吸附離子交換技術(shù)

,姓名：許曉茗學(xué)號(hào)：1511315042,吸附離子交換技術(shù),2,2、蛋白質(zhì)的離子交換吸附,3、離子交換在藥物生產(chǎn)的應(yīng)用,4.離子交換在有機(jī)合成的應(yīng)用,目 錄,1、離子交換技術(shù)在植物脫色中的應(yīng)用,3,離子交換色譜(Ion exchange chromatography, IEC)是應(yīng)用最廣泛的色譜技術(shù),自從上世紀(jì)五十年代開始應(yīng)用于生物物質(zhì)的分離離子交換色譜以離子交換劑作為固定相,以合適的緩沖溶液作為流動(dòng)相,流動(dòng)相中的帶電溶質(zhì)與離子交換劑之間靜電作用力存在差異,從而使得目標(biāo)溶質(zhì)得以分離。,IEC的簡介,IEC的簡介,離子交換劑,緩沖溶液,固定相,流動(dòng)相,靜電作用差,分離,4,離子交換作用的原理是,離子交換劑骨架上的功能基團(tuán)在水溶液中會(huì)發(fā)生解離,解離后的功能基團(tuán)能夠與溶液中其他帶有同種電荷的離子發(fā)生交換。這個(gè)離子交換的過程是等當(dāng)量的,離子交換劑以及溶液都始終保持電中性,交換過程是可逆的,經(jīng)過一段時(shí)間最終達(dá)到平衡。由于不同離子與功能基團(tuán)的作用力大小不同,溶液中的不同的帶電溶質(zhì)通過這種可逆的離子交換作用達(dá)到對其的分離提純以及濃縮。,5,1、離子交換技術(shù)在植物脫色中的應(yīng)用,1.1離子交換樹脂概述,初期應(yīng)用是以沸石類天然礦物凈化水質(zhì)開始的,沸石、磺化煤、酚醛樹脂發(fā)展階段,1945 年出現(xiàn)了凝膠型苯乙烯合成樹脂，標(biāo)志著近代離子交換技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入了全新時(shí)期。,今天，各種凝膠型苯乙烯樹脂、聚丙乙烯樹脂、大孔樹脂以及各種專用樹脂，構(gòu)成了整個(gè)龐大的離子交換劑家族。離子交換樹脂是一種具有活性交換基團(tuán)的不溶性高分子共聚物，其交換基團(tuán)使用失效后，經(jīng)過再生可以恢復(fù)交換能力，然后重復(fù)使用,樹脂的母體構(gòu)架，或稱骨架（framework, matrix）由高分子碳鏈構(gòu)成，是一種三維多孔海綿狀的不規(guī)則網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，它一般不溶于一般酸、堿溶液及有機(jī)溶劑。,6,在工業(yè)應(yīng)用中，樹脂脫色的優(yōu)點(diǎn)主要是處理能力大，脫色范圍廣，脫色容量高，能除去各種不同的離子，可以反復(fù)再生使用，工作壽命長，運(yùn)行費(fèi)用較低。以離子交換樹脂為基礎(chǔ)的多種新技術(shù)，如色譜分離法、離子排斥法、電滲析法等，各具獨(dú)特的功能，可以進(jìn)行各種特殊的工作，是其他方法難以做到的。樹脂精制的應(yīng)用，是近年來國內(nèi)外制糖工業(yè)的研究的重點(diǎn)課題，是實(shí)現(xiàn)糖業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。,1.2 離子交換樹脂在多糖脫色中的應(yīng)用,7,甜菜糖廠普遍采用碳酸石灰法除雜，國外一些甜菜糖廠將二碳清汁順序通過陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂，將糖汁中的非糖分除去。這種處理能除去多數(shù)鹽類和有機(jī)雜物，提純效果很好。這種方法的缺點(diǎn)是糖汁在第一樹脂柱變?yōu)樗嵝?，加大了糖的損失。1964 年前蘇聯(lián)糖廠開始使用磺酸基鈉型陽離子樹脂，結(jié)合強(qiáng)堿性陰離子樹脂，發(fā)現(xiàn)脫色效果良好，且脫色工藝受甜菜質(zhì)量影響很小。,1.2 離子交換樹脂在多糖脫色中的應(yīng)用,前面采用強(qiáng)酸性陽離子樹脂（氫型），后面采用弱堿性陰離子樹脂。經(jīng)過第一樹脂柱，樹脂的氫離子置換了溶液中的陽離子（K+、Na+、Ca2+、Mg2+等），置換出的氫離子使溶液的pH大幅下降。,在第二樹脂柱內(nèi)，弱堿性陰離子樹脂除去陰離子和各種負(fù)電性物質(zhì)（帶負(fù)電的色素 ），交換出的離子使溶液的 pH 值恢復(fù)至中性或微堿性。,8,林樂新對白糖精制工藝研究發(fā)現(xiàn)，糖液脫色適宜用兩級(jí)樹脂柱串聯(lián)組合。第一級(jí)采用丙烯胺系弱堿性陰離子樹脂，其脫色范圍廣、吸附容量大、耐污染，起主要的脫色作用；第二級(jí)采用苯乙烯系強(qiáng)堿性陰離子樹脂，其吸附能力強(qiáng)，可以徹底地去除有色物。,1.2 離子交換樹脂在多糖脫色中的應(yīng)用,9,王元鳳研究了樹脂用于茶多糖的脫色，茶多糖溶液中的色素以天然色素和生產(chǎn)中產(chǎn)生的色素為主，色值比菊粉提取液更大。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)大孔吸附樹脂適宜從極性溶液中吸附非極性物質(zhì)，最后選定 D315 弱堿性陰離子樹脂，其脫色效果最好，并推測茶多糖溶液中主要以帶負(fù)電的非極性小分子量物質(zhì)為主。,1.2 離子交換樹脂在多糖脫色中的應(yīng)用,10,曹云研究了 8 種大孔吸附樹脂和 4 種離子交換樹脂對靈芝多糖溶液的脫色影響，發(fā)現(xiàn)含特殊功能基的陰離子樹脂 D392 對靈芝多糖的脫色效果最好，該功能基能與反離子結(jié)合相對牢固，增加了反離子與色素的離子交換，同時(shí)樹脂功能基改善了骨架的親水性，增加了樹脂骨架與色素分子的接觸面積，從而增強(qiáng)了脫色效果。另外研究表明，靈芝多糖色素以陰離子型分子為主，其次還有少量的弱極性和非極性分子。,1.2 離子交換樹脂在多糖脫色中的應(yīng)用,11,蛋白質(zhì)的離子交換吸附行為受到很多因素的影響,根據(jù)其吸附作用機(jī)理,主要的影響因素有被吸附蛋白質(zhì)的種類，吸附劑表面化學(xué)性質(zhì),吸附劑的結(jié)構(gòu)特性,pH,鹽濃度和溫度在確定了被吸附蛋白體系以及離子交換介質(zhì)的前提下,在進(jìn)行等溫條件下的吸附行為研究時(shí),蛋白質(zhì)種類、吸附劑、溫度一定,該體系的吸附行為主要的影響因素如下:,2、蛋白質(zhì)的離子交換吸附,2.1 離子交換吸附的影響因素,pH 值的影響,離子強(qiáng)度的影響,12,蛋白質(zhì)在與離子交換介質(zhì)進(jìn)行離子交換吸附時(shí),蛋白質(zhì)所帶的電荷是由 pH值控制的。流動(dòng)相的 pH 值與蛋白質(zhì)等電點(diǎn) pI 的關(guān)系決定了蛋白質(zhì)與陽離子交換介質(zhì)還是陰離子交換介質(zhì)作用。當(dāng) pH 值高于待分離蛋白的 pI 值時(shí),蛋白質(zhì)將帶凈的負(fù)電荷,與陰離子交換介質(zhì)作用;當(dāng) pH 值低于待分離蛋白的 pI 值時(shí),蛋白質(zhì)將帶凈的正電荷,與陽離子交換介質(zhì)作用。蛋白質(zhì)與交換介質(zhì)的作用強(qiáng)度也與pH 值相關(guān),同種離子交換作用體系,當(dāng) pH 與 pI 相距越遠(yuǎn)則蛋白質(zhì)帶電荷越多,離子交換作用越強(qiáng)。因此,對于特定蛋白的離子交換體系的吸附,要根據(jù)需要選擇比較合適操作的 pH 值。,2.1.1 pH 值的影響,13,離子強(qiáng)度對蛋白質(zhì)離子交換吸附行為的影響主要體現(xiàn)在:通常,相同的離子交換體系,在保持其他條件不變的情況下,蛋白質(zhì)的離子交換吸附隨著離子強(qiáng)度的增大而減弱。溶液的離子強(qiáng)度主要取決于其鹽的種類以及鹽濃度的大小。鹽的類型對蛋白質(zhì)保留行為的影響主要包括強(qiáng)的頂替作用、弱的頂替作用以及中間頂替作用,通過影響蛋白質(zhì)的離子交換而影響蛋白質(zhì)在離子交換色譜中的保留行為、分離度以及回收率。故在具體蛋白質(zhì)的離子交換色譜的應(yīng)用中,強(qiáng)頂替作用的鹽將降低蛋白質(zhì)的保留時(shí)間,弱頂替作用的鹽將影響蛋白質(zhì)的回收率,故一般選擇中間頂替作用的鹽。,2.1.2 離子強(qiáng)度的影響,14,3.1 肝素的提取肝素屬于黏多糖，在體內(nèi)與蛋白質(zhì)結(jié)合成復(fù)合體，這種復(fù)合體無抗凝血活性；當(dāng)除去蛋白質(zhì)后，其藥用功能顯示出來。肝素提取一般包括肝素一蛋白質(zhì)復(fù)合物的提取、肝素一蛋白質(zhì)復(fù)合物的分解和肝素的分級(jí)分離3步，其中分級(jí)分離采用離子交換法。肝素鈉生產(chǎn)工藝流程如下：,3、離子交換在藥物生產(chǎn)的應(yīng)用,15,酶解、過濾后得到的產(chǎn)物，含有其他黏多糖，也含有未除盡的蛋白質(zhì)和核酸類物質(zhì)，要用陰離子交換劑或長鏈季銨鹽進(jìn)行分級(jí)分離。其操作過程是將濾液冷卻至50以下，用6molL氫氧化鈉溶液調(diào)至pH7，加入5kg D-254強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂，攪拌5h，交換完畢，棄去液體；用自來水漂洗樹脂至水清；用約與樹脂體積等量的2molL氯化鈉溶液攪拌洗滌15min，棄去洗滌液；再加2倍量的1.2molL氯化鈉溶液同法洗滌兩次；用半倍量的5molL氯化鈉溶液洗脫1h，收集洗脫液；然后用樹脂體積13量的3molL氯化鈉溶液同時(shí)洗脫兩次，合并洗脫液，得肝素鈉的鹽溶液，再經(jīng)醇沉、干燥，即得粗成品。,D-254樹脂是一種聚苯乙烯二乙烯苯、三甲胺季銨型強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂。按此工藝生產(chǎn)的肝素鈉產(chǎn)品，最高效價(jià)可達(dá)140Umg以上，收率平均約2104Ukg腸黏膜。樹脂經(jīng)洗脫后浸泡于4molL氯化鈉溶液中，下次使用前用水洗滌數(shù)遍，即可使用。,16,鏈霉素為一強(qiáng)堿性生物活性藥物，在pH45時(shí)穩(wěn)定。鏈霉素在中性溶液中為三價(jià)正離子，故宜在中性和酸性條件下用陽離子交換樹脂提取。強(qiáng)酸性樹脂吸附比較容易，但洗脫比較困難，故宜用弱酸性樹脂。在中性條件下，氫型弱酸性樹脂交換作用差，故應(yīng)預(yù)先將樹脂處理成鈉型。料液的濃度宜適當(dāng)稀釋，使樹脂利于吸附鏈霉素這種高價(jià)離子，而不易吸附低價(jià)雜質(zhì)離子。洗脫時(shí)，因弱酸性樹脂對氫離子的親和力很大，故用酸即可將鏈霉素完全洗脫，酸洗脫的濃度控制在1molL，洗脫液濃度較高，交換層較窄，洗脫高峰集中。,3.2 抗生素的提取及轉(zhuǎn)型,17,新霉素是六價(jià)堿性物質(zhì)，可以用強(qiáng)酸或弱酸性樹脂提取。用弱酸性樹脂提取時(shí)，其流程與鏈霉素相似，所不同的是可以用氨水將新霉素從磺酸基樹脂上洗脫下來，故常用磺酸基樹脂來提取。因在堿性條件下，新霉素由正離子變?yōu)橛坞x堿，使溶液中新霉素正離子濃度降低，即解吸離子的濃度降低，故有利于洗脫。選用的樹脂交聯(lián)度要合適，交聯(lián)度過大，會(huì)使換容量降低；過小會(huì)使選擇性不好。氨水洗脫液可用羥型強(qiáng)堿樹脂脫色，經(jīng)過蒸發(fā)去除氨水，不留下灰分，可省去脫鹽工序。,3.2 抗生素的提取及轉(zhuǎn)型,18,在有機(jī)合成中，常用酸和