第5章離子交換與色譜

第五章離子交換與色譜分離設(shè)備第一節(jié)離子交換過(guò)程原理與設(shè)備第二節(jié)色譜分離原理與設(shè)備第三節(jié)吸附分離及設(shè)備（自學(xué)）

第一節(jié)離子交換過(guò)程原理與設(shè)備一離子交換過(guò)程與原理離子交換法是應(yīng)用合成的離子交換劑作為吸附劑，將溶液中的物質(zhì)，依靠庫(kù)侖力吸附在交換劑上，然后用合適的洗脫劑將吸附物質(zhì)從交換劑上洗脫下來(lái)，達(dá)到分離、濃縮、提純的目的。生物工業(yè)中最常用的交換劑為離子交換樹(shù)脂。幾乎所有的生物大分子都是極性的，都可使其帶電，所以離子交換法已廣泛用于生物大分子的分離純化。離子交換樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)組成a:交聯(lián)的具有三維空間立體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)骨架，通常不溶于酸、堿和有機(jī)溶媒，化學(xué)穩(wěn)定性良好；b:聯(lián)接在骨架上的功能基（活性基）及可交換離子。樹(shù)脂的網(wǎng)絡(luò)骨架（一）、離子交換樹(shù)脂分類按活性基團(tuán)分類:陽(yáng)離子交換樹(shù)脂(cationexchange)（含酸性基團(tuán)），對(duì)陽(yáng)離子具有交換能力；

陰離子交換樹(shù)脂(anionexchange)（含堿性基團(tuán)），對(duì)陰離子具有交換能力；具體又可以分為：強(qiáng)陽(yáng)、弱陽(yáng)、強(qiáng)陰、弱陰。根據(jù)離子交換劑的樹(shù)脂材料分：以苯乙烯和二乙烯苯共聚而成的合成樹(shù)脂聚苯乙烯樹(shù)脂為基質(zhì)的離子交換樹(shù)脂；多糖類骨架的離子交換樹(shù)脂。

離子交換樹(shù)脂分類常用的離子交換樹(shù)脂強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂：活性基團(tuán)是-SO3H（磺酸基）和-CH2SO3H（次甲基磺酸基）；弱酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂：活性基團(tuán)有-COOH,C6H5OH等弱酸性基團(tuán)；強(qiáng)堿性陰離子交換樹(shù)脂：活性基團(tuán)為季銨基團(tuán)，如三甲胺基或二甲基-?-羥基乙基胺基；弱堿性陰離子交換樹(shù)脂：活性基團(tuán)為伯胺或仲胺，堿性較弱；（二）離子交換過(guò)程裝載樹(shù)脂及平衡;吸附樣品;樣品淋洗(解吸、分離)樹(shù)脂再生。離子交換分離的一般流程（1）原料液的預(yù)處理(離子化)，使得流動(dòng)相易于被吸附劑吸附；（2）裝載，上樣，使原料液和離子交換樹(shù)脂的充分接觸，以利于吸附進(jìn)行；（3）淋洗離子交換樹(shù)脂，以去除雜質(zhì)；（4）把離子交換樹(shù)脂上的有用物質(zhì)解吸并洗脫下來(lái)；（5）離子交換樹(shù)脂的再生。離子交換機(jī)理及選擇性待分離的A+自溶液中擴(kuò)散到樹(shù)脂表面；A+從樹(shù)脂表面進(jìn)入樹(shù)脂內(nèi)部的活性中心；A+與RB在活性中心上發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)；解吸附離子B+自樹(shù)脂內(nèi)部擴(kuò)散至樹(shù)脂表面；B+離子從樹(shù)脂表面擴(kuò)散到溶液中；交換速度的控制步驟是擴(kuò)散速度，不同的分離體系可能由內(nèi)部擴(kuò)散或外部擴(kuò)散控制。A+＋RBRA＋B+

離子交換機(jī)理：離子交換原理及反應(yīng)以水凈化處理應(yīng)用為例：離子交換的選擇性是分離純化的基礎(chǔ)當(dāng)溶液中同時(shí)存在著很多種離子時(shí)，樹(shù)脂對(duì)離子有選擇吸附作用。一般來(lái)說(shuō)，離子和樹(shù)脂間親和力越大，就越容易吸附；對(duì)無(wú)機(jī)離子，離子的化合價(jià)越高，就越容易被吸附；離子交換反應(yīng)受溶液的pH影響很大。對(duì)強(qiáng)酸、強(qiáng)堿樹(shù)脂來(lái)說(shuō)，任何pH下都可進(jìn)行交換反應(yīng)，而弱酸、弱堿樹(shù)脂的交換反應(yīng)則分別在偏堿性、偏酸性或中性溶液中進(jìn)行；離子交換樹(shù)脂在水和非水體系中的行為是不同的。有機(jī)溶劑的存在會(huì)使樹(shù)脂脫水收縮，結(jié)構(gòu)緊密，降低吸附有機(jī)離子的能力，而相對(duì)提高吸附無(wú)機(jī)離子的能力。陽(yáng)離子樹(shù)脂的吸附順序發(fā)酵液中谷氨酸的分離(1)吸附順序用強(qiáng)酸性離子交換樹(shù)脂提取谷氨酸時(shí)，發(fā)酵液中同時(shí)存在的陽(yáng)離子有Na+、NH4+、K+、Ca2+、Mg2+、腺瞟吟、氨基酸等。按樹(shù)脂對(duì)這些離子吸引力和親和力大小，其吸附順序是：金屬離子——NH4+——氨基酸——有機(jī)色素(2)氨基酸交換順序

精氨酸（10.8

）＞賴氨酸（9.7）＞丙氨酸（6.0）

＞亮氨酸（5.98）＞谷氨酸

(3)金屬陽(yáng)離子和氨基酸的交換順序Ca2+＞Mg2+＞K+＞NH4+＞Na+＞腺膘吟＞丙氨酸＞亮氨酸＞谷氨酸洗脫時(shí)，先洗脫出來(lái)是谷氨酸，后是NH4+，金屬離子最后被洗下，以達(dá)分離目的。離子交換純化策略對(duì)生物大分子進(jìn)行分離純化，可采用兩種方式：①正吸附：將目標(biāo)產(chǎn)物離子化，再交換到介質(zhì)上，雜質(zhì)不被吸附而從柱流出，稱為正吸附。②負(fù)吸附：將雜質(zhì)離子化后被交換，而目標(biāo)產(chǎn)物不被交換直接流出，這種方式稱為負(fù)吸附。離子交換過(guò)程（一）間歇式離子交換設(shè)備（二）半連續(xù)移動(dòng)床離子交換設(shè)備（三）連續(xù)式離子交換設(shè)備二、離子交換設(shè)備

按結(jié)構(gòu)型式分：罐式、塔式、槽式；按操作方式分：間歇式、周期式與連續(xù)式；按兩相接觸方式分為：固定床、流動(dòng)床；其中，固定床分：?jiǎn)未?、多床、混合床?/p>

離子交換設(shè)備分類工業(yè)規(guī)模的離子交換設(shè)備離子交換車間（一）間歇式離子交換設(shè)備1.正向吸附離子交換罐

一般的離子交換罐為具有橢圓形封頭的圓筒形設(shè)備，樹(shù)脂層高度約占圓筒高度的50～70%，須留有充分的空間，已備反沖時(shí)樹(shù)脂層的擴(kuò)脹。交換罐上部有溶液分布裝置，使溶液均勻通過(guò)樹(shù)脂層。罐底有多孔板、篩網(wǎng)及濾布以支持樹(shù)脂層，或者用石英石或卵石直接鋪于罐底以支持樹(shù)脂層。2.反向吸附離子交換罐（流化床）

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

進(jìn)料分布器在罐的下部，上部增加解吸水分布器。吸附后廢液出口在封頭頂部。底部為淋洗水、解吸液和再生液出口、反洗水進(jìn)口。被交換的溶液由罐的下部導(dǎo)入，交換后的廢液則由罐頂?shù)某隹谝绯觥?/p>

反向吸附離子交換罐主要優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：省去菌絲過(guò)濾工序；液固兩相接觸面大而且較均勻，操作時(shí)不產(chǎn)生短路、死角，以及流速大和生產(chǎn)周期短。缺點(diǎn)：樹(shù)脂的飽和度不及正吸附的高、罐內(nèi)樹(shù)脂高度要比正吸附時(shí)低一點(diǎn)，以免樹(shù)脂外溢。擴(kuò)口式離子交換器為防止離子交換樹(shù)脂從頂部溢出，可設(shè)計(jì)成擴(kuò)口式離子交換器。頂部加裝循環(huán)室。待交換的處理液從底部的液體分布器加入。從頂部經(jīng)過(guò)濾后溢流出。反向吸附離子交換器的液流方向進(jìn)料解吸溶液由上而下流動(dòng)；再生時(shí)，先用水反沖，使陽(yáng)、陰樹(shù)脂借重度差分層（一般陽(yáng)離子樹(shù)脂較重），然后將堿液由罐的上部引入，酸液則由罐底引入，廢酸、堿液在中部引出，再生及洗滌結(jié)束后，壓縮空氣將兩種樹(shù)脂重新混合，陽(yáng)、陰離子交換樹(shù)脂常以體積比l:1混合。3.混合床交換罐樹(shù)脂由陽(yáng)、陰離子交換樹(shù)脂混合組成，脫鹽較充分。制藥工業(yè)用反滲透加混合床生產(chǎn)純水工藝流程（二）半連續(xù)移動(dòng)床離子交換設(shè)備特點(diǎn)：交換、再生、清洗過(guò)程在裝置中特定位置完成，通過(guò)管線和閥門將這些過(guò)程在裝置中串聯(lián)在一起，各種離子交換樹(shù)脂、液體周期性地在特定的部位流動(dòng)。交換過(guò)程樹(shù)脂懸浮液流到中間循環(huán)柱，進(jìn)行固液分離，處理水外排。當(dāng)再生信號(hào)發(fā)出，水處理系統(tǒng)內(nèi)部分樹(shù)脂進(jìn)入飽和樹(shù)脂存貯柱，同時(shí)有再生好的樹(shù)脂補(bǔ)充過(guò)來(lái)。存貯柱內(nèi)的樹(shù)脂進(jìn)入再生柱再生。該裝置可實(shí)現(xiàn)水處理，飽和樹(shù)脂再生以及再生好樹(shù)脂返回等過(guò)程同時(shí)進(jìn)行，從而達(dá)到連續(xù)產(chǎn)純凈水的目的。待處理液進(jìn)入處理柱后，樹(shù)脂隨待處理液一起在柱內(nèi)流動(dòng)，同時(shí)進(jìn)行交換反應(yīng)。

（三）連續(xù)式離子交換設(shè)備屬連續(xù)逆流接觸的離子交換設(shè)備。樹(shù)脂經(jīng)頂部計(jì)量加入到交換塔內(nèi),并經(jīng)過(guò)漏斗形樹(shù)脂加料器加到每層篩板上,篩板起支撐樹(shù)脂和對(duì)料液的分布作用；待處理液從底部加入,從頂部溢流出。1.篩板式連續(xù)離子交換設(shè)備2.漩渦式連續(xù)離子交換設(shè)備離子交換樹(shù)脂及處理液在交換器中在螺旋輸送器的推動(dòng)下，逆流接觸，呈漩渦狀流動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)：能連續(xù)生產(chǎn)、供液不間斷，而且效率高；樹(shù)脂利用率及再生飽和程度高，因而再生液耗量較省；操作管理較為方便。缺點(diǎn)：樹(shù)脂磨損較大。第二節(jié)色譜分離原理與設(shè)備色譜技術(shù)是利用混合物中各種組分的物理化學(xué)性質(zhì)（分子的形狀和大小、分子的極性、吸附力、分子親和力、分配系數(shù)等）不同，使各組分以不同程度分布在兩相（流動(dòng)相、固定相）中，當(dāng)流動(dòng)相流過(guò)固定相時(shí)，各組分以不同的速度移動(dòng)，而達(dá)到分離的目的。色譜分離也稱為層析分離或色層。色譜（層析）分離分類按流動(dòng)相的狀態(tài)不同可分:液相色譜（liquidchromatography）；氣相色譜（gaschromatography）；固定相的使用形式不同可分：

柱層析；紙層析；薄層層析；按分離機(jī)制不同可分為：離子交換色譜；吸附色譜；分配色譜；疏水作用色譜；凝膠層析（色譜）；親和層析（色譜）等。色譜分離設(shè)備的組成組成：輸液泵、進(jìn)樣器（閥）、色譜柱、檢測(cè)器、收集器等組成。色譜設(shè)備的組成各部件主要作用泵：推動(dòng)溶液，它是層析系統(tǒng)的心臟。

閥系統(tǒng)：控制溶液的流向，提供自動(dòng)控制層析過(guò)程的可能性。

層析柱：填裝不同的層析介質(zhì)，使混合物在通過(guò)它時(shí)，因不同蛋白分子與層析介質(zhì)作用強(qiáng)度不同，因而遷移速度不同，從而分開(kāi)混合物。

檢測(cè)器：確定混合物中各物質(zhì)的位置和濃度，以及緩沖液的各種參數(shù)。

收集器：用來(lái)收集樣品。液相色譜的基本流程圖流動(dòng)相

泵色譜柱檢測(cè)器

輸液系統(tǒng)分離系統(tǒng)

檢測(cè)系統(tǒng)記錄系統(tǒng)AEGBCDF進(jìn)樣閥進(jìn)樣系統(tǒng)色譜系統(tǒng)的進(jìn)樣與洗脫洗脫進(jìn)樣進(jìn)樣器閥流動(dòng)相泵閥柱檢測(cè)器組分收集與記錄儀一、凝膠色譜利用凝膠粒子（凝膠過(guò)濾介質(zhì)）為固定相，根據(jù)料液中溶質(zhì)相對(duì)分子質(zhì)量的差別進(jìn)行分離的液相層析法。凝膠（色譜）層析又叫分子篩層析，是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的一種分離純化方法。凝膠具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，小分子物質(zhì)能進(jìn)入其內(nèi)部，而大分子物質(zhì)卻被排阻在外部，當(dāng)一混合物溶液通過(guò)凝膠過(guò)濾層析柱時(shí)，溶液中的物質(zhì)就按不同分子質(zhì)量篩分開(kāi)。(一)基本原理

凝膠過(guò)濾層析所用的基質(zhì)是具有立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、篩孔直徑一致，且呈珠狀顆粒的物質(zhì)。這種物質(zhì)可以完全或者部分排阻某些大分子化合物于篩孔之外，而不能排阻某些小分子化合物，但可讓其在篩孔中自由地?cái)U(kuò)散、滲透。樣品由進(jìn)樣閥進(jìn)入層析柱，小分子物質(zhì)能進(jìn)入凝膠顆粒的內(nèi)部，而大分子物質(zhì)卻被排阻在外部，溶液中的物質(zhì)就按不同分子質(zhì)量篩分開(kāi)。柱后面連有的檢測(cè)儀能檢測(cè)出目標(biāo)產(chǎn)物的出峰時(shí)間，并由電腦記錄，從而可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)物的定時(shí)收集。凝膠色譜原理圖為用凝膠過(guò)濾層析技術(shù)分離兩種目標(biāo)產(chǎn)物的示意圖。將含有兩種不同分子量的混合樣品小心自柱頂端加入，接著連續(xù)以水或其他溶液進(jìn)行洗脫，并用分部收集器收集洗脫液，測(cè)定每管物質(zhì)濃度，然后以洗脫體積為橫坐標(biāo)，各物質(zhì)濃度為縱坐標(biāo)作圖，即得洗脫曲線。

通過(guò)圖譜可以進(jìn)行組分成分鑒定及含量的測(cè)定。(二)凝膠層析操作步驟1．裝柱：有些凝膠是干燥顆粒，使用前須吸脹；注意在柱裝好后，任何時(shí)間都不能使液面低于凝膠表面，否則會(huì)影響分離效果。2．加樣：要使樣品均勻地進(jìn)入凝膠床，要在溶劑表面恰好與凝膠表面相平時(shí)加進(jìn)樣品。當(dāng)樣品進(jìn)入凝膠床，樣品液面到達(dá)凝膠床表面時(shí)，加入洗脫液。3．洗脫：凝膠層析用的所有的洗脫液均以能溶解被洗脫物質(zhì)和不使其變性或失活為原則。并且洗脫用的液體應(yīng)和凝膠溶脹時(shí)以及凝膠柱平衡時(shí)所用的液體完全相同，4．再生：用水進(jìn)行逆向沖洗，再用緩沖液進(jìn)行平衡。平衡完畢后，即可重復(fù)使用。5.保存：使用過(guò)的凝膠柱，若要短時(shí)間保存，則需進(jìn)行反復(fù)洗滌除去蛋白質(zhì)等雜質(zhì)，并加入適當(dāng)?shù)姆烂箘?，如醋酸汞、三氯乙醇等；若要長(zhǎng)時(shí)間保存，則需將凝膠從柱中取出，進(jìn)行洗滌、脫水和干燥。(三)、凝膠層析設(shè)備凝膠色譜裝置主要由進(jìn)樣系統(tǒng)（一般為恒壓泵）、層析柱、收集器和檢測(cè)系統(tǒng)組成。

柱層析裝置色譜柱是色譜系統(tǒng)的心臟。色譜柱由柱管、壓帽、卡套（密封環(huán)）、篩板（濾片）、接頭、螺絲等組成。柱管材料：不銹鋼；厚壁玻璃；石英管。玻璃柱及不銹鋼柱層析柱分類按用途分：分析柱和制備柱；常規(guī)分析柱：內(nèi)徑2~5mm；窄徑柱：內(nèi)徑1~2mm；毛細(xì)管柱：內(nèi)徑0.2~0.5mm；半制備柱：內(nèi)徑＞5mm；實(shí)驗(yàn)室制備柱：內(nèi)徑20~40mm生產(chǎn)制備柱：內(nèi)徑可達(dá)幾十厘米。柱的兩端均密閉，柱下端有濾板和濾布，濾板為400目的尼龍布或聚四氟乙烯布，樣品和洗脫液均用微量泵傳送，這樣可使底部的死體積減少到最小值。其中2、3柱還具有雙層管，管間可通溫水保溫，進(jìn)出口處可用尼龍管伸入柱內(nèi)，連接一個(gè)附有濾板的漏斗狀托盤，以減少底部死體積，托盤周圍用橡皮圈與柱壁密封。常用層析柱此外可分為：軸向色譜柱徑向色譜柱徑向柱濃度分布均勻,柱效高,規(guī)模放大時(shí),直徑不變,只需增大柱高，易于工業(yè)放大。反轉(zhuǎn)式凝膠色譜柱為一種反轉(zhuǎn)式層析柱。兩根支柱支撐在兩法蘭之間，在支柱的中部裝有轉(zhuǎn)軸，支撐在支架軸承中，這樣，分離柱就可以上下反轉(zhuǎn)，工作時(shí)可用定位螺固定。這種結(jié)構(gòu)可避免柱中凝膠壓緊。（見(jiàn)演示）實(shí)驗(yàn)用凝膠層析設(shè)備工業(yè)規(guī)模的凝膠層析裝置工業(yè)規(guī)模的徑向?qū)游鲋ㄋ模┠z層析的應(yīng)用1．分離提純廣泛用于酶、蛋白質(zhì)、氨基酸、多糖、激素、生物堿等物質(zhì)的分離提純。2．脫鹽生物高分子（如蛋白質(zhì)、核酸、多糖等）溶液中的低分子量雜質(zhì)，可以用凝膠層析法除去，這一操作稱為脫鹽。3．測(cè)定高分子物質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量。6．高分子溶液的濃縮將干凝膠投入到稀的高分子溶液中，這時(shí)水分和低分子量的物質(zhì)就會(huì)進(jìn)入凝膠粒子內(nèi)部的孔隙中，而高分子物質(zhì)則排阻在凝膠顆粒之外，再經(jīng)離心或過(guò)濾，將