一点在对溶质的作用较小，这一点在蛋白质分离蛋白质分离中特别重中特别重要；要；可直接从发酵液中分离所需产物，成为发酵与分离可直接从发酵液中分离所需产物，成为发酵与分离的的耦合耦合过程，从而消除产物抑制过程，从而消除产物抑制；吸附法的特点：吸附法的特点：概述概述优点优点： 有机溶剂掺入少有

6、机溶剂掺入少 操作简便，安全，设备简单操作简便，安全，设备简单 适于稳定性差的物质适于稳定性差的物质缺点缺点： 吸附选择性差吸附选择性差 收率低收率低 无机吸附剂性能不稳定无机吸附剂性能不稳定吸附法的特点：吸附法的特点：概述概述第一节吸附分离介质第一节吸附分离介质多孔型多孔型凝胶型凝胶型孔道结构孔道结构吸附剂吸附剂吸附剂的分类吸附剂的分类一、吸附剂一、吸附剂多孔吸附剂多孔吸附剂 活性炭活性炭 硅胶硅胶 大网格聚合物类吸附剂大网格聚合物类吸附剂l特点特点：非极性吸附剂，吸附能力强，易吸附非极性或：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极性小的有机物，在

7、水中吸附能力大于有机溶剂l形式形式：粉末活性炭和颗粒活性炭：粉末活性炭和颗粒活性炭l应用应用：助滤、：助滤、脱色、去热源、除臭脱色、去热源、除臭 活性炭经典吸附剂活性炭经典吸附剂活性炭对物质的吸附规律活性炭对物质的吸附规律（1)1)活性炭对不同吸附物的吸附力大小情况：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长的脂肪酸 碳链短的脂肪酸碳链短的脂肪酸 ; ; 多糖多糖 单糖单糖; ; 多肽多肽 氨氨基酸基酸; ; 芳香族化合物芳香族化合物 脂肪族化合物脂肪族化合物 对相对分子量大的化合物对相对分子量大的化合物 相对分子量小的化合物相对分子量小的化合物（2 2）pH pH 值的影响值

8、的影响 在酸性溶液中吸附能力大在酸性溶液中吸附能力大,PH6.8 ,PH6.8 吸附吸附能力较差能力较差 （3 3）温度）温度 低温吸附时低温吸附时, ,未达吸附平衡前未达吸附平衡前 吸附量随温度升高而增加吸附量随温度升高而增加l具有多孔网状结构具有多孔网状结构, ,极性吸附剂极性吸附剂，可吸附非极，可吸附非极性和极性化合物性和极性化合物 l化学惰性，具有较大的吸附量，化学惰性，具有较大的吸附量，易制备不同类易制备不同类型的多孔硅胶型的多孔硅胶l活性与含水量有关活性与含水量有关: :含水量低，活性强；反之，含水量低，活性强；反之，弱；使用前需活化弱；使用前需活化l具有微酸性，适用于分离酸性和中

9、性物质具有微酸性，适用于分离酸性和中性物质, ,用用于芳香油于芳香油, ,萜类萜类, ,脂肪类脂肪类, ,氨基酸等的分离氨基酸等的分离 硅胶硅胶l种类：种类：多孔性聚苯乙烯多孔性聚苯乙烯和和多孔性聚酯多孔性聚酯树脂树脂l特点：机械强度高，选择性好，使用寿命长，吸附质特点：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、再生容易易脱附，流体阻力小，解析、再生容易l应用应用: :抗生素抗生素( (如头孢菌素等如头孢菌素等) )和维生素和维生素B B1212等的分离浓等的分离浓缩过程。缩过程。大网格聚合物类吸附剂大网格聚合物类吸附剂（大孔网状吸附树脂）（大孔网状吸附树脂）硅藻土颗粒

10、吸附剂硅藻土颗粒吸附剂氧化铝氧化铝硅藻土矿硅藻土矿大孔网状吸附树脂的分类大孔网状吸附树脂的分类非极性吸附树脂非极性吸附树脂：苯乙烯交联而成，交联剂为：苯乙烯交联而成，交联剂为二乙烯苯，又称二乙烯苯，又称芳香族吸附剂芳香族吸附剂。中等极性吸附树脂中等极性吸附树脂：甲基丙烯酸酯交联而成，：甲基丙烯酸酯交联而成，交联剂亦为甲基丙烯酸酯，故又称交联剂亦为甲基丙烯酸酯，故又称脂肪族吸附脂肪族吸附剂。剂。极性吸附树脂极性吸附树脂：丙烯酰胺或亚砜经聚合而成，：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。通常含有硫氧、酰胺、氮氧等基团。（1 1） 非极性吸附剂从极性溶剂中吸附非极性物质非极性吸附

11、剂从极性溶剂中吸附非极性物质（2 2） 高极性吸附剂从非极性溶剂中吸附极性物质高极性吸附剂从非极性溶剂中吸附极性物质（3 3） 中等极性吸附剂对两种情况均有吸附能力中等极性吸附剂对两种情况均有吸附能力（4 4） 水溶液中，同族化合物分子量大，极性弱易吸附水溶液中，同族化合物分子量大，极性弱易吸附（5 5） 无机盐促进吸附无机盐促进吸附大孔吸附树脂吸附规律大孔吸附树脂吸附规律大孔吸附树脂解吸规律大孔吸附树脂解吸规律（1) 1) 低级醇，酮或其水溶液（低级醇，酮或其水溶液（a a 溶胀聚合物，溶胀聚合物，b b 溶解吸附溶解吸附物，减弱溶质与吸附剂间作用力）物，减弱溶质与吸附剂间作用力）（2 2）

12、弱酸性物质用碱解吸（成盐）弱酸性物质用碱解吸（成盐）（3 3）弱碱性物用酸解吸（成盐）弱碱性物用酸解吸（成盐）（4 4）高盐吸附时用水解吸（降低离子强度，降低吸附量）高盐吸附时用水解吸（降低离子强度，降低吸附量）（5 5）易挥发溶质用热水或蒸汽解吸）易挥发溶质用热水或蒸汽解吸大孔吸附树脂的应用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）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、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维生素的提取纯化 VBVB1212，VBV

13、B2 2，VC VC 天然产物的分离天然产物的分离 生物碱，黄酮，多糖，苷类生物碱，黄酮，多糖，苷类 生化药物生化药物 酶、氨基酸、蛋白质、肽，甾体酶、氨基酸、蛋白质、肽，甾体l多孔性纤维素、琼脂糖凝胶、葡聚糖凝多孔性纤维素、琼脂糖凝胶、葡聚糖凝胶、聚丙烯酰胺凝胶胶、聚丙烯酰胺凝胶 （详见（详见 chapter 7)chapter 7) 凝胶型吸附剂凝胶型吸附剂l（）孔径（）孔径适当的孔径有利于溶质在孔隙中的扩散，提高吸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附容量和吸附操作速度l（）比表面积（）比表面积：每克吸附剂所具有的表面积：每克吸附剂所具有的表面积孔径越大，比表面

14、积越小。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。比表面积越大，吸附量越大，反之，越小。增加比表面积的方法：增加比表面积的方法：a.a.粉碎成小颗粒粉碎成小颗粒 b.b.吸附吸附剂的活化剂的活化 吸附剂性能的评价吸附剂性能的评价l对被分离的物质具有较强的吸附能力对被分离的物质具有较强的吸附能力l有较高的吸附选择性有较高的吸附选择性l机械强度高机械强度高l再生容易、性能稳定再生容易、性能稳定l价格低廉。价格低廉。优良的吸附剂通常应具备以下特征优良的吸附剂通常应具备以下特征影响吸附过程的因素影响吸附过程的因素（1 1）吸附剂的特性）吸附剂的特性（比表面积、粒度、极性大小、活化条

15、（比表面积、粒度、极性大小、活化条件）件）（2 2）吸附物的性质）吸附物的性质（极性大小、分子量）（极性大小、分子量）（3 3）吸附的条件）吸附的条件 pHpH（对蛋白等两性物质在（对蛋白等两性物质在PIPI附近吸附量最大）附近吸附量最大） 温度（对蛋白分子，一般认为温度（对蛋白分子，一般认为TT吸附量吸附量，考虑到稳定，考虑到稳定性性, ,通常在通常在0or0or室温操作）室温操作） 盐浓度（影响复杂，阻止盐浓度（影响复杂，阻止oror促进吸附）促进吸附）（4 4）吸附物浓度与吸附剂用量）吸附物浓度与吸附剂用量（吸附物浓度（吸附物浓度，吸附量，吸附量，吸附法纯化蛋白时，要求浓度吸附法纯化蛋白

16、时，要求浓度1%,(吸附剂最小流化吸附剂最小流化速率速率) )流入时，流入时，吸附剂床层膨胀，吸附剂床层膨胀，调节器上升调节器上升膨胀床膨胀床 综合固定床和流化床优点，使吸附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。粒能顺利通过床层。膨胀床中吸附剂粒子的混合程度低，膨胀床中吸附剂粒子的混合程度低，吸附吸附

17、效率高效率高 膨胀床中液体流动接近平推流，膨胀床中液体流动接近平推流，吸附效率吸附效率高高膨胀床吸附操作的优点膨胀床吸附操作的优点 与流化床相比与流化床相比, ,液固相液固相反混程度较低反混程度较低, ,吸附效率吸附效率较高较高与固定床相比与固定床相比, ,床层空隙率高床层空隙率高, ,可使菌体细胞或可使菌体细胞或细胞碎片自由通过细胞碎片自由通过. .可直接处理菌体发酵液或细可直接处理菌体发酵液或细胞匀浆液胞匀浆液. .膨胀床吸附操作集膨胀床吸附操作集料液澄清料液澄清，目标产物浓缩目标产物浓缩和和分离分离纯化纯化为一体为一体，可节省离心或过滤等预处理过程，提，可节省离心或过滤等预处理过程，提高

18、目标产物收率，降低分离纯化过程成本高目标产物收率，降低分离纯化过程成本。定义：吸附操作中定义：吸附操作中固相可连续固相可连续输入和排出吸附塔输入和排出吸附塔，与料液形，与料液形成逆流接触流动，可实现成逆流接触流动，可实现连续连续稳态的吸附操作稳态的吸附操作。缺点：吸附剂的磨损缺点：吸附剂的磨损;固相出口固相出口易堵塞，固相的移动操作有一易堵塞，固相的移动操作有一定难度定难度 第七节第七节 移动床和模拟移动床吸附移动床和模拟移动床吸附1.1.移动床移动床(moving bed)(moving bed)2.模拟移动床（模拟移动床（simulated moving bed, SMB）固相本身不移动而通过移动固相本身不移动而通过移动切换液相（料液和洗脱液）切换液相（料液和洗脱液）的入口和出口的入口和出口产生移动床的产生移动床的分离效果，使分离效果，使液固逆流接触液固逆流接触的吸附分离方法称为模拟移的吸附分离方法称为模拟移动床吸附动床吸附基于模拟移基于模拟移动