生物分离工程-第六章-吸附分离技术与理论课件

1、生物工程下游技术第六章 吸附分离技术与理论学习目的和要求 在了解吸附剂和离子交换剂、吸附和离子交换平衡的基础上，掌握吸附和离子交换操作及其设计的理论基础。 通过本章学习应掌握以下内容：什么是吸附过程？吸附的类型有哪些？它们是如何划分的？常用的吸附剂种类有哪些？什么是吸附等温线？其意义何在？影响吸附过程的因素有哪些？什么是亲和吸附？其特点有哪些？常用的吸附单元操作有哪些方式？什么是离子交换？离子交换树脂的分类？其主要的理化性质有哪些？离子交换的机理是什么？什么是离子交换的选择性？其选择性受哪些因素影响？基本的离子交换操作是怎样的？如何利用离子交换法分离蛋白质？目录引言吸附剂与离子交换剂吸附平衡离

2、子交换平衡固定床吸附操作膨胀床吸附操作一、引言吸附定义 吸附（adsorption）是溶质从液相或气相转移到固相的现象,即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。（1）定义吸附操作 利用固体吸附的原理从液体或气体除去有害成分或提取回收有用目标产物的过程，一般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Step1Step2Step3Step4（2）吸附分类物理吸附：基于吸附剂与溶质间范德华力，无选择性、无需高活化能、吸附层可以是单层，也可以是多层、吸附和解吸附速度通常较

3、快；化学吸附：基于吸附剂与溶质之间的化学结合，吸附过程产生电子转移；需要高活化能、只能以单分子层吸附，选择性强、吸附和解吸附速度较慢；离子交换：基于吸附剂与溶质之间的静电引力，吸附过程发生电荷转移 常见的吸附类型及其主要特点物理吸附化学吸附吸附作用力 分子间引力化学键合力选择性较差较高所需活化能低高吸附层单层或多层单层达到平衡所需时间快慢二、吸附分离介质识记：生物分离中常用的吸附剂和离子交换剂 理解：吸附剂、离子交换剂性能评估方法 应用：掌握典型离子交换剂的滴定曲线 1、常用的吸附剂吸附剂应具备的特征：对被分离的物质具有较强的吸附能力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。常用

4、的吸附剂 活性炭，硅胶，金属氧化物，有机高分子树脂聚苯乙烯树脂评价吸附性能的参数：比表面积、孔径比表面积：孔径：比表面积直接影响到溶质的吸附容量，较大的比表面积可使溶质的吸附量增加。孔径对吸附剂性能的影响主要体现在其对溶质在吸附剂内扩散的影响方面。当孔径越大，溶质分子扩散越容易，反之则越困孔径和比表面积相互制约，孔径越大，比表面积越小。活 性 炭活性炭种类颗粒大小表面积吸附力吸附量洗脱粉末活性炭小大大大难颗粒活性炭较小较大较小较小难锦纶活性炭大小小小易粉末活性炭锦纶活性炭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，活性炭的吸附规律遵循

5、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 中性吸附 酸性洗脱; 酸性 中性吸附 碱性洗脱;（5）温度 未平衡前 随温度升高而增加;大孔网状吸附剂特点：脱色去臭效果理想；对有机物具有良好的选择性；物化性质稳定；机械强度好；吸附速度快；解吸、再生容易。但价格昂贵，吸附效果易受流速以及溶质浓度等因素的影响。大孔网状吸附树脂的种类非极性吸附树脂：苯乙烯交联而成，交联剂为二乙烯苯，又称芳香族吸附剂。中等极性吸附树脂：甲基丙烯酸酯交联而成，交联剂

6、亦为甲基丙烯酸酯，故又称脂肪族吸附剂。极性吸附剂：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。大孔吸附树脂的吸附机理非离子型共聚物，借助于范德华力从溶液中吸附各种有机物，其吸附能力与树脂的化学结构、物理性能以及与溶质、溶剂的性质有关。通常遵循以下规律：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2、常用的解吸方法低级醇、酮或水溶液解吸 原理：使大孔树脂溶胀，减弱溶质与吸附剂间 的相互作用力碱解吸附 原理：成盐，主要针对弱酸性溶质酸解吸附原理同上水解吸附 原理：降低体系中的离子强度，降低溶质的吸 附量3、吸附等温线

7、概念：当温度一定时，吸附量与浓度之间的函数关系称为吸附等温线。Langmuir吸附等温线 qo和K是经验常数，c代表溶液中溶质浓度蛋白质分离提纯时适合此吸附方程Langmuir吸附等温线4、影响吸附的主要因素吸附剂的性质：比表面积、粒度大小、极性吸附质的性质：对表面张力的影响，溶解度，极性，相对分子量温度：吸附是放热过程，吸附质的稳定性溶液pH值：影响吸附质的解离盐浓度：影响复杂，要视具体情况而定5、什么是亲和吸附？亲和吸附分离是利用溶质和吸附剂之间特殊的化学作用，从而实现分离。吸附剂由载体（Carrier）和配位体(Ligand)组成Affinity adsorption（1）亲和吸附的特点

8、效率高：利用亲和吸附可以从粗提液中一次性分离得到高纯度的活性物质。分离精度高：可用于分离含量极低，结构相近的化合物通用性较差，洗脱条件苛刻（2）亲和吸附载体的种类种 类组 成性 能多孔玻璃载体硅酸盐坚硬、耐酸碱、易修饰聚丙烯酰胺凝胶载体丙烯酰胺N,N-亚甲基双丙烯酰胺亲水性好可供活化基团多纤维素载体多糖类物质来源丰富，但非特异性吸附及空间位阻强，对分离不利葡聚糖凝胶载体经环氧丙烷交联的多糖类理化性质稳定，但粒径太小（3）载体的活化和偶联亲和吸附的载体通常是惰性的，往往不能直接与配基连接，偶联前需要先活化，活化的方法主要有：溴化氰活化法：琼脂糖、葡聚糖引入亚氨基碳酸盐高碘酸活化法：氧化多糖，生成

9、烷基胺环氧化法：多糖类载体与环氧氯丙烷作用生成环氧化合物，再与氨基偶联甲苯磺酰氯法：双功能试剂法 二乙烯砜环氧化法表氯醇Activation配基偶联方法载体经活化后，就可以进行与配基的偶联反应。具体方法如下：碳二亚胺缩合法(脱水)酸酐法叠氮化法重氮化法（4）影响亲和吸附的因素配基浓度 配基浓度高有利；空间位阻 加入“手臂链”以降低空间位阻的影响；配基与载体的结合位点 就蛋白质等大分子作为配基时，与载体连接的键越少越好；载体孔径：孔道大小；微环境：载体或“手臂链”的极性、电性；6、常用的吸附单元操作方式间歇吸附 依据是吸附等温线和物料衡算方程连续搅拌吸附固定床吸附 柱式塔 穿透点三、离子交换(i

10、on exchange) 概念：利用离子交换树脂作为吸附剂，将溶液中的待分离组分，依据其电荷差异，依靠库仑力吸附在树脂上，然后利用合适的洗脱剂将吸附质从树脂上洗脱下来，达到分离的目的。1、离子交换树脂的构成具有三维空间立体结构的网络骨架联接在骨架上的活性基团活性基团所带的相反电荷的活性离子（可交换离子）树脂的网络骨架2、离子交换剂分类离子交换剂阳离子交换剂（活性基团为酸性）强阳离子：磺酸基、磺丙基、膦酸基弱阳离子：羧甲基、羧基阴离子交换剂（活性基团为碱性）强阴离子：三甲胺基、季胺乙基、二乙胺乙基弱阴离子：氨基3、常用的离子交换剂生物小分子的回收 种类：苯乙烯-二乙烯基苯型，丙烯酸-二乙烯苯型，

11、多乙烯多胺-环氧氯丙烷型树脂 特点：疏水性高、交联度大、孔隙率小及电荷密度高生物大分子的回收 种类：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 4、离子交换剂之交换容量定义 交换容量是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。 吸附容量是表征离子交换能力的主要参数 交换容量的测定阳离子交换剂 转化为氢型 阴离子交换剂 转化为氯型 5、离子交换的一般过程6、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, C

12、6H5OH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；7、新型离子交换树脂大孔离子交换树脂 大孔离子交换树脂具有和大孔吸附剂相同的骨架结构，在大孔吸附剂合成后（加入致孔剂），再引入化学功能基团，便可得到大孔离子交换树脂大孔离子交换树脂的优点通过在合成时加入惰性致孔剂，克服了普通凝胶树脂由于溶胀现象，产生的“暂时孔”现象，从而强化了离子交换的功能；减少了凝胶树脂在离子交换过程中的“有机污染”现象（大分子不易洗脱）；可以通过致孔剂选择调整孔径大小、树脂的比表面积，以适应不同的分离要求。常用的致孔剂有

13、：良溶剂（能与单体互溶的）甲苯、四氯化碳；不良溶剂 长链醇（碳4-10） 煤油；高分子聚合物 聚苯乙烯、聚丙烯酸酯其它离子交换树脂类型两性树脂：同时含有酸、碱两种基团的树脂；均孔型离子交换树脂：主要是阴离子型凝胶离子交换树脂，孔径均匀，交换容量高、机械强度好；螯合树脂：树脂上含有具有螯合能力的集团，既可以形成离子键，又可以形成配位键；主要用于脱除金属离子；*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、对生物大分子物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

14、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树脂骨架为葡聚糖凝胶，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DEAE anion exchangerCMC Cation Exchanger离子交换树脂的命名方法 离子交换树脂命名法中

15、分类代号和骨架代号代号分类名称骨架名称0强酸性苯乙烯系1弱酸性丙烯酸系2强碱性酚醛系3弱碱性环氧系4螯合性乙烯哌啶系5两性脲醛系6氧化还原氯乙烯系8、离子交换树脂的制备加聚法和缩聚法（依聚合方法分类）加聚：指具有一个或一个以上双键的单体为原料，在分散相中进行聚合缩聚法是基于缩合反应的聚合过程；共聚法和均聚法（以单体分类）共聚是指两个或两个以上的单体进行聚合均聚是指以一种单体进行聚合几种主要的离子交换树脂制备方法苯乙烯型离子交换树脂 单体：苯乙烯、二乙烯苯 酸性树脂引入磺酸基，碱性树脂引入季 铵，伯、叔胺酚醛树脂 单体：水扬酸、苯酚、甲醛经缩聚而成离子交换树脂的理化性能外观：球形、浅色为宜，粒度

16、大小为1660目90%；机械强度：90%；含水量：0.30.7g/g 树脂；交换容量：重量交换容量、体积交换容量、工作交换容量或称表观交换容量（在某一条件下）；稳定性：化学稳定性、热稳定性；膨胀度：交联度、活性基团的性质与数量、活性离子的性质、介质的性质和浓度、骨架结构；湿真密度：单位体积湿树脂的重量；孔度、孔径、比表面积离子交换过程离子交换过程是可逆多相化学反应 式中 A1，A2液相中的离子 吸附的离子 Z1，Z2 A1，A2的价数 液相和树脂相中的溶剂 ns 离子交换时，溶剂从树脂移入液相的毫摩尔数离子交换机理A+自溶液中扩散到树脂表面A+从树脂表面进入树脂内部的活性中心A+与RB在活性中

17、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交换速度方程外部扩散控制内部扩散控制K1外扩散速度常数F时间为t时，树脂的饱和度r0为树脂颗粒半径D1为液相中的扩散系数为吸附常数9、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10、离子交换的选择性离子交换常数：交换势或交换系数R-A、R-B表示结合在树脂上的A离

18、子和B离子浓度AS、BS表示溶液中A离子和B离子越大B越易被交换11、影响离子交换选择性的因素水合离子半径：半径越小，亲和力越大；离子化合价：高价离子易于被吸附；溶液pH：影响交换基团和交换离子的解离程度，但不影响交换容量；离子强度：越低越好；有机溶剂：不利于吸附；交联度、膨胀度、分子筛：交联度大，膨胀度小，筛分能力增大；交联度小，膨胀度大，吸附量减少； 树脂与粒子间的辅助力：除静电力以外，还有氢键和范德华力等辅助力；离子交换操作方法树脂预处理离子交换吸附洗脱树脂预处理物理处理：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 酸碱酸 阴离子树脂 碱酸碱 最

19、后以去离子水或缓冲液平衡离交操作方式静态：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） 模拟移动床（SMB）模拟移动床（SMB）洗脱方式离子交换完成后，将树脂吸附的物质重新转入溶液的方法洗脱方法（1）改变溶液pH值（2）改变溶液离子强度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硬水软化离子交换应用实例离子交换法提取蛋白质较无机离子的离子交换平衡复杂，其吸附行为与离子间的静电引力、氢键、疏水作用以及范德华力有关蛋

20、白质是生物大分子物质，因此，其扩散行为也较无机离子复杂 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蛋白质离子交换分离的基本步骤平衡上样吸附洗脱再生+-anion exchange beadEquilibrationSample applicationand wash-+-Elution-+-Reg

22、eneration-+Sampleapplicationand washElutionEquilibrationRegeneration-+-常用于蛋白质提取分离的离子交换剂要求：良好的亲水性、具有较大的均匀网格结构、粒度越小分辨率越高种类：多糖类 离子交换纤维素 交联葡聚糖 交联琼脂糖 聚乙烯醇类 Mono系列 Amersham Pharmacia四、吸附平衡-学习要点识记：吸附平衡概念 理解：用兰格缪尔的单分子层吸附理论解释溶质吸附现象 概念 当吸附剂达到吸附平衡后，固相表面溶质浓度q与液相中溶质浓度c存在一定的关系， 吸附平衡形式低浓度下高浓度下m 分配系数，C 浓度-兰格缪尔单分子吸附

23、理论 吸附剂上有多个活性位点；每个活性具有相同的能量；并只能吸附一个分子的溶质；吸附的分子间无相互作用； 根据兰格缪尔理论，可得离子交换平衡-学习要点识记：离子交换平衡概念 理解：离子交换分配系数的推导 离子交换平衡在没有待分离的溶质存在时，离子交换剂表面离子基团一直被其反离子所覆盖。 由于溶质与反离子带有相同的电荷，典型的离子交换过程如下：阴离子交换剂： 阳离子交换剂： 离子交换平衡-完全解离电解质的分配平衡 对于完全解离的电解质XH而言，其在固液之间的分配系数为 平衡常数代入溶液中反离子浓度越高，离子交换的分配系数越小 离子交换平衡-不完全解离电解质的分配平衡单价弱电解质XH存在着如下的解

24、离平衡，弱电解质在溶液中的分配系数可表示为 离子交换平衡-通用分配平衡模型普遍化的离子交换反应可表示为达到平衡后，分配平衡常数为 离子交换平衡-蛋白质的离子交换平衡随着分子量的升高，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 蛋白质带多价电荷，可与多个离子交换基发生作用。其在离子交换剂上的吸附受到反离子浓度的影响，可用如下的公式表示 固定床吸附操作 -学习要点识记：穿透曲线、穿透点和穿透时间等概念 理解：固定床吸附过程理论基础 应用：掌握固定床操作过

25、程以及多床串联吸附操作的优缺点 固定床吸附操作 -吸附操作模式 间歇搅拌槽 一级吸附平衡，效率低，用于吸附动力学和机理研究 固定床吸附塔 多级吸附平衡，分离效率高 固定床吸附的基本步骤平衡上样吸附洗脱再生+-anion exchange beadEquilibrationSample applicationand wash-+-Elution-+-Regeneration-+Sampleapplicationand washElutionEquilibrationRegeneration-+-固定床吸附操作 -吸附过程吸附塔内填充着活性炭等吸附剂或者离子交换剂。当料液连续输入吸附塔中，溶质被吸附剂吸附。从吸附塔人口开始，吸附剂的吸附质浓度不断上升，其饱和（最大）吸附浓度q0与入口料液浓度c0相平衡，即当吸附塔内溶质的吸附接近饱和时，溶质开始从塔中流出，出口处溶质浓度升高，最后达到入口料液浓度，即吸附达到完全饱和。固定床吸附操作 -穿透曲线及相关概念穿透曲线 吸附过程中吸附塔出口溶质浓度的变化曲线称为穿透曲线 穿透点 出口处