第七章 吸附与离子交换

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1、《生化分离工程》BioseparationEngineering第7章吸附与离子交换原料液细胞分离(离心，过滤)细胞－胞内产物路线一路线二细胞破碎碎片分离路线一A路线一B清液－胞外产物粗分离(盐析、萃取、超过滤等)纯化(层析、电泳)脱盐(凝胶过滤、超过滤)浓缩(超过滤)精制(结晶、干燥)包含体溶解(加盐酸胍、脲)复性生化分离过程的一般流程：7.吸附与离子交换7.1概述7.2吸附过程的理论基础7.3分批与连续吸附7.4固定床吸附和膨胀床吸附7.5离子交换吸附7.6离子交换吸附的应用7.7其他类型的吸附7.1概述7.1.1什么叫吸附吸附是利用吸附剂对液体或气体中某一组分具有选

2、择性吸附的能力，使其富集在吸附剂表面的过程。吸附过程通常包括：待分离料液与吸附剂混合、吸附质被吸附到吸附剂表面、料液流出、吸附质解吸回收等四个过程。料液与吸附剂混合吸附质被吸附料液流出吸附质解吸附Step1Step2Step3Step47.1.2吸附的类型（1）物理吸附：由吸附质与吸附剂之间的分子间引力即范德华力所引起。放热，可逆，单分子层或多分子层，选择性差。（2）化学吸附：由吸附质与吸附剂间的化学键所引起，是吸附剂表面活性点与溶质之间发生化学结合、产生电子转移的现象。放热量大，单分子层，选择性强。（3）离子交换吸附：利用离子交换树脂作为吸附剂，将溶液中的待分离组分，依

3、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，从而达到分离的目的。吸附剂吸附后同时放出等当量的离子到溶液中。备注：a.大，对化学键的形成与破裂同化学反应相似；b.任何表面上均能吸附各种吸附质，整个表面吸附情况相同；c.在吸附剂表面，存在有比一般吸附量更多的吸附点；d.很快达到平衡；e.只依赖于吸附质的物理化学特性；f.依赖于吸附质和吸附剂的物理化学特性。表7-1物理吸附与化学吸附的比较物理吸附力的本质A定向力极性分子的永久偶极静电力B诱导力极性分子与非极性分子之间的吸引力C色散力非极性分子之间的引力（瞬间偶极）D氢键力介于库仑引力与范

4、德华引力之间的特殊分子间定向作用力范德华力（1）处理能力较小；（2）吸附过程对溶质的作用较小；（3）可直接从发酵液中分离所需的产物；（4）溶质和吸附剂之间的平衡关系通常是非线性关系。7.1.3吸附的特点7.1.4吸附剂与离子交换剂7.1.4.1吸附剂与离子交换剂通常应具备以下特征对被分离的物质具有较强的吸附能力；有较高的吸附选择性；机械强度高；再生容易、性能稳定；价格低廉。表7-2生化分离中常用的多孔吸附剂7.1.4.2常用吸附剂（1）活性炭（Activecarbon）活性炭种类颗粒大小表面积吸附力吸附量洗脱粉末活性炭小大大大难颗粒活性炭较小较大较小较小难锦纶活性炭大小小

5、小易表7-3三种活性炭相关项目的比较锦纶活性炭粉末活性炭图7-1粉末活性炭和锦纶活性炭的构造活性炭对物质的吸附规律活性炭是非极性吸附剂，因此在水中吸附能力大于有机溶剂中的吸附能力。针对不同的物质，活性炭的吸附遵循以下规律：①对极性基团多的化合物的吸附力大于极性基团少的化合物；②对芳香族化合物的吸附能力大于脂肪族化合物；③对相对分子量大的化合物的吸附力大于相对分子量小的化合物；④pH值的影响；碱性、中性吸附，酸性洗脱；酸性、中性吸附，碱性洗脱。⑤温度未平衡前，随温度升高而增加。（2）大孔网状吸附剂优点：脱色去臭效果理想；对有机物具有良好的选择性；物化性质稳定；机械强度好；吸

6、附速度快；解吸、再生容易。缺点：价格昂贵，吸附效果易受流速以及溶质浓度等因素的影响。图7-2打孔网状吸附剂的微观结构大孔网状吸附树脂的种类非极性吸附树脂：苯乙烯交联而成，交联剂为二乙烯苯，又称芳香族吸附剂。中等极性吸附树脂：甲基丙烯酸酯交联而成，交联剂亦为甲基丙烯酸酯，故又称脂肪族吸附剂。极性吸附剂：丙烯酰胺或亚砜经聚合而成，通常含有硫氧、酰胺、氮氧等基团。大孔吸附树脂的吸附机理非离子型共聚物，借助于范德华力从溶液中吸附各种有机物，其吸附能力与树脂的化学结构、物理性能以及与溶质、溶剂的性质有关。通常遵循以下规律：非极性吸附剂可从极性溶剂中吸附非极性溶质；极性吸附剂可从非极

7、性溶剂中吸附极性物质；中等极性吸附剂兼有以上两种能力。大孔吸附树脂常用的解吸方法低级醇、酮或水溶液解吸原理：使大孔树脂溶胀，减弱溶质与吸附剂间的相互作用力。碱解吸附原理：成盐，主要针对弱酸性溶质酸解吸附——原理同上水解吸附原理：降低体系中的离子强度，降低溶质的吸附量。表7-4主要离子交换基团及其结构(1)7.1.4.3常用离子交换剂表7-4主要离子交换基团及其结构(2)常用于蛋白质离子交换的离子交换剂：表7-5部分市售离子交换剂的离子交换容量和蛋白质的离子交换容量离子交换树脂的命名Ｄ●●●交联度数值顺序号骨架代号分类代号分类代