生物分离工程吸附分离优秀课件
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生物分离工程PPT课件
如果 1 ，则目标产物未得到任何程度
的分离纯化。
无论是以浓缩还是以分离为目的操作过程， 目标产物均应以较大的比例回收：
R FPCTP 100% FcCTC
生物分离操作多为间歇过程（分批操作）， 若原料液和产品溶液的体积分别为VC和VP 则回收率为
RVPCTP 100% VcCTC
分离效率的评价
• 浓缩程度 • 分离纯化程度 1. 回收率
上图表示一个连续稳态的分离过程，其中F表示流 速，c表示浓度；下标T和X分别表示目标产物和杂 质，C、P和W分别表示原料、产品和废料。
浓缩程度一般用浓缩率(concentration factor)表达， 是一个以浓缩为目的的分离过程的最重要指标。
•机械分离
分离操作
•传质分离。 传质分离的对象主要是均相物系，又分输送分离扩散分离。 输送分离根据溶质在外力作用下产生的移动速度的差异实 现分离，又称速度分离法，其传质推动力主要有压力差、 电位梯度和磁场梯度等，如超滤、反渗透、电渗析、电泳 和磁泳等。扩散分离根据溶质在两相中分配平衡状态的差 异实现分离，又称平衡分离法，传质推动力为偏离平衡态 的浓度差，如蒸馏、蒸发、吸收、萃取、结晶、吸附和离 子交换等。
• 物理性质 力学性质：重力、离心力、筛分； 热力学性质：状态变化、相平衡； 传质性质：粘度、扩散、热扩散； 电磁性质：电泳、电渗析、磁化。
• 化学性质 化学热力学：化学平衡； 反应动力学：反应速率； 光化学性质：激光激发、离子化。
• 生物学性质 分子识别：生物亲和作用、生物学识别； 输送性质：生物膜输送， 反应、响应、控制：酶反应、免疫系统。
为了得到一定纯度的生物产品， 下游加工过程需要采用多种方法、实行多步 分离操作，整个下游加工过程的总回收率为
的分离纯化。
无论是以浓缩还是以分离为目的操作过程， 目标产物均应以较大的比例回收：
R FPCTP 100% FcCTC
生物分离操作多为间歇过程（分批操作）， 若原料液和产品溶液的体积分别为VC和VP 则回收率为
RVPCTP 100% VcCTC
分离效率的评价
• 浓缩程度 • 分离纯化程度 1. 回收率
上图表示一个连续稳态的分离过程，其中F表示流 速，c表示浓度；下标T和X分别表示目标产物和杂 质，C、P和W分别表示原料、产品和废料。
浓缩程度一般用浓缩率(concentration factor)表达， 是一个以浓缩为目的的分离过程的最重要指标。
•机械分离
分离操作
•传质分离。 传质分离的对象主要是均相物系，又分输送分离扩散分离。 输送分离根据溶质在外力作用下产生的移动速度的差异实 现分离，又称速度分离法，其传质推动力主要有压力差、 电位梯度和磁场梯度等，如超滤、反渗透、电渗析、电泳 和磁泳等。扩散分离根据溶质在两相中分配平衡状态的差 异实现分离，又称平衡分离法，传质推动力为偏离平衡态 的浓度差，如蒸馏、蒸发、吸收、萃取、结晶、吸附和离 子交换等。
• 物理性质 力学性质：重力、离心力、筛分； 热力学性质：状态变化、相平衡； 传质性质：粘度、扩散、热扩散； 电磁性质：电泳、电渗析、磁化。
• 化学性质 化学热力学：化学平衡； 反应动力学：反应速率； 光化学性质：激光激发、离子化。
• 生物学性质 分子识别：生物亲和作用、生物学识别； 输送性质：生物膜输送， 反应、响应、控制：酶反应、免疫系统。
为了得到一定纯度的生物产品， 下游加工过程需要采用多种方法、实行多步 分离操作，整个下游加工过程的总回收率为
生物分离工程ppt课件
（分离过程精细，成本高）
Table 3 typical products from fermentation
products Antibiotics Amino acids
Ethanol Organic acids
Enzymes r-DNA protein
in
Concentration g/l 25 100 100 100 20 10
（生物技术的目标就是指利用培养微生物、动物细胞、植 物细胞来生产对人有用的产品。）
By this definition, biotechnology is as old as history, for the earliest known document (4228BC) includes a description of brewing .Bread ; cheese, and yogurt are other early examples of product which depend on biotechnology.
For example: 6steps 90% 53%
Biological products require high quality 生物产品要求高质量：
*purity（纯度） *sanitation（卫生） *biological activity（生物活性）
The recovery plant usually represents a major investment and, consequently the separations cost a substantial fraction of the total cost of the final product.
Table 3 typical products from fermentation
products Antibiotics Amino acids
Ethanol Organic acids
Enzymes r-DNA protein
in
Concentration g/l 25 100 100 100 20 10
（生物技术的目标就是指利用培养微生物、动物细胞、植 物细胞来生产对人有用的产品。）
By this definition, biotechnology is as old as history, for the earliest known document (4228BC) includes a description of brewing .Bread ; cheese, and yogurt are other early examples of product which depend on biotechnology.
For example: 6steps 90% 53%
Biological products require high quality 生物产品要求高质量：
*purity（纯度） *sanitation（卫生） *biological activity（生物活性）
The recovery plant usually represents a major investment and, consequently the separations cost a substantial fraction of the total cost of the final product.
吸附法-生物分离工程
气体过滤 水处理 脱色、除臭 目标产物的分离
二 吸附过程的理论基础
固体内部分子所受分子间的作用力是对称的，而固体表 面分子所受力是不对称的。向内的一面受内部分子的作 用力较大，而表面向外一面所受的作用力较小， 因而当气体分子或溶液中溶质分子在运动过程中碰到固 体表面时就会被吸引而停留在固体表面上。
区别：
介质不同：
离交法－离交树脂，骨架上接有离子交换基团，利用表面层 和孔隙中离子基团起作用； 吸附法－吸附树脂，无离交基团（称白球），利用外表面和 孔隙内表面分子起作用。
机理不同：
离交法－离子间静电引力吸附，要求树脂和物质的电离度α↑ 吸附法－分子间范德华引力吸附，要求物质的电离度α↓
大网格吸附树脂
吸附法概述
树脂的网络骨架
吸附法概述
树脂的网络骨架
吸附法概述
吸 附 法特点
（1） 不用或少用有机溶剂 （2） 操作简便、安全、设备简单 （3） 生产过程pH 变化小 （4） 从稀溶液分离溶质 （5） 吸附剂对溶质的作用小 （6） 吸附平衡为非线性 （7）选择性较差
吸附法概述
吸附法的应用
吸附法概述
吸附法的发展
吸附法在各种层析技术中应用最早， • 如一战期间发展起来的活性炭吸附， • 后来使用的凝胶型离子交换树脂、分子筛 和纤维素等 • 近些年发展的大网格吸附剂
吸附法概述
常用的吸附剂
大网格聚合物吸附剂： 活性碳：助滤，脱色，去热原 使用:偏酸性(pH 5-7),加热(50-60℃) 搅拌30min 活性白土：脱组胺类过敏物，脱色。 硅藻土：助滤，澄清
中等极性（脂肪族）吸附剂
XAD-7 烯酸酯甲 58.2 基丙 1.144 450 9.0 1.251 1.05 1.8
二 吸附过程的理论基础
固体内部分子所受分子间的作用力是对称的，而固体表 面分子所受力是不对称的。向内的一面受内部分子的作 用力较大，而表面向外一面所受的作用力较小， 因而当气体分子或溶液中溶质分子在运动过程中碰到固 体表面时就会被吸引而停留在固体表面上。
区别：
介质不同：
离交法－离交树脂，骨架上接有离子交换基团，利用表面层 和孔隙中离子基团起作用； 吸附法－吸附树脂，无离交基团（称白球），利用外表面和 孔隙内表面分子起作用。
机理不同：
离交法－离子间静电引力吸附，要求树脂和物质的电离度α↑ 吸附法－分子间范德华引力吸附，要求物质的电离度α↓
大网格吸附树脂
吸附法概述
树脂的网络骨架
吸附法概述
树脂的网络骨架
吸附法概述
吸 附 法特点
（1） 不用或少用有机溶剂 （2） 操作简便、安全、设备简单 （3） 生产过程pH 变化小 （4） 从稀溶液分离溶质 （5） 吸附剂对溶质的作用小 （6） 吸附平衡为非线性 （7）选择性较差
吸附法概述
吸附法的应用
吸附法概述
吸附法的发展
吸附法在各种层析技术中应用最早， • 如一战期间发展起来的活性炭吸附， • 后来使用的凝胶型离子交换树脂、分子筛 和纤维素等 • 近些年发展的大网格吸附剂
吸附法概述
常用的吸附剂
大网格聚合物吸附剂： 活性碳：助滤，脱色，去热原 使用:偏酸性(pH 5-7),加热(50-60℃) 搅拌30min 活性白土：脱组胺类过敏物，脱色。 硅藻土：助滤，澄清
中等极性（脂肪族）吸附剂
XAD-7 烯酸酯甲 58.2 基丙 1.144 450 9.0 1.251 1.05 1.8
生物分离工程公开课一等奖优质课大赛微课获奖课件
胶束和反胶束形成都是表面活性剂分子自汇集结果, 是热力学稳定系统。
第6页
胶团和反胶团形状
micelles
Reverse micelles
表面活性剂分子汇集使反胶团内形成极性核(polar core), 因此有机溶剂中反胶 团可溶解水。反胶束内溶解水通常称为微水相或“水池”(water pool)
第7页
子提供易于生存亲水微环境. 因此,反胶团萃取可用于氨基酸、肽和蛋白
质等生物分子分离纯化, 尤其是蛋白质类生物大分子。
蛋白质溶解模型:
a、水壳模型: 蛋白质位于水池中心，
周围存在水层将其与反胶团壁隔开；
b、半岛模型: 蛋白分子表面存在强
烈疏水区，该区直接与有机相接触；
c、蛋白吸附于反胶团内壁；
d、蛋白疏水区与几种反胶团S疏水
Diameter of “Water Pool”
反胶束大小与溶剂和S种类与浓度、温度、离子强 度等原因相关, 普通为5-20nm
反胶束不是刚性球体, 而是热力学稳定汇集体； 在有机相中反胶束以非常高速度生成和破灭, 不断地 互换其构成份子（表面活性剂和水）, 速率常数约 106~107m3/kmol·s
临界胶束浓度(critical micelle concentration,CMC): 表面活性剂在水溶 剂中形成胶束最低浓度
第5页
有机溶剂中反胶团
反胶团（reversed micelle）
Cross section
反胶团(reverse micelles): 若向有机溶剂（油）中加入油溶性表面活性剂, 当 [S]超出一定值时, S在有机溶剂中也会形成胶团。通常将S在有机溶剂中形成 胶团称为反胶团, 也称反胶束或反微团
AOT在异辛烷中形成反胶团直径:
第6页
胶团和反胶团形状
micelles
Reverse micelles
表面活性剂分子汇集使反胶团内形成极性核(polar core), 因此有机溶剂中反胶 团可溶解水。反胶束内溶解水通常称为微水相或“水池”(water pool)
第7页
子提供易于生存亲水微环境. 因此,反胶团萃取可用于氨基酸、肽和蛋白
质等生物分子分离纯化, 尤其是蛋白质类生物大分子。
蛋白质溶解模型:
a、水壳模型: 蛋白质位于水池中心，
周围存在水层将其与反胶团壁隔开；
b、半岛模型: 蛋白分子表面存在强
烈疏水区，该区直接与有机相接触；
c、蛋白吸附于反胶团内壁；
d、蛋白疏水区与几种反胶团S疏水
Diameter of “Water Pool”
反胶束大小与溶剂和S种类与浓度、温度、离子强 度等原因相关, 普通为5-20nm
反胶束不是刚性球体, 而是热力学稳定汇集体； 在有机相中反胶束以非常高速度生成和破灭, 不断地 互换其构成份子（表面活性剂和水）, 速率常数约 106~107m3/kmol·s
临界胶束浓度(critical micelle concentration,CMC): 表面活性剂在水溶 剂中形成胶束最低浓度
第5页
有机溶剂中反胶团
反胶团（reversed micelle）
Cross section
反胶团(reverse micelles): 若向有机溶剂（油）中加入油溶性表面活性剂, 当 [S]超出一定值时, S在有机溶剂中也会形成胶团。通常将S在有机溶剂中形成 胶团称为反胶团, 也称反胶束或反微团
AOT在异辛烷中形成反胶团直径:
生物分离-4吸附法PPT课件
沸石吸附）吸附物（水0.2%NaCl洗涤） 吸附物（25%硫酸铵洗脱）洗脱液
-
21
磷酸钙凝胶
1）组成结构： 多孔网状结构凝胶
2）种类：制法不同磷酸钙— Ca3（PO4）2 ；磷酸氢钙 —
CaHPO4 . 2H2O；羟基磷灰石—Ca5（PO4）3 .OH
3）吸附性质：凝胶骨架中Ca2+与蛋白质负电荷基团 的静电吸附作用
-
27
• 氢氧化铝凝胶
Al2O3·3H2O 铝盐与氨水生成 可后制备
吸附力与“陈化”程度有关 刚生成吸附力弱 常用吸附抗原
-
28
• 滑石粉
Mg3H2(SiO3)4 吸附力弱；可吸附多糖；可作为助滤剂
• 皂土
铝、镁的硅酸盐 膨润土 表面负电，结合金属离子、肽、碱性蛋白 核酸酶抑制剂
-
29
• 聚酰胺粉
-
34
吸附等温线
概念：当温度一定时，吸附量与浓度之间的 函数关系称为吸附等温线。
1. 兰缪尔（Langnuir）吸附等温线
1）二个假设： • 吸附活性中心间各自独立 • 每一个吸附活性中心只吸附一个分子
-
35
2）推导 ：
吸附速度=K1（m∞ － m)C ,解吸速度=K2 m 当达到平衡时， K1（ m∞ －m)C =K2m m-溶质/ g吸附剂 C-溶液浓度 b=K1/K2 m∞ b C m = ———— 1&吸附剂——芳香族（苯乙烯等） • 中等极性吸附剂——脂肪族（甲基丙烯酸酯
等）
• 极性吸附剂——含硫氧、酰氨、氮氧等基团
-
32
空隙度- % 孔容-空隙体积/g树脂 骨架密度-g/ml骨架 湿真密度-空隙充满水时的密度
-
33
-
21
磷酸钙凝胶
1）组成结构： 多孔网状结构凝胶
2）种类：制法不同磷酸钙— Ca3（PO4）2 ；磷酸氢钙 —
CaHPO4 . 2H2O；羟基磷灰石—Ca5（PO4）3 .OH
3）吸附性质：凝胶骨架中Ca2+与蛋白质负电荷基团 的静电吸附作用
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27
• 氢氧化铝凝胶
Al2O3·3H2O 铝盐与氨水生成 可后制备
吸附力与“陈化”程度有关 刚生成吸附力弱 常用吸附抗原
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28
• 滑石粉
Mg3H2(SiO3)4 吸附力弱；可吸附多糖；可作为助滤剂
• 皂土
铝、镁的硅酸盐 膨润土 表面负电，结合金属离子、肽、碱性蛋白 核酸酶抑制剂
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29
• 聚酰胺粉
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34
吸附等温线
概念：当温度一定时，吸附量与浓度之间的 函数关系称为吸附等温线。
1. 兰缪尔（Langnuir）吸附等温线
1）二个假设： • 吸附活性中心间各自独立 • 每一个吸附活性中心只吸附一个分子
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35
2）推导 ：
吸附速度=K1（m∞ － m)C ,解吸速度=K2 m 当达到平衡时， K1（ m∞ －m)C =K2m m-溶质/ g吸附剂 C-溶液浓度 b=K1/K2 m∞ b C m = ———— 1&吸附剂——芳香族（苯乙烯等） • 中等极性吸附剂——脂肪族（甲基丙烯酸酯
等）
• 极性吸附剂——含硫氧、酰氨、氮氧等基团
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空隙度- % 孔容-空隙体积/g树脂 骨架密度-g/ml骨架 湿真密度-空隙充满水时的密度
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生物分离工程第五章吸附分离及离子交换
生产特征
产物特性
悬浮聚合
组分：
单体、 引发剂（使单体变自由基具有反应活性）、 水、 分散剂(dispersant)。
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。
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。
（二）活性炭的吸附机理
(1)物理吸附说 活性炭晶体是由诸多晶面组成的，晶面上碳原 子呈六方形格子排列，每个碳原子以共价键与相邻 的三个碳原子相键合，晶格中形成空穴或空隙，处 于晶体边缘这些空穴或空隙将出现未饱和键，具有 吸附活性。空隙度愈高表面积愈大，其活性点就愈 多，吸附活性将愈大。活性炭的吸附是由于范德华 力引起的物理吸附。
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 = 1.6210-15 cm2。
（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，2×10-3～0.1μm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 吸附剂其孔径分布是不同的。再生 情况也影响孔的结构。
（一） 活性炭分类
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 颗粒活性炭
锦纶活性炭
小 较小
大
大 较大
小
大 较小
小
大 较小
小
难 难
易
第06章 吸附提取技术 生物分离工程ppt
2020/6/24
6.1.3 亲和吸附
亲和吸附是依靠吸附质和树脂间特殊的化学作用力，而 不是靠范德华力或静电吸引力。
亲和吸附具有更高选择性。亲
和吸附剂由两部分构成， 载体 和配基，两者通过共价键或离子 键联结；配基可选择地和溶质作 用，而载体与溶质没有作用。
若溶质是大分子，则配基与溶 质间的作用常常包括吸附剂上多 个相邻的基团。
(6-7) (6-8)
1．强酸性阳离子树脂
含有强酸性基团，如磺酸基—SO3H，在溶液中离解 H+，呈强酸性。
R － S3 H O R － S3 O H R － S3 O N a R － S3 O Na
强酸性树脂离解能力很强，在酸性或碱性溶液中 都能离解和产生离子交换作用， 使用时pH没有限制。
2020/6/24
生物和发酵行业的许多产品往往含量较低，并与许 多其他化学成分共存， 用离子交换树脂可以从发酵液 中富集与纯化能发生离解的产物。
(1) 氨基酸： 含有氨基和羧基的两性化合物，不同pH条件 下能以正离子、负离子或两性离子的形式存在。 可用阳离 子交换树脂和阴离子交换树脂富集分离。 (2) 抗生素： 具有酸性基团的抗生素， 中性或弱碱条件下 以负离子的形式存在， 用阴离子交换树脂提取分离。氨基糖 苷类抗生素具有碱性， 中性或弱酸性条件下以阳离子形式存 在，可用阳离子交换树脂进行提取与纯化。
亲和吸附常常符合Langmiur等温式。
亲和吸附过程示意图
2020/6/24
以上各吸附分离过程的原理和特点，但都是针对溶液中 只存在单一的吸附质而言的。实际上，生化溶液常含多种溶 质，尤其是溶液中含有蛋白质或其他大分子时情况更复杂。 此时，各溶质对吸附剂进行竞争，如那些多点吸附的溶质会 产生空间抑制，大分子溶质则可能会被吸附剂孔隙中排挤出 来，其结果使吸附剂对生化吸附质的饱和吸附量大大减少。
6.1.3 亲和吸附
亲和吸附是依靠吸附质和树脂间特殊的化学作用力，而 不是靠范德华力或静电吸引力。
亲和吸附具有更高选择性。亲
和吸附剂由两部分构成， 载体 和配基，两者通过共价键或离子 键联结；配基可选择地和溶质作 用，而载体与溶质没有作用。
若溶质是大分子，则配基与溶 质间的作用常常包括吸附剂上多 个相邻的基团。
(6-7) (6-8)
1．强酸性阳离子树脂
含有强酸性基团，如磺酸基—SO3H，在溶液中离解 H+，呈强酸性。
R － S3 H O R － S3 O H R － S3 O N a R － S3 O Na
强酸性树脂离解能力很强，在酸性或碱性溶液中 都能离解和产生离子交换作用， 使用时pH没有限制。
2020/6/24
生物和发酵行业的许多产品往往含量较低，并与许 多其他化学成分共存， 用离子交换树脂可以从发酵液 中富集与纯化能发生离解的产物。
(1) 氨基酸： 含有氨基和羧基的两性化合物，不同pH条件 下能以正离子、负离子或两性离子的形式存在。 可用阳离 子交换树脂和阴离子交换树脂富集分离。 (2) 抗生素： 具有酸性基团的抗生素， 中性或弱碱条件下 以负离子的形式存在， 用阴离子交换树脂提取分离。氨基糖 苷类抗生素具有碱性， 中性或弱酸性条件下以阳离子形式存 在，可用阳离子交换树脂进行提取与纯化。
亲和吸附常常符合Langmiur等温式。
亲和吸附过程示意图
2020/6/24
以上各吸附分离过程的原理和特点，但都是针对溶液中 只存在单一的吸附质而言的。实际上，生化溶液常含多种溶 质，尤其是溶液中含有蛋白质或其他大分子时情况更复杂。 此时，各溶质对吸附剂进行竞争，如那些多点吸附的溶质会 产生空间抑制，大分子溶质则可能会被吸附剂孔隙中排挤出 来，其结果使吸附剂对生化吸附质的饱和吸附量大大减少。
第六章-吸附分离PPT课件
吸下来。 – 对于易挥发溶质可用热水或蒸汽解吸。
36
• 从离子交换介质上洗脱
• 阶段洗脱法 分段改变洗脱液中的pH或盐浓度，使吸附在
柱上的各组分洗脱下来。
洗 脱 剂 浓 度
操作时间
37
• 梯度洗脱法 连续改变洗脱液中的pH或盐浓度，使吸附在
柱上的各组分被洗脱下来。通常采用一种低浓度 的盐溶液为起始溶液，另一种高浓度的盐溶液做 为最终溶液。两者通过一混合器混合。优于阶段 法。
20
• 离子交换容量：单位质量或单位体积的离 子交换剂所能吸附的一价离子的量（毫摩 尔数），是表征离子交换能力的主要参数。
21
• 吸附剂的制备
苯乙烯和二乙烯苯聚合而成的聚合物最为常用，对其 侧链进行改造也可成为离子交换介质。
聚合过程中加入一种惰性成分，不参与反应，但能与 单体互溶，当用悬浮聚合合成时，它还必需不溶于水或微 溶于水。这种惰性组分可以是线性高分子聚合物，也可以 是能溶胀或不能溶胀聚合物的溶剂，其中以不能溶胀聚合 物的溶剂效果最好，用的也较普遍，称为致孔剂。在聚合 过程中，在聚合的液滴内，逐渐形成无数的凝胶微粒，四 周为惰性组分所包围。聚合结束后，利用溶剂萃取或水蒸 气蒸馏的方式将溶剂去除，因而留下了孔隙，形成大网格 结构。一般大网格吸附剂的颗粒直径为0.5mm～数mm左右。
45
• 6.7 移动床和模拟移动床吸附
• 移动床(moving bed) 希望能象气体吸收操作的液相那样，吸附操
作中的固相可以连续输入和排出吸附塔，与料液 形成逆流接触流动，则可实现连续稳态的吸附操 作。
46
47
• 模拟移动床
由于固相吸附剂移动不便且易造成堵塞。可 固定吸附剂，而移动切换液相（包括料液和洗脱 液）的入口和出口位置，如同移动固相一样，产 生与移动床相同的效果。
36
• 从离子交换介质上洗脱
• 阶段洗脱法 分段改变洗脱液中的pH或盐浓度，使吸附在
柱上的各组分洗脱下来。
洗 脱 剂 浓 度
操作时间
37
• 梯度洗脱法 连续改变洗脱液中的pH或盐浓度，使吸附在
柱上的各组分被洗脱下来。通常采用一种低浓度 的盐溶液为起始溶液，另一种高浓度的盐溶液做 为最终溶液。两者通过一混合器混合。优于阶段 法。
20
• 离子交换容量：单位质量或单位体积的离 子交换剂所能吸附的一价离子的量（毫摩 尔数），是表征离子交换能力的主要参数。
21
• 吸附剂的制备
苯乙烯和二乙烯苯聚合而成的聚合物最为常用，对其 侧链进行改造也可成为离子交换介质。
聚合过程中加入一种惰性成分，不参与反应，但能与 单体互溶，当用悬浮聚合合成时，它还必需不溶于水或微 溶于水。这种惰性组分可以是线性高分子聚合物，也可以 是能溶胀或不能溶胀聚合物的溶剂，其中以不能溶胀聚合 物的溶剂效果最好，用的也较普遍，称为致孔剂。在聚合 过程中，在聚合的液滴内，逐渐形成无数的凝胶微粒，四 周为惰性组分所包围。聚合结束后，利用溶剂萃取或水蒸 气蒸馏的方式将溶剂去除，因而留下了孔隙，形成大网格 结构。一般大网格吸附剂的颗粒直径为0.5mm～数mm左右。
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• 6.7 移动床和模拟移动床吸附
• 移动床(moving bed) 希望能象气体吸收操作的液相那样，吸附操
作中的固相可以连续输入和排出吸附塔，与料液 形成逆流接触流动，则可实现连续稳态的吸附操 作。
46
47
• 模拟移动床
由于固相吸附剂移动不便且易造成堵塞。可 固定吸附剂，而移动切换液相（包括料液和洗脱 液）的入口和出口位置，如同移动固相一样，产 生与移动床相同的效果。
南农生物分离工程生物分离5课件
离子交换操作技术
1. 树脂的选择和处理
2. 装柱
离 子
3. 交换
交
4. 洗脱
换
5. 树脂再生
树 脂
玻璃纤维
交换柱
• 树脂的选择
目的物较强碱、酸性，宜用弱酸、弱碱性树脂
弱酸、弱碱性， 强碱、强酸性（AA）
蛋白、酶等，
弱酸、弱碱性
孔径 树脂有化学稳定性、机械性能
• 处理和再生
1. 外观与粒度——球型，直径为0.2-1.2mm（约 16-70目）
湿真密度 R=树脂湿重/排出同体积水重 功能基团↑，↑
湿视比重=树脂湿重/外观容积 0.6-0.85g/ml
交换容量
是表征交换剂离子交换能力的主要参数。
(exchange capacity)
mmol/g干树脂；mmol/ml湿树脂
与功能基团、pH有关
交换容量的测定
对于阳离子交换剂：用HCl将其处理成氢型， 称重并测定其含水量；称数克交换剂，加 入到过量已知浓度的NaOH溶液，发生交换 反应，待反应达到平衡后(强酸性的需要静 置24h，弱酸性的需静置数日)，测定剩余 的NaOH摩尔数，就可求得阳离子交换剂的 交换容量。
• 洗脱：
R—B+ + C+ = R—C+ + B+
• 再生：
R—C+ + A+ = R—A+ + C+
离子交换树脂的优点是：流速快，对小分子物质 的交换容量大，因而适合用于氨基酸、核苷酸等小 分子生化物质的分离纯化。
树脂类型
阳离子交换树脂: 含酸性活性基团的树脂。 强酸型： R—SO3H pH 0-14
离子交换纤维素：
《吸附分离技术》课件
吸附分离技术的应用领域
01
02
03
04
化工领域
用于分离和纯化各种气体和液 体混合物，如天然气、石油、
化学原料等。
环保领域
用于处理工业废水、废气，去 除其中的有害物质，实现环保
治理。
能源领域
用于燃料油品脱硫、脱氮等处 理，提高油品质量和环保性能
。
医药领域
用于药物提取、分离和纯化， 以及生物制品的分离和纯化。
THANKS
感谢观看
实现高纯度产品的制备。
选择性
吸附剂可以选择性地吸附目标 组分，从而实现复杂混合物的 高选择性分离。
操作简便
吸附分离技术操作简单，易于 实现自动化控制，降低了生产 成本。
应用广泛
吸附分离技术适用于多种混合 物的分离和纯化，尤其在气体 、液体和固体的分离中具有广
泛应用。
缺点
再生困难
对于某些吸附剂，其再生比 较困难，导致吸附剂的利用 率降低。
《吸附分离技术》课件
• 吸附分离技术概述 • 吸附剂的种类与特性 • 吸附分离技术流程 • 吸附分离技术的优缺点 • 吸附分离技术的实际应用案例
01
吸附分离技术概述
吸附分离技术的定义
吸附分离技术是指利用固体吸附剂的吸附作用，将混合物中的一种或多种组分从混合物中分离出来的 技术。
吸附分离技术是一种物理分离方法，通过吸附剂与混合物中不同组分之间的相互作用力来实现组分的分 离。
控制吸附温度、压力、流速等条件，确保吸附效果最 佳。
吸附机理
了解吸附剂与被吸附物质之间的相互作用机制，如物 理吸附、化学吸附等。
解吸过程
解吸剂选择
选择能够将被吸附物质从吸附剂上解吸下来的溶剂或气体。
第八章-吸附分离法PPT课件
第八章 吸附分离法
第一节 概 述
2021
1
前言
利用适当的吸附剂，在一定的pH条件下，吸 附样品中的目标物质，然后再以适当的洗脱剂 将吸附的物质从吸附剂上解吸下来，达到浓缩 和提纯的目的。
广泛应用在各种生物行业，如酶、蛋白质、核 苷酸、抗生素、氨基酸等的分离纯化中。
2021
2
吸附法的特点
1、可不用或少用有机溶剂
2、操作简便、安全、设备简单
3、生产过程pH变化小，适用于稳定性较差的物质。
缺点：选择性差，收率不高，特别是无机吸附剂 性能不稳定，不能连续操作，劳动强度大。
应用：如需要的成分易吸附，可在吸附后除去不 吸附和不易吸附的杂质，再将样品洗脱；当需要 的成分较难吸附，则将杂质吸附除去，故吸附法 常用来除杂。
D 氢键力 另一种特殊的分子间作用力是氢键力。它是一种 介于库仑引力与范德华引力之间的特殊定向力，比诱导 力、色散力都大。
吸附等温线
固体在溶液中的吸附，是溶质和溶剂分子争夺表 面的净结果，即在固液界面上，总是被溶质和溶剂两 种分子占满，如果不考虑溶剂的吸附，当固体吸附剂 与溶液中的溶质达到平衡时，其吸附量m应与溶浓中 溶质的浓度和温度有关。
q* mc
m为分配系数。
适应条件：在低浓度范围之内 成立。当浓度较高时，上式无 效。
2021
19
吸附等温线
B)、Freundlich type 其经验公式为
q* kc1/n 其 中 ， k 和 n 为 常 数 ， n 一 般 在 110之间。 Freundlich等温线可以 描述大多数抗生素、类固醇、甾 类激素等在溶液中的吸附过程。
离子的电荷是交换吸附的决定因素，离子所带电荷越多， 它在吸附剂表面的相反电荷点上的吸附力就越强，电荷 相同的离子，其水化半径越小，越易被吸附。
第一节 概 述
2021
1
前言
利用适当的吸附剂，在一定的pH条件下，吸 附样品中的目标物质，然后再以适当的洗脱剂 将吸附的物质从吸附剂上解吸下来，达到浓缩 和提纯的目的。
广泛应用在各种生物行业，如酶、蛋白质、核 苷酸、抗生素、氨基酸等的分离纯化中。
2021
2
吸附法的特点
1、可不用或少用有机溶剂
2、操作简便、安全、设备简单
3、生产过程pH变化小，适用于稳定性较差的物质。
缺点：选择性差，收率不高，特别是无机吸附剂 性能不稳定，不能连续操作，劳动强度大。
应用：如需要的成分易吸附，可在吸附后除去不 吸附和不易吸附的杂质，再将样品洗脱；当需要 的成分较难吸附，则将杂质吸附除去，故吸附法 常用来除杂。
D 氢键力 另一种特殊的分子间作用力是氢键力。它是一种 介于库仑引力与范德华引力之间的特殊定向力，比诱导 力、色散力都大。
吸附等温线
固体在溶液中的吸附，是溶质和溶剂分子争夺表 面的净结果，即在固液界面上，总是被溶质和溶剂两 种分子占满，如果不考虑溶剂的吸附，当固体吸附剂 与溶液中的溶质达到平衡时，其吸附量m应与溶浓中 溶质的浓度和温度有关。
q* mc
m为分配系数。
适应条件：在低浓度范围之内 成立。当浓度较高时，上式无 效。
2021
19
吸附等温线
B)、Freundlich type 其经验公式为
q* kc1/n 其 中 ， k 和 n 为 常 数 ， n 一 般 在 110之间。 Freundlich等温线可以 描述大多数抗生素、类固醇、甾 类激素等在溶液中的吸附过程。
离子的电荷是交换吸附的决定因素，离子所带电荷越多， 它在吸附剂表面的相反电荷点上的吸附力就越强，电荷 相同的离子，其水化半径越小，越易被吸附。
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生物分离工程吸附分 离
吸附操作是一种古老的技术，早在两千多年前西汉 古墓中就用木炭吸湿防潮，说明当时已了解到木炭有很 强的吸湿作用。20世纪50年代前，因吸附剂种类少，常 用的只有酸性白土、硅藻土和活性炭等几种，选择吸附 的能力低，只限于脱色、脱臭、吸湿、干燥等小型的操 作过程。20世纪60年代以来，随着性能优良的吸附剂的 不断开发(如合成沸石、活性氧化铝、分子筛等)以及各行 各业分离要求的不断提高，使吸附分离技术得到了迅速 发展，成为完整的单元操作过程。目前，吸附分离技术 已经在轻工、炼油、化工、食品、环保等许多领域得到 了广泛的应用。
活性炭
1.5---3.5
750---1500
硅胶
2---100
40---700
活性氧化铝
4---12
50---300
硅藻土
5---20
--10
多孔性聚苯乙烯树脂
--
100---800
多孔性聚酯树脂
8---50
60---450
多孔性醋酸乙烯树脂
---6
7---400
氧化铝
硅藻土
活性炭
（1）活性炭
1）组成结构：由木屑、兽骨、兽血或煤屑等原 料高温（800℃）碳化而成的多孔网状结构
吸附性能 作用力 选择性 吸附层 吸附热
吸附速度 温度
可逆性
物理、化学吸附的比较
物理吸附
分子引力（范德华力）
化学吸附
化学键
没有选择性 单分子或多分子吸附层
有选择性 只能形成单分子吸附层
较小，⋖41.9kj/mol 快，几乎不要活化能 放热过程，低温有利于吸附
较大，相当于化学反应热，83.7418.7kj/mol
主要有两 种方法： （1）气体 法；
（2）药剂 法。
活性炭是一种多孔含碳物质的颗粒或粉末，不 仅具有良好的化学稳定性和机械强度，而且具有高 度发达的孔隙结构，因而具有很强的吸附能力；活 性炭还具有解吸容易、热稳定性好等优点。
活性炭具有非极性的表面，即可以吸附非极性 物质。活性炭既可用于气相吸附，又可用于液相吸 附。目前，活性炭已广泛地用于制药化工过程，如 各类有机蒸汽的吸附，溶液的脱色、除臭，药物的 精制等。
制造过程示意图
炭化 →破碎、造粒
原料
捏合成型→炭化
活化→洗涤→
→干燥→筛分
粉状碳成品
粒状碳成品
一般来说，吸附量主要受小孔支配，但对于分子量（或 分子直径）较大的吸附质，小孔几乎不起作用。
所以，在实际应用中，应根据吸附质的直径大小和活性 炭的孔径分布来选择合适的活性炭。
活化：把
碳渣造成发 达的多孔结 构
脱臭，目标产物提取、浓缩 和粗分离
吸附 剂
吸附 质
脱附：吸附的逆过程
❖ 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。
❖ 吸附剂——能够吸附其他物质的多孔性固体。
❖ 吸附质——在吸附过程中，被吸附的物质。
料液与吸 附剂混合
Step1
吸附质 被吸附
较慢，需要活化能
温度升高，吸附速度增加
可逆，较易解析
化学键大时，吸附不可逆
二、吸附分离介质
多孔型：活性炭、硅胶、 硅藻土；大网格吸附 剂：有机高分子材料， 如聚苯乙烯，聚酯。
凝胶型：纤维素凝胶， 琼脂糖凝胶，匍聚糖 凝胶等。
❖ 吸附剂通常应具备以下特征：
❖ （1）较高的选择性以达到一定的分离要求； ❖ （2）较大的吸附容量以减小用量； ❖ （3）较好的动力学及传递性质以实现快速吸附； ❖ （4）较高的化学及热稳定性，不溶或极难溶于待
缺点：
的产物，成为发酵与分离的
✓选择性差
耦合过程，从而可消除某些
✓收率低
产物对微生物的抑制作用；
✓无机吸附剂性能不稳定
④ 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
✓不能连续操作，劳动强度大 ✓碳粉等吸附剂有粉尘污染
，实验的工作量较大。
吸附机理
固体内部分子所受分子间的 作用力是对称的，而固体表 面分子所受力是不对称的。 向内的一面受内部分子的作 用力较大，而表面向外一面 所受的作用力较小，因而当 气体分子或溶液中溶质分子 在运动过程中碰到固体表面 时就会被吸引而停留在固体 表面上。
Step2
料液 流出
Step3
吸附质解 吸附
Step4
吸附法的特点：
优点：
① 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；
✓有机溶剂掺入少 ✓ 操作简便，安全，设备简单 ✓ pH变化小，适于稳定性差的物质
② 对溶质的作用较小，这一点
③
在蛋白质分离中特别重要； 可直接从发酵液中分离所需
吸附现象
A rain – damp(吸湿)
B 冰箱除异味 C 变色硅胶 D 装修除甲醛
一、基本概念
定义：吸附是利用吸附剂对液
体或气体中某一组分具有选 择性吸附的能力，使其富集 在吸附剂表面，再用适当的 洗脱剂将其解吸达到分离纯 化的过程。液相(气相)→固相
——吸附剂、吸附物
应用：广泛应用于原料脱色、
界面
吸附类型与特性
1. 物理吸附 2. 化学吸附 3. 交换吸附
极性吸附 离子交换吸附
吸附——基本原理
根据吸附剂与吸附质之间相互作用力的不同， 吸附可分为物理吸附和化学吸附两种类型。
当由于吸附质与吸附剂的分子之间存在分子间 力即范德华力而发生的吸附称为物理吸附，又称为 范德华吸附。
因为分子间引力普遍存在于吸附剂与吸附质之 间，故一种吸附剂可以吸附多种吸附质，不具有选 择性。但吸附剂与吸附质的种类不同，分子间引力 大小各异，因此吸附量可能相差悬殊。。
处理流体以保证吸附剂的数量和性质；
❖ （5）较高的硬度及机械强度以减小磨损和侵蚀； ❖ （6）较好的流动性以便于装卸； ❖ （7）较高的抗污染能力以延长使用寿命； ❖ （8）较好的惰性以避免发生不期望的化学反应； ❖ （9）易再生； ❖ （10）价格便宜。
表 6．1 生物分离中常用的多孔吸附剂
平均孔径／nm 比表面积／(m2／g)
吸附——基本原理
根据吸附剂与吸附质之间相互作用力的不同， 吸附可分为物理吸附和化学吸附两种类型。
由于吸附质与吸附剂的分子之间形成化学键而 引起的吸附称为化学吸附。发生化学吸附时，被吸 附的分子与吸附剂的表面分子之间发生了电子转移、 原子重排或化学键的破坏与生成。与物理吸附不同 的是，化学吸附具有选择性，只有当吸附剂与吸附 质的分子之间形成化学键时，才会发生化学吸附。
吸附操作是一种古老的技术，早在两千多年前西汉 古墓中就用木炭吸湿防潮，说明当时已了解到木炭有很 强的吸湿作用。20世纪50年代前，因吸附剂种类少，常 用的只有酸性白土、硅藻土和活性炭等几种，选择吸附 的能力低，只限于脱色、脱臭、吸湿、干燥等小型的操 作过程。20世纪60年代以来，随着性能优良的吸附剂的 不断开发(如合成沸石、活性氧化铝、分子筛等)以及各行 各业分离要求的不断提高，使吸附分离技术得到了迅速 发展，成为完整的单元操作过程。目前，吸附分离技术 已经在轻工、炼油、化工、食品、环保等许多领域得到 了广泛的应用。
活性炭
1.5---3.5
750---1500
硅胶
2---100
40---700
活性氧化铝
4---12
50---300
硅藻土
5---20
--10
多孔性聚苯乙烯树脂
--
100---800
多孔性聚酯树脂
8---50
60---450
多孔性醋酸乙烯树脂
---6
7---400
氧化铝
硅藻土
活性炭
（1）活性炭
1）组成结构：由木屑、兽骨、兽血或煤屑等原 料高温（800℃）碳化而成的多孔网状结构
吸附性能 作用力 选择性 吸附层 吸附热
吸附速度 温度
可逆性
物理、化学吸附的比较
物理吸附
分子引力（范德华力）
化学吸附
化学键
没有选择性 单分子或多分子吸附层
有选择性 只能形成单分子吸附层
较小，⋖41.9kj/mol 快，几乎不要活化能 放热过程，低温有利于吸附
较大，相当于化学反应热，83.7418.7kj/mol
主要有两 种方法： （1）气体 法；
（2）药剂 法。
活性炭是一种多孔含碳物质的颗粒或粉末，不 仅具有良好的化学稳定性和机械强度，而且具有高 度发达的孔隙结构，因而具有很强的吸附能力；活 性炭还具有解吸容易、热稳定性好等优点。
活性炭具有非极性的表面，即可以吸附非极性 物质。活性炭既可用于气相吸附，又可用于液相吸 附。目前，活性炭已广泛地用于制药化工过程，如 各类有机蒸汽的吸附，溶液的脱色、除臭，药物的 精制等。
制造过程示意图
炭化 →破碎、造粒
原料
捏合成型→炭化
活化→洗涤→
→干燥→筛分
粉状碳成品
粒状碳成品
一般来说，吸附量主要受小孔支配，但对于分子量（或 分子直径）较大的吸附质，小孔几乎不起作用。
所以，在实际应用中，应根据吸附质的直径大小和活性 炭的孔径分布来选择合适的活性炭。
活化：把
碳渣造成发 达的多孔结 构
脱臭，目标产物提取、浓缩 和粗分离
吸附 剂
吸附 质
脱附：吸附的逆过程
❖ 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。
❖ 吸附剂——能够吸附其他物质的多孔性固体。
❖ 吸附质——在吸附过程中，被吸附的物质。
料液与吸 附剂混合
Step1
吸附质 被吸附
较慢，需要活化能
温度升高，吸附速度增加
可逆，较易解析
化学键大时，吸附不可逆
二、吸附分离介质
多孔型：活性炭、硅胶、 硅藻土；大网格吸附 剂：有机高分子材料， 如聚苯乙烯，聚酯。
凝胶型：纤维素凝胶， 琼脂糖凝胶，匍聚糖 凝胶等。
❖ 吸附剂通常应具备以下特征：
❖ （1）较高的选择性以达到一定的分离要求； ❖ （2）较大的吸附容量以减小用量； ❖ （3）较好的动力学及传递性质以实现快速吸附； ❖ （4）较高的化学及热稳定性，不溶或极难溶于待
缺点：
的产物，成为发酵与分离的
✓选择性差
耦合过程，从而可消除某些
✓收率低
产物对微生物的抑制作用；
✓无机吸附剂性能不稳定
④ 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
✓不能连续操作，劳动强度大 ✓碳粉等吸附剂有粉尘污染
，实验的工作量较大。
吸附机理
固体内部分子所受分子间的 作用力是对称的，而固体表 面分子所受力是不对称的。 向内的一面受内部分子的作 用力较大，而表面向外一面 所受的作用力较小，因而当 气体分子或溶液中溶质分子 在运动过程中碰到固体表面 时就会被吸引而停留在固体 表面上。
Step2
料液 流出
Step3
吸附质解 吸附
Step4
吸附法的特点：
优点：
① 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；
✓有机溶剂掺入少 ✓ 操作简便，安全，设备简单 ✓ pH变化小，适于稳定性差的物质
② 对溶质的作用较小，这一点
③
在蛋白质分离中特别重要； 可直接从发酵液中分离所需
吸附现象
A rain – damp(吸湿)
B 冰箱除异味 C 变色硅胶 D 装修除甲醛
一、基本概念
定义：吸附是利用吸附剂对液
体或气体中某一组分具有选 择性吸附的能力，使其富集 在吸附剂表面，再用适当的 洗脱剂将其解吸达到分离纯 化的过程。液相(气相)→固相
——吸附剂、吸附物
应用：广泛应用于原料脱色、
界面
吸附类型与特性
1. 物理吸附 2. 化学吸附 3. 交换吸附
极性吸附 离子交换吸附
吸附——基本原理
根据吸附剂与吸附质之间相互作用力的不同， 吸附可分为物理吸附和化学吸附两种类型。
当由于吸附质与吸附剂的分子之间存在分子间 力即范德华力而发生的吸附称为物理吸附，又称为 范德华吸附。
因为分子间引力普遍存在于吸附剂与吸附质之 间，故一种吸附剂可以吸附多种吸附质，不具有选 择性。但吸附剂与吸附质的种类不同，分子间引力 大小各异，因此吸附量可能相差悬殊。。
处理流体以保证吸附剂的数量和性质；
❖ （5）较高的硬度及机械强度以减小磨损和侵蚀； ❖ （6）较好的流动性以便于装卸； ❖ （7）较高的抗污染能力以延长使用寿命； ❖ （8）较好的惰性以避免发生不期望的化学反应； ❖ （9）易再生； ❖ （10）价格便宜。
表 6．1 生物分离中常用的多孔吸附剂
平均孔径／nm 比表面积／(m2／g)
吸附——基本原理
根据吸附剂与吸附质之间相互作用力的不同， 吸附可分为物理吸附和化学吸附两种类型。
由于吸附质与吸附剂的分子之间形成化学键而 引起的吸附称为化学吸附。发生化学吸附时，被吸 附的分子与吸附剂的表面分子之间发生了电子转移、 原子重排或化学键的破坏与生成。与物理吸附不同 的是，化学吸附具有选择性，只有当吸附剂与吸附 质的分子之间形成化学键时，才会发生化学吸附。