生物分离工程期末答案

期末考试复习题

吸附法和离子交换

1、吸附作用机理是什么？按作用力可分为哪几种？

答：固体表面分子(或原子)处于特殊的状态。固体内部分子所受的力是对称的，故彼此处于平衡。但在界面分子的力场是不饱和的，即存在一种固体的表面力，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。

按作用力可分为：物理吸附，化学吸附和离子交换

2、吸附法有几种？各自有何特点？

答：吸附法按吸附作用力分主要有三类，物理吸附、化学吸附和离子交

换。

特点：

物理吸附基于吸附剂与溶质之间的分子间作用力即范德华力。溶质在吸附剂上吸附与否或吸附量的多少主要取决于溶质与吸附剂极性的相似性和溶剂的极性。一般物理吸附发生在吸附剂的整个自由表面，被吸附的溶质可通过改变温度、PH和盐浓度等物理条件脱附。

化学吸附释放大量的热，吸附热高于物理吸附。化学吸附一般为单分子层吸附，吸附稳定，不易脱附，故洗脱化学吸附质一般需采用破坏化学结合的化学试剂为洗脱剂。化学吸附具有高选择性

离子交换吸附所用吸附剂为离子交换剂。离子交换剂表面含有离子基团或可离子化基团，通过静电引力吸附带有相反电荷的离子，吸附过程发生电荷转移。离子交换的吸附质可以通过调节PH或提高离子强度的方法洗脱。

3、大孔网状聚合物吸附与活性炭吸附剂相比有何优缺点？

答：大孔网状聚合物吸附剂机械强度高，使用寿命长，选择性能好，吸附质容易吸附，并且阻力小，常应用于抗生素和维生素B12等的分离浓缩过程。

4、影响吸附过程的因素有那些？

答：影响吸附的因素

（1）吸附速度

由于大分子分子量大，扩散慢，且吸附时常伴随着分子构型的变化，故其吸附速度慢，这就给讨论大分子吸附带来困难。

（2）分子量的影响

对孔性固体， 分子量增加，吸附量减少。对大孔或非孔固体 α=1只有1个吸附点 α=0表示大分子完全平躺。

（3）溶剂的影响

在溶剂中，大分子较伸展，吸附量减少。 若溶剂产生竞争吸附，吸附量减少。

（4）温度的影响

存在着温度升高使吸附量下降和温度升高使吸附量升高两种情况。第二种情况可认为吸附是吸热过程△H>o，但△G<0，故△S必大于零，这可认为大分子的吸附顶替了固体表面上的溶剂分子（第一种情况可认为是焓控制）。

（5）PH值

活性炭一般在酸性溶液中比在碱性溶液中吸附效果较好。

（6）共存物质：对于物理吸附，共存多种物质时的吸附比单一物质时的吸附要差。

（7）吸附剂性质的影响

（a）溶解度：越低越容易吸附，具有较大的影响。

（b）使液体表面自由能W降低得越多的吸附质则越容易被吸附。

（c）极性：极性吸附剂易吸附极性的吸附质，非极性吸附剂易吸附非极性的吸附质。

（d）吸附质分子的大小和不饱和度。活性炭易吸附分子直径较大的饱和化合物；合成沸石易吸附分子直径小的不饱和化合物

（e）吸附质的浓度较低时，提高C可增加吸附量。以后C↑，q增加很小，直至为一定值

5、何谓离子交换法?一般可分为那几种?

答：离子交换吸附：吸附剂为离子交换剂，离子交换剂表面含有离子基团或可离子化基团，通过静电引力吸附带有相反电荷的离子，吸附过程中发生电荷转移，离子交换的吸附质可通过调节PH或提高离子强度的方法洗脱。

根据吸附过程中所发生的吸附质－吸附剂之间的相互作用的不同，还可将吸附分成亲和吸附、疏水吸附、盐析吸附和免疫吸附等。

6、离子交换树脂的结构、组成？按活性基团不同可分为那几大类？

离子交换剂通过化学修饰制备，主要有苯乙烯-二乙烯苯型、丙烯酸-二乙烯苯型、酚醛型和多乙烯多胺-环氧氯丙烷型树脂。这些交换剂附着在离子交换剂基质上。

应用于无机离子交换和生物小分子回收、提取的离子交换剂疏水性高、交联度大、孔径小、电荷密度高；应用于蛋白质分离的具有很高的亲水性和较大的孔隙半径，以减少蛋白质的非特异性吸附，是蛋白质容易进入离子交换剂的内部。

按活性基团的不同，可分为：活性基团为酸性的阳离子交换剂和活性基团为碱性的阴离子交换剂。

7、离子交换树脂有那些理化性能指标？

答：（１）交换容量(exchange capacity) 指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(mmol)，是表征交换剂离子交换能力的主要参数。

PS：交换容量的测定：对于阳离子交换剂：用HCl将其处理成氢型，称重并测定其含水量；称数克交换剂，加入到过量已知浓度的NaOH溶液，发生交换反应，待反应达到平衡后(强酸性的需要静置24h，弱酸性的需静置数日)，测定剩余的NaOH摩尔数，就可求得阳离子交换剂的交换容量。对于阴离子交换剂：将阴离子交换剂转换成Cl型后，取一定量的Cl型交换剂，通入Na2SO4,用铬酸钾作指示剂，用硝酸银溶液滴定流出液的Cl-，根据Cl-量计算交换容量。

（２）滴定曲线（全面评价表征交换剂的重要参数）

方法：1g氢型(或羟型)交换剂 + x-ml 0.1M NaOH/or HCl + 水至50 ml(其中1支 + 50 ml 0.1 M NaCl) + 静置24h (对强交换剂)/or 7d(对弱交换剂) +

测pH + 作图

意义：强酸（碱）性离子交换的滴定曲线开始是水平的，到某点突然升高（或降低），表明在该点交换剂上的离子交换基团已被碱（或酸）完全饱和；弱酸（或碱）性离子交换剂的滴定曲线逐渐上升（或下降），无水平部分。利用滴定曲线的转折点，可估算离子交换剂的交换容量；而由转折点的数目，可推算不同离子交换基团的数目。

8、pH值是如何影响离子交换分离的？

可见当PH值增大时弱电解质的离子交换的分配系数增大，而对强电解质没有影响，可从下式看出

9、何谓穿透曲线？

答：穿透曲线

（1）吸附带：指正在发生吸附作用的那段填充层，在吸附带下部的填充层几乎没有发生吸附作用，而在吸附带上部的填充层已达到饱和状态，不再起吸附作用。

（2）穿透曲线：以吸附时间或吸附柱出水总体积为横坐标，以出水吸附质浓度为纵坐标所绘制出的曲线叫穿透曲线。

另解：吸附过程中吸附塔出口溶质浓度的变化曲线穿透曲线  ][H][U]U[R[XH]][X]X[R

AXAX--KKKmmHXXHXUXXKAX ][U]U[R ][X]X[R--XUXXKmm（3）穿透点：出口处溶质浓度开始上升的点成为穿透点。达到穿透点所用的操作时间称为穿透时间。一般习惯上将出口浓度达到入口浓度的5％～10％的的时间成为穿透时间。

（4）吸附终点：出水浓度Cb为(0.90~0.95)Co时所对应的出水总体积的穿透曲线上的那一点叫吸附终点（耗竭点）。

色层分离

1、何谓色层分离法？可分为那几大类？

答：色层分离法：又称层析分离法，色谱法，是利用混合物中各物质在两相间分配系数的差别，当溶质在两相间做相对移动时，各物质在两相间进行多次分配从而是各组分达到分离的一种物理化学分析方法。

2、简述柱层析系统的工艺流程。

答：层析柱通常是玻璃的。总的说来，长柱分辨好。但大量物质的处理则用粗的柱比较适宜。

工艺流程如下：

（1）层析材料的准备

许多材料都可在层析法中使用。在装柱前这些材料要用溶剂平衡，另外还需作一些预处理。例如，凝胶层析材料需要溶胀，吸附剂需要加热或酸处理来活化，离子交换树脂需要用酸碱处理来得到所需的电离形式。

在用溶剂平衡时，先使材料沉淀，用倾泻法除去悬浮的细颗粒，否则由于细颗粒的堵塞，溶剂的流速将显著降低

（2）装柱

层析柱的填装是先关闭出口，用溶剂灌注至1／3体积，并使支持板下的“死体积”不存有气泡，再慢慢地向溶剂中加浆状物，要小心地沿着玻棒倾注以防止气泡存留在拄内。让悬浮液沉淀，并放出过多的溶剂。为了避免分层，最好一次装完，如需分几次填装，则在二次填装前应先在已经沉淀的表面用玻棒搅拌后再倾注，重复这个过程，直至装到需要的高度。用溶剂彻底洗涤层析柱后使液面降到比层析床表面略高一点。最后覆盖一张圆形滤纸或尼龙布，以免加样时扰乱床表面。

（4）加样

上柱前，先将样品溶解在溶剂里或对洗脱液透析，样品溶液的浓度应该尽可能高些，以减少样品溶液体积，使区带狭窄。将样品仔细加到层析床的表面，打开旋塞至液面与床面齐，然后连接溶剂池，保持一定高度的液面。

（5）洗脱

用适当的洗脱液把各组分依次从柱上洗脱下来。使用洗脱法，上柱量不超过总柱容量的10％，溶剂与柱的相互作用比溶质与柱的相互作用弱，溶剂越过结合的分子，逐渐地将它们从柱上冲洗下来。在冲洗过程中各组分因为吸附力不同而逐渐分离。在一个组分被洗脱后可以更换洗脱液，这就是所谓的分步洗脱。另外，还有一个可行的方法是逐渐改变溶剂的性质，形成一个离子强度、pH或极性的递增梯度从而使各组分依次被洗脱，这种方法称梯度洗脱，它的优点之一是能够减少拖尾现象。

（6）部分收集及分析

柱的流出液可以用人工的方法收集到一系列试管中或使用部分收集器。这种装置能使每一管按照预定的时间或滴数收集流出液，然后自动移位，下一管再继续收集。洗脱完毕后可选用各种适宜的方法将已收集的许多部分流出液进行定量分析，并画出洗脱物的量对流出液体积的洗脱曲线。每一部分的蛋白质或核酸的含量可以让流出液通过一个流动小室测定其280 nm或260 nm的光吸收来进行连续监测。

3、何谓保留值、分配容量K、分离度？

答：1）保留值

（1）死时间 t0

不被固定相吸附或溶解的物质进入色谱柱时，从进样到出现峰极大值所需的时间称为死时间，它正比于色谱柱的空隙体积。

因为这种物质不被固定相吸附或溶解，故其流动速度将与流动相流动速度相近。测定流动相平均线速ū时，可用柱长L与t0的比值计算，即 ū = L/t0

（2）保留时间tr 试样从进样到柱后出现峰极大点时所经过的时间，称为保留时间

（3）调整保留时间tr´

ａ 某组分的保留时间扣除死时间后，称为该组分的调整保留时间，即 tr´=

tr－t0

ｂ 由于组分在色谱柱中的保留时间tr 包含了组分随流动相通过柱子所须的时间和组分在固定相中滞留所须的时间，所以tr 实际上是组分在固定相中保留的总时间。

ｃ 保留时间是色谱法定性的基本依据，但同一组分的保留时间常受到流动相流速的影响，因此色谱工作者有时用保留体积来表示保留值。

（4）死体积V0

指色谱柱在填充后，柱管内固定相颗粒间所剩留的空间、色谱仪中管路和连接头间的空间以及检测器的空间的总和。当后两相很小可忽略不计时，死体积可由死时间与色谱柱出口的载气流速Fco（cm3·min-1）计算。

V0 = t0*Fco

式中 Fco为扣除饱和水蒸气压并经温度校正的流速。

b 仅适用于气相色谱，不适用于液相色谱。

（5）保留体积Vr

指从进样开始到被测组分在柱后出现浓度极大点时所通过的流动相的体积。保留时间与保留体积关系：

Vr= tr *Fco

（6）调整保留体积Vr′

某组分的保留体积扣除死体积后，称为该组分的调整保留体积。

Vr′ = Vr－V0 = tr′* Fco

（7）相对保留值r2,1