生物分离工程吸附分离及离子交换市公开课金奖市赛课一等奖课件

第五章吸附分离及离子互换第1页第1页内容简介吸附分离原理及操作离子互换原理及操作吸附平衡理论（热力学）吸附传质(动力学）吸附设备固定床扩张床搅拌釜第2页第2页第一节吸附分离原理及操作吸附(adsorption)：溶质从液相或气相转移到固相现象。吸附机制：固体表面分子(或原子)处于特殊状态。固体内部分子所受力是对称，故彼此处于平衡。但在界面分子力场是不饱和，即存在一个固体表面力，它能从外界吸附分子、原子、或离子，并在吸附表面上形成多分子层或单分子层。吸附作用:物质从气体或液体浓缩到固体表面从而实现分离过程吸附剂:在表面上能发生吸附作用固体吸附物:被吸附物质第3页第3页吸附法特点吸附法长处：对溶质作用较小，普通对蛋白活性构象影响小，这一点在蛋白质分离中尤其主要；可直接从发酵液中分离所需产物，成为发酵与分离耦合过程，从而可消除一些产物对微生物克制作用；操作简便、安全、设备简朴吸附法缺点：选择性较差惯用于从稀溶液中将溶质分离出来，由于受固体吸附剂限制，处理能力较小；溶质和吸附剂之间互相作用及吸附平衡关系通常是非线性关系，故设计比较复杂，试验工作量较大。第4页第4页1.1吸附剂1.2.1吸附剂分类A、非多孔类：非多孔性固体比表面仅取决于颗粒外表面，比较而言比表面积小，用粉碎办法能够增长其比表面积。B、多孔类：多孔性颗粒表面是由“外表面”和“内表面”所构成，内表面积可比外表面积大几百倍。由于颗粒内微孔存在，比表面很大，可达每克几百平方米，有较高吸附势。第5页第5页1.2.2有机吸附剂制备（按反应溶剂分）①本体聚合组分简朴，通常只含单体和少许引起剂，因此操作简便，产物纯净；缺点是聚合热不易排除。（无溶剂）②溶液聚合长处是体系粘度低，传热、混合容易，温度易于控制；缺点是聚合度较低，产物常含少许溶剂，使用和回收溶剂需增长设备投资和生产成本。（相溶）③悬浮聚合通常是在大量水介质中进行，散热容易,产物是0.05～2mm左右小颗粒，容易洗涤、分离，产物纯度较高；缺点是产物容易粘壁，影响聚合釜传热和生产周期。（非极性单体和产物都不溶解于溶剂，常加分散剂）④乳液聚合单体在胶束中引起、聚合是在单体－聚合物乳胶粒中进行。其特点是速度快、产物分子量大（100纳米，最小可达50纳米到1微米）

、体系粘度低、易于散热；缺点是乳化剂等不易除净，影响产物性能。（非极性单体溶解与胶束中）第6页第6页实行办法本体聚合溶液聚合悬浮聚合乳液聚合配方主要成份单体、引起剂单体引起剂、溶剂单体、引起剂、分散剂、水单体、引起剂、乳化剂、水聚合场合单体内溶剂内单体内胶束内聚合机理聚合速度上升聚合度下降容易向溶剂转移，聚合速率和聚合度都较低类似本体聚合能同时提升聚合速率和聚合度生产特性普通间歇法生产，热不容易导出传热容易，可连续生产。产物为溶液状。传热容易。间歇法生产，后续工艺复杂传热容易。可连续生产。产物为乳液状，后续工艺复杂产物特性聚合物纯净。分子量分布较宽分子量较小，分布较宽。聚合物溶液可直接使用较纯净，留有少许分散剂留有乳化剂和其它助剂，纯净度较差第7页第7页单体、引起剂（使单体变自由基含有反应活性）、水、分散剂(dispersant)。组分：分散剂类型：1）水溶性有机高分子：吸附在液滴表面，形成保护膜。主要有聚乙烯醇等合成高分子，及纤维素衍生物、明胶等天然高分子及其衍生物。多采用质量稳定合成高分子。2）不溶于水无机粉末：包围液滴，起机械隔离作用。主要有碳酸镁、滑石粉、高岭土等。

悬浮聚合第8页第8页液液分散和成粒过程图4-1悬浮单体液滴分散过程示意图在搅拌剪切力作用下，单体液层分散成液滴。单体和水界面间存在界面张力。界面张力越大，形成液滴也越大。分散剂(dispersant)、搅拌(agitation)剪切力和界面张力对成滴作用影响相反在一定搅拌强度和界面张力下，液滴通过一系列分散、合并过程，构成动平衡，最后达到一定平均细度。第9页第9页1.2.3吸附剂表征（1）比表面积单位重量吸附剂表面积称为比表面积．吸附剂粒径越小，或是微孔越发达，其比表面积越大。吸附剂比表面积越大，则吸附能越强。比表面积测定

普通采用B.E.T(Brunueer-Emmett-Teller)法：在液氮温度下(-196°C)，用吸附剂吸附氮气，在吸附剂表面形成单分子吸附层，测定氮气吸附体积vm(cm3/g)，计算比表面积a(cm2/g): N-阿弗加德罗常数，s-被吸附分子横截面积，在-196°C氮气分子s=1.6210-15

cm2。第10页第10页（2）孔径吸附剂内孔大小和分布对吸附性能影响很大。孔径太大，比表面积小，吸附能力差；孔径太小，则不利于吸附质扩散，并对直径较大分子起屏蔽作用，通常将孔半径大于0.1μm称为大孔，2×10-3～0.1μm称为过渡孔，而小于2×10-3称为微孔。大部分吸附表面积由微孔提供。采取不同原料和活化工艺制备吸附剂其孔径分布是不同。再生情况也影响孔结构。第11页第11页孔径及分布测定

吸附剂孔径及分布可采用水银压入法，利用汞孔度计测定。当压力升高时，水银可进入到细孔中，压力p与孔径d关系为 -水银表面张力(0.48N/m2)，-水银与细孔壁接触角(=140°)。通过测定水银体积与压力之间关系即可求出孔径分布情况。第12页第12页

吸附剂在制造过程中会形成一定量不均匀表面氧化物，其成份和数量随原料和活化工艺不同而异。普通把表面氧化物分成酸性和碱性两大类.经常指酸性氧化物基因有：羧基、酚羟基、醌型羰基、正内酯基、萤光型内酯基、羧酸酐基及环式过氧基等。酸性氧化物在低温（＜500℃）活化时形成。对于碱性氧化物说法还有分歧．碱性氧化物在高温（800～1000℃）活化时形成，在溶液中吸附酸性物。表面氧化物成为选择性吸附中心，使吸附剂只有类似化学吸附能力，普通说来，有利于对极性分子吸附，减弱对非极性分子吸附。（3）表面化学性质第13页第13页1.2.4惯用吸附剂对被分离物质含有较强吸附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。1）无机：硅胶、氧化铝、磷酸钙凝胶、沸石等2）有机：活性炭、（大孔）吸附树脂、纤维素等第14页第14页1.2.4.1活性炭活性炭是一个非极性吸附剂。活性炭主要成份除碳以外，还含有少许氧、氢、硫等元素，以及水分、灰分。它含有良好吸附性能和稳定化学性质，能够耐强酸、强碱，能经受水浸、高温、高压作用，不易破碎。活性炭含有巨大比表面和尤其发达微孔。通常活性炭比表面积高达500～1700m2/g，这是活性炭吸附能力强，吸附容量大主要原因。活性炭吸附以物理吸附为主，但由于表面氧化物存在，也进行一些化学选择性吸附。假如在活性炭中掺入一些含有催化作用金属离子能够改进处理效果。活性炭应用时，常出现产品批次质量难控制，吸附选择性差等特点。第15页第15页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（一）活性炭分类第16页第16页

粉状活性炭颗粒极细，呈粉末状，其表面积、吸附力和吸附量都非常大，是活性炭中吸附力最强一类。但因其颗粒太细，给后续过滤操作带来困难。

颗粒状活性炭颗粒粒径较前者大，表面积相应减小，吸附力与吸附量次于粉末状活性炭，但过滤较前者容易。

锦纶-活性炭是以锦纶为粘合剂，将粉末状活性炭制成颗粒。其表面积较纯颗粒状活性炭大，较粉末状活性炭小，但吸附能力较两者都弱。锦纶不但起粘合作用，也起着脱活性作用，因此可用于分离前两种活性炭吸附太强而不易解吸物质，如分离酸性氨基酸或碱性氨基酸，效果良好。

第17页第17页（二）活性炭吸附机理(1)物理吸附说活性炭晶体是由诸多晶面构成，晶面上碳原子呈六方形格子排列，每个碳原子以共价键与相邻三个碳原子相键合，晶格中形成空穴或空隙，处于晶体边沿这些空穴或空隙将出现未饱和键，含有吸附活性。空隙度愈高表面积愈大，其活性点就愈多，吸附活性将愈大。活性炭吸附是由于范德华力引起物理吸附。第18页第18页(2)电化学吸附说活性炭与氧接触时被还原为羟基，并析出过氧化氢，碳失去电子而荷正电，故可吸附阴离子，其反应为：02+2H20+2e－→H202+20H－

C一2e→C2＋第19页第19页(3)离子互换说含金浸出液中Au(CN)2－在与活性炭作用时滞留在活性炭微孔内壁活性中心上，这种活性中心(称为氧化性点)能释放出阴离子并与Au(CN)2－进行离子互换反应，从而使Au(CN)2－吸附于活性炭上。(4)双电层说金氰络离子[Au(CN)2－]在活性炭微孔壁上活化点吸附后，形成局部负电区，在静电作用下，矿浆中正离子Me+产生定向运动，并与Au(CN)2－形成双电层，双电层不稳定并进而形成离子偶Me·Au(CN)2。离子偶在CO、H2及H2O等氧化还原作用下，最后形成Au(CN)2、Au及Au3CN等。第20页第20页（三）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值影响碱性物质酸性条件吸附中性条件洗脱酸性物质碱性条件吸附中性条件洗脱（5）温度未平衡前随温度升高而增加第21页第21页再生：指在吸附剂本身结构不发生或很少发生改变情况下，用某种办法将被吸附物质，从吸附剂细孔中除去，以达到能够重复使用目的。1）加热再生法：分为高温再生和低温再生；普通采用高温再生。脱水（活性炭与液体分离）－干燥（100－150度）－炭化（300－700度）－活化（用蒸汽）－冷却2）药剂再生法：酸碱、有机溶剂3）化学氧化法：湿式氧化、臭氧4）生物再生法：利用微生物作用

（四）活性碳再生第22页第22页硅胶是应用很广一个极性吸附剂。是含有硅氧交联结构，表面有许多硅醇基多孔性微粒。硅醇基可与极性化合物或不饱和化合物形成氢键而使硅胶具较强吸附力。通过控制胶团尺寸和堆积配位数能够控制硅胶孔容、孔径和表面积。硅胶表面保留着大约5wt.％羟基，是硅胶吸附活性中心。在200℃以上羟基会脱去，因此硅胶活化温度应低于200℃。||OO||—Si—O—Si—OH||OO||1.2.4.2硅胶OHOHheatingH2OH2OOHOHOhydrophobicH2O第23页第23页硅胶化学式：SiO2nH20

OO││Si—O—Si—OH││OO││硅胶是极性吸附剂，难于吸附非极性物质，易于吸附极性物质（如水、甲醇等）；吸湿，高湿度气体干燥。

第24页第24页硅胶含有微酸性，极性化合物如水、醇、醚、酮、酚、胺、吡啶等能与硅胶表面羟基生成氢键，吸附力很强。对极性高分子如芳香烃、不饱和烃等吸附能力次之。对饱和烃、环烷烃等只有色散力作用，吸附力最弱。硅胶活性与含水量相关：含水量高则吸附力削弱。当游离水含量17%以上时，吸附能力极低，可作为分派色谱载体。硅胶常作为干燥剂用于气体或液体干燥脱水，也可用于分离烷烃与烯烃、烷烃与芳烃，同时硅胶也是惯用色谱柱填充材料。

第25页第25页化学式：Al2O3nH2O含水氧化铝加热脱水制成一个极性吸附剂。比表面积约为200～300m2/g，与硅胶相比，机械强度高，物化稳定性高，耐高温，抗腐蚀，但不宜在强酸、强碱条件下使用活性氧化铝表面活性中心是羟基和路易斯酸中心，极性强，对水有很强亲和作用。活性氧化铝广泛应用于脱除气体中水，磷吸附。氧化铝活性与其含水量有很大关系。水分会掩盖活性中心，故含水量愈高，活性愈低。1.2.4.3活性氧化铝第26页第26页化学式：Mex/n[(AlO2)x(SiO2)y]•mH2O其中Me阳离子，n为原子价数，m为结晶水分子数沸石分子筛由高度规则笼和孔组成每一个分子筛都有相对均一孔径，其大小随分子筛种类不同而异。强极性吸附剂，对极性分子如H2O、CO2、H2S等有很强亲和力，对氨氮吸附效果好，而对有机物亲和力较弱。1.2.4.4沸石第27页第27页分子筛晶体中有许多一定大小空穴，空穴之间有许多同直径孔（也称“窗口”）相连。由于分子筛能将比其孔径小分子吸附到空穴内部，而把比孔径大分子排斥在其空穴外，起到筛分分子作用，故得名分子筛。第28页第28页1.2.4.5大孔树脂吸附剂构成结构：有机高分子聚合物多孔网状结构特点：选择性好；解吸容易；机械强度好；流体阻力较小；重复使用；价格高树脂吸附能力普通随吸附质亲油性增强而增大。类型：非极性吸附剂——芳香族（苯乙烯等）中档极性吸附剂——脂肪族（甲基丙烯酸酯等）极性吸附剂——含硫氧、酰氨、氮氧等基团第29页第29页1.2.4.6羟基磷灰石（磷酸钙）在无机吸附剂中，磷酸钙是唯一适合用于生物活性高分子物质（如蛋白质、核酸）分离吸附剂。羟基磷灰石主要适合用于蛋白质层析分离，也适合用于较小核酸，如转移RNA分离。第30页第30页聚酰胺对诸多极性物质有吸附作用，这是由于聚酰胺一C＝O及>NH基能与被分离物质之间形成氢键。如酚类(包括黄酮类、鞣质等)和酸类<如核苷酸、氨基酸等)是以其羟基与酰胺键羰基形成氢键；硝基化合物和醌类等物质与酰胺键氨基形成氢键。被分离物质形成氢键能力强弱，拟定吸附能力差别。水中氢键最强，有机溶剂中次之，碱性溶剂中形成氢键能力最弱。1.2.4.7聚酰胺第31页第31页1.2吸附力及吸附类型吸附力A 范德华力B 静电作用力C 氢键D 疏水互相作用E 空间位阻等F 酶与基质结合时亲和力（综合了空间和其它力综合力）吸附类型A 物理吸附 吸附剂和吸附物通过度子间力(范德华力)产生吸附称为物理吸附。这是一个最常见吸附现象，其特点是吸附不但限于一些活性中心，而是整个自由界面。B、化学吸附化学吸取附是因为吸附剂在吸附物之间电子转移，发生化学反应而产生，属于库仑力范围，它与通常化学反应不同地方在于吸附剂表面反应原子保留了它或它们原来格子不变。C 物理吸附与化学吸附比较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32页第32页1.3影响吸附主要原因（1）吸附剂性质：比表面积、粒度大小（影响吸附量；操作时间）极性

孔径（影响吸附质传递）溶液中，固体吸附剂吸附要考虑三种作用力：1、界面层上固体与溶质之间作用力；2、固体与溶剂之间作用力；3、溶质与溶液之间作用力。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33页第33页（2）吸附质性质：表面张力影响，能使表面张力减少物质容易吸附

溶解度，在溶剂中溶解度大不容易吸附极性（和吸附剂相同），相对分子量(越大越吸附）…（3）温度：吸附是放热过程；吸附质稳定性（4）溶液pH值：影响吸附质解离情况（5）盐浓度：影响复杂，普通高盐有增进吸附效果。（6）其它组分：抢占吸附位点；也有帮组吸附物质第34页第34页1.4吸附法普通操作过程吸附是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过程。吸附过程通常包括：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35页第35页2.1离子互换剂骨架分类第二节离子互换原理及操作化工高分子材料：苯乙烯-二乙烯基苯型，丙烯酸-二乙烯苯型

特点：疏水性高（造成蛋白变性）、交联度大（蛋白难通过）、孔隙率小及电荷密度高（大分子结合位点多，解吸难），惯用于生物小分子回收天然高分子：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，惯用于生物大分子回收第36页第36页2.1.1聚苯乙烯磺酸型阳离子互换树脂聚合磺化交联剂交联作用活性基团第37页第37页2.1.2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：

羧甲基纤维素二乙基氨基乙基纤维素

第38页第38页 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-sephadexC-25、DEAE-sephadexA-25等2.1.3葡聚糖凝胶离子互换树脂第39页第39页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-ß-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；2.2按电荷划分离子互换树脂同离子：与树脂骨架电荷性质相同离子反离子：与树脂骨架电荷性质相反离子第40页第40页强酸型阳离子互换剂（含有磺酸基-SO3H等）对各种正离子亲和力顺序为：Fe3+>Al3+>Zn2+>Cu2+>Ni2+>Co2+>Fe2+>Ba2+>Cr2+>Ca2+>Mg2+>Cs+>Rb+>K+>Na+>H+>Li+弱酸型阳离子互换剂（含有羧基-COOH，酚羟基-OH等）转为氢型时很容易，仅需很少许酸即可。强碱性阴离子互换剂（含季胺-N+(CH3)3等）对各种负离子亲和力顺序为：柠檬酸根>SO42->Cr2O4->I->NO3->CrO4->Br->SCN->Cl->HCOO->OH->F->CH3COO-弱碱性阴离子互换剂易于转变为羟型。阳离子只能被阳离子互换剂吸附，阴离子只能被阴离子互换剂吸附；亲和力大易于吸附，难于洗脱，亲和力小难于吸附，容易洗脱；第41页第41页这类树脂含有强酸性基团，如磺酸基—SO3H。能在溶液中离解H+而呈强酸性。反应简式为：

树脂中SO3-基团能吸附溶液中其它阳离子如：

强酸性树脂离解能力很强，在酸性或碱性溶液中都能离解和产生离子互换作用，因此使用时pH没有限制。2.2.1强酸性阳离子树脂第42页第42页2.2.2弱酸性阳离子树脂

这类树脂含有弱酸性基团，如羧基—COOH、酚羟基—OH，能在水中离解出H+而呈弱酸性。反应简式为：只能在碱性、中性或微酸性溶液中发挥作用(羧基pH＞6，酚羟基pH＞9)。这类树脂也是用酸进行再生。第43页第43页2.2.3强碱性阴离子树脂

这类树脂含有强碱性基团，如季铵基—NR3OH，能在水中离解出—OH-而呈碱性，反应简式为：

离解性很强，使用pH范围没有限制，再生普通用强碱。第44页第44页2.2.4弱碱性阴离子树脂

这类树脂含有弱碱性基团，如伯胺基(—NH2)、仲胺基(—NHR)或叔胺基(—NR2)，反应简式为：

离解能力较弱，只能在低pH值下工作，可用弱碱再生。第45页第45页四种基本类型树脂实用型1）将强酸性阳离子树脂与NaCl作用，转变为钠型树脂；避免了溶液pH值下降和由此产生副作用，如对设备腐蚀。进行再生时，用盐水而不用强酸。2）弱酸性树脂生成盐RCOONa很易水解，呈碱性，因此用水洗不到中性，普通只能洗到pH9—10左右。但是弱酸性树脂和氢离子结合能力很强，再生成氢型较容易，耗酸量少。第46页第46页四种基本类型树脂实用型3）强碱性阴离子树脂可先转变为氯型，工作时用Cl-互换其它阴离子，再生只需用食盐水。4）弱碱性树脂生成盐RNH3Cl同样易水解。这类树脂和OH-离子结合能力较强，因此再生成羟型较容易，耗碱量少。强酸性树脂和强碱性树脂在转变成钠型和氯型后，在使用时就不再有强酸性及强碱性。但它们仍含有这些树脂其它典型性能，如强离解性和工作pH范围宽等。第47页第47页离子互换树脂命名办法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氧化还原氯乙烯系第48页第48页2.3树脂性能评价(1)外观：球形（降低流体阻力）、浅色为宜（普通颜色和性能关联不大），粒度大小为16~60目>90%；(2)交联度：其大小决定着树脂机械强度以及网状结构疏密。交联度大，网孔小，结构紧密，树脂机械强度大；交联度小，树脂网孔大，结构疏松，机械强度小。同时，交联度改变，使离子互换树脂对大小不同各种离子含有选择性经过能力（离子筛）。(3)含水量：将树脂在105—110℃干燥至恒重就能够测定其含水量。将树脂离心(400g,30min)，所失去水分称为溶胀水。它和树脂交联度相关，可作为测定交联度一个方法。(4)膨胀度：干树脂加水，不时摇动，24h后，测定树脂体积，前后体积之比，为膨胀系数。骨架结构（无机结构不容易膨胀；分子刚性大膨胀小）；与交联度(越大越高）；活性基团性质与数量（水合离子半径大树脂溶胀性强）；活性离子性质（活性离子水合度大，离子价数高，膨胀度大）有机溶剂存在条件下膨胀度小第49页第49页(5)机械强度：树脂必须含有一定物理稳定性，以避免或减少在使用过程中破损流失。普通来说，膨胀度越大，交联度小树脂，机械强度就越差。(6)湿真密度：树脂密度有干真密度、湿真密度、视密度等。取所需型式湿树脂，在布氏漏斗中抽干。快速称取2—5g抽干树脂，入密度瓶中，加水至刻度称重，计算。密度压力计算可用于评价颗粒所受压力。(7)稳定性：

化学稳定性、热稳定性；(8)孔隙度、孔径、比表面积孔径越大，越容易大分子通过；比表面积越大，可接入互换基团越多。第50页第50页（9）互换容量A 互换容量(exchangecapacity)

指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(mmol)，是表征互换剂离子互换能力主要参数。B 互换容量测定

对于阳离子互换剂：用HCl将其处理成氢型，称重并测定其含水量；称数克互换剂，加入到过量已知浓度NaOH溶液，发生互换反应

待反应达到平衡后(强酸性需要静置24h，弱酸性需静置数日)，测定剩余NaOH摩尔数，就可求得阳离子互换剂互换容量。

对于阴离子互换剂：将阴离子互换剂转换成Cl型后，取一定量Cl型互换剂，通入Na2SO4,

用铬酸钾作批示剂，用硝酸银溶液滴定流出液Cl-，依据Cl-量计算互换容量。 蛋白质互换容量：比小分子化合物要小多：树脂孔道空间排阻作用大；互换后排阻其它蛋白质扩散和互换；蛋白质多电荷与多个互换中心结合第51页第51页 C滴定曲线

全面评价表征互换剂主要参数办法：1g氢型(或羟型)互换剂+x-ml0.1MNaOH/orHCl

+水至50ml(其中1支+50ml0.1MNaCl)+静置24h(对强互换剂)/or7d(对弱互换剂)+测pH+作图意义：1st强离子互换剂互换；2nd弱离子互换剂互换；3rd滴定曲线转折点互换容量；4th转折点数互换基团种类数；5th

互换容量随pH改变。第52页第52页1．亲水性及生物相容性：以亲水性骨架衍生离子互换剂为生物大分子提供适宜微环境，有较好生物相容性；2．孔结构：生化用离子互换剂在分离中兼有分子筛与离子互换双重作用，要求孔径分布愈加均匀。3．电荷密度：电荷密度要适当。过大，生物大分子多个带电荷残基与多个官能团结合，也许使其发生构象改变，造成失活。4．粒度：生物大分子扩散速率小，运动阻力大，要提升互换速度只能减小粒径，普通在20一30m范围内。生化用离子互换剂特点：第53页第53页2.4树脂应用选择互换对象吸附性大分子物质无机阳离子或有机碱阳离子无机阴离子或有机酸阴离子选取阳离子互换树脂选取阴离子互换树脂强弱选弱酸或弱碱性树脂选强酸或强碱性树脂选择大孔树脂或交联度低树脂树脂选择第54页第54页原因：强酸对强碱，解吸较困难；弱酸对弱碱，形成盐易水解，不易吸附；低交联度便于大分子扩散到树脂内部，但交联度过低，会影响树脂选择性和机械强度；交联度过高，树脂在清洗再生及转型过程中，膨胀度较大，对设备造成损坏。第55页第55页2.5离子互换树脂使用普通流程2.5.1树脂预处理预处理原因：离子互换树脂合成时残留一定单体，分散剂，引起剂，有机溶剂等，会阻碍离子互换效果和分离对象活性。惯用预处理办法有：物理处理：水洗、过筛，去杂，以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（中性）：酸（水）—碱（水）—酸（水）阴离子树脂:碱（水）—酸（水）—碱（水）最开始也用乙醇等有机溶剂洗中间用水洗是为了节约最后以去离子水或缓冲液平衡当前也有不少办法动态流洗，主要采用有机溶剂，盐或酸碱第56页第56页2.5.2离子互换静态：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（Fixed－Bed）

第57页第57页1．离子价数：离子互换树脂总是优先选择高价离子。2离子水化半径：离子在水溶液中大小应用水化半径来表征，而不是原子量。水化半径较小离子优先吸附（原子半径小，表面电荷密度大，水化半径大，进入吸附剂离子扩散层数目就少，吸附能力低）；阴离子互换能力和感胶能力顺序有差别，在于感胶离子还剥离胶体水膜相关，而进入扩散层数目则成了次要原因。3离子浓度：低互换性质离子可通过提升浓度增强其互换性能。2.5.3洗脱-影响互换和洗脱原因第58页第58页4.树脂交联度，膨胀度交联度小树脂有助于离子通过孔道，到达活性位点起互换作用。5.树脂与离子辅助力有离子水合半径大，但互换量大，如一些阳离子，这时候起作用主要是范德华力及氢键。6.有机溶剂影响首先影响介电系数，另外减少树脂离子溶剂化水平，都是互换效果减少。7.pH一些弱酸弱碱树脂在一定pH不解离成离子而不能使用离子互换；另外，被互换物质离子化水平受

pH影响，也会改变互换效果。第59页第59页2.4.4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-酸-碱-缓冲溶液淋洗方式有：顺流再生和逆流再生第60页第60页第三节吸附平衡理论吸附平衡离子互换平衡第61页第61页3.1吸附平衡3.1.1吸附类型吸附等温线：当吸附剂与溶液中溶质达到平衡时，其吸附量q*同溶液中溶质平衡应与温度相关。当温度一定期，吸附量只和浓度相关，q*=f(c)---吸附等温线。生物分离中至少有四种等温吸附线(见图)。吸附等温线绘制摇瓶间歇吸附法动态色谱吸附法第62页第62页3.1.1.1henrytypeHenrytype

在一定温度下，平衡时吸附剂吸附溶质浓度q*与液相溶质浓度c之间关系为线性函数： m为分派系数。 适应条件：在低浓度范围之内成立。当浓度较高时，上式无效。第63页第63页3.1.1.2Freundlichtype 其经验公式为 其中，k和n为常数，n普通在1-10之间。Freundlich等温线能够描述大多数抗生素、类固醇、甾类激素等在溶液中吸附过程。第64页第64页n普通不小于1，n值越大，其吸附等温线与线性偏离越大。当n>10，吸附等温线几乎变成矩形，是不可逆吸附。相对压力相对吸附量弗兰德里希等温线第65页第65页3.1.1.3Langmuir假定：吸附在活性中心上进行，这些活性中心含有均匀能量，且相隔较远。因此吸附物分子之间无互相作用力。每一个活性只能吸附一个分子，即形成单分子吸附层。吸附速度与溶液浓度C和吸附剂表面未被占据活性中心数目成正比；解吸速度与吸附剂表面为该溶质所占据活性中心数目成正比第66页第66页吸附始末态为：A(s)+M(表面)AM

k1

k2覆盖率----任一瞬间，固体表面被复盖分数θ=已被吸附质覆盖固体表面积固体总表面积设固体表面上含有吸附能力总晶格位置数（吸附位置数）N。由于吸附速率与A浓度c及固体表面上空位数(1-)N成正比。公式推导第67页第67页动态平衡时吸附速率与解吸速率相等：v吸附=v解吸

解吸速率与固体表面上被复盖吸附位置数，即被吸附分子数成正比。若设：b为吸附作用平衡常数。可得：第68页第68页当n个分子在一个活性中心发生吸附时，即存在 此时有：当吸附剂对溶质吸附作用非常大时，这时存在n>10，或用前式表示Kb非常大，这时游离溶质浓度对吸附浓度影响极小，靠近不可逆吸附。此时吸附类型为Rectangletype如在固定化单克隆抗体免疫亲和吸附中，普通存在n>10。第69页第69页B.E.T.模型假定在原先被吸附分子上面仍可吸附另外分子，同发生多分子层吸附；而且不一定等第一层吸满后再吸附第二层；对每一单层却可用Langmuir式描述，第一层吸附是靠吸附剂与吸附质间分子引力，而第二层以后是靠吸附质分子间引力，这两类引力不同，因此它们吸附热也不同。总吸附量等于各层吸附量之和。由此导出二常数B.E.T.等温式为：式中cs—吸附质饱和浓度；ce-吸附质单层平衡浓度（Langmuir式）B—常数，与吸附剂和吸附质相互作用能相关。3.1.1.4B.E.T.等温式第70页第70页BET理论与朗缪尔理论相同、不同点对照:

Langmuir理论BET理论1单分子层吸附。只有碰撞到固体空白表面上，进入吸附力场作用范围气体分子才有也许被吸附。多分子层吸附：被吸附分子能够吸附碰撞在它上面气体分子；也不一定等待第一层吸附满了再吸附第二层，而是从一开始就表现为多层吸附。第71页第71页2固体表面是均匀，各晶格位置处吸附能力相同，每个位置吸附一个分子。吸附热是常数，与覆盖率无关。固体表面是均匀，各晶格位置处吸附能力相同。因第二层以上各层为相同分子间互相作用，因此除第一层外，其余各层吸附热都相等，为被吸附气体凝结热。3被吸附在固体表面上分子互相之间无作用力。被吸附在固体表面上分子横向互相之间无作用力。4吸附平衡是动态平衡，当吸附速率与解吸速率相等时达到吸附平衡。当吸附达到平衡时，每一层上吸附速率与解吸速率都相等。第72页第72页

合用范围：BET二参数公式在吸附质浓度较低或较高情况下，均产生较大偏差。产生偏差原因：1）固体表面实际是不均匀，各点吸附能力不同，最初吸附总是发生在能量最有利位置上；2）假定同一吸附层分子间无相互作用力，上下层分子间却存在吸引力，这本身就是矛盾；3）在低温、高压下，在吸附剂毛细孔中，可能发生毛细凝结效应等等原因未考虑在内。即使至今为止，许多人想建立一个能处理表面不均匀性与分子间有互相作用吸附理论，但均未成功。因此BET理论仍然是迄今为止应用最广、最成功理论。第73页第73页3.2.1计量互换模型3.2离子互换平衡意义

（1）反离子强度越高，分派系数越少，互换在在离子树脂上成份就越少；（2）互换平衡常数Kxu越大，分派系数越大；（3）离子互换剂互换位点越多（[RU])，分派系数越大;（4）pH值越大，分派系数越大；A强电解质XH分派系数mB弱电解质XH分派系数m第74页第74页上式中I代表反离子数目，Z表示吸附一个担保互换反离子数，普通为2~10意义：（1）离子强度和pH微小改变，会引起分派系数巨大改变；（2）分派系数往往很小，普通采用低离子强度下进行离子互换C蛋白质分派系数m(互换物质为多价离子）第75页第75页3.2.2空间质量互换模型伴随分子量升高，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SMA模型是以质量作用原理为基础三参数模型.特性电荷数zb描述了蛋白质在离子互换介质上吸附多位点特性（pH在其等电点时影响很大）;空间因子σ反应出吸附蛋白对介质上离子互换基团空间屏障作用;平衡常数K表达了蛋白质与离子互换介质之间互相作用强度.第76页第76页3.2.3双电层模型在水溶液中，蛋白质和离子互换介质表面都存在双电层，蛋白质与离子互换剂互相作用是通过双电层之间静电作用完毕，但双电层之间作用不符合质量作用定律，因此，不存在特性电荷；另外，吸附蛋白质与离子互换介质不接触。模型可计算除静电作用以外作用力，如范德华力，对平衡常数影响；当前已有考虑了分子间互相作用力双电层模型提出。第77页第77页第四节吸附动力学第78页第78页4.1吸附过程第79页第79页固体颗粒表面对吸附质吸附过程按下列三步进行：①

吸附质通过扩散传递到固体颗粒外表面，简称外扩散；②

吸附质从固体颗粒外表面通过颗粒上微孔进入颗粒内部表面，简称内扩散；③

在固体颗粒内表面上吸附质被吸附剂吸附。在物理吸附过程中，在固体颗粒表面上吸附质吸附过程不久，吸附速率由前面两步决定。在大多数情况下，内扩散速率较外扩散慢，吸附过程为内扩散控制；但有情况下，外扩散速率比内扩散速率慢得多，吸附速度由外扩散速率决定，称为外扩散控制。第80页第80页4.2离子互换过程

溶液离子向树脂表面扩散（膜扩散）；

离子通过树脂表面向内部扩散（颗粒扩散）；“慢”

树脂内进行离子互换（互换反应）；

已互换离子从树脂内部向外扩散（颗粒扩散）；“慢”

已互换离子由树脂表面向本体溶液扩散（膜扩散）。第81页第81页第82页第82页4.3.1水膜内物质迁移速度

由Fick定律，水膜内传质速度NA由下式结出：

式中D——溶质在水膜中扩散系数，m2/L；δ——水膜厚度，m；

kf——水膜传质系数，m/L；c——水中溶质浓度，kg/m3；

ci——颗粒表面溶质浓度，kg/m3。

4.3各过程迁移速度公式第83页第83页4.3.2固定床填充层单位容积吸附速度

式中ρb——填充层表现密度，kg/m3；

av——填充层单位容积颗粒外表面积，m2/m3。第84页第84页多孔固体载体内扩散运动在含有连续空隙多孔体(含粒子充填层)内，分子在这种细孔中移动，可分为“细孔扩散”和“表面扩散”两种机理。(1)微孔内扩散：由于扩散距离增长而造成扩散系数减少。设多孔体内空隙为ε，有效扩散系数为De，则：Dε

De=——d式中D——细孔空间流体相中运动分子扩散系数

d——与扩散相关细孔曲折系数(2)表面扩散：当分子被吸附在多孔介质表面时,就会在表面浓度梯度作用下产生表面分子迁移,这种流动称为表面扩散.表面扩散速率取决于组分在膜孔表面上吸附平衡和表面扩散系数（溶质由于往返在孔道表面吸附解吸造成扩散速率下降）(3)阻滞扩散：由于凝胶阻滞现象引起，既大分子无法扩散到多孔体孔径中。有效扩散系数与细孔分子半径、凝胶纤维半径、凝胶浓度，溶质蛋白浓度电荷及半径都相关联。第85页第85页多孔性物质内部扩散现象极为复杂，受到细孔扩散和细孔壁表面扩散两方面影响，但类似于分子扩散，均以扩散物质浓度梯度作为推动力。其中通过细孔内液相向颗粒内部扩散速度为

式中NP——细孔内扩散速度，kg/(m2.h)；

DP—一细孔内有效扩散系数，m2/h；

c----细孔内溶液浓度，kg/m3；

r——扩散方向距离，m。第86页第86页

细孔壁上表面扩散以吸附量梯度为推动力，沿表面从吸附量大处向小处作二维移动。表面扩散速度与吸附质分子大小、温度、吸附质与吸附剂之间结合能相关。其速度为：

式中Ns—一表面扩散速度，kg/(m2·h)；

ρa—一吸附剂表观密度,kg/m3；