生化工艺——第五章 吸附与离子交换.ppt

,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,第五章吸附及离子交换技术,第一节 吸附,第二节 离子交换基本原理,第三节 离子交换树脂,第四节 离子交换技术实施,第五节 离子交换技术的工业应用,第六节 离子交换技术的发展,学习目标,了解吸附剂的性能特点，了解离子交换树脂的分类、结构特点及离子交换技术的发展；,熟悉常用吸附技术及离子交换树脂命名、理化性质、功能特性、选择方法、基本计算及典型生产工艺；,掌握吸附与离子交换基本原理、工艺过程和操作方式；,会分析影响吸附与离子交换效果的相关因素，能够正确从事吸附与离子交换工艺操作，能处理吸附与离子交换过程中相关问题。,第一节 吸附(,adsorption,),吸附定义,利用,吸附剂,对液体或气体中,某一,(,些,),组分,具有选择性,吸附的能力,，使其富集在吸附剂表面。,实质是,溶质从液相或气相转移到,吸附剂表面,的,过程。,吸附过程,料液与吸附剂接触,吸附质被吸附,料液流出,吸附质解吸附,Step1,Step2,Step3,Step4,吸附法的特点：,操作简便、安全、设备简单，操作过程中,pH,变化很小，少用或不用有机溶剂，操作条件温和，适用于热敏性物质分离，但处理能力较低，吸附剂的吸附性能不太稳定，不能连续操作，劳动强度大。,吸附法应用：,一般常用于除臭、脱色、吸湿、防潮、去热源以及从稀溶液中分离精制某些产品：如酶、蛋白质、核苷酸、抗生素、氨基酸等。,家用水处理机又称净水器，可直接装在家用出水口，是一种高效方便的饮用水深度净化装置。,一种为单一的过滤型，主要采用活性炭、,PP（,聚丙烯）过滤棉、矿物质滤材中的一种或两种组合进行水处理，仅能除去部分悬浮物、余氯和有机物，但效果不彻底，容量有限，可能产生二次污染，只能用作饮用水的初级处理。,另一种为多种水处理方式的有机结合，主要是在上一种的基础上，进行了多重处理，而且增加了超滤膜、紫外灯、臭氧等除菌装置，在对悬浮物、余氯、有机物、重金属、细菌、病毒等都有很好的去除功能，对于处理水体的适应性强，是目前家用水处理机最常见的水处理方式。,知识链接,家用水处理机的原理及使用维护知识,再一种是在粗滤和活性炭之后，用反渗透膜、纳滤膜进行的高压分离膜分离，能有效去除有机物及无机盐，口感好，但水体中矿物元素含量较低，出水量很小（一般情况下为8,L/h）。,上述所有的水处理过程都是一个滤材消耗的过程，滤材的有效周期（寿命）不仅与本身的材质和使用时间有关，还与原水质量、日水处理量等因素有关，它直接关系到使用成本和水质；另外由于去除了余氯的净水很容易被细菌所污染，因此必须装有一套高效、长寿、可靠的消毒系统，才能保证水处理效果。,知识链接,家用水处理机的原理及使用维护知识,一、,吸附,的基本原理1、分类,物理吸附,吸附剂和吸附质之间的作用力是分子间引力（范德华力）。,化学吸附,利用吸附剂与吸附质之间的电子转移，发生化学反应而产生的，属于库仑力范围。它与通常的化学反应不同，吸附剂表面的反应原子保留了它或它们原来的格子不变。,交换吸附,吸附表面如为极性分子或离子所组成，则它会吸引溶液中带相反电荷的离子而形成双电层，这种吸附称为极性吸附。同时在吸附剂与溶液间发生离子交换，即吸附剂吸附离子后，同时要向溶液中放出相应摩尔数的离子。,常见的吸附类型及其主要特点,物理吸附,化学吸附,吸附作用力,分子间引力,化学键合力,选择性,较差,较高,所需活化能,低,高,吸附层,单层或多层,单层,达到平衡所需时间,快,慢,2,、,吸附速度与吸附平衡,吸附过程是一个物质传递过程，极限是吸附过程达到平衡，即吸附剂表面、气相或液相主体的吸附质浓度不再发生变化。吸附质首先要从气相或液相主体扩散到吸附剂的外表面（外扩散），吸附在外表面上（表面吸附），或者从吸附剂的外表面向颗粒内部的微孔内扩散（内扩散），在向微孔内扩散过程中吸附在内表面上（表面吸附）。,吸附速度,吸附质从气相或液相主体吸附到吸附剂上的速度取决于扩散与表面吸附速度。,外扩散速度主要取决于流体的湍动程度、流体粘度及吸附质的浓度，湍动程度与吸附质浓度越大，流体粘度越小，外扩散速度越大；内扩散速度主要取决于微孔的大小、微孔的长度及微孔的曲折程度，微孔越大，曲折程度越小，微孔越短，内扩散速度越大；表面吸附速度主要取决于吸附面积的大小、吸附力的大小及反应速度的大小，吸附面积越大，吸附力越大，反应速度越大，表面吸附速度越大。,吸附平衡,吸附等温线：,当吸附剂与溶液中的溶质达到平衡时，其吸附量,q,与溶液中溶质浓度,c,和,温度,有关。,当温度一定时，吸附量,q,只和浓度有关，,q,=,K,c,q,单位质量吸附剂所吸附的吸附质量，,kg(,溶质,)/kg(,吸附剂,),；,K,吸附平衡常数，,m,3,（溶液）,/kg,（吸附剂）；,c,平衡时气体或液体中吸附质浓度，,kg,（溶质）,/m,3,（气体或液体）。,吸附剂上有多个活性位点；,每个活性具有相同的能量；,并只能吸附一个分子的溶质；,吸附的分子间无相互作用；,兰格缪尔单分子吸附理论,3、影响吸附的主要因素,吸附剂的性质,吸附质的性质,温度,溶液,pH,值,盐浓度,吸附物质的浓度与吸附剂量,溶剂,4,、吸附质的解析,吸附剂吸附了吸附质后，其吸附能力下降，当吸附达到饱和后，吸附剂就失去了吸附能力。为了使吸附剂恢复吸附能力，同时也为了更好地回收吸附质，需进行解吸操作。解析方式如下：,（,1,）变温解吸分离 吸附剂在常温或低温下吸附物质后，可通过提高温度使被吸附的物质从吸附剂上解吸下来，吸附剂本身被再生，然后降温（用低温气体吹扫吸附剂层）进行新一轮的吸附操作。,（,2,）变压解吸分离 在较高的压力下完成吸附操作，在较低压力下进行解吸。,（,3,）洗脱分离 对于热敏性吸附质，常采用混合溶剂对吸附剂进行洗涤，使吸附质从吸附剂上解吸下来，称为洗脱。,二、,常用的吸附剂,吸附剂应具备的特征,吸附剂分类：,评价吸附性能的参数,比表面积、孔径,常用的吸附剂,1,、,活性炭,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,小,易,粉末活性炭,锦纶活性炭,活性炭对物质的吸附规律,活性炭对物质进行吸附一般遵守下列规律,：,活性炭是非极性吸附剂，因此在水溶液中吸附力最强，在有机溶剂中吸附力较弱；,对极性基团（,COOH,，,NH,2,，,OH,等）多的化合物的吸附力大于极性基团少的化合物，如活性炭对酸性氨基酸和碱性氨基酸的吸附力大于中性氨基酸；,对芳香族化合物的吸附力大于脂肪族化合物；,对相对分子质量大的化合物的吸附力大于相对分子质量小的化合物，如对多糖的吸附力大于单糖；,活性炭吸附溶质的量在未达到平衡前一般随温度提高而增加，但要考虑被吸附物的热稳定性；,发酵液的,pH,与活性炭的吸附率有关，一般碱性抗生素在中性情况下吸附，酸性条件下解析；酸性抗生素在中性条件下吸附，碱性条件下解析。,活性炭纤维与颗粒状活性炭相比，有如下特点：,孔细，而且细孔径分布范围比较窄；,外表面积大；,吸附与解吸速度快；,工作吸附容量较大；,重量轻对流体通过的阻力小；,成型性能好，可加工成各种形态，如毛毡状、纸片状、布料状和蜂巢状等。,2,活性炭纤维,以球形大孔吸附树脂为原料，经炭化，高温裂解及活化而制得。研究表明，炭化树脂对气体物质有良好的吸附作用和选择性。,3,球形炭化树脂,4、大孔网状聚合物吸附剂,大孔网状聚合物吸附剂是一种,不含交换基团,的,具有,大孔结构的高分子,吸附剂。,吸附机理：,非离子型共聚物,，,范德华力,，通常遵循以下规律：,非极性吸附树脂,中等极性吸附树脂,极性吸附剂,特点：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；吸附速度快；解吸、再生容易。,但价格昂贵，吸附效果易受流速以及溶质浓度等因素的影响。,大孔网状吸附剂,大孔网状聚合物的应用,氨基糖甙样品脱盐：,将碱性水溶液的氨基糖甙，通过大孔吸附树脂，氨基糖甙能形成集中的吸附带，而盐溶液则快速通过树脂柱，去盐后可用(10-20)%的含水醇或丙酮洗脱吸附物。,冬虫夏草有效成分的吸附分离,：,H-103,吸附树脂吸附核苷类化合物和芳香性氨基酸而与糖类和非芳香性氨基酸分离,5,、无机类吸附剂,硅胶,1）组成结构：,SiO,2,.,nH,2,O，,多孔网状结构,O O,Si,O,Si,OH,O O,2）吸附性质：极性吸附剂 吸附活性与含水量有关 在非极性介质中，对极性物质具有较强的吸附,氧化铝,1）组成结构：,Al,2,O,3,.,nH,2,O，,多孔网状结构,2）种类：碱性、中性、酸性氧化铝,3）吸附性质：极性吸附剂；吸附活性与含水量有关,非极性介质中，对极性物质具有较强的吸附,磷酸钙凝胶,1）组成结构：,Ca,3,（PO,4,）,2,，,多孔网状结构凝胶,2）种类：磷酸钙,Ca,3,（PO,4,）,2,；,磷酸氢钙,CaHPO,4,.,2H,2,O,；,羟基磷酸钙,Ca,5,（PO,4,）,3,.,OH,3）吸附性质：,Ca2+,与蛋白质负电荷基团的静电吸附作用,三、吸附工艺及操作,分批吸附操作,连续搅拌釜吸附操作,固定床吸附操作,膨胀床吸附操作,流化床吸附操作,模拟/移动床吸附操作,1,、分批（间歇）式吸附,酶的分离纯化中，一般应用分批式吸附。,方法：将浆状吸附剂添加到溶液中,吸附常在,pH,5或6的弱酸性溶液和低的电解质浓度下进行，盐存干扰吸附。因此预先透析。,实验室利用烧杯混合、布式漏斗真空抽滤的方法来实现,常用的典型吸附剂有磷酸钙凝胶离子交换剂、亲和吸附剂、疏水吸附剂等。,适于大规模分离,恒定浓度,的料液,罐内有,纯溶剂,及一定量的,新鲜吸附剂,吸附剂吸附相应溶质，,溶质的浓度随时间而变化,溶液不断地流出反应罐，其浓度也随时间而变化，由于罐内搅拌均匀，因此整个过程处于,稳态条件,。,当吸附速度等于零时，离开罐时溶质浓度随时间而变化；,如果吸附速度无限的快，出口液中溶质的浓度将迅速达到一个很低的值，然后缓慢增加，当吸附剂都为溶质饱和时，出口中的溶质的浓度又与不发生吸附时相同的规律上升；,在大多数情况下，吸附过程介于两者之间，吸附速度为一有限值,2、连续搅拌釜吸附操作,连续搅拌釜吸附操作,1)单釜吸附,2)多级吸附,3)多级逆流吸附,固定床吸附：,是将吸附剂固定在一定的容器中，含目标产物的液体从容器的一端进入，经容器上部液体分布器分布，流经吸附剂后，从管子的另一端流出。,操作开始时，绝大部分溶质被吸附，故流出液中溶质的浓度较低，随着吸附过程的继续进行，流出液中溶质的浓度逐渐升高，开始缓慢，后来加速，在某一时刻浓度突然急剧增大，此时称为吸附过程的,“,穿透,”,，应立即停止操作。吸附质需先用不同,pH,的水或不同的溶剂洗涤床层，然后洗脱下来。,3,、固定床吸附操作,4,、膨胀床吸附操作,膨胀床吸附也称扩张床吸附，是将吸附剂固定在一定容器中，含目标产物的液体从容器底端进入，经容器下端速率分布器分布，流经吸附剂层，从容器顶端流出。整个吸附剂层吸附剂颗粒在通入液体后彼此不在相互接触（但不流化），而按自身的物理性质相对地处在床层中的一定层次上实现稳定分级，流体保持以平推流的形式流过床层,。,膨胀床吸附操作过程,膨胀床吸附首先要使床层稳定地张开，然后经过进料、洗涤、洗脱、再生与清洗，最终转入下一个循环。,图,5-2,膨胀床吸附的操作过程,膨胀床吸附操作优缺点,流化床综合固定床和流化床优点，使吸附颗粒按自身的物理性质相对稳定地处在床层中的一定层次上实现稳定分级，而流体保持以平推流的形式流过床层，同时吸附颗粒间有较大的空隙，使料液中的固体颗粒能顺利通过床层。,膨胀床中吸附剂粒子的混合程度低，,吸附效率高,膨胀床中液体流动接近平推流，,吸附效率高,5,、流化床吸附操作,吸附操作是料液从床底以较高的流速循环输入已装有吸附剂的床层，使固相吸附剂产生流化，同时料液中的溶质在固相上发生吸附作用，经吸附后的料液由吸附塔顶部排出，返回循环槽，经泵循环返回流化床，以提高吸附效率。当吸附剂饱和后，对吸附剂进行解吸、再生、洗涤，然后转入下一批次操作。,连续操作中吸附粒子从床上方输入，从床底排出，进入脱附单元顶部。在脱附单元，用加热吸附剂或其它方法使吸附质解吸，然后进行再生（如果解吸后即获得再生可省去再生操作），再生后的吸附剂返回到吸附单元顶部继续进行吸附操作。料液由床底进入，经吸附后由吸附塔顶部排出，料液在出口仅少量排出，大部分通过循环泵循环返回流化床，以提高吸附效率。同时补加一定量新的料液，以维持流化床的流化速度。,流化床吸附操作优缺点,固定床,优点,：流体在介质层中基本上呈平推流，返混小，柱效率高。,缺点,：无法处理含颗粒的料液，因会堵塞床层，造成压力降增大而最终使操作无法进行。,流化床,优点,：,压降小，可处理高黏度或固体颗粒的粗料液；不需要特殊吸附剂，设备操作简单。,缺点,：存在严重的返混，特别是高径比很小的流化床，使床层理论塔板数降低，吸附剂的利用率低,。,6、模拟/移动床吸附操作,1）移动床,吸附操作中固相连续输入和排出吸附塔，与料液形成逆流接触流动，从而实现连续稳态的吸附操作。这种操作方法称移动床操作。,存在问题：吸附剂的磨损;固相出口的堵塞(为此，必须采用床层震动或用球形旋转阀等特殊装置),2,）模拟移动床,如果在固定床的基础上，对床层流动相的入、出口位置依据时间的推移，不断的切换位置，,产生移动床的分离效果，则称该操作为模拟移动床。,四、吸附工艺问题及处理,吸附剂的吸附能力下降,新树脂在使用前处理不好,料液预处理不好,吸附剂再生效果不好,吸附剂劣化,操作不合理，使吸附剂受到破坏,固定床操作中，过早出现“穿透”现象,床层装填不合理，颗粒不均匀等，导致出现偏流现象，需重新对吸附剂床层进行装填。,操作过程不规范（如流速或压力突然变化），使床层均匀程度受到破坏，重新装填吸附剂后，严格按操作规程进行操作。,系统密闭性差，或操作不合理床层内出现气泡或分层现象。进行密闭性检查，消除漏气，消除气泡及分层后，再进行正常工艺操作。,料液浓度过高，操作流速过大等。对待处理料液进行适当稀释，合理确定操作流速,。,吸附剂在使用中受潮引起性能下降,吸附剂在使用中受潮如果不是很严重，可以用干燥的气体进行吹除或用抽真空方式抽吸，降低水的分压，使吸附剂恢复部分活性，维持生产使用，但吸附性能难以恢复如初。如果受潮严重只有按照吸附剂活化处理办法重新活化。,五、吸附应用,膨胀床吸附纯化,：酵母细胞匀浆液,条件：柱,I.D.=10 mm,柱高=200,mm,表面流速=66-200,cm/h。,食品业：模拟移动床分离葡萄糖和果糖,污染物治理,废水、空气、,医药：尿激酶的制备,第二节 离子交换的基本原理,离子交换技术：,是根据某些溶质能解离为,阳离子或阴离子,的特性，利用离子交换剂与不同离子,结合力强弱,的差异，将溶质暂时,交换,到离子交换剂上，然后用合适的,洗脱或再生剂,将溶质离子交换下来，使溶质从原溶液中得到分离、浓缩或提纯的操作技术。,利用离子交换技术进行分离的关键,是离子交换剂。,最早用于制备软水和无盐水，药品生产用水多采用此法,蛋白质、核酸等物质的分离和提取,在抗生素的提取分离中,应 用,离子交换体系：,离子交换树脂,被分离的离子,洗脱液,离子交换树脂：,是一种具有多孔网状立体结构的多元酸或多元碱，能与溶液中其它物质进行交换或吸附的聚合物。,一、,离子交换体系,离子交换过程：离子交换剂中的活性离子（反离子）与溶液中的溶质离子进行交换反应的过程。,离子交换：,RA,+,+B,+,=RB,+,+A,+,洗脱：,RB,+,+C,+,=RC,+,+B,+,再生：,RC,+,+A,+,=RA,+,+C,+,二、离子交换平衡,三、离子交换的选择性,离子交换过程的选择性:,就是在稀溶液中某种树脂对不同离子交换亲和力的差异。离子与树脂活性基团的亲和力愈大，则愈容易被树脂吸附。,用离子交换常数（交换势或选择性系数）,表示,四、离子交换过程,和离子交换速率,因此离子交换过程实际上只有三个步骤：,外部扩散,内部扩散,离子交换反应,多步过程总速度取决于,最慢的一步反应,。,在生物产品中，分子通常较大，在树脂内部的扩散速度相对较慢，其离子交换速度常由,内部扩散速度所控制。,五、影响离子交换的因素,1、影响交换速度的因素,颗粒大小：愈小越快,交联度：交联度小，交换速度快,温度：越高越快,离子化合价：化合价与高，交换越慢,离子大小：越小越快,搅拌速度：在一定程度上，越大越快,溶液浓度：当交换速度为外扩散控制时，浓度越大，交换速度越快,被分离组分料液的性质：溶液粘度越大，交换速度越小,树脂被污染的情况：不可逆吸附、不溶性的物质堵塞，离子交换容量下降，交换速度会下降；,2、影响离子交换选择性的因素,水合离子半径：半径越小，亲和力越大；,离子化合价：高价离子易于被吸附；,溶液,pH：,影响交换基团和交换离子的解离程度，但不影响交换容量；,离子强度：越低越好；,有机溶剂：不利于吸附；,交联度、膨胀度、分子筛：交联度大，膨胀度小，筛分能力增大；交联度小，膨胀度大，吸附量减少；,有机溶剂：使树脂对有机离子的选择性吸附降低，而容易吸附无机离子。,树脂与粒子间的辅助力：除静电力以外，还有氢键和范德华力等辅助力；,定义,：,一种不溶于水及一般酸、碱和有机溶,剂的,有机高分子化合物,；化学稳定性,良好，且具有离子交换能力，其活性,基团一般是多元酸或多元碱。,第三节 离子交换树脂,离子交换树脂的构成,惰性不溶的、具有三维多孔网状立体结构的,网络骨架,联接在骨架上的,活性基团,活性基团所带的相反电荷的,活性离子,（可交换离子）,树脂的网络骨架,基本常识,离子交换树脂不溶于水和一般溶剂。,大多数制成颗粒状，也有一些制成纤维状,或粉状。,树脂颗粒的尺寸一般在,0.31.2,mm,范围,内，大部分在,0.40.6,mm,之间。,有较高的机械强度,(,坚牢性,),，化学性质,很稳定，正常情况下有较长的使用寿命。,一、分 类,树脂中化学活性基团的种类,决定,了树脂的主要性质和类别。,按活性基团的性质不同,分为,阳离子,树脂和,阴离子,树脂两类。,阳离子树脂又分为强酸性和弱酸性两类，,阴离子树脂又分为强碱性和弱碱性两类,(或再分出中强酸和中强碱性类)。,按树脂骨架的主要成分不同分为,苯乙烯系,树脂和,丙烯酸系,树脂，另有,多乙烯多胺-环氧氯丙烷型,树脂，,酚-醛型,树脂。,根据树脂物理结构分为,凝胶型、大孔型、均孔型。,根据制备树脂的聚合反应类型不同分为,共聚型,树脂和,缩聚型,树脂,。,二、命名,我国化工部规定,(,HG2-884-76)，,离子交换树脂,的型号由三位阿拉伯数字组成。,第一位数字代表产品的分类：,0,代表强酸性,1代表弱酸性,2代表强碱性,3代表弱碱性,4代表螯性,5代表两性,6代表氧化还原,图5-10 离子交换树脂型号表示示意图,第二位数字代表不同的骨架结构：,0,代表苯乙烯系,1,代表丙烯酸系,2,代表酚醛系,3,代表环氧系等,第三位数字为顺序号，用以区别基体、交联基等的差异。,“”,表示连接符；,“”,之后的数字*表示交联度，交联度是聚合载体骨架时交联剂用量的质量百分比,大孔型树脂在数字前加字母,D。,例,：,D001,是大孔强酸性苯乙烯系树脂,(),外观、尺寸,(),树脂的密度,(),树脂的溶解性,(),含水率,(5),膨胀度、,(6),稳定性,(7),机械强度,(8),交联度,(9),孔度、孔径、比表面积,(10),交换容量,三、离子交换树脂的理化性质,总交换容量：,表示每单位数量(重量或体积)树脂能进行离子交换反应的化学基团的总量。,工作交换容量,：表示树脂在某一定条件下的离子交换能力，它与树脂种类和总交换容量，以及具体工作条件如溶液的组成、流速、温度等因素有关。,再生交换容量,：表示在一定的再生剂量条件下所取得的再生树脂的交换容量,表明树脂中原有化学基团再生复原的程度。,交换容量,三种表示方式,),强酸性阳离子树脂,含有大量的强酸性基团,解离能力强，不受溶液,pH,变化的影响,树脂在使用一段时间后，要进行再生处理，,再生成氢型比较困难，故耗酸量较大，一般为该树脂交换容量的3,-5,倍。,这类树脂主要用于软水和无盐水的制备，,用强酸进行再生处理,四、离子交换树脂的功能特性,含弱酸性基团,这种树脂的酸性即离解性较弱，在低,pH,下难以离解和进行离子交换，只能在,碱性、中性或微酸性,溶液中(如,pH514),起作用。这类树脂亦是用酸进行再生(比强酸性树脂较,易再生,)。,2),弱酸性阳离子树脂,含有强碱性基团,这种树脂的正电基团能与溶液中的阴离子吸附结合，从而产生阴离子交换作用。,这种树脂的离解性很强,在不同,pH,下都能正常工作。,它用强碱(如,NaOH,),进行再生，耗碱量大。,这类树脂的氯型较羟型更稳定，耐热性更好，故商品大多数是氯型。,3),强碱性阴离子树脂,含有弱碱性基团,这种树脂的正电基团能与溶液中的阴离子吸附结合，从而产生阴离子交换作用。,这种树脂在多数情况下是将溶液中的整个其他酸分子吸附。,它只能在中性或酸性条件(如,pH1-9),下工作。它可用,Na,2,CO,3,、NH,4,OH,进行再生。,4),弱碱性阴离子树脂,（1）被分离物质的性质和分离要求,（2）树脂可交换离子的型式,（3）合适的交联度,（4）洗脱难易程度和使用寿命,五、离子交换树脂的选择,第四节 离子交换工艺,一、离子交换工艺过程,树脂预处理,装柱,加入料液进行离子交换,洗涤,加入洗脱剂洗脱,洗脱液,1、树脂预处理,物理处理,化学处理,转型 阳离子树脂 酸碱酸,阴离子树脂 碱酸碱,最后以去离子水或缓冲液平衡,常用的,阳离子,交换树脂有,氢型、钠型、铵型,等；常用的,阴离子,交换树脂有,羟型、氯型,等。,如：常将,强酸性阳离子树脂,与,NaCl,作用，转变为,钠型,树脂,再使用。,如,：,阴离子树脂可转变为氯型,再使用，工作时放出,Cl,离子而吸附交换其他阴离子，它的再生只需用食盐水溶液。,氯型树脂也可转变为碳酸氢型(,HCO,3,),运行。,强酸性树脂及强碱性树脂在转变为钠型和氯型后，就不再具有强酸性及强碱性，但它们仍然有这些树脂的其他 典型性能，如离解性强和工作的,pH,范围宽广等。,离子树脂的转型,一般，对,弱酸性,和,弱碱性,树脂，为使树脂能离子化，应采用,钠型或氯型,。,而对,强酸性,和,强碱性,树脂，可以采用,任何型式,。,但若抗生素在酸性、碱性条件下易破坏，则不宜采用氢型和羟型树脂。,一般采用湿法填充。,装柱时不允许有气泡及分层现象产生。,装柱后,，用水充分地逆冲洗涤，去微粒、尘埃、气泡，使树脂颗粒填充均匀；,停止逆洗，待树脂沉降后，放去洗涤水。需要时,用几倍于柱体积的缓冲液进行平衡以确保离子交换剂的缓冲状态,当采用干燥树脂直接填充时，应特别注意其膨胀性,2,、,装柱,3.,离子交换过程,正交换,是指料液自上而下流经树脂，这种交换方法有清晰的离子交换层，交换饱和度高，洗脱液质量好，但交换周期长，交换后树脂阻力大，影响交换速度,反交换,的料液是自下而上流经树脂层，树脂呈沸腾状，所以对交换设备要求比较高。,生产中应根据料液粘度及工艺条件选择，大多采用正交换法。为了保证分离效果，可采用多罐串联正交换法,操作时注意：树脂层之上应保持有液层，处理液的温度应在树脂允许的最高温度以下，树脂层中不能有气泡,3.洗脱过程,洗涤：,目的是将树脂上吸附的废液及夹带的大量色素和杂质除去。,适宜的洗涤剂应能使杂质从树脂上洗脱下来，还不应和有效组分发生化学反应。,目前生产中使用软水进行洗涤。常用的洗涤剂有软化水、无盐水、稀酸、稀碱、盐类溶液或其它络合剂等,。,3.洗脱过程,洗脱：,离子交换完成后，将树脂吸附的物质释放出来重新转入溶液的过程称作洗脱。,洗脱是用亲和力更强的同性离子取代树脂上吸附的目的产物。,（,a）,改变溶液,pH,值（酸、碱）（,b）,改变溶液离子强度（盐),洗脱剂应根据树脂和目的产物的性质来选择。,洗脱过程是交换的逆过程，洗脱条件应与交换条件相反，如吸附在酸性条件下进行，洗脱应在碱性条件下进行；洗脱流速应低于交换时的流速。注意洗脱过程,pH,对产物稳定性的影响。,洗脱方式分为静态洗脱和动态洗脱。,4.树脂再生,再生,：,让使用过的树脂重新获得使用性能的处理过程，包括除去其中的杂质和转型。,方式有：顺流再生和逆流再生,毒化树脂的逆转：树脂失去交换性能后不能用一般的再生手段重获交换能力的现象称为树脂的毒化。,二、离子交换操作方式,间歇式：也叫静态交换，多用在学术研究中；,固定床式操作：工业中最常用。,按操作方式可分为：单床式、多床式、复床式和混合床式。,“,流体式,”,或,“,流动床式,”,：应用较少,图,5-12,各种固定床方式示意图,三、,离子交换工艺问题及处理,树脂中毒,中毒的原因：主要有大分子有机物或沉淀物严重堵塞孔隙，中毒树脂往往颜色加深，甚至呈现棕色，乃至黑色；树脂的活性基团脱落；生成不可逆化合物或树脂与氧长期接触发生氧化等；负载离子的交换势极高，通常的洗脱剂或再生剂难以使其从活性基团上交换下来，使其不能与其它离子交换而失效；负载离子发生了变化。如交换了,Fe3+,的树脂，当用碱性溶液处理时，,Fe3+,发生水解，产生氢氧化铁凝胶，沉积于树脂孔隙中，造成堵塞。,对于中毒树脂的处理：一方面应该尽量净化料液；用常规方法处理后，再用酸、碱加热到,40,50,浸泡；有机溶剂加热浸泡处理；对于吸附了有机物很难洗脱或再生时，可以用氧化剂（如次氯酸钠、双氧水等）将其氧化。,三、,离子交换工艺问题及处理,2.,树脂层出现分层现象,树脂在使用过程中由于吸附了粘性物质，使树脂颗粒间相互粘连,容易引起树脂在反洗或反交换过程中出现分层现象。另外，当系统在操作中由于气密性较差，有气体进入床层也会引起床层分层。反洗或反交换等操作，工艺控制不合理，流速的突然增大也会造成分层现象。,避免分层：对树脂进行彻底洗涤；对系统进行密闭性实验，消除漏气区域；对料液进行预处理除去粘性很大的物质；规范操作，合理控制流速等几种方法可避免分层现象,出现分层现象后，可从容器下部放掉柱内液体，对床层进行正洗，反洗等操作，当床层稳定后再转入正常的交换操作。,3,固定床操作中，过早出现,“,穿透,”,现象,第五节、离子交换技术的工业应用,一、水处理,1.水的类型 主要有软化水和无盐水（去离子水）；,去除水中,Ca,2+,、Mg,2+,等阳离子的水称为软水；,不含任何盐类及可溶性阴离子和阳离子的水称为无盐水。水的硬度通常用度,（,H,0,）,表示，1度是指每升水中含有相当于10,mgCaO,的硬度。,2.软水制备 软水的硬度一般要求在1,H,0,以下。国内制备软水一般采用0017树脂,3.,无盐水制备：制备无盐水多采用氢型强酸阳离子树脂和羟型强碱或弱碱阴离子树脂,纯化水的制备,图,5-13,离子交换法制备纯化水,1、离子型抗生素类药物的分离纯化,如链霉素、红霉素等为碱性药物，在中性或弱酸性条件下以阳离子形式存在，故宜用弱酸性阳离子交换树脂提取。,离子交换法分离纯化链霉素的工艺流程如下：,发酵液,滤液,预处理和过滤,冷却至15以下,NaOH,调,pH,之中性,饱和树脂,二次离子交换,一次洗脱液,一次洗脱,二次洗脱液,饱和树脂,一次离子交换,二次洗脱,精制中和,精制液,二、药物的分离纯化,离子交换技术是分离精制动物生化药物的主要工业手段之一，如细胞色素,C,溶菌酶、尿激酶等的精制都采用弱酸性阳离子交换树脂，肝素、硫酸软骨素等常用大孔型强碱性阴离子交换树脂进行分离精制，蛋白质的分离常用离子交换纤维素进行分离。,2、生化药物的分离纯化,3.天然药物的分离纯化,如生物碱在中性或酸性条件下以正离子形式存在，能用阳离子交换树脂进行分离。如提取洋金花中的莨菪碱,4.药物的脱盐、脱色和盐型转换,用淀粉水解生产葡萄糖注射液过程中，采用强酸和弱碱性树脂组成的复床进行脱盐，使产品质量提高，成本降低。离子交换技术的发展，改变了传统的活性炭脱色工艺，脱色效率和劳动条件得到改善。,盐型转换的典型实例是用强酸性钠型阳离子交换树脂将青霉素钾盐转换为青霉素钠盐，转化收率可达85%以上。其交换反应如下：,R-SO3Na+,PenG,-K R-SO3K+,PenG,-Na,青霉素钾盐,溶解液,溶解,转化液,转化,青霉素钠无菌转化液,无菌过滤,第六节 离子交换技术的发展,新型离子交换树脂的开发及应用,大网格离子交换树脂,适用于分离纯化蛋白质的离子交换剂,离子交换技术与其他分离技术的结合,离子交换膜和电渗析,离子交换层析,