生物分离工程-吸附和离子交换

离子交换分离与吸附分离学生：李吉清指导教师：罗川南一、离子交换分离法1、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。

2、离子交换树脂的构成（1）具有三维空间离体结构的网络骨架（2）联接在骨架上的活性基团（3）活性基团所带的相反电荷的活性离子（可交换离子）3、离子交换的分类按活性基团分类，可分为阳离子交换树脂(cation exchange)（含酸性基团）和阴离子交换树脂(anion exchange)（含碱性基团）。

具体又可以分为：强阳、弱阳和强阴、弱阴4、常用的离子交换树脂（1）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）；（2）弱酸性阳离子交换树脂：活性基团有-COOH，-OCH2COOH，C6H5OH 等弱酸性基团；（3）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；（4）弱碱性阴离子交换树脂：活性基团为伯胺或仲胺，碱性较弱；5、新型离子交换树脂（1）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。

（2）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（a）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（CMC）、二乙基氨基乙基纤维素（DEAE）（b）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6、离子交换树脂的理化性能（1）外观：球形、浅色为宜，粒度大小为16~60目>90%；（2）机械强度：>90%；（3）含水量：0.3~0.7g/g 树脂；（4）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）；（5）稳定性：化学稳定性、热稳定性；（6）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；（7）湿真密度：单位体积湿树脂的重量；（8）孔度、孔径、比表面积7、影响交换速度的因素（1）颗粒大小：愈小越快（2）交联度：交联度小，交换速度快（3）温度：越高越快（4）离子化合价：化合价与高，交换越快（5）离子大小：越小越快（6）搅拌速度：在一定程度上，越大越快（7）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8、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 离子和B 离子浓度[A]S 、[B]S 表示溶液中A 离子和B 离子 9、影响离子交换选择性的因素（1）水合离子半径：半径越小，亲和力越大；（2）离子化合价：高价离子易于被吸附；（3）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；（4）离子强度：越低越好；（5）有机溶剂：不利于吸附；（6）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；（7）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；10、离子交换操作方法（1） 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—碱最后以去离子水或缓冲液平衡（2） 离子交换吸附静态：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（3） 洗脱离子交换完成后，将树脂吸附的物质重新转入溶液的方法ssB A B A R A B R K ]][[]][[−−=洗脱方法（a）改变溶液pH值（b）改变溶液离子强度（4）再生是指是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二吸附分离法1、吸附定义（1）、吸附是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的过程。

凝聚：指在投加的化学物质（铝、铁的盐类或石灰等）作用下，胶体脱稳并使粒子相互聚集成１mm 大小块状凝聚体的过程。

PPT电泳：荷电的胶体粒子在电场中的移动。

PPT或者：荷电溶质（电解质）或粒子在电场作用下发生定向泳动的现象P362电泳迁移率（mobility）:在电位梯度E的影响下，带电颗粒在时间t中的迁移距离d。

PPT或者：单位电场强度下的电泳速度。

P363膜分离的概念：利用膜的选择性（孔径大小），以膜的两侧存在的能量差作为推动力，由于溶液中各组分透过膜的迁移率不同而实现分离的一种技术。

PPT 或者：利用具有一定选择性透过特性的过滤介质进行物质的分离纯化。

P56离子交换: 在吸附剂与溶液间发生离子交换，即吸附剂吸附离子后，它同时要放出等当量的离子于溶液中。

PPT亲和层析：是利用生物分子对之间所具有的专一而又可逆的亲和力使生物分子分离纯化的技术。

PPT过滤：是在外力作用下，利用过滤介质使悬浮液中的液体通过，而固体颗粒被截留在介质上，从而实现固液分离的一种单元操作。

PPT或者：利用薄片形多孔性介质（如滤布）截留固液悬浮液中的固体粒子，进行固液分离的方法。

P20沉降：离心分离是基于固体颗粒和周围液体密度存在差异，在离心场中使不同密度的固体颗粒加速沉降的分离过程，当静置悬浮液时，密度较大的固体颗粒在重力作用下逐渐下沉，这一过程称为沉降。

PPT重结晶：是利用杂质和结晶物质在不同溶剂和不同温度下的溶解度不同，将晶体用合适的溶剂再次结晶，以获得高纯度的晶体的操作。

PPT分辨率：也称分离度。

它是指相邻两色谱保留值之差与两峰底宽平均值之比。

PPT晶体：形成新相（固体）需要一定的表面自由能。

因此，溶液浓度达到饱和溶解度时，晶体尚不能析出，只有当溶质浓度超过饱和溶解度后，才可能有晶体析出。

溶液达到过饱和状态是结晶的前提；过饱和度是结晶的推动力。

PPT分子伴侣：是一种热休克蛋白质，在体内和体外都具有抑制蛋白质伸展肽链错误折叠和聚集、促进肽链折叠成天然活性肽的作用。

【生物课件】第十章离子交换、吸附与层析分离设备离子交换和吸附、层析的内容是很丰富的，机理是多种多样的。

根据物质吸附性质的不同，可用吸附法进行分离；根据分子电离（电负性）的差异，可用离子交换法、电泳法和等电聚焦法等进行分离；根据分子形状和大小的不同，可用凝胶过滤层析、膜分离、超滤法等分离；根据配体特异性的不同，可用亲和层析法进行分离。

本章主要就工业上较常用的离子交换、吸附与层析的原理及设备进行叙述。

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。

离子交换树脂是能在水溶液中交换离子的固体，其分子可以分成三个部分：－部分是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；一部分是联结在骨架上的功能基（活性基）；一部分是活性基所带的相反电荷的离子，称为可交换离子。

惰性不溶的网络骨架和活性基联成一体，不能自由移动。

活性离子则可以在网络骨架和溶液间自由迁移。

当树脂发生离子交换时，其上的活性离子与溶液中的同性离子，按与树脂的化学亲和力不同产生交换过程。

最先在工业上应用的离子交换树脂是无机类高分子，叫硅酸铝钠，俗称泡沸石，继而发现了磺化煤和磺化酚-醛树脂，以及后来发现的苯乙烯-二乙烯苯共聚体和铵盐型苯乙烯-二乙烯苯共聚体等。

这些品种的树脂交换量、化学稳定性和物理稳定性都不太理想，后来在50年代发现的新型大孔离子交换树脂，由于其良好的稳定性、较高的交换容量而被广泛的应用。

离子交换的一般流程如下：（1）原料液的预处理，使得流动相易于被吸附剂吸附；（2）原料液和离子交换树脂的充分接触，使吸附进行；（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。

离子交换技术是分离精制生物产品的主要工业手段之一，如细胞色素C的精制用弱酸性阳离子交换树脂；ADP与ATP可用强碱性阴离子交换树脂进行分离精制；弹性酶（Elastase）用Amberlite CG-50树脂进行分离；肝素、硫酸软骨素等用多孔型或大孔型强碱性阴离子交换树脂进行分离；胰岛素的分离纯化用DEAE-C（阴离子交换纤维素）等。

一、名词解释：生物分离工程：是从微生物、动植物细胞及其生物化学产物中提取有用物质的技术。

过滤：是指在某一种支撑物上放置过滤介质，注入含固体颗粒的溶液，是液体通过固体颗粒留下，是固液分离的常用方法之一。

凝集：是指在某些电解质作用下，使扩散双电层的排斥电位降低，破坏胶体系统的分散状态，而使胶体粒子聚集的过程。

絮凝：是指在某些高分子絮凝剂存在下，在悬浮粒子之间产生架桥作用而使胶粒形成粗大的絮凝团的过程。

离心分离：离心分离是基于固体颗粒和周围液体密度存在差异，在离心场中使不同密度的固体颗粒加速沉降的分离过程，当静置悬浮液时，密度较大的固体颗粒在重力作用下逐渐下沉，这一过程也称为沉降。

离心过滤：是将料液送入有孔的转鼓并利用离心力场进行过滤的过程，以离心力为推动力完成过滤作业，兼有离心和过滤的双重作用。

萃取：利用溶质在互不相溶的两相之间分配系数的不同而使溶质得到纯化或浓缩的方法。

至少有一相为液相。

吸附：一种物质从一相移动到另外一相的现象称为吸附。

如果吸附仅仅发生在表面上，就称为表面吸附；如果被吸附的物质遍及整个相中，则称为吸收。

吸附等温线：固体吸附剂从溶液中吸附溶质达到平衡时，其吸附量与溶质浓度和温度有关。

当温度一定时，吸附量与浓度之间的函数关系。

膜：在一种流体相间有一层薄的凝聚相物质，把流体相分隔开来成为两部分，这一薄层物质称为膜。

膜本身是均一的一相或由两相以上凝聚物构成的复合体。

膜污染：原料液中的微粒或大分子与膜有理、化或机械作用而引起的在膜表面或孔内吸附、沉积造成膜孔径变小甚至堵塞的不可逆现象。

浓差极化：膜表面的浓度高于主体浓度的现象。

（是可逆的）蒸发：使含有不挥发性溶质的溶液沸腾汽化并移出蒸气，从而使溶液中溶质浓度提高的单元操作称为蒸发。

结晶：是从液相或气相生成形状一定、分子（或原子、离子）有规则排列的晶体的现象。

是新相生成的过程；是利用溶质之间溶解度的差别进行的一种分离操作。

重结晶：利用杂质和结晶物质在不同溶剂和不同温度下的溶解度不同，将晶体用合适得溶剂溶解再次结晶，从而使其纯度提高。

第六章吸附与粒子交换一、名词解释吸附剂：吸附操作所使用的固体材料一般为多孔微粒或多孔膜，具有很大的比表面积，称为吸附剂或吸附介质。

物理吸附：物理吸附基于吸附剂与溶质之间的分子间力，即范德华力，可以是单分子层吸附，也可以是多分子层吸附。

被背媳妇的介质可以通过改变温度、PH和盐浓度等物质条件脱附。

化学吸附：化学吸附是吸附剂表面活性点与溶质之间发生化学键合，产生电子转移的现象。

化学吸附释放大量的热。

吸附平衡：溶质通过吸附作用在在液固两相间分配达到平衡。

吸附等温线：一般吸附操作在恒温度下进行，即温度保持不变。

此时吸附剂上的平衡吸附剂浓度q只是液相游离溶质浓度c的函数，q与c的关系称为吸附等温线。

离子交换：通常将基于离子交换原理的吸附操作称为离子交换或离子交换吸附。

吸附作用力为静电引力，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得集团，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。

通过调节PH或提高离子强度的方法洗脱。

交换容量：用离子交换容量是单位质量干树脂或单位体积湿树脂所能吸附的一价离子的毫摩尔数表示，是表征离子交换能力的主要参数之一。

穿透曲线：吸附过程中吸附柱出口溶质浓度的变化曲线称穿透曲线。

穿透点：吸附过程中吸附柱出口溶质浓度的变化曲线称穿透曲线，出口处溶质浓度开始上升的点称为穿透点。

工作交换容量：工作交换容量是表示离子交换树脂在一定工作条件下所具有的交换能力，通常是指单位体积的湿树脂所能交换离子的物质的量，单位以mmol/g、mol/m3或mmol/L表示。

填空1.吸附按作用力主要分为物理吸附、化学吸附和离子交换。

2.孔径和比表面积是评价吸附剂性能的主要参数，孔径越大，比表面积越小。

3.溶液的pH>等电点时，蛋白质带负电荷；溶液的pH<等电点时，蛋白质带正电荷。

4.生物分离中常用的吸附剂种类有活性炭、硅胶、有机高分子吸附剂等。

5.离子交换树脂由不溶性的三维空间的高分子网状骨架、以共价键连接在骨架上的官能团、和活性基团所带的相反电荷的活性离子三部分构成。

膜分离的概念：利用膜的选择性（孔径大小），以膜的两侧存在的能量差作为推动力，由于溶液中各组分透过膜的迁移率不同而实现分离的一种技术。

或者：利用具有一定选择性透过特性的过滤介质进行物质的分离纯化。

离子交换: 在吸附剂与溶液间发生离子交换，即吸附剂吸附离子后，它同时要放出等当量的离子于溶液中。

亲和层析：是利用生物分子对之间所具有的专一而又可逆的亲和力使生物分子分离纯化的技术。

过滤：是在外力作用下，利用过滤介质使悬浮液中的液体通过，而固体颗粒被截留在介质上，从而实现固液分离的一种单元操作。

或者：利用薄片形多孔性介质（如滤布）截留固液悬浮液中的固体粒子，进行固液分离的方法。

重结晶：是利用杂质和结晶物质在不同溶剂和不同温度下的溶解度不同，将晶体用合适的溶剂再次结晶，以获得高纯度的晶体的操作。

分辨率：也称分离度。

它是指相邻两色谱保留值之差与两峰底宽平均值之比。

晶体：形成新相（固体）需要一定的表面自由能。

因此，溶液浓度达到饱和溶解度时，晶体尚不能析出，只有当溶质浓度超过饱和溶解度后，才可能有晶体析出。

溶液达到过饱和状态是结晶的前提；过饱和度是结晶的推动力。

初级分离：指从菌体发酵液、细胞培养液、胞内抽提液（细胞破碎液）及其他各种生物原料初步提取目标产物，使目标产物得到浓缩和初步分离的下游加工过程。

截留率：表示膜对溶质的截留能力，可用小数或百分数表示。

（真实截留率和表观截留率）自溶：通过调节温度、PH值或添加有机溶剂，诱使细胞产生溶解自身的酶的方法，也是一种酶溶法。

：指从进样开始到被测组份在柱后出现浓度极大点时所通过的流动相保留体积VR体积。

：指色谱柱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死体积VM空间以及检测器的空间的总和，当后两项很小而可忽略不计时，V M可由t m与流动相体积流速F0(ml/min)的乘积计算。

理论塔板高度：单位理论塔板的长度称为理论塔板高度。

它等于色谱柱长度除以理论塔板数。

用理论塔板数与板高表示柱效率时是等价的。