生物分离工程吸附分离技术与理论市公开课获奖课件

1、生物工程下游技术第六章 吸附分离技术与理论第1页第1页学习目和要求 在理解吸附剂和离子互换剂、吸附和离子互换平衡基础上，掌握吸附和离子互换操作及其设计理论基础。 第2页第2页通过本章学习应掌握下列内容：什么是吸附过程？吸附类型有哪些？它们是如何划分？惯用吸附剂种类有哪些？什么是吸附等温线？其意义何在？影响吸附过程原因有哪些？什么是亲和吸附？其特点有哪些？惯用吸附单元操作有哪些方式？第3页第3页什么是离子互换？离子互换树脂分类？其主要理化性质有哪些？离子互换机理是什么？什么是离子互换选择性？其选择性受哪些原因影响？基本离子互换操作是如何？如何利用离子互换法分离蛋白质？第4页第4页目录引言吸附剂与

2、离子互换剂吸附平衡离子互换平衡固定床吸附操作膨胀床吸附操作第5页第5页一、引言吸附定义 吸附（adsorption）是溶质从液相或气相转移到固相现象,即利用吸附剂对液体或气体中某一组分含有选择性吸附能力，使其富集在吸附剂表面。（1）定义第6页第6页吸附操作 利用固体吸附原理从液体或气体除去有害成份或提取回收有用目的产物过程，普通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第7页第7页（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

3、能够是单层，也能够是多层、吸附和解吸附速度通常较快；化学吸附：基于吸附剂与溶质之间化学结合，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；离子互换：基于吸附剂与溶质之间静电引力，吸附过程发生电荷转移 第8页第8页常见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第9页第9页二、吸附分离介质识记：生物分离中惯用吸附剂和离子互换剂 理解：吸附剂、离子互换剂性能评估办法 应用：掌握典型离子互换剂滴定曲线 第10页第10页1、惯用吸附剂吸附剂应具备特性：对被分离物质含有较

4、强吸附能力有较高吸附选择性机械强度高再生容易、性能稳定价格低廉。第11页第11页惯用吸附剂 活性炭，硅胶，金属氧化物，有机高分子树脂聚苯乙烯树脂第12页第12页评价吸附性能参数：比表面积、孔径比表面积：孔径：第13页第13页比表面积直接影响到溶质吸附容量，较大比表面积可使溶质吸附量增长。孔径对吸附剂性能影响主要表达在其对溶质在吸附剂内扩散影响方面。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互相制约，孔径越大，比表面积越小。第14页第14页活 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第15页第15页粉末活性炭

5、第16页第16页锦纶活性炭第17页第17页活性炭对物质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吸附能力。针对不同物质，活性炭吸附规律遵照以下规律：（1）对极性基团多化合物吸附力大于极性基团少化合物（2）对芳香族化合物吸附能力大于脂肪族化合物;（3）对相对分子量大化合物吸附力大于相对分子量小化合物;（4）pH 值影响 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;第18页第18页大孔网状吸附剂特点：脱色去臭效果抱负；对有机物含有良好选择性；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

6、质浓度等原因影响。第19页第19页大孔网状吸附树脂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。中档极性吸附树脂：甲基丙烯酸酯交联而成，交联剂亦为甲基丙烯酸酯，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。第20页第20页大孔吸附树脂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，其吸附能力与树脂化学结构、物理性能以及与溶质、溶剂性质相关。通常遵循下列规律：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；中档极性吸附剂兼有以上两种能力第21页第21页2、惯用解吸办法低档醇、酮或

7、水溶液解吸 原理：使大孔树脂溶胀，削弱溶质与吸附剂间 互相作用力碱解吸附 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：减少体系中离子强度，减少溶质吸 附量第22页第22页3、吸附等温线概念：当温度一定期，吸附量与浓度之间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第23页第23页Langmuir吸附等温线第24页第24页4、影响吸附主要原因吸附剂性质：比表面积、粒度大小、极性吸附质性质：对表面张力影响，溶解度，极性，相对分子量温度：吸附是放热过程，吸附质稳定性溶液pH值：影响吸附质解离盐浓度：影响复

8、杂，要视详细情况而定第25页第25页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化学作用，从而实现分离。吸附剂由载体（Carrier）和配位体(Ligand)构成第26页第26页Affinity adsorption第27页第27页（1）亲和吸附特点效率高：利用亲和吸附能够从粗提液中一次性分离得到高纯度活性物质。分离精度高：可用于分离含量极低，结构相近化合物通用性较差，洗脱条件苛刻第28页第28页（2）亲和吸附载体种类种 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起源丰富，但非特

9、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多糖类理化性质稳定，但粒径太小第29页第29页（3）载体活化和偶联亲和吸附载体通常是惰性，往往不能直接与配基连接，偶联前需要先活化，活化办法主要有：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：双功效试剂法 二乙烯砜第30页第30页环氧化法表氯醇Activation第31页第31页配基偶联办法载体经活化后，就能够进行与配基偶联反应。详细办法下列：碳二亚胺缩合法(脱水)酸酐法叠氮化法重氮化法第32页第32页（4）影响亲和吸附原因

10、配基浓度 配基浓度高有利；空间位阻 加入“手臂链”以减少空间位阻影响；配基与载体结合位点 就蛋白质等大分子作为配基时，与载体连接键越少越好；载体孔径：孔道大小；微环境：载体或“手臂链”极性、电性；第33页第33页6、惯用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 穿透点第34页第34页三、离子互换(ion exchange) 概念：利用离子互换树脂作为吸附剂，将溶液中待分离组分，依据其电荷差别，依托库仑力吸附在树脂上，然后利用适当洗脱剂将吸附质从树脂上洗脱下来，达到分离目的。第35页第35页1、离子互换树脂构成含有三维空间立体结构网络骨架联接在骨架上

11、活性基团活性基团所带相反电荷活性离子（可互换离子）第36页第36页树脂网络骨架第37页第37页第38页第38页2、离子互换剂分类离子互换剂阳离子互换剂（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、羧基阴离子互换剂（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：氨基第39页第39页3、惯用离子互换剂生物小分子回收 种类：苯乙烯-二乙烯基苯型，丙烯酸-二乙烯苯型，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 第40页第40页4、离子

12、互换剂之互换容量定义 互换容量是单位质量干燥离子互换剂或单位体积湿离子互换剂所能吸附一价离子毫摩尔数。 吸附容量是表征离子互换能力主要参数 互换容量测定阳离子互换剂 转化为氢型 阴离子互换剂 转化为氯型 第41页第41页5、离子互换普通过程第42页第42页6、惯用离子互换树脂强酸性阳离子互换树脂：活性基团是-SO3H（磺酸基）和-CH2SO3H（次甲基磺酸基）；弱酸性阳离子互换树脂：活性基团有-COOH, -OCH2COOH, C6H5OH等弱酸性基团；强碱性阴离子互换树脂：活性基团为季铵基团，如三甲胺基或二甲基-羟基乙基胺基；弱碱性阴离子互换树脂：活性基团为伯胺或仲胺，碱性较弱；第43页第4

13、3页7、新型离子互换树脂大孔离子互换树脂 大孔离子互换树脂含有和大孔吸附剂相同骨架结构，在大孔吸附剂合成后（加入致孔剂），再引入化学功效基团，便可得到大孔离子互换树脂第44页第44页大孔离子互换树脂长处经过在合成时加入惰性致孔剂，克服了普通凝胶树脂因为溶胀现象，产生“暂时孔”现象，从而强化了离子互换功效；降低了凝胶树脂在离子互换过程中“有机污染”现象（大分子不易洗脱）；能够经过致孔剂选择调整孔径大小、树脂比表面积，以适应不同分离要求。惯用致孔剂有：良溶剂（能与单体互溶）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、聚丙烯酸酯第45页第45页其它离子互换树脂类型两

14、性树脂：同时含有酸、碱两种基团树脂；均孔型离子互换树脂：主要是阴离子型凝胶离子互换树脂，孔径均匀，互换容量高、机械强度好；螯合树脂：树脂上含有含有螯合能力集团，既能够形成离子键，又能够形成配位键；主要用于脱除金属离子；*多糖基离子互换树脂：固相载体为多糖类物质，亲水性强、互换空间大、对生物大分子物致变性作用第46页第46页主要多糖基离子互换树脂离子互换纤维素 树脂骨架为纤维素，依据活性基团性质可分为阳离子互换纤维素和阴离子互换纤维素两类 特点：骨架松散、亲水性强、表面积大、互换容量大、吸附力弱、互换和洗脱条件温和、分辨率高 惯用离子互换纤维素有： 甲基磺酸纤维素、羧甲基纤维素、二乙基氨基乙基纤

15、维素第47页第47页葡聚糖凝胶离子互换树脂骨架为葡聚糖凝胶，如sepharose、sephadex，依据功效基团不同，亦可分为阳离子互换和阴离子互换树脂命名方法：互换活性基团+骨架+原骨架编号特点：除了含有离子互换功效以外，兼有分子筛功效，提升了分离效率惯用葡聚糖凝胶离子互换树脂：CM-sephadex C-25、DEAE-sephadex A-25等第48页第48页DEAE anion exchanger第49页第49页CMC Cation Exchanger第50页第50页第51页第51页离子互换树脂命名办法第52页第52页 离子互换树脂命名法中分类代号和骨架代号代号分类名称骨架名称0强酸

16、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氧化还原氯乙烯系第53页第53页8、离子互换树脂制备加聚法和缩聚法（依聚合办法分类）加聚：指含有一个或一个以上双键单体为原料，在分散相中进行聚合缩聚法是基于缩合反应聚合过程；共聚法和均聚法（以单体分类）共聚是指两个或两个以上单体进行聚合均聚是指以一个单体进行聚合第54页第54页几种主要离子互换树脂制备办法苯乙烯型离子互换树脂 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、甲醛经缩聚而成第55页第55页离子互换树脂理化性能外观：球形、浅色为宜，粒度大小为1

17、660目90%；机械强度：90%；含水量：0.30.7g/g 树脂；互换容量：重量互换容量、体积互换容量、工作互换容量或称表观互换容量（在某一条件下）；稳定性：化学稳定性、热稳定性；膨胀度：交联度、活性基团性质与数量、活性离子性质、介质性质和浓度、骨架结构；湿真密度：单位体积湿树脂重量；孔度、孔径、比表面积第56页第56页离子互换过程离子互换过程是可逆多相化学反应 式中 A1，A2液相中离子 吸附离子 Z1，Z2 A1，A2价数 液相和树脂相中溶剂 ns 离子互换时，溶剂从树脂移入液相毫摩尔数第57页第57页离子互换机理A+自溶液中扩散到树脂表面A+从树脂表面进入树脂内部活性中心A+与RB在活

18、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互换速度控制步骤是扩散速度，不同分离体系可能由内部扩散或外部扩散控制第58页第58页互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，树脂饱和度r0为树脂颗粒半径D1为液相中扩散系数为吸附常数第59页第59页9、影响互换速度原因颗粒大小：愈小越快交联度：交联度小，互换速度快温度：越高越快离子化合价：化合价与高，互换越快离子大小：越小越快搅拌速度：在一定程度上，越大越快溶液浓度：当互换速度为外扩散控制时， 浓度越大，互换速度越快第60页第60页10、离子互换选择性离子互换常数：互换势或互换

19、系数R-A、R-B表示结合在树脂上A离子和B离子浓度AS、BS表示溶液中A离子和B离子越大B越易被互换第61页第61页11、影响离子互换选择性原因水合离子半径：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：影响互换基团和互换离子解离程度，但不影响互换容量；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； 树脂与粒子间辅助力：除静电力以外，尚有氢键和范德华力等辅助力；第62页第62页离子互换操作办法树脂预处理离子互换吸附洗脱第63页第63页第64页第64页树脂预处理物理处理：水洗、过筛，去杂，以

20、取得粒度均匀树脂颗粒；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 最后以去离子水或缓冲液平衡第65页第65页离交操作方式静态：操作简朴、不过度批操作，互换不完全动态：离子互换柱，操作连续、互换完全，适宜多组份分离 柱式固定床（FixedBed） 模拟移动床（SMB）第66页第66页模拟移动床（SMB）第67页第67页第68页第68页第69页第69页洗脱方式离子互换完毕后，将树脂吸附物质重新转入溶液办法洗脱办法（1）改变溶液pH值（2）改变溶液离子强度第70页第70页树脂再生是指使离子互换树脂重新含有互换能力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

21、-酸-碱-缓冲溶液淋洗方式有：顺流再生和逆流再生第71页第71页硬水软化第72页第72页离子互换应用实例离子互换法提取蛋白质较无机离子离子互换平衡复杂，其吸附行为与离子间静电引力、氢键、疏水作用以及范德华力相关蛋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第73页第73页 Some of the charged regions which will influence ion exchange Different proteins have different charges and different patterns of surface chargeBasis for sele

22、ctivity第74页第74页NH3RCOOH+NH3RCOO+-RNH2COO-Low pHPositive chargeHigh pHNegative chargeHydrogen gainedHydrogen lostEffect of pH on charge第75页第75页-+Overall charge on proteinNH3RCOOH+NH3RCOO+-RNH2COO-acid isoelectric point alkalineexcess positive charge balanced positive and negative charge excess negati

23、ve chargepH310Titration curves第76页第76页第77页第77页蛋白质离子互换分离基本环节平衡上样吸附洗脱再生第78页第78页+-anion exchange beadEquilibration第79页第79页Sample applicationand wash-+-第80页第80页Elution-+-第81页第81页Regeneration-+第82页第82页Sampleapplicationand washElutionEquilibrationRegeneration-+-第83页第83页惯用于蛋白质提取分离离子互换剂要求：良好亲水性、含有较大均匀网格结构、粒

24、度越小分辨率越高种类：多糖类 离子互换纤维素 交联葡聚糖 交联琼脂糖 聚乙烯醇类 Mono系列 Amersham Pharmacia第84页第84页四、吸附平衡-学习要点识记：吸附平衡概念 理解：用兰格缪尔单分子层吸附理论解释溶质吸附现象 第85页第85页概念 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存在一定关系， 第86页第86页吸附平衡形式低浓度下高浓度下m 分派系数，C 浓度第87页第87页-兰格缪尔单分子吸附理论 吸附剂上有多个活性位点；每个活性含有相同能量；并只能吸附一个分子溶质；吸附分子间无互相作用； 依据兰格缪尔理论，可得第88页第88页离子互换平衡-学习要点

25、识记：离子互换平衡概念 理解：离子互换分派系数推导 第89页第89页离子互换平衡在没有待分离溶质存在时，离子互换剂表面离子基团始终被其反离子所覆盖。 由于溶质与反离子带有相同电荷，典型离子互换过程下列：阴离子互换剂： 阳离子互换剂： 第90页第90页离子互换平衡-完全解离电解质分派平衡 对于完全解离电解质XH而言，其在固液之间分派系数为 平衡常数代入溶液中反离子浓度越高，离子互换分派系数越小 第91页第91页离子互换平衡-不完全解离电解质分派平衡单价弱电解质XH存在着下列解离平衡，弱电解质在溶液中分派系数可表示为 第92页第92页离子互换平衡-通用分派平衡模型普遍化离子互换反应可表示为达到平衡

26、后，分派平衡常数为 第93页第93页离子互换平衡-蛋白质离子互换平衡伴随分子量升高，互换剂对蛋白质分子空间排阻作用增大，蛋白质分子进入离子互换剂困难，无法与所有离子互换剂活性中心接触吸附于吸附剂上蛋白质分子会阻碍其它蛋白与游离离子互换活性中心接触，同时阻碍分子扩散 蛋白质带多价电荷，可与多个离子互换基发生作用。其在离子互换剂上吸附受到反离子浓度影响，可用下列公式表示 第94页第94页固定床吸附操作 -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：掌握固定床操作过程以及多床串联吸附操作优缺点 第95页第95页固定床吸附操作 -吸附操作模式 间歇搅拌槽 一级吸

27、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 第96页第96页固定床吸附基本环节平衡上样吸附洗脱再生第97页第97页+-anion exchange beadEquilibration第98页第98页Sample applicationand wash-+-第99页第99页Elution-+-第100页第100页Regeneration-+第101页第101页Sampleapplicationand washElutionEquilibrationRegeneration-+-第102页第102页固定床吸附操作 -吸附过程吸附塔内填充着活性炭等吸附剂或者离子互换剂。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，即当吸附塔内溶质吸附靠近饱和时，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。第103页第103页固定床吸附操作 -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改变曲线称为穿透曲线 穿透点 出口处溶质浓度开始上升点称为穿透点 穿透时间 达到穿透点所用操作时间称为穿透时间