离子交换分离原理及设备要求

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1、离子交换分离原理及设备离子交换法主要是基于一种合成的离子交换剂作为吸附剂，以吸附溶液中需要分离的离子。生物工业中最常用的交换剂为离子交换树脂，广泛用于提取氨基酸、有机酸、抗生素等小分子生物制品。在提取过程中，生物制品从发酵液中吸附在离子交换树脂上，然后在适宜的条件下用洗脱剂将吸附物从树脂上洗脱下来，达到分离、浓缩、提纯的目的。离子交换法的特点是树脂无毒性且可反复再生使用，少用或不用有机溶剂，因而成本低，设备简单，操作方便。目前已成为生物制品提纯分离的主要方法之一。但离子交换法也有生产周期长，pH变化范围大，

2、甚至影响成品质量等缺点。此外，离子交换树脂法还广泛用于脱色、硬水软化及制备无盐水等。一、离子交换树脂及其分离原理大型阴阳离子交换系统(一）离子交换树脂的分类及合成离子交换树脂是一种具有网状立体结构、且不溶于酸、碱和有机溶剂的固体高分子化合物．离子交换树脂的单元结构由两部分组成。一部分是不可移动且具有立体结构的网络骨架，另一部分是可移动的活性离子。活性离子可在网络骨架和溶液间自由迁移，当树脂处在溶液中时，其上的活性离子可与溶液中的同性离子产生交换过程。这种交换是等当量进行的。–阳离子交换树脂–阴离子交换树脂1

3、．离子交换树脂的分类由于活性基团的电离程度决定着树脂的主要交换性能，也决定了树脂酸性或碱性的强弱，所以又将树脂分为：–强酸性阳离子交换树脂–弱酸性阳离子交换树脂–强碱性阴离子交换树脂–弱碱性阴离子交换树脂2．离子交换树脂的合成离子交换树脂的合成是应用高分子聚合和有机化学反应原理来合成带有活性基团的多价高聚物。目前主要的合成方法有两类，一类称加聚法，一类称缩聚法。（二）离子交换树脂的理化性能选择离子交换树脂时，除具有良好的化学稳定性外，其理化性能有：–颗粒度、–交换容量、–机械强度、–膨胀度、–含水量及密度、

4、–孔结构。（三）离子交换机理及选择性工业纯水制取系统l．交换机理以氨基酸为例，氨基酸是两性电解质，它含有可被离子交换的阳离子(-NH3+)和阴离子(-COOH)利用阳离子交换树脂从谷氨酸发酵液中分离谷氨酸是选择性吸附。将发酵液中残糖及其聚合物、色素、蛋白质等非离子杂质得以分离，经洗脱浓缩，在等电条件下获取谷氨酸。一般认为离子交换过程是按化学摩尔质量关系进行的，且交换过程是可逆的，最后达到平衡，平衡状态和过程的方向无关。因此，离子交换过程可以看作可逆多相化学反应。但和一般的多相化学反应不同，当发生交换时，树脂

5、体积常发生改变，因而引起溶剂分子的转移。设有一粒树脂放在溶液中，发生下列交换反应：A+＋RB=RA＋B+不论溶液的运动情况如何，在树脂表面上始终存在着一层薄膜，交换离子借于分子扩散通过薄膜，显然，溶液流运愈剧烈，薄膜的厚度愈小，则液体主体的浓度愈均匀一致。一般说来，树脂的交换容量和颗粒大小无关。因此在树脂表面和内部都具有交换作用，发酵液中谷氨酸在通过阳离子交换柱时，先向树脂表面扩散，再穿过树脂表面向树脂内部扩散，谷氨酸中的一NH3+与树脂交换基团一SO3-H+的H+进行交换，交换下来的H+从树脂内部向表面扩

6、散，由于H+扩散到溶液中，所以发酵液流经交换柱的流出液；其pH会下降。A+＋RB=RA＋B+离子交换过程包括5个步骤：–?A+自溶液中扩散到树脂表面。–?A+从树脂表面再扩散到树脂内部的活性中心。–?A+在活性离子交换过程中心发生交换反应。–?解吸离子B+自树脂内部的活性中心扩散到树脂表面。–?B+从树脂表面扩散到溶液中。其交换速度受最慢的一步所控制。根据电荷中性原则，步骤?和?同时发生且速度相等。即有lmolA+经薄膜扩散到达颗粒表面，同时必有lmol的B+以相反方向从颗粒表面扩散到液体中，同样?和?同时

7、发生，方向相反，速度相等。因此离子交换过程实际上只有三步：外部扩散、内部扩散和交换反应。离子间的交换反应速度一般很快，甚至难以测定，大多情况下交换反应不是控制步骤，而内外扩散则是控制步骤。通常液相速度愈快，浓度愈小，颗粒愈大，吸附愈弱，愈是趋向于内扩散控制。相反，液体流速慢，浓度大，颗粒小，吸附强，愈是趋向于外扩散控制。交换层次发酵液2．离子交换速度方程当外扩散控制时，可推得离子交换速度方程为：ln（1-F）=-K?t式中K——外扩散速度常数，K=3De/r0δг；De——液相中的扩散系数；r0——树脂颗粒

8、半径；г——吸附常数，达到平衡时，固相浓度与液相浓度之比。稀溶液中，г为一定值；F——时间为t时，树脂的饱和度，即树脂上的吸附量与平衡吸附量之比。3．影响交换速度的因素减小颗粒无论对内扩散控制或外扩散控制都有利于交换速度的提高，交联度越低、树脂越易膨胀，则树脂内部的扩散就越容易。所以当内扩散控制时，降低树脂交联度，可提高交换速度；温度高时，扩散系数大，则交换速度快；离子在树脂中扩散时，离子与树脂骨架间存在库仑引力