生物分離工程吸附分離技術與理論市公開課獲獎課件

1、生物工程下游技術第六章 吸附分離技術與理論第1頁第1頁學習目和要求 在理解吸附劑和離子互換劑、吸附和離子互換平衡基礎上，掌握吸附和離子互換操作及其設計理論基礎。 第2頁第2頁通過本章學習應掌握下列內容：什么是吸附過程？吸附類型有哪些？它們是如何劃分？慣用吸附劑種類有哪些？什么是吸附等溫線？其意義何在？影響吸附過程原因有哪些？什么是親和吸附？其特點有哪些？慣用吸附單元操作有哪些方式？第3頁第3頁什么是離子互換？離子互換樹脂分類？其主要理化性質有哪些？離子互換機理是什么？什么是離子互換選擇性？其選擇性受哪些原因影響？基本離子互換操作是如何？如何利用離子互換法分離蛋白質？第4頁第4頁目錄引言吸附劑與

2、離子互換劑吸附平衡離子互換平衡固定床吸附操作膨脹床吸附操作第5頁第5頁一、引言吸附定義 吸附（adsorption）是溶質從液相或氣相轉移到固相現象,即利用吸附劑對液體或氣體中某一組分含有選擇性吸附能力，使其富集在吸附劑表面。（1）定義第6頁第6頁吸附操作 利用固體吸附原理從液體或氣體除去有害成份或提取回收有用目的產物過程，普通包括待分離料液與吸附劑混合、吸附質被吸附到吸附劑表面、料液流出、吸附質解吸回收等四個過程料液與吸附劑混合吸附質被吸附料液流出吸附質解吸附Step1Step2Step3Step4第7頁第7頁（2）吸附分類物理吸附：基于吸附劑與溶質間范德華力，無選擇性、無需高活化能、吸附層

3、能夠是單層，也能夠是多層、吸附和解吸附速度通常較快；化學吸附：基于吸附劑與溶質之間化學結合，吸附過程產生電子轉移；需要高活化能、只能以單分子層吸附，選擇性強、吸附和解吸附速度較慢；離子互換：基于吸附劑與溶質之間靜電引力，吸附過程發(fā)生電荷轉移 第8頁第8頁常見吸附類型及其主要特點物理吸附化學吸附吸附作用力 分子間引力化學鍵合力選擇性較差較高所需活化能低高吸附層單層或多層單層達到平衡所需時間快慢第9頁第9頁二、吸附分離介質識記：生物分離中慣用吸附劑和離子互換劑 理解：吸附劑、離子互換劑性能評估辦法 應用：掌握典型離子互換劑滴定曲線 第10頁第10頁1、慣用吸附劑吸附劑應具備特性：對被分離物質含有較

4、強吸附能力有較高吸附選擇性機械強度高再生容易、性能穩(wěn)定價格低廉。第11頁第11頁慣用吸附劑 活性炭，硅膠，金屬氧化物，有機高分子樹脂聚苯乙烯樹脂第12頁第12頁評價吸附性能參數：比表面積、孔徑比表面積：孔徑：第13頁第13頁比表面積直接影響到溶質吸附容量，較大比表面積可使溶質吸附量增長。孔徑對吸附劑性能影響主要表達在其對溶質在吸附劑內擴散影響方面。當孔徑越大，溶質分子擴散越容易，反之則越困孔徑和比表面積互相制約，孔徑越大，比表面積越小。第14頁第14頁活 性 炭活性炭種類顆粒大小表面積吸附力吸附量洗脫粉末活性炭小大大大難顆?；钚蕴枯^小較大較小較小難錦綸活性炭大小小小易第15頁第15頁粉末活性炭

5、第16頁第16頁錦綸活性炭第17頁第17頁活性炭對物質吸附規(guī)律活性炭是非極性吸附劑，因此在水中吸附能力大于有機溶劑中吸附能力。針對不同物質，活性炭吸附規(guī)律遵照以下規(guī)律：（1）對極性基團多化合物吸附力大于極性基團少化合物（2）對芳香族化合物吸附能力大于脂肪族化合物;（3）對相對分子量大化合物吸附力大于相對分子量小化合物;（4）pH 值影響 堿性 中性吸附 酸性洗脫; 酸性 中性吸附 堿性洗脫;（5）溫度 未平衡前 隨溫度升高而增加;第18頁第18頁大孔網狀吸附劑特點：脫色去臭效果抱負；對有機物含有良好選擇性；物化性質穩(wěn)定；機械強度好；吸附速度快；解吸、再生容易。但價格昂貴，吸附效果易受流速以及溶

6、質濃度等原因影響。第19頁第19頁大孔網狀吸附樹脂種類非極性吸附樹脂：苯乙烯交聯而成，交聯劑為二乙烯苯，又稱芳香族吸附劑。中檔極性吸附樹脂：甲基丙烯酸酯交聯而成，交聯劑亦為甲基丙烯酸酯，故又稱脂肪族吸附劑。極性吸附劑：丙烯酰胺或亞砜經聚合而成，通常含有硫氧、酰胺、氮氧等基團。第20頁第20頁大孔吸附樹脂吸附機理非離子型共聚物，借助于范德華力從溶液中吸附各種有機物，其吸附能力與樹脂化學結構、物理性能以及與溶質、溶劑性質相關。通常遵循下列規(guī)律：非極性吸附劑可從極性溶劑中吸附非極性溶質；極性吸附劑可從非極性溶劑中吸附極性物質；中檔極性吸附劑兼有以上兩種能力第21頁第21頁2、慣用解吸辦法低檔醇、酮或

7、水溶液解吸 原理：使大孔樹脂溶脹，削弱溶質與吸附劑間 互相作用力堿解吸附 原理：成鹽，主要針對弱酸性溶質酸解吸附原理同上水解吸附 原理：減少體系中離子強度，減少溶質吸 附量第22頁第22頁3、吸附等溫線概念：當溫度一定期，吸附量與濃度之間函數關系稱為吸附等溫線。Langmuir吸附等溫線 qo和K是經驗常數，c代表溶液中溶質濃度蛋白質分離提純時適合此吸附方程第23頁第23頁Langmuir吸附等溫線第24頁第24頁4、影響吸附主要原因吸附劑性質：比表面積、粒度大小、極性吸附質性質：對表面張力影響，溶解度，極性，相對分子量溫度：吸附是放熱過程，吸附質穩(wěn)定性溶液pH值：影響吸附質解離鹽濃度：影響復

8、雜，要視詳細情況而定第25頁第25頁5、什么是親和吸附？親和吸附分離是利用溶質和吸附劑之間特殊化學作用，從而實現分離。吸附劑由載體（Carrier）和配位體(Ligand)構成第26頁第26頁Affinity adsorption第27頁第27頁（1）親和吸附特點效率高：利用親和吸附能夠從粗提液中一次性分離得到高純度活性物質。分離精度高：可用于分離含量極低，結構相近化合物通用性較差，洗脫條件苛刻第28頁第28頁（2）親和吸附載體種類種 類組 成性 能多孔玻璃載體硅酸鹽堅硬、耐酸堿、易修飾聚丙烯酰胺凝膠載體丙烯酰胺N,N-亞甲基雙丙烯酰胺親水性好可供活化基團多纖維素載體多糖類物質起源豐富，但非特

9、異性吸附及空間位阻強，對分離不利葡聚糖凝膠載體經環(huán)氧丙烷交聯多糖類理化性質穩(wěn)定，但粒徑太小第29頁第29頁（3）載體活化和偶聯親和吸附載體通常是惰性，往往不能直接與配基連接，偶聯前需要先活化，活化辦法主要有：溴化氰活化法：瓊脂糖、葡聚糖引入亞氨基碳酸鹽高碘酸活化法：氧化多糖，生成烷基胺環(huán)氧化法：多糖類載體與環(huán)氧氯丙烷作用生成環(huán)氧化合物，再與氨基偶聯甲苯磺酰氯法：雙功效試劑法 二乙烯砜第30頁第30頁環(huán)氧化法表氯醇Activation第31頁第31頁配基偶聯辦法載體經活化后，就能夠進行與配基偶聯反應。詳細辦法下列：碳二亞胺縮合法(脫水)酸酐法疊氮化法重氮化法第32頁第32頁（4）影響親和吸附原因

10、配基濃度 配基濃度高有利；空間位阻 加入“手臂鏈”以減少空間位阻影響；配基與載體結合位點 就蛋白質等大分子作為配基時，與載體連接鍵越少越好；載體孔徑：孔道大??；微環(huán)境：載體或“手臂鏈”極性、電性；第33頁第33頁6、慣用吸附單元操作方式間歇吸附 依據是吸附等溫線和物料衡算方程連續(xù)攪拌吸附固定床吸附 柱式塔 穿透點第34頁第34頁三、離子互換(ion exchange) 概念：利用離子互換樹脂作為吸附劑，將溶液中待分離組分，依據其電荷差別，依托庫侖力吸附在樹脂上，然后利用適當洗脫劑將吸附質從樹脂上洗脫下來，達到分離目的。第35頁第35頁1、離子互換樹脂構成含有三維空間立體結構網絡骨架聯接在骨架上

11、活性基團活性基團所帶相反電荷活性離子（可互換離子）第36頁第36頁樹脂網絡骨架第37頁第37頁第38頁第38頁2、離子互換劑分類離子互換劑陽離子互換劑（活性基團為酸性）強陽離子：磺酸基、磺丙基、膦酸基弱陽離子：羧甲基、羧基陰離子互換劑（活性基團為堿性）強陰離子：三甲胺基、季胺乙基、二乙胺乙基弱陰離子：氨基第39頁第39頁3、慣用離子互換劑生物小分子回收 種類：苯乙烯-二乙烯基苯型，丙烯酸-二乙烯苯型，多乙烯多胺-環(huán)氧氯丙烷型樹脂 特點：疏水性高、交聯度大、孔隙率小及電荷密度高生物大分子回收 種類：葡聚糖凝膠，瓊脂糖凝膠，醋酸纖維素凝膠： 特點：親水性好、非特異性吸附小 第40頁第40頁4、離子

12、互換劑之互換容量定義 互換容量是單位質量干燥離子互換劑或單位體積濕離子互換劑所能吸附一價離子毫摩爾數。 吸附容量是表征離子互換能力主要參數 互換容量測定陽離子互換劑 轉化為氫型 陰離子互換劑 轉化為氯型 第41頁第41頁5、離子互換普通過程第42頁第42頁6、慣用離子互換樹脂強酸性陽離子互換樹脂：活性基團是-SO3H（磺酸基）和-CH2SO3H（次甲基磺酸基）；弱酸性陽離子互換樹脂：活性基團有-COOH, -OCH2COOH, C6H5OH等弱酸性基團；強堿性陰離子互換樹脂：活性基團為季銨基團，如三甲胺基或二甲基-羥基乙基胺基；弱堿性陰離子互換樹脂：活性基團為伯胺或仲胺，堿性較弱；第43頁第4

13、3頁7、新型離子互換樹脂大孔離子互換樹脂 大孔離子互換樹脂含有和大孔吸附劑相同骨架結構，在大孔吸附劑合成后（加入致孔劑），再引入化學功效基團，便可得到大孔離子互換樹脂第44頁第44頁大孔離子互換樹脂長處經過在合成時加入惰性致孔劑，克服了普通凝膠樹脂因為溶脹現象，產生“暫時孔”現象，從而強化了離子互換功效；降低了凝膠樹脂在離子互換過程中“有機污染”現象（大分子不易洗脫）；能夠經過致孔劑選擇調整孔徑大小、樹脂比表面積，以適應不同分離要求。慣用致孔劑有：良溶劑（能與單體互溶）甲苯、四氯化碳；不良溶劑 長鏈醇（碳4-10） 煤油；高分子聚合物 聚苯乙烯、聚丙烯酸酯第45頁第45頁其它離子互換樹脂類型兩

14、性樹脂：同時含有酸、堿兩種基團樹脂；均孔型離子互換樹脂：主要是陰離子型凝膠離子互換樹脂，孔徑均勻，互換容量高、機械強度好；螯合樹脂：樹脂上含有含有螯合能力集團，既能夠形成離子鍵，又能夠形成配位鍵；主要用于脫除金屬離子；*多糖基離子互換樹脂：固相載體為多糖類物質，親水性強、互換空間大、對生物大分子物致變性作用第46頁第46頁主要多糖基離子互換樹脂離子互換纖維素 樹脂骨架為纖維素，依據活性基團性質可分為陽離子互換纖維素和陰離子互換纖維素兩類 特點：骨架松散、親水性強、表面積大、互換容量大、吸附力弱、互換和洗脫條件溫和、分辨率高 慣用離子互換纖維素有： 甲基磺酸纖維素、羧甲基纖維素、二乙基氨基乙基纖

15、維素第47頁第47頁葡聚糖凝膠離子互換樹脂骨架為葡聚糖凝膠，如sepharose、sephadex，依據功效基團不同，亦可分為陽離子互換和陰離子互換樹脂命名方法：互換活性基團+骨架+原骨架編號特點：除了含有離子互換功效以外，兼有分子篩功效，提升了分離效率慣用葡聚糖凝膠離子互換樹脂：CM-sephadex C-25、DEAE-sephadex A-25等第48頁第48頁DEAE anion exchanger第49頁第49頁CMC Cation Exchanger第50頁第50頁第51頁第51頁離子互換樹脂命名辦法第52頁第52頁 離子互換樹脂命名法中分類代號和骨架代號代號分類名稱骨架名稱0強酸

16、性苯乙烯系1弱酸性丙烯酸系2強堿性酚醛系3弱堿性環(huán)氧系4螯合性乙烯哌啶系5兩性脲醛系6氧化還原氯乙烯系第53頁第53頁8、離子互換樹脂制備加聚法和縮聚法（依聚合辦法分類）加聚：指含有一個或一個以上雙鍵單體為原料，在分散相中進行聚合縮聚法是基于縮合反應聚合過程；共聚法和均聚法（以單體分類）共聚是指兩個或兩個以上單體進行聚合均聚是指以一個單體進行聚合第54頁第54頁幾種主要離子互換樹脂制備辦法苯乙烯型離子互換樹脂 單體：苯乙烯、二乙烯苯 酸性樹脂引入磺酸基，堿性樹脂引入季 銨，伯、叔胺酚醛樹脂 單體：水揚酸、苯酚、甲醛經縮聚而成第55頁第55頁離子互換樹脂理化性能外觀：球形、淺色為宜，粒度大小為1

17、660目90%；機械強度：90%；含水量：0.30.7g/g 樹脂；互換容量：重量互換容量、體積互換容量、工作互換容量或稱表觀互換容量（在某一條件下）；穩(wěn)定性：化學穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性；膨脹度：交聯度、活性基團性質與數量、活性離子性質、介質性質和濃度、骨架結構；濕真密度：單位體積濕樹脂重量；孔度、孔徑、比表面積第56頁第56頁離子互換過程離子互換過程是可逆多相化學反應 式中 A1，A2液相中離子 吸附離子 Z1，Z2 A1，A2價數 液相和樹脂相中溶劑 ns 離子互換時，溶劑從樹脂移入液相毫摩爾數第57頁第57頁離子互換機理A+自溶液中擴散到樹脂表面A+從樹脂表面進入樹脂內部活性中心A+與RB在活

18、性中心上發(fā)生復分解反應解吸附離子B+自樹脂內部擴散至樹脂表面B+離子從樹脂表面擴散到溶液中互換速度控制步驟是擴散速度，不同分離體系可能由內部擴散或外部擴散控制第58頁第58頁互換速度方程外部擴散控制內部擴散控制K1外擴散速度常數F時間為t時，樹脂飽和度r0為樹脂顆粒半徑D1為液相中擴散系數為吸附常數第59頁第59頁9、影響互換速度原因顆粒大?。河≡娇旖宦摱龋航宦摱刃。Q速度快溫度：越高越快離子化合價：化合價與高，互換越快離子大小：越小越快攪拌速度：在一定程度上，越大越快溶液濃度：當互換速度為外擴散控制時， 濃度越大，互換速度越快第60頁第60頁10、離子互換選擇性離子互換常數：互換勢或互換

19、系數R-A、R-B表示結合在樹脂上A離子和B離子濃度AS、BS表示溶液中A離子和B離子越大B越易被互換第61頁第61頁11、影響離子互換選擇性原因水合離子半徑：半徑越小，親和力越大；離子化合價：高價離子易于被吸附；溶液pH：影響互換基團和互換離子解離程度，但不影響互換容量；離子強度：越低越好；有機溶劑：不利于吸附；交聯度、膨脹度、分子篩：交聯度大，膨脹度小，篩分能力增大；交聯度小，膨脹度大，吸附量減少； 樹脂與粒子間輔助力：除靜電力以外，尚有氫鍵和范德華力等輔助力；第62頁第62頁離子互換操作辦法樹脂預處理離子互換吸附洗脫第63頁第63頁第64頁第64頁樹脂預處理物理處理：水洗、過篩，去雜，以

20、取得粒度均勻樹脂顆粒；化學處理：轉型（氫型或鈉型） 陽離子樹脂 酸堿酸 陰離子樹脂 堿酸堿 最后以去離子水或緩沖液平衡第65頁第65頁離交操作方式靜態(tài)：操作簡樸、不過度批操作，互換不完全動態(tài)：離子互換柱，操作連續(xù)、互換完全，適宜多組份分離 柱式固定床（FixedBed） 模擬移動床（SMB）第66頁第66頁模擬移動床（SMB）第67頁第67頁第68頁第68頁第69頁第69頁洗脫方式離子互換完畢后，將樹脂吸附物質重新轉入溶液辦法洗脫辦法（1）改變溶液pH值（2）改變溶液離子強度第70頁第70頁樹脂再生是指使離子互換樹脂重新含有互換能力過程酸性陽離子樹脂 酸-堿-酸-緩沖溶液淋洗堿性陰離子樹脂 堿

21、-酸-堿-緩沖溶液淋洗方式有：順流再生和逆流再生第71頁第71頁硬水軟化第72頁第72頁離子互換應用實例離子互換法提取蛋白質較無機離子離子互換平衡復雜，其吸附行為與離子間靜電引力、氫鍵、疏水作用以及范德華力相關蛋白質是生物大分子物質，因此，其擴散行為也較無機離子復雜第73頁第73頁 Some of the charged regions which will influence ion exchange Different proteins have different charges and different patterns of surface chargeBasis for sele

22、ctivity第74頁第74頁NH3RCOOH+NH3RCOO+-RNH2COO-Low pHPositive chargeHigh pHNegative chargeHydrogen gainedHydrogen lostEffect of pH on charge第75頁第75頁-+Overall charge on proteinNH3RCOOH+NH3RCOO+-RNH2COO-acid isoelectric point alkalineexcess positive charge balanced positive and negative charge excess negati

23、ve chargepH310Titration curves第76頁第76頁第77頁第77頁蛋白質離子互換分離基本環(huán)節(jié)平衡上樣吸附洗脫再生第78頁第78頁+-anion exchange beadEquilibration第79頁第79頁Sample applicationand wash-+-第80頁第80頁Elution-+-第81頁第81頁Regeneration-+第82頁第82頁Sampleapplicationand washElutionEquilibrationRegeneration-+-第83頁第83頁慣用于蛋白質提取分離離子互換劑要求：良好親水性、含有較大均勻網格結構、粒

24、度越小分辨率越高種類：多糖類 離子互換纖維素 交聯葡聚糖 交聯瓊脂糖 聚乙烯醇類 Mono系列 Amersham Pharmacia第84頁第84頁四、吸附平衡-學習要點識記：吸附平衡概念 理解：用蘭格繆爾單分子層吸附理論解釋溶質吸附現象 第85頁第85頁概念 當吸附劑達到吸附平衡后，固相表面溶質濃度q與液相中溶質濃度c存在一定關系， 第86頁第86頁吸附平衡形式低濃度下高濃度下m 分派系數，C 濃度第87頁第87頁-蘭格繆爾單分子吸附理論 吸附劑上有多個活性位點；每個活性含有相同能量；并只能吸附一個分子溶質；吸附分子間無互相作用； 依據蘭格繆爾理論，可得第88頁第88頁離子互換平衡-學習要點

25、識記：離子互換平衡概念 理解：離子互換分派系數推導 第89頁第89頁離子互換平衡在沒有待分離溶質存在時，離子互換劑表面離子基團始終被其反離子所覆蓋。 由于溶質與反離子帶有相同電荷，典型離子互換過程下列：陰離子互換劑： 陽離子互換劑： 第90頁第90頁離子互換平衡-完全解離電解質分派平衡 對于完全解離電解質XH而言，其在固液之間分派系數為 平衡常數代入溶液中反離子濃度越高，離子互換分派系數越小 第91頁第91頁離子互換平衡-不完全解離電解質分派平衡單價弱電解質XH存在著下列解離平衡，弱電解質在溶液中分派系數可表示為 第92頁第92頁離子互換平衡-通用分派平衡模型普遍化離子互換反應可表示為達到平衡

26、后，分派平衡常數為 第93頁第93頁離子互換平衡-蛋白質離子互換平衡伴隨分子量升高，互換劑對蛋白質分子空間排阻作用增大，蛋白質分子進入離子互換劑困難，無法與所有離子互換劑活性中心接觸吸附于吸附劑上蛋白質分子會阻礙其它蛋白與游離離子互換活性中心接觸，同時阻礙分子擴散 蛋白質帶多價電荷，可與多個離子互換基發(fā)生作用。其在離子互換劑上吸附受到反離子濃度影響，可用下列公式表示 第94頁第94頁固定床吸附操作 -學習要點識記：穿透曲線、穿透點和穿透時間等概念 理解：固定床吸附過程理論基礎 應用：掌握固定床操作過程以及多床串聯吸附操作優(yōu)缺點 第95頁第95頁固定床吸附操作 -吸附操作模式 間歇攪拌槽 一級吸

27、附平衡，效率低，用于吸附動力學和機理研究 固定床吸附塔 多級吸附平衡，分離效率高 第96頁第96頁固定床吸附基本環(huán)節(jié)平衡上樣吸附洗脫再生第97頁第97頁+-anion exchange beadEquilibration第98頁第98頁Sample applicationand wash-+-第99頁第99頁Elution-+-第100頁第100頁Regeneration-+第101頁第101頁Sampleapplicationand washElutionEquilibrationRegeneration-+-第102頁第102頁固定床吸附操作 -吸附過程吸附塔內填充著活性炭等吸附劑或者離子互換劑。當料液連續(xù)輸入吸附塔中，溶質被吸附劑吸附。從吸附塔人口開始，吸附劑吸附質濃度不斷上升，其飽和（最大）吸附濃度q0與入口料液濃度c0相平衡，即當吸附塔內溶質吸附靠近飽和時，溶質開始從塔中流出，出口處溶質濃度升高，最后達到入口料液濃度，即吸附達到完全飽和。第103頁第103頁固定床吸附操作 -穿透曲線及相關概念穿透曲線 吸附過程中吸附塔出口溶質濃度改變曲線稱為穿透曲線 穿透點 出口處溶質濃度開始上升點稱為穿透點 穿透時間 達到穿透點所用操作時間稱為穿透時間