生化分离工程

1、第第7章章 离子交换技术离子交换技术知识点：知识点：离交树脂的分类及其定义，离交树脂的合成（学生自学），离交树脂的理化性能和测定方法，离交过程的理论基础，离交过程的选择性，树脂和操作条件的选择及运用举例。重点：重点：离子交换树脂的分类，概念及其适用范围，离子交换树脂的理化性能和测定方法，格雷戈公式的推导和离子交换机理及其数学表达式，离交速度的影响因素的影响情况，离交过程的运用学理论和使离子层分层明显的三种常用方法，能够熟练地据实际情况选择合适的树脂和操作方式。难点：难点：离交过程的理论基础和选择性，格雷戈公式的推导和离子交换机理及其数学表达式。 7.6 离子交换技术典型实例离子交换技术典型实例

2、典型实例：典型实例：卡那霉素、西索米星、扁桃酸的提取 提取原则：提取原则：对目标产物亲和力强，而对杂质亲和力弱。或者相反，对目标产物亲和力弱，而对杂质亲和力强。提取策略：提取策略：化合物的理化性质（溶解度、pka值（价态）、结构）树脂的筛选（交换容量、官能团形式、除杂效果）离交条件的选择（溶液ph值、原液浓度、操作方式）7.6 离子交换技术典型实例离子交换技术典型实例条件选择：条件选择：溶液ph值：树脂的离子化、化合物的离子化、化合物的稳定性溶液浓度：扩散效应、亲和力、价态、离子大小操作方式： 静态吸附、静态解吸 动态吸附、动态解吸、 动态串联方式 卡那霉素的分离纯化卡那霉素的分离纯化提取原则

3、：提取原则： 采用对卡那霉素亲和力强的树脂，进行富集采用对卡那霉素亲和力强的树脂，进行富集提取策略：提取策略： 卡那霉素理化性质：结构、卡那霉素理化性质：结构、 pka值、价态值、价态 树脂筛选：强酸型、弱酸型树脂筛选：强酸型、弱酸型 条件选择：条件选择：溶液溶液phph值值、卡那霉素卡那霉素浓度、浓度、操作方式操作方式图图1 卡卡a: r1=oh r2= nh2 c18h36n4o11 mw=484.499 d=+146 卡卡b: r1= nh2 r2=nh2 c18h37n5o10 mw =483.54 d =+130 卡卡c: r1= nh2 r2=oh c18h36n4o11 mw =

4、484.499 d =+126卡那霉素结构式卡那霉素结构式表表 2 2 卡那霉素卡那霉素 a a 的离解常数计算结果与文献值的比较的离解常数计算结果与文献值的比较 数据组别 pka1 pka2 pka3 pka4 1 8.21 7.80 7.27 6.27 2 8.15 7.76 7.25 6.27 3 8.26 7.82 7.31 6.25 4 8.23 7.77 7.24 6.31 平均值 8.21 7.78 7.27 6.28 文献值 8.18 7.83 7.27 6.25 相对偏差 0.37% 0.64% 0 0.48% 表表 3 3 卡卡那那霉霉素素 b b 离离解解常常数数的的估估

5、算算结结果果 数据组别 pkb1 pkb2 pkb3 pkb4 pkb5 1 9.09 8.29 7.6 6.66 5.58 2 9.03 8.18 7.4 6.57 5.63 3 9.12 8.17 7.33 6.46 5.62 4 9.19 8.25 7.4 6.55 5.61 平均值 9.11 8.22 7.43 6.56 5.61 卡那霉素离解常数（ pka值）卡那霉素离解曲线n强酸型阳树脂强酸型阳树脂（如732）：n弱酸型阳树脂弱酸型阳树脂（如dk110 、d186 、hz-i）：树脂类型树脂类型2、溶液的、溶液的ph值值合适的ph值必须达到下列条件： n使卡那霉素能解离n使732或

6、dk110能离子化n卡那霉素能维持在稳定的范围内卡那解离问题n当ph7.0时n在ph5.0时n当ph9.0时树脂解离问题树脂解离问题n-so3h型732树脂pk1n-cooh型dk110 pk 46卡那稳定性问题n卡那稳定存在的ph=68。n732树脂离子交换时溶液ph=5.56.0；ndk110树脂离子交换时，溶液ph=6.87.2。3、原液浓度、原液浓度n卡那是多元有机生物碱n离子交换理论分析n发酵水平4、操作、操作方式方式n国内国内沿用沿用732静态吸附，静态吸附，3%nh4oh动态洗脱法；动态洗脱法；n国外国外采用采用dk110动态吸附，动态吸附，2%nh4oh动态解吸法动态解吸法5、

7、动态串联方式 西索米星西索米星的的离子交换树脂提取离子交换树脂提取 西索米星为弱碱性生物有机碱，分子中含有四个氨基，在水西索米星为弱碱性生物有机碱，分子中含有四个氨基，在水溶液中存在四级离解平衡，在不同溶液中存在四级离解平衡，在不同phph值的水溶液体系中能以值的水溶液体系中能以不同的电化学状态存在，随着溶液的不同的电化学状态存在，随着溶液的phph值由高到低而出现逐值由高到低而出现逐级解离。级解离。在解离条件下，选用强酸性阳离子交换树脂，或选用弱酸型在解离条件下，选用强酸性阳离子交换树脂，或选用弱酸型阳树脂均可达到吸附西索米星阳离子的目的。阳树脂均可达到吸附西索米星阳离子的目的。目前多选择目

8、前多选择732732强酸性阳树脂进行离交，溶液强酸性阳树脂进行离交，溶液 phph值值5.55.5，发，发酵液原液浓度（约酵液原液浓度（约1000-1500 ug/ml1000-1500 ug/ml）。为什么？）。为什么？西索米星西索米星结构式结构式nh2nh2nh2 西索米星离解常数（西索米星离解常数（ pkapka值）值）西索米星的离解曲线 -0.200.20.40.60.811.20.002.004.006.008.0010.0012.00ph分布系数siso4+siso3+siso2+siso1+siso0ph9.7ph9.7时时ph7.2ph7.27.47.4时时phph值值6.66

9、.66.86.8时时phph4.64.6时时不同ph条件下西索米星的价态分布 扁桃酸的离子交换树脂提取扁桃酸的离子交换树脂提取 提取策略：提取策略： 扁桃酸理化性质：结构、扁桃酸理化性质：结构、 pka值、溶解度值、溶解度 树脂筛选：强酸型、弱酸型树脂筛选：强酸型、弱酸型 条件选择：条件选择：溶液溶液phph值值、扁桃酸扁桃酸浓度、浓度、操作方式操作方式扁桃酸结构式扁桃酸结构式ohoho扁桃酸扁桃酸pkapka值的测定值的测定扁桃酸pka值测定的物理意义扁桃酸pka值测定方法扁桃酸扁桃酸在非极性溶剂中的溶解度曲线在非极性溶剂中的溶解度曲线 010020030040050010203040506

10、070t()s(g/l)水苯环乙烷三氯甲烷四氯化碳乙醚扁桃酸扁桃酸在非极性溶剂中的溶解度在非极性溶剂中的溶解度差值差值曲线曲线 0204060203040506070t()s/s1水苯环乙烷三氯甲烷四氯化碳乙醚扁桃酸扁桃酸在极性溶剂中的溶解度曲线在极性溶剂中的溶解度曲线 01002003004005001020304050t()s（g/l）乙醇丙酮甲醇乙酸乙酯异丙醇水扁桃酸扁桃酸在极性溶剂中的溶解度在极性溶剂中的溶解度差值差值曲线曲线 0246820304050t()s/s1乙醇丙酮甲醇乙酸乙酯异丙醇水发酵液中发酵液中r-r-扁桃酸的扁桃酸的711-oh711-oh型离子交换型离子交换提取提取

11、 扁桃酸理化性质树脂功能团杂质影响扁桃酸pka=5.28最适动态吸附条件最适动态解吸条件阴离子交换树脂阴离子交换树脂的选择的选择fig.1 permeable curve of r,s-mandelic acid at anion resinph =0.41 and od220=1.236 of r,s-mandelic acid solution containing 2%nh4cl, 1.0 bv/h velocity of flow, 30 ml anion resin and 18 mm300 mm column size.00.20.40.60.811.21.400.511.522.

12、533.5solution volumn(bv)od220 valued345711d315335711711阴离子交换树脂对扁桃酸发酵液的动态吸附特性阴离子交换树脂对扁桃酸发酵液的动态吸附特性 fig 2 dynamic adsorption curve of r-mandelic acid and phenylglyoxilic acid from ferment broth at 711-oh anion exchange resinthe dynamic adsorption condition was 6.07.0 ph value、7080 mmol/l r-mandelic ac

13、id concentration、810 mmol/l phenylglyoxilic acid concentration，20 ml 711-oh anion resin and 18 mm300 mm column size. the same as fig 3- fig 6. 020406080024681012solution volumn(bv)mandelic acid concentration（mmol/l)0.5 bv/h1.0 bv/h1.5 bv/h024681012024681012solution volumn(bv)phenylglyoxilic acid con

14、centration（mmol/l)0.5 bv/h1.0 bv/h1.5 bv/h711711阴离子交换树脂对阴离子交换树脂对r-r-扁桃酸的扁桃酸的动态动态解吸工艺的选择解吸工艺的选择 fig 4 dynamic desorption curve of r-mandelic acid in different velocity of flow with 4%hcl020406080100120051015solution volumn(bv)mandelic acid concentration（mmol/l)3 bv/h1.5 bv/hcl- ma- oh-711711阴离子交换树脂对阴

15、离子交换树脂对r-r-扁桃酸的扁桃酸的动态动态解吸工艺的选择解吸工艺的选择 fig.5 dynamic desorption curve of r-mandelic acid in different hcl concentration with 1.5 bv/h020406080100120051015solution volumn(bv)mandelic acid concentration（mmol/l)4% hcl2% hcl711711阴离子交换分离工艺的阴离子交换分离工艺的验证实验验证实验 fig 6 dynamic desorption curve of r-mandelic a

16、cid and phenylglyoxilic acid at 711-oh anion resin while the optimum condition 020406080100120051015solution volumn(bv)mandelic acidconcentration（mmol/l)02468101214ph,phenylglyoxilic acidconcentration（mmol/l)mapgaph大孔吸附树脂大孔吸附树脂hz801hz801分离发酵液中分离发酵液中r-r-扁桃酸研究扁桃酸研究 扁桃酸理化性质树脂功能团杂质影响扁桃酸pka=5.28最适动态吸附条件最

17、适动态解吸条件3.1 3.1 不同流速时，不同流速时，hz801hz801对扁桃酸的动态吸附特性对扁桃酸的动态吸附特性 fig 1a dynamic adsorption curve of r-mandelic acid from ferment broth at hz801 resin in different velocity of flowthe dynamic adsorption condition was 2.0 ph value、80 mmol/l r-mandelic acid concentration、6 mmol/l phenylglyoxilic acid concen

18、tration，20 ml hz801 resin and 18 mm300 mm column size. the same as fig. 1bfig. 4. 0204060801000246810solution volumn(bv)mandelic acidconcentration（mmol/l)0.5 bv/h1.0 bv/h2.0 bv/h3.1 3.1 不同流速时，不同流速时，hz801hz801对苯乙酮酸的动态吸附特性对苯乙酮酸的动态吸附特性 fig. 1b dynamic adsorption curve of phenylglyoxilic acid from ferme

19、nt broth at hz801 resin in different velocity of flow 024680246810solution volumn(bv)phenylglyoxilic acidconcentration（mmol/l)0.5 bv/h1.0 bv/h2.0 bv/h3.2 3.2 不同乙醇浓度对不同乙醇浓度对hz801hz801树脂上树脂上r-r-扁桃酸的动扁桃酸的动态解吸曲线态解吸曲线 fig.2 dynamic desorption curve of r-mandelic acid at hz801 resin in different ethanol concentration with 1.5 bv/h02040608002468solution volumn(bv)mandelic acidconcentration（mmol/l)0%12.5%25%37%50%75%3.33.3不同流速时，不同流速时，50%50%乙醇对乙醇对hz801hz801树脂上树脂上r-r-扁桃扁桃酸和苯乙酮酸的解吸曲线酸和苯乙酮酸的解吸曲线 fig 3 dynamic deso