生物分离工程第五章吸附分离及离子交换

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1、第五章吸附分离及离子交换内容简介吸附分离原理及操作离子交换原理及操作吸附平衡理论（热力学）吸附传质(动力学）吸附设备固定床扩张床搅拌釜第一节吸附分离原理及操作吸附(adsorption)：溶质从液相或气相转移到固相的现象。吸附机制：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。吸附作用:物质从气体或液体浓缩到固体表面从而实现分离的过程吸附剂:在表面上能发生吸附作用的固体吸附物:被吸附的物

2、质吸附法特点吸附法的优点：对溶质的作用较小，一般对蛋白活性构象影响小，这一点在蛋白质分离中特别重要；可直接从发酵液中分离所需的产物，成为发酵与分离的耦合过程，从而可消除某些产物对微生物的抑制作用；操作简便、安全、设备简单吸附法的缺点：选择性较差常用于从稀溶液中将溶质分离出来，由于受固体吸附剂的限制，处理能力较小；溶质和吸附剂之间的相互作用及吸附平衡关系通常是非线性关系，故设计比较复杂，实验的工作量较大。1.1吸附剂1.2.1吸附剂分类A、非多孔类：非多孔性固体的比表面仅取决于颗粒的外表面，比较而言比表面积小，用粉碎的方法可以增加其比表面积。B、多孔

3、类：多孔性颗粒的表面是由“外表面”和“内表面”所组成，内表面积可比外表面积大几百倍。由于颗粒内微孔的存在，比表面很大，可达每克几百平方米，有较高的吸附势。1.2.2有机吸附剂的制备（按反应溶剂分）①本体聚合组分简单，通常只含单体和少量引发剂，所以操作简便，产物纯净；缺点是聚合热不易排除。（无溶剂）②溶液聚合优点是体系粘度低，传热、混合容易，温度易于控制；缺点是聚合度较低，产物常含少量溶剂，使用和回收溶剂需增加设备投资和生产成本。（相溶）③悬浮聚合通常是在大量的水介质中进行，散热容易,产物是0.05～2mm左右的小颗粒，容易洗涤、分离，产物纯度较高；

4、缺点是产物容易粘壁，影响聚合釜传热和生产周期。（非极性单体和产物都不溶解于溶剂，常加分散剂）④乳液聚合单体在胶束中引发、聚合是在单体－聚合物乳胶粒中进行。其特点是速度快、产物分子量大（100纳米，最小可达50纳米到1微米）、体系粘度低、易于散热；缺点是乳化剂等不易除净，影响产物性能。（非极性单体溶解与胶束中）实施方法本体聚合溶液聚合悬浮聚合乳液聚合配方主要成分单体、引发剂单体引发剂、溶剂单体、引发剂、分散剂、水单体、引发剂、乳化剂、水聚合场所单体内溶剂内单体内胶束内聚合机理聚合速度上升聚合度下降容易向溶剂转移，聚合速率和聚合度都较低类似本体聚合能同

5、时提高聚合速率和聚合度生产特征一般间歇法生产，热不容易导出传热容易，可连续生产。产物为溶液状。传热容易。间歇法生产，后续工艺复杂传热容易。可连续生产。产物为乳液状，后续工艺复杂产物特性聚合物纯净。分子量分布较宽分子量较小，分布较宽。聚合物溶液可直接使用较纯净，留有少量分散剂留有乳化剂和其他助剂，纯净度较差单体、引发剂（使单体变自由基具有反应活性）、水、分散剂(dispersant)。组分：分散剂类型：1）水溶性有机高分子：吸附在液滴表面，形成保护膜。主要有聚乙烯醇等合成高分子，及纤维素衍生物、明胶等天然高分子及其衍生物。多采用质量稳定的合成高分子。

6、2）不溶于水的无机粉末：包围液滴，起机械隔离作用。主要有碳酸镁、滑石粉、高岭土等。悬浮聚合液液分散和成粒过程图4-1悬浮单体液滴分散过程示意图在搅拌的剪切力作用下，单体液层分散成液滴。单体和水界面间存在界面张力。界面张力越大，形成液滴也越大。分散剂(dispersant)、搅拌(agitation)剪切力和界面张力对成滴作用影响相反在一定搅拌强度和界面张力下，液滴通过一系列分散、合并过程，构成动平衡，最后达到一定的平均细度。1.2.3吸附剂的表征（1）比表面积单位重量吸附剂的表面积称为比表面积．吸附剂的粒径越小，或是微孔越发达，其比表面积越大。吸附

7、剂的比表面积越大，则吸附能越强。比表面积的测定一般采用B.E.T(Brunueer-Emmett-Teller)法：在液氮温度下(-196°C)，用吸附剂吸附氮气，在吸附剂表面形成单分子吸附层，测定氮气的吸附体积vm(cm3/g)，计算比表面积a(cm2/g):N-阿弗加德罗常数，s-被吸附分子的横截面积，在-196°C氮气分子的s=1.6210-15cm2。（2）孔径吸附剂内孔的大小和分布对吸附性能影响很大。孔径太大，比表面积小，吸附能力差；孔径太小，则不利于吸附质扩散，并对直径较大的分子起屏蔽作用，通常将孔半径大于0.1μm的称为大孔，2×1

8、0-3～0.1μm的称为过渡孔，而小于2×10-3的称为微孔。大部分吸附表面积由微孔提供。采用不同的原料和活化工艺制备的吸