第5章离子交换与色谱

第五章离子交换与色谱分离设备第一节离子交换过程原理与设备第二节色谱分离原理与设备第三节吸附分离及设备（自学）

第一节离子交换过程原理与设备一离子交换过程与原理离子交换法是应用合成的离子交换剂作为吸附剂，将溶液中的物质，依靠库仑力吸附在交换剂上，然后用合适的洗脱剂将吸附物质从交换剂上洗脱下来，达到分离、浓缩、提纯的目的。生物工业中最常用的交换剂为离子交换树脂。几乎所有的生物大分子都是极性的，都可使其带电，所以离子交换法已广泛用于生物大分子的分离纯化。离子交换树脂的结构组成a:交联的具有三维空间立体结构的网络骨架，通常不溶于酸、碱和有机溶媒，化学稳定性良好；b:联接在骨架上的功能基（活性基）及可交换离子。树脂的网络骨架（一）、离子交换树脂分类按活性基团分类:阳离子交换树脂(cationexchange)（含酸性基团），对阳离子具有交换能力；

阴离子交换树脂(anionexchange)（含碱性基团），对阴离子具有交换能力；具体又可以分为：强阳、弱阳、强阴、弱阴。根据离子交换剂的树脂材料分：以苯乙烯和二乙烯苯共聚而成的合成树脂聚苯乙烯树脂为基质的离子交换树脂；多糖类骨架的离子交换树脂。

离子交换树脂分类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,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-ß-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；（二）离子交换过程装载树脂及平衡;吸附样品;样品淋洗(解吸、分离)树脂再生。离子交换分离的一般流程（1）原料液的预处理(离子化)，使得流动相易于被吸附剂吸附；（2）装载，上样，使原料液和离子交换树脂的充分接触，以利于吸附进行；（3）淋洗离子交换树脂，以去除杂质；（4）把离子交换树脂上的有用物质解吸并洗脱下来；（5）离子交换树脂的再生。离子交换机理及选择性待分离的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。A+＋RBRA＋B+

离子交换机理：离子交换原理及反应以水净化处理应用为例：离子交换的选择性是分离纯化的基础当溶液中同时存在着很多种离子时，树脂对离子有选择吸附作用。一般来说，离子和树脂间亲和力越大，就越容易吸附；对无机离子，离子的化合价越高，就越容易被吸附；离子交换反应受溶液的pH影响很大。对强酸、强碱树脂来说，任何pH下都可进行交换反应，而弱酸、弱碱树脂的交换反应则分别在偏碱性、偏酸性或中性溶液中进行；离子交换树脂在水和非水体系中的行为是不同的。有机溶剂的存在会使树脂脱水收缩，结构紧密，降低吸附有机离子的能力，而相对提高吸附无机离子的能力。阳离子树脂的吸附顺序发酵液中谷氨酸的分离(1)吸附顺序用强酸性离子交换树脂提取谷氨酸时，发酵液中同时存在的阳离子有Na+、NH4+、K+、Ca2+、Mg2+、腺瞟吟、氨基酸等。按树脂对这些离子吸引力和亲和力大小，其吸附顺序是：金属离子——NH4+——氨基酸——有机色素(2)氨基酸交换顺序

精氨酸（10.8

）＞赖氨酸（9.7）＞丙氨酸（6.0）

＞亮氨酸（5.98）＞谷氨酸

(3)金属阳离子和氨基酸的交换顺序Ca2+＞Mg2+＞K+＞NH4+＞Na+＞腺膘吟＞丙氨酸＞亮氨酸＞谷氨酸洗脱时，先洗脱出来是谷氨酸，后是NH4+，金属离子最后被洗下，以达分离目的。离子交换纯化策略对生物大分子进行分离纯化，可采用两种方式：①正吸附：将目标产物离子化，再交换到介质上，杂质不被吸附而从柱流出，称为正吸附。②负吸附：将杂质离子化后被交换，而目标产物不被交换直接流出，这种方式称为负吸附。离子交换过程（一）间歇式离子交换设备（二）半连续移动床离子交换设备（三）连续式离子交换设备二、离子交换设备

按结构型式分：罐式、塔式、槽式；按操作方式分：间歇式、周期式与连续式；按两相接触方式分为：固定床、流动床；其中，固定床分：单床、多床、混合床。

离子交换设备分类工业规模的离子交换设备离子交换车间（一）间歇式离子交换设备1.正向吸附离子交换罐

一般的离子交换罐为具有椭圆形封头的圆筒形设备，树脂层高度约占圆筒高度的50～70%，须留有充分的空间，已备反冲时树脂层的扩胀。交换罐上部有溶液分布装置，使溶液均匀通过树脂层。罐底有多孔板、筛网及滤布以支持树脂层，或者用石英石或卵石直接铺于罐底以支持树脂层。2.反向吸附离子交换罐（流化床）

结构特点：

进料分布器在罐的下部，上部增加解吸水分布器。吸附后废液出口在封头顶部。底部为淋洗水、解吸液和再生液出口、反洗水进口。被交换的溶液由罐的下部导入，交换后的废液则由罐顶的出口溢出。

反向吸附离子交换罐主要优缺点优点：省去菌丝过滤工序；液固两相接触面大而且较均匀，操作时不产生短路、死角，以及流速大和生产周期短。缺点：树脂的饱和度不及正吸附的高、罐内树脂高度要比正吸附时低一点，以免树脂外溢。扩口式离子交换器为防止离子交换树脂从顶部溢出，可设计成扩口式离子交换器。顶部加装循环室。待交换的处理液从底部的液体分布器加入。从顶部经过滤后溢流出。反向吸附离子交换器的液流方向进料解吸溶液由上而下流动；再生时，先用水反冲，使阳、阴树脂借重度差分层（一般阳离子树脂较重），然后将碱液由罐的上部引入，酸液则由罐底引入，废酸、碱液在中部引出，再生及洗涤结束后，压缩空气将两种树脂重新混合，阳、阴离子交换树脂常以体积比l:1混合。3.混合床交换罐树脂由阳、阴离子交换树脂混合组成，脱盐较充分。制药工业用反渗透加混合床生产纯水工艺流程（二）半连续移动床离子交换设备特点：交换、再生、清洗过程在装置中特定位置完成，通过管线和阀门将这些过程在装置中串联在一起，各种离子交换树脂、液体周期性地在特定的部位流动。交换过程树脂悬浮液流到中间循环柱，进行固液分离，处理水外排。当再生信号发出，水处理系统内部分树脂进入饱和树脂存贮柱，同时有再生好的树脂补充过来。存贮柱内的树脂进入再生柱再生。该装置可实现水处理，饱和树脂再生以及再生好树脂返回等过程同时进行，从而达到连续产纯净水的目的。待处理液进入处理柱后，树脂随待处理液一起在柱内流动，同时进行交换反应。

（三）连续式离子交换设备属连续逆流接触的离子交换设备。树脂经顶部计量加入到交换塔内,并经过漏斗形树脂加料器加到每层筛板上,筛板起支撑树脂和对料液的分布作用；待处理液从底部加入,从顶部溢流出。1.筛板式连续离子交换设备2.漩涡式连续离子交换设备离子交换树脂及处理液在交换器中在螺旋输送器的推动下，逆流接触，呈漩涡状流动。优点：能连续生产、供液不间断，而且效率高；树脂利用率及再生饱和程度高，因而再生液耗量较省；操作管理较为方便。缺点：树脂磨损较大。第二节色谱分离原理与设备色谱技术是利用混合物中各种组分的物理化学性质（分子的形状和大小、分子的极性、吸附力、分子亲和力、分配系数等）不同，使各组分以不同程度分布在两相（流动相、固定相）中，当流动相流过固定相时，各组分以不同的速度移动，而达到分离的目的。色谱分离也称为层析分离或色层。色谱（层析）分离分类按流动相的状态不同可分:液相色谱（liquidchromatography）；气相色谱（gaschromatography）；固定相的使用形式不同可分：

柱层析；纸层析；薄层层析；按分离机制不同可分为：离子交换色谱；吸附色谱；分配色谱；疏水作用色谱；凝胶层析（色谱）；亲和层析（色谱）等。色谱分离设备的组成组成：输液泵、进样器（阀）、色谱柱、检测器、收集器等组成。色谱设备的组成各部件主要作用泵：推动溶液，它是层析系统的心脏。

阀系统：控制溶液的流向，提供自动控制层析过程的可能性。

层析柱：填装不同的层析介质，使混合物在通过它时，因不同蛋白分子与层析介质作用强度不同，因而迁移速度不同，从而分开混合物。

检测器：确定混合物中各物质的位置和浓度，以及缓冲液的各种参数。

收集器：用来收集样品。液相色谱的基本流程图流动相

泵色谱柱检测器

输液系统分离系统

检测系统记录系统AEGBCDF进样阀进样系统色谱系统的进样与洗脱洗脱进样进样器阀流动相泵阀柱检测器组分收集与记录仪一、凝胶色谱利用凝胶粒子（凝胶过滤介质）为固定相，根据料液中溶质相对分子质量的差别进行分离的液相层析法。凝胶（色谱）层析又叫分子筛层析，是20世纪60年代发展起来的一种分离纯化方法。凝胶具有网状结构，小分子物质能进入其内部，而大分子物质却被排阻在外部，当一混合物溶液通过凝胶过滤层析柱时，溶液中的物质就按不同分子质量筛分开。(一)基本原理

凝胶过滤层析所用的基质是具有立体网状结构、筛孔直径一致，且呈珠状颗粒的物质。这种物质可以完全或者部分排阻某些大分子化合物于筛孔之外，而不能排阻某些小分子化合物，但可让其在筛孔中自由地扩散、渗透。样品由进样阀进入层析柱，小分子物质能进入凝胶颗粒的内部，而大分子物质却被排阻在外部，溶液中的物质就按不同分子质量筛分开。柱后面连有的检测仪能检测出目标产物的出峰时间，并由电脑记录，从而可实现目标产物的定时收集。凝胶色谱原理图为用凝胶过滤层析技术分离两种目标产物的示意图。将含有两种不同分子量的混合样品小心自柱顶端加入，接着连续以水或其他溶液进行洗脱，并用分部收集器收集洗脱液，测定每管物质浓度，然后以洗脱体积为横坐标，各物质浓度为纵坐标作图，即得洗脱曲线。

通过图谱可以进行组分成分鉴定及含量的测定。(二)凝胶层析操作步骤1．装柱：有些凝胶是干燥颗粒，使用前须吸胀；注意在柱装好后，任何时间都不能使液面低于凝胶表面，否则会影响分离效果。2．加样：要使样品均匀地进入凝胶床，要在溶剂表面恰好与凝胶表面相平时加进样品。当样品进入凝胶床，样品液面到达凝胶床表面时，加入洗脱液。3．洗脱：凝胶层析用的所有的洗脱液均以能溶解被洗脱物质和不使其变性或失活为原则。并且洗脱用的液体应和凝胶溶胀时以及凝胶柱平衡时所用的液体完全相同，4．再生：用水进行逆向冲洗，再用缓冲液进行平衡。平衡完毕后，即可重复使用。5.保存：使用过的凝胶柱，若要短时间保存，则需进行反复洗涤除去蛋白质等杂质，并加入适当的防霉剂，如醋酸汞、三氯乙醇等；若要长时间保存，则需将凝胶从柱中取出，进行洗涤、脱水和干燥。(三)、凝胶层析设备凝胶色谱装置主要由进样系统（一般为恒压泵）、层析柱、收集器和检测系统组成。

柱层析装置色谱柱是色谱系统的心脏。色谱柱由柱管、压帽、卡套（密封环）、筛板（滤片）、接头、螺丝等组成。柱管材料：不锈钢；厚壁玻璃；石英管。玻璃柱及不锈钢柱层析柱分类按用途分：分析柱和制备柱；常规分析柱：内径2~5mm；窄径柱：内径1~2mm；毛细管柱：内径0.2~0.5mm；半制备柱：内径＞5mm；实验室制备柱：内径20~40mm生产制备柱：内径可达几十厘米。柱的两端均密闭，柱下端有滤板和滤布，滤板为400目的尼龙布或聚四氟乙烯布，样品和洗脱液均用微量泵传送，这样可使底部的死体积减少到最小值。其中2、3柱还具有双层管，管间可通温水保温，进出口处可用尼龙管伸入柱内，连接一个附有滤板的漏斗状托盘，以减少底部死体积，托盘周围用橡皮圈与柱壁密封。常用层析柱此外可分为：轴向色谱柱径向色谱柱径向柱浓度分布均匀,柱效高,规模放大时,直径不变,只需增大柱高，易于工业放大。反转式凝胶色谱柱为一种反转式层析柱。两根支柱支撑在两法兰之间，在支柱的中部装有转轴，支撑在支架轴承中，这样，分离柱就可以上下反转，工作时可用定位螺固定。这种结构可避免柱中凝胶压紧。（见演示）实验用凝胶层析设备工业规模的凝胶层析装置工业规模的径向层析柱（四）凝胶层析的应用1．分离提纯广泛用于酶、蛋白质、氨基酸、多糖、激素、生物碱等物质的分离提纯。2．脱盐生物高分子（如蛋白质、核酸、多糖等）溶液中的低分子量杂质，可以用凝胶层析法除去，这一操作称为脱盐。3．测定高分子物质的相对分子质量。6．高分子溶液的浓缩将干凝胶投入到稀的高分子溶液中，这时水分和低分子量的物质就会进入凝胶粒子内部的孔隙中，而高分子物质则排阻在凝胶颗粒之外，再经离心或过滤，将