生物分离工程吸附和离子交换省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第六章吸附分离技术和理第六章吸附分离技术和理论论第1页概述概述吸附现象吸附现象当气体或液体与一些固体接触时，气体或液体分当气体或液体与一些固体接触时，气体或液体分子会子会积聚在固体表面积聚在固体表面上，这种现象称之为吸附上，这种现象称之为吸附流体分子富集在固体表面，流体分子富集在固体表面，形成一吸附层形成一吸附层(或称吸附膜或称吸附膜)，而没有向固体内部渗透，而没有向固体内部渗透第2页利用固体利用固体吸附剂吸附剂对液体或气体中某一组分含有对液体或气体中某一组分含有选择性选择性吸附能力吸附能力，使其富集在吸附剂表面，使其富集在吸附剂表面,以除去有害成份以除去有害成份或分离回收有用目标产物过程。或分离回收有用目标产物过程。吸附操作吸附操作表面能发生吸附作用固表面能发生吸附作用固体，普通为多孔微粒或体，普通为多孔微粒或多孔膜，含有较大比表多孔膜，含有较大比表面积，也称面积，也称吸附介质吸附介质吸附是一个固体表面现象吸附是一个固体表面现象，只有那些含有较大内表面多只有那些含有较大内表面多孔性固体才含有吸附能力孔性固体才含有吸附能力第3页概述概述物理吸附物理吸附化学吸附化学吸附离子交换吸附离子交换吸附吸附剂对溶质吸附剂对溶质吸附作用力吸附作用力吸附类型吸附类型吸附剂和吸附物经过吸附剂和吸附物经过分子力分子力产生吸附产生吸附吸附剂表面活性点与吸附物之间发生吸附剂表面活性点与吸附物之间发生化化学键合学键合,产生产生电子转移电子转移现象现象离子交换剂表面键合离子基团经过离子交换剂表面键合离子基团经过静电静电引力引力吸附带相反电荷离子吸附带相反电荷离子,发生电荷转发生电荷转移移第4页常见各种吸附类型主要特点常见各种吸附类型主要特点概述概述又又称称范范德德华华吸吸附附，是是一一个个可逆可逆过程过程。活化吸附，活化吸附，不可逆不可逆第5页l物理吸附物理吸附吸附量多少取决于溶质与吸附剂极性相同性和溶剂极吸附量多少取决于溶质与吸附剂极性相同性和溶剂极性。性。l离子交换吸附（简称离子交换，离子交换吸附（简称离子交换，Ion exchangeIon exchange）基于基于离子交换原理离子交换原理吸附操作吸附操作概述概述分离工程中吸附操作分离工程中吸附操作第6页经过溶液中经过溶液中带电溶质分子与离子交换剂带电溶质分子与离子交换剂中可交换中可交换离子进行离子进行交换交换，利用其，利用其静电作用力差异静电作用力差异而到达分而到达分离纯化方法。离纯化方法。概述概述离子交换法基本概念离子交换法基本概念离子交换特点离子交换特点分辨率高、工作容量大且易于操作分辨率高、工作容量大且易于操作第7页原料液原料液脱色、除臭脱色、除臭目标产物目标产物提取、浓缩和粗分离提取、浓缩和粗分离如蛋白质、多肽、核酸及大部分发酵产物分如蛋白质、多肽、核酸及大部分发酵产物分离纯化，在生化分离中离纯化，在生化分离中约有约有75%75%工艺采取离工艺采取离子交换法子交换法概述吸附分离技术在生物分离中应用吸附分离技术在生物分离中应用第8页惯惯用用于于从从稀稀溶溶液液中中将将溶溶质质分分离离出出来来，因因为为受受固固体体吸吸附剂限制，处理能力较小；附剂限制，处理能力较小；对溶质作用较小，这一点在对溶质作用较小，这一点在蛋白质分离蛋白质分离中尤其主要；中尤其主要；可可直直接接从从发发酵酵液液中中分分离离所所需需产产物物，成成为为发发酵酵与与分分离离耦合耦合过程，从而消除产物抑制过程，从而消除产物抑制；吸附法特点：吸附法特点：概述概述第9页优点优点：有机溶剂掺入少有机溶剂掺入少 操作简便，安全，设备简单操作简便，安全，设备简单 适于稳定性差物质适于稳定性差物质缺点缺点：吸附选择性差吸附选择性差 收率低收率低 无机吸附剂性能不稳定无机吸附剂性能不稳定吸附法特点：吸附法特点：概述概述第10页第一节吸附分离介质第一节吸附分离介质多孔型多孔型凝胶型凝胶型孔道结构孔道结构吸附剂吸附剂吸附剂分类吸附剂分类一、吸附剂一、吸附剂第11页多孔吸附剂多孔吸附剂 活性炭活性炭 硅胶硅胶 大网格聚合物类吸附剂大网格聚合物类吸附剂第12页l特点特点：非极性吸附剂，吸附能力强，易吸附非极性或：非极性吸附剂，吸附能力强，易吸附非极性或极性小有机物，在水中吸附能力大于有机溶剂极性小有机物，在水中吸附能力大于有机溶剂l形式形式：粉末活性炭和颗粒活性炭：粉末活性炭和颗粒活性炭l应用应用：助滤、：助滤、脱色、去热源、除臭脱色、去热源、除臭活性炭种类活性炭种类颗粒大小颗粒大小表面积表面积吸附力吸附力吸附量吸附量洗脱洗脱粉末活性炭粉末活性炭小小大大大大大大难难颗粒活性炭颗粒活性炭较小较小较大较大较小较小较小较小难难 活性炭经典吸附剂活性炭经典吸附剂第13页活性炭对物质吸附规律活性炭对物质吸附规律（1)1)活性炭对不一样吸附物吸附力大小情况：活性炭对不一样吸附物吸附力大小情况：碳链长脂肪酸碳链长脂肪酸 碳链短脂肪酸碳链短脂肪酸;多糖多糖 单糖单糖;多肽多肽 氨基酸氨基酸;芳香族化合物芳香族化合物 脂肪族化合物脂肪族化合物 对相对分子量大化合物对相对分子量大化合物 相对分子量小化合物相对分子量小化合物（2 2）pH pH 值影响值影响 在酸性溶液中吸附能力大在酸性溶液中吸附能力大,PH6.8,PH6.8 吸附能吸附能力较差力较差 （3 3）温度）温度 低温吸附时低温吸附时,未达吸附平衡前未达吸附平衡前 吸附量随温度升高而增加吸附量随温度升高而增加第14页l含有多孔网状结构含有多孔网状结构,极性吸附剂极性吸附剂，可吸附非极，可吸附非极性和极性化合物性和极性化合物 l化学惰性，含有较大吸附量，化学惰性，含有较大吸附量，易制备不一样类易制备不一样类型多孔硅胶型多孔硅胶l活性与含水量相关活性与含水量相关:含水量低，活性强；反之，含水量低，活性强；反之，弱；使用前需活化弱；使用前需活化l含有微酸性，适合用于分离酸性和中性物质含有微酸性，适合用于分离酸性和中性物质,用用于芳香油于芳香油,萜类萜类,脂肪类脂肪类,氨基酸等分离氨基酸等分离 硅胶硅胶第15页l种类：种类：多孔性聚苯乙烯多孔性聚苯乙烯和和多孔性聚酯多孔性聚酯树脂树脂l特点：机械强度高，选择性好，使用寿命长，吸附质特点：机械强度高，选择性好，使用寿命长，吸附质易脱附，流体阻力小，解析、再生轻易易脱附，流体阻力小，解析、再生轻易l应用应用:抗生素抗生素(如头孢菌素等如头孢菌素等)和维生素和维生素B B1212等分离浓缩等分离浓缩过程。过程。大网格聚合物类吸附剂大网格聚合物类吸附剂（大孔网状吸附树脂）（大孔网状吸附树脂）第16页硅藻土颗粒吸附剂硅藻土颗粒吸附剂氧化铝氧化铝硅藻土矿硅藻土矿第17页大孔网状吸附树脂分类大孔网状吸附树脂分类非极性吸附树脂非极性吸附树脂：苯乙烯交联而成，交联剂为二：苯乙烯交联而成，交联剂为二乙烯苯，又称乙烯苯，又称芳香族吸附剂芳香族吸附剂。中等极性吸附树脂中等极性吸附树脂：甲基丙烯酸酯交联而成，交：甲基丙烯酸酯交联而成，交联剂亦为甲基丙烯酸酯，故又称联剂亦为甲基丙烯酸酯，故又称脂肪族吸附剂。脂肪族吸附剂。极性吸附树脂极性吸附树脂：丙烯酰胺或亚砜经聚合而成，通：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。常含有硫氧、酰胺、氮氧等基团。第18页第19页第20页第21页（1 1）非极性吸附剂从极性溶剂中吸附非极性物质非极性吸附剂从极性溶剂中吸附非极性物质（2 2）高极性吸附剂从非极性溶剂中吸附极性物质高极性吸附剂从非极性溶剂中吸附极性物质（3 3）中等极性吸附剂对两种情况都有吸附能力中等极性吸附剂对两种情况都有吸附能力（4 4）水溶液中，同族化合物分子量大，极性弱易吸附水溶液中，同族化合物分子量大，极性弱易吸附（5 5）无机盐促进吸附无机盐促进吸附大孔吸附树脂吸附规律大孔吸附树脂吸附规律第22页大孔吸附树脂解吸规律大孔吸附树脂解吸规律（1)1)低级醇，酮或其水溶液（低级醇，酮或其水溶液（a a 溶胀聚合物，溶胀聚合物，b b 溶解吸附溶解吸附物，减弱溶质与吸附剂间作用力）物，减弱溶质与吸附剂间作用力）（2 2）弱酸性物质用碱解吸（成盐）弱酸性物质用碱解吸（成盐）（3 3）弱碱性物用酸解吸（成盐）弱碱性物用酸解吸（成盐）（4 4）高盐吸附时用水解吸（降低离子强度，降低吸附量）高盐吸附时用水解吸（降低离子强度，降低吸附量）（5 5）易挥发溶质用热水或蒸汽解吸）易挥发溶质用热水或蒸汽解吸第23页大孔吸附树脂应用大孔吸附树脂应用抗生素分离纯化（再生轻易、产品灰分少）抗生素分离纯化（再生轻易、产品灰分少）内酰胺类、大环内酯类、氨基糖贰类、肽类、内酰胺类、大环内酯类、氨基糖贰类、肽类、博莱霉素类、含氮杂环类及其它新抗生素博莱霉素类、含氮杂环类及其它新抗生素维生素提取纯化维生素提取纯化 VB VB1212，VBVB2 2，VC VC 天然产物分离天然产物分离 生物碱，黄酮，多糖，苷类生物碱，黄酮，多糖，苷类 生化药品生化药品 酶、氨基酸、蛋白质、肽，甾体酶、氨基酸、蛋白质、肽，甾体第24页l多孔性纤维素、琼脂糖凝胶、葡聚糖凝多孔性纤维素、琼脂糖凝胶、葡聚糖凝胶、聚丙烯酰胺凝胶胶、聚丙烯酰胺凝胶 （详见（详见 chapter chapter 7)7)凝胶型吸附剂凝胶型吸附剂第25页（）孔径（）孔径适当孔径有利于溶质在孔隙中扩散，提升吸附容适当孔径有利于溶质在孔隙中扩散，提升吸附容量和吸附操作速度量和吸附操作速度（）比表面积（）比表面积：每克吸附剂所含有表面积：每克吸附剂所含有表面积孔径越大，比表面积越小。孔径越大，比表面积越小。比表面积越大，吸附量越大，反之，越小。比表面积越大，吸附量越大，反之，越小。增加比表面积方法：增加比表面积方法：a.a.粉碎成小颗粒粉碎成小颗粒 b.b.吸附剂吸附剂活化活化 吸附剂性能评价吸附剂性能评价第26页l对被分离物质含有较强吸附能力对被分离物质含有较强吸附能力l有较高吸附选择性有较高吸附选择性l机械强度高机械强度高l再生轻易、性能稳定再生轻易、性能稳定l价格低廉。价格低廉。优良吸附剂通常应具备以下特征优良吸附剂通常应具备以下特征第27页影响吸附过程原因影响吸附过程原因（1 1）吸附剂特征）吸附剂特征（比表面积、粒度、极性大小、活化条件）（比表面积、粒度、极性大小、活化条件）（2 2）吸附物性质）吸附物性质（极性大小、分子量）（极性大小、分子量）（3 3）吸附条件）吸附条件 pHpH（对蛋白等两性物质在（对蛋白等两性物质在PIPI附近吸附量最大）附近吸附量最大）温度（对蛋白分子，普通认为温度（对蛋白分子，普通认为TT吸附量吸附量，考虑到稳定，考虑到稳定性性,通常在通常在0or0or室温操作）室温操作）盐浓度（影响复杂，阻止盐浓度（影响复杂，阻止oror促进吸附）促进吸附）（4 4）吸附物浓度与吸附剂用量）吸附物浓度与吸附剂用量（吸附物浓度（吸附物浓度，吸附量，吸附量，吸附法纯化蛋白时，要求浓度，吸附法纯化蛋白时，要求浓度1%,(吸吸附剂最小流化速附剂最小流化速率率)流入时，吸流入时，吸附剂床层膨胀，附剂床层膨胀，调整器上升调整器上升第65页膨胀床吸附操作优点膨胀床吸附操作优点 与流化床相比与流化床相比,液固相液固相反混程度较低反混程度较低,吸附效率吸附效率较高较高与固定床相比与固定床相比,床层空隙率高床层空隙率高,可使菌体细胞或可使菌体细胞或细胞碎片自由经过细胞碎片自由经过.可直接处理菌体发酵液或细可直接处理菌体发酵液或细胞匀浆液胞匀浆液.膨胀床吸附操作集膨胀床吸附操作集料液澄清料液澄清，目标产物浓缩目标产物浓缩和和分离分离纯化纯化为一体为一体，可节约离心或过滤等预处理过程，提，可节约离心或过滤等预处理过程，提升目标产物收率，降低分离纯化过程成本升目标产物收率，降低分离纯化过程成本。第66页定义：吸附操作中定义：吸附操作中固相可连续固相可连续输入和排出吸附塔输入和排出吸附塔，与料液形，与料液形成逆流接触流动，可实现成逆流接触流动，可实现连续连续稳态吸附操作稳态吸附操作。缺点：吸附剂磨损缺点：吸附剂磨损;固相出口易固相出口易堵塞，固相移动操作有一定难堵塞，固相移动操作有一定难度度 第七节第七节 移动床和模拟移动床吸附移动床和模拟移动床吸附1.1.移动床移动床(moving bed)(moving bed)第67页2.模拟移动床（模拟移动床（simulated moving bed,SMB）固相本身不移动而经过移动固相本身不移动而经过移动切换液相（料液和洗脱液）切换液相（料液和洗脱液）入口和出口入口和出口产生移动床分离产生移动床分离效果，使效果，使液固逆流接触液固逆流接触吸附吸附分离方法称为模拟移动床吸分离方法称为模拟移动床吸附附基于模拟移基于模拟移动床原理动床原理第68页料液从床料液从床层中部连层中部连续输入续输入固相自下向固相自下向上移动上移动吸附质连吸附质连续排出续排出非吸附质连续非吸附质连续排出排出吸附质洗脱回收吸附质洗脱回收和吸附剂再生段和吸附剂再生段由由1212个固个固定床组成定床组成模拟移动模拟移动床床某一时刻某一时刻操作状态操作状态b1b1以后以后操作状操作状态态从从b1b1到到b2b2液相入口和出口液相入口和出口分别向下移动一个床位分别向下移动一个床位,相当于液相入相当于液相入 出口不变出口不变,而固相向上移动一个床位而固相向上移动一个床位,形成液固逆流接触操作形成液固逆流接触操作第69页第70页