生物制药(工艺)学课件：第八章离子交换法

1、 第八章 离子交换法 （Ion-exchange） 第一节 离子交换的基本原理概念：利用离子交换剂与溶液中的离子间所发生的交换反应进行分离的方法。原理：它是利用溶液中各种带电粒子与离子交换剂之间结合力的差异进行物质分离的操作方法。作用力：带电粒子与离子交换剂之间的作用力-静电力，结合是可逆的，即在一定条件下能够结合，条件改变后也可被释放出来。离子交换剂指具有离子交换性能的一类高分子化合物。常见的离子交换剂有： 离子交换树脂 离子交换纤维素 葡聚糖凝胶离子交换剂第二节 离子交换树脂的结构与分类惰性的不溶性高分子固定骨架载体与载体以共价键连接的不能移动的活性基团功能基团与功能基团以离子键连接的可移

2、动的活性离子平衡离子结构图中以波形线条代表树脂的骨架，活性基团 磺酸基（SO3-）,活性离子H+。聚苯乙烯型磺酸基阳离子交换树脂树脂的网络骨架 离子交换现象可用下面的方程式表示： R -X + + Y+ R - Y + + X + R- -表示阳离子交换剂的功能基团和载体； Y +-表示交换离子；X + -表示平衡离子 平衡离子带正电荷的为阳离子交换树脂平衡离子带负电荷的为阴离子交换树脂离子交换树脂三维空间立体结构离子交换树脂离子交换树脂的结构带有活性基团的网状高分子聚合物骨架活性基团酚醛树脂聚乙烯树脂交联剂酸性基团碱性基团SO3HCOOHN+R3OH-NR2Ion exchange resi

3、ns特殊基团分类按活性基团分类，可分为:阳离子交换树脂(cation exchange)（含酸性基团）阴离子交换树脂(anion exchange)（含碱性基团）。具体又可以分为：强阳、弱阳 强阴、弱阴常用的离子交换树脂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；弱碱性阴离子交换树脂：活性基团为伯胺或仲胺，碱性较弱。离子交换树脂的分类依据活性基团分类阳离子交换树脂阴离子交换树脂螯合树

4、脂两性交换树脂强酸型弱酸型交换基为酸性，H+与阳离子交换SO3HCOOHOHpH 2pH 6使用 pH 范围pH 10交换基为碱性，阴离子发生交换强碱型弱碱型N+(CH3)3Cl-N+H3 OH-N+H2R OH-N+HR2 OH-pH 12pH 6的溶液中操作，R-OH应在9的溶液中操作）。这类树脂也是用酸进行再生。交换基是碱性基团，能交换阴离子的树脂。2、阴离子交换树脂（1）强碱性阴离子交换树脂具有强碱性的活泼基团：-CH2N(CH3)3+Cl -特性淡黄色的球状颗粒；对强酸根和弱酸根都能交换；对酸碱氧化剂及某些有机溶剂都比较稳定；在酸性、碱性溶液中都能使用，交换容量不受溶液中pH值影响。

5、再生一般用强碱（如NaOH）进行。R-NR3OHR-NR3+ OH反应简式为：（2）弱碱性阴离子交换树脂具有弱碱性的活泼基团：-CH2NH3+Cl - -CH2NH2(CH3)+Cl - -CH2NH(CH3)2+Cl -此类树脂的交换能力受酸度的影响较大。大孔弱碱性苯乙烯型阴离子交换树脂 用Na2CO3、NH4OH等进行再生。3、特殊的离子交换树脂螯合树脂 具有高选择性的离子交换树脂选择性好，可用于阴、阳离子的分离。特点：高选择性和高稳定性。 稳定性: 是由于它与金属离子形成了内络盐的缘故。 选择性: 主要决定于树脂中螯合基的结构。分类：螯合树脂按其含有的官能团区分，大致分为亚氨二乙酸型树脂

6、，偶氮、偶氮胂、8-羟基喹啉类树脂、水杨酸树脂、葡萄糖型树脂等。离子交换树脂的实际交换能力受自身解离情况的影响。强酸型阳离子交换树脂的交换能力几乎不受环境pH的影响。它在很宽的pH范围内都保持良好的交换能力。不论在酸性、中性范围内它都能较好地解离。弱酸型阳离子交换树脂在酸性环境中的解离度受到抑制，故交换能力差，只有在碱性或中性环境中有较好的交换能力。命名 根据1958年化工部拟定的离子交换树脂命名法草案，各类树脂命名编号如下： 强酸类阳离子 1-100 弱酸类阴离子 101-200 强碱类阴离子 201-300 弱碱类阴离子 301-400 中强酸类 401-500命名 1997年我国石化部颁

7、布了新的规范化命名法。离子交换树脂的型号由三位阿拉伯数字组成。交联度：是合成载体骨架时交联剂重量的百分数，用“”将树脂编号与交联度分开。弱酸101 4其交联度为4。国内常用树脂命名：724；732；717国内外离子交换树脂相应牌号对照704 = 3112717 = 2017732 = 0017711 = 2014703 = D311HD42 = 001Amberlite IR系列Zerolit 系列 神胶系列离子交换树脂的骨架（载体） 活性功能团的支持介质1、苯乙烯型树脂： 由苯乙烯（单体）和二乙烯苯（交联剂）的共聚物为骨架，再引入所需的酸性基或碱性基。 如：聚苯乙烯磺酸型阳离子交换树脂 再引

8、入磺化-强酸树脂 或氯甲基化后引入季胺基-强碱树脂 R-SO3H + M+ = R-SO3M + H+312、丙烯酸型阳离子交换树脂 将丙烯酸甲酯与二乙烯苯以过氧化苯甲酰作为引发剂，聚合后再水解即得到树脂。 特点：活性基因存在于单体，交换容量大。110树脂：丙烯酸甲酯与二乙烯苯聚合而成。724树脂：它是由甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯和二乙烯苯三元共聚而得 。3、环氧氯丙烷树脂 是很强的缩聚剂，能和叔胺基结合，形成强碱性季胺基团。将其滴加到多乙烯胺中，形成树脂浆弱碱性树脂。4、蛇笼树脂 由丙烯酸或甲基丙烯酸在季铵型阴离子交换树脂中聚合而成的一类树脂。由于树脂中的羧基(C00)和季铵基N（CH3)3

9、是等摩尔的，故树脂在反应上是中性的。这类树脂可用于生物化学中的脱盐。5、选择性离子交换树脂 是利用某些特殊的有机化合物可与某些金属离子起选择性反应的原理而制得。螯形树脂吸附树脂电子交换树脂（氧化还原树脂）常用离子交换树脂特性表 36第三节 离子交换动力学 离子交换平衡 树脂吸附离子，主要靠静电力。将含阳离子A+的交换树脂RA+浸入到含阳离子B+的溶液中，交换反应为：RA+ + B+ RB+ + A+KB/A1说明什么？KB/A1树脂对B+的亲和力比A+大，B+能比较牢固地结合在树脂上KB/A1树脂对B+的亲和力比A+小影响亲和力的因素 水合离子的半径越小，电荷越高，离子的极化程度越大，其亲和力

10、也越大。一、离子交换平衡 R代表离子交换树脂，Z1及Z2分别为离子A1和A2的价电数。 表示溶液中与树脂表面的两种离子。 39尼科尔斯基方程式用m1、m2及C1、C2分别代表树脂上和溶液中的两种离子的浓度。数量关系可表示: 尼科尔斯基方程式K1时 离子A1比离子A2对树脂有较大的吸引力 离子交换速度RB+ + A+ RA+ + B+离子交换过程：1、A+从溶液扩散到树脂表面。2、A+从树脂颗粒表面扩散到颗粒中心。3、平衡离子A+ 与离子B+交换。4、B+从交换中心扩散到离子表面。5、B+ 再扩散到溶液中。粒子扩散速度： 颗粒孔径、 颗粒半径、 树脂交换容量、 离子A+的半径与电荷、 平衡离子的

11、性质（电荷、半径）。42离子交换过程A+自溶液中扩散到树脂表面（膜扩散）A+从树脂表面进入树脂内部的活性中心（粒子扩散）离子A+与平衡离子B+在活性中心上发生复分解反应解吸附离子B+自树脂内部扩散至树脂表面B+离子从树脂表面扩散到溶液中交换速度的控制步骤是扩散速度，不同的分离体系可能由内部扩散或外部扩散控制离子交换速度的影响因素树脂粒度：粒度大交换速度慢。搅拌速度：一定程度上与交换速度呈正相关。交联度：交联度大则树脂孔径小，交换速度低。离子半径和离子价：离子水合半径增大，交换速度下降。温度：温度越高，交换速度也加快。离子浓度：交换体系如是稀溶液，交换速度随离子浓度的上升而加快。当达到一定浓度后

12、，交换速度不再随浓度上升。离子交换动力学交换离子被吸附，平衡离子被释放。交换带：交换离子A1由于被树脂吸附，其浓度从起始浓度Co逐渐下降到0，而平衡离子A2由于逐渐被释放，则浓度由0上升到Co。交换带窄：K1 ；A1浓度小；流速慢。 第四节 离子交换树脂性能离子交换对树脂的基本要求： 1、交换容量大，选择性好 2、生物惰性，化学性质稳定 3、化学动力学性能好 4、物理性能好影响性能的几个因素： 1、 功能团的数目和种类 2 、树脂交联度 3 、树脂骨架和平衡离子 交联度 指树脂的交联程度，通常用加入树脂中交联剂的百分含量表示。树脂的交联度一般在414%之间。例如：国产强酸型树脂112，表示是强

13、酸型树脂，编号1，交联度12%。离子交换树脂的性能参数操作交换容量：单位体积湿树脂或单位重量干树脂中，实际参加反应的活性基团的总数。单位：mmol/mL、mmol/g允许pH范围和允许温度范围：查相关手册！注意：它是常数，不代表真实交换能力。交换容量 总交换容量：单位体积湿树脂或单位重量干树脂中，所有交换基团的总数。 含水量 定义：树脂颗粒在水中吸收水分达到平衡后用离心法在规定转速和时间内除去外部水分，得到含平衡水的湿树脂，然后105oC烘干，比较烘干前后的重量，即得到平衡含量占湿树脂的重量百分数，这就是含水量。 含水量的大小取决于亲水基团的多少及树脂孔隙的大小。对凝胶型树脂，交联度对含水量的

14、影响比较大。密度真体积V真 质量为w1的含有平衡水的湿树脂加到水中，观察排开水的量，即得到树脂的真体积V真。视体积V视 将含平衡水的树脂装入量筒，敲击振动使体积达极小，得树脂空间体积，即为视体积V视。湿视密度d视：树脂的湿视密度d视=w1/ V视 湿真密度： d视=w1/ V真 膨胀度及机械性能 干燥的树脂接触溶剂后的体积变化称为绝对膨胀度；湿树脂从一种离子型态转变为另一种离子形态时的体积变化称为相对膨胀度。 树脂膨胀与下列因素有关：（1）可交换基因性质，易电离，水合程度高则膨胀程度高。（2）骨架，尤其与交联度，孔径有关 。（3）外部溶液性质。机械性能：即保持树脂颗粒完整的能力。交换容量及化学

15、稳定性定义：每克干树脂能交换离子的物质的量，以mmol（毫摩尔）为单位。 总交换容量或称全交换容量、极限交换容量、最大交换容量。它是由树脂中功能基含量所决定的。交换容量应注明树脂的离子形态。如RSO3H，交换容量为5.2mmol/g（干树脂），转化成Na型即RSO3Na，交换容量为4.67mmol/g（干树脂） 第五节 离子交换的选择性离子的化合价和水合半径的影响 溶液中的某一离子能否于树脂上的平衡离子进行交换主要取决于这两种离子与树脂的相对亲和力和相对浓度。 一般而言：电荷效应越强的离子与树脂的亲和力越大，而决定电荷效应的主要因素是价电数和离子半径。 1 、半径相似，优先吸附多价离子 2 、

16、同价离子，优先吸附原子序数大的 水合离子的半径越小，电荷越高，离子的极化程度越大，其亲和力也越大。示例：Li+，Na+，K+的水合离子的电荷数目相同，但它们水合离子半径依次减小，树脂对它们亲和力依次增强。 eg：一价阳离子亲和力的次序： Li + Na + K + =NH4 + Ag + 对弱碱性树脂：OH -亲和力最强 对弱酸性树脂： H +亲和力最强 离子交换树脂的亲和力强酸型阳离子交换树脂 a. 不同价态离子，电荷越高，亲和力越大。 例如： Na+Ca2+Al3+Thb. 当离子价态相同时亲和力随着水合离子半径减小而增大。 例如： Li + H + Na + NH4+K + Rb + C

17、s + Ag + Tl+ c. 二价离子的亲和力顺序：例如：UO22+Mg2+Zn2+Co2+Cu2+Cd2+Ni2+Ca2+Sr2+Pb2+Ba2+ 弱酸型阳离子交换树脂 H+的亲和力比其它阳离子大，但其他阳离子的亲和力与强酸型阳离子相似。 强碱型型阴离子交换树脂：FOHCH3COOHCOOClNO2 CNBrHSO4ICrO4SO4柠檬酸根离子弱碱型阴离子交换树脂：FClBrICH3COOMoO42PO43 AsO43NO3酒石酸根离子CrO42SO42OH离子价与离子浓度的影响 钠离子存在时，溶液稀释对酚醛树脂吸附链霉素的影响溶液中离子浓度 meq/ml 链霉素吸附量meq/g 链霉素

18、钠 0.00517 1.500 0.265 0.00258 0.750 0.800 0.00103 0.300 1.93 0.00052 0.150 2.76稀溶液中，树脂吸附高价离子的倾向很大。 交换环境的影响： 1、溶液PH： 决定树脂交换基团及交换离子的解离程度。 a.对弱树脂的影响大 b.Pr等大分子的交换多采用弱树脂 2、离子强度 离子浓度高，交换容量下降； 吸附选择性下降，交换速度下降。 3、有机溶剂 降低树脂对有机离子的吸附能力，倾向吸附无机离子。 树脂结构的影响 1、树脂载体交联度： 膨胀度：由于介质条件不同而引起的体积变化。 交联度 膨胀度 弹性 交换能级差 选择性； 2、辅

19、助力 存在于交换离子是有机离子的情况下。 无机离子 交换常数K： 1-10 有机离子 K：102-103 包括 ：氢键、范氏力 芳香族化合物的吸附力：含萘环的树脂含苯环的树脂脂链树脂 3、功能基团的特殊亲和力 eg：羧基对Ca2+、Cu2+、Ni2+有特殊亲和力偶极离子排斥作用 正、负电中心不重叠，遂成偶极 eg： RSO3-Na+H3+NRCOO- RSO3-H3+NRCOO-+Na+ 第六节 离子交换操作方法一、 树脂的选择： 1、带正电荷的碱性物质 阳离子树脂 带负电荷的酸性物质 阴离子树脂 2、强碱性和强酸性物质 弱碱或弱酸性树脂 弱碱性和弱酸性物质 强碱或强酸性树脂 对aa: 强酸树

20、脂，保证足够的结合力，便于分步洗脱； Pr E等大分子： 弱酸或弱碱树脂，以减少变性，利于洗脱，提高选择性。 树脂： 要求：孔径适宜：粒 度： 柱层析 0.3-0.5mm 工 业 0.3-1.2mm机械性能： 阳阴；苯乙烯 酚醛； Cl型O型 型型；酸性介质碱性介质；大孔凝胶 二、树脂的处理，再生（一）预处理：、先物理处理：去杂、过筛、浮选；水洗去杂（木屑，泥沙）溶剂浸泡（去除吸附的少量有机物）、后化学处理：eg：以阳离子性树脂为例 （1）8倍，1M 盐酸搅拌浸泡，水洗到中性- 酸处理 （2）8倍，1M NaOH搅拌浸泡，水洗到中性-碱处理 （3）8倍，1M 盐酸搅拌浸泡，水洗到中性-转型 强

21、酸性阳树脂，氢型：酸-碱-酸处理 钠型：碱-酸-碱处理 阴离子交换树脂，最后用NaOH 液处理-羟型 HCl 液处理-氯型 转型完毕，用缓冲液平衡 （二）树脂的再生： 1、去杂：大量水冲洗，去除树脂表面和孔隙内杂质。 2、酸碱处理：除去与官能团结合的杂质。恢复静电吸附能力。 3、转型：即树脂去杂后，赋予平衡离子的过程。 “毒化”：树脂失去交换性能后，不能以一般的再生手段重获交换能力的现象。 毒化原理：堵塞孔隙，活性基团脱落，生成不可逆盐 解毒：常法用酸、碱浸泡，或用有机溶剂浸泡，酶处理三、基本操作方法1离子交换操作的方式静态交换：是将树脂与交换溶液混合置于一定的容器中搅拌进行。静态交换操作方法

22、简单、设备要求低，需分批进行，交换不完全，不适宜多种成分的分离，树脂有一定损耗。工业上（间歇式工艺） ：交换罐。实验室中： 烧杯。动态交换：操作是先将树脂装柱，交换溶液以平流方式通过柱床进行交换。该法不须搅拌、交换完全、操作连续，吸附与洗脱可在柱床的不同部位同时进行，适用于多组分离。工业上（连续交换工艺、柱交换工艺） ：离子交换器实验室中：交换柱或滴定管2洗脱方式“洗脱”离子交换完成后将树脂所吸附的物质释放出来重新转入溶液的过程。洗脱亦分静态与动态两种。一般动态交换也作动态洗脱，静态交换也作静态洗脱。洗脱液有酸、碱、盐等。酸、碱洗脱液旨在改变吸附物的电荷或改变树脂活性基团的解离状态，以消除静电

23、结合力，使目的物被释放出来。盐类洗脱液是通过高浓度的带同种荷的离子与目的物竞争树脂上的活性基团，使吸附物游离。实际工作中，静态洗脱可多次反复进行，旨在提高目的物收率。动态洗脱在层析柱上进行。洗脱液的pH和离子强度可以保持不变，也可以按分离要求人为地分阶段改变其pH或离子强度，即“阶段洗脱”，常用于多组分分离。洗脱液的改变也可以通过仪器(如梯度混合仪)来完成，使洗脱条件的改变连续化，其洗效果优于阶段洗脱。这种连续“梯度洗脱”特别适用于分辨率高的分析。 离子交换车间 +-anion exchange beadEquilibration平衡阴离子交换树脂Sample applicationand w

24、ash-+-Elution-+-洗脱Regeneration-+再生Sampleapplicationand washElutionEquilibrationRegeneration-+- 第五节 新型离子交换剂大孔型离子交换树脂（大网格离子交换树脂） 具有和大孔吸附剂相同的骨架结构。制备时先在聚合物原料中加进致孔剂（不参加反应），聚合物形成后再将致孔剂除去。这样便可在树脂内部形成大的空隙，得到大孔离子交换树脂。 常用的致孔剂有：高级醇类有机物大孔型离子交换树脂的特征：载体骨架交联度高，有较好的化学和物理稳定性及机械强度；孔径大，且为永久性孔隙。可在非水溶胀下使用；抗污染能力强，交换速度快；表

25、面积大，表面吸附能力强，对大分子物质的交换容量大；孔隙率径大、比重小，对小离子的体积交换量比凝胶树脂小。均孔型离子交换树脂属凝胶型阴离子交换树脂。骨架交联度比较均匀。孔径大小一致。重量和体积交换容量都较高。膨胀度、相对密度适中、机械强度好。抗污染和再生能力强。 均均多糖基离子交换树脂 固相载体为多糖类物质，亲水性强、交换空间大、对生物大分子无致变性作用。主要的多糖基离子交换树脂离子交换纤维素 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： 甲基磺酸纤维素、羧甲基纤维素、二乙基氨基乙基纤维素葡聚糖凝胶离子交换剂骨架为葡聚糖凝胶，如sepharose、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