离子交换法

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，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。

图1 离子交换车间
一、离子交换树脂及其分离原理
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。

如果树脂释放的是活性阳离子，它就能和溶液中的阳离子发生交换，称阳离子交换树脂；如果释放的是活性阴离子，它就能交换溶液中的阴离子，称阴离子交换树脂。

(一)离子交换树脂的分类
离子交换树脂通常有4种分类方法，一是按树脂骨架的主要成分将树脂分为聚苯乙烯型树脂，聚丙烯酸型树脂、酚-醛型树脂等；二是按聚合的化学反应分为共聚型树脂和缩聚型树脂；三是按树脂骨架的物理结构分为凝胶型树脂(亦称微孔树脂)、大网络树脂(亦称大孔树脂)及均孔树脂。

由于活性基团的电离程度决定了树脂酸性或碱性的强弱，所以又将树脂分为强酸性、弱酸性阳离子交换树脂、强碱性、弱碱性阴离子交换树脂。

活性基团决定着树脂的主要交换性能。

强酸性阳离子交换树脂
这类树脂的活性基团有磺酸基团(-SO3H)和次甲基磺酸基团(-CH2SO3H)。

它们都是强酸性基团，电离程度大且不受溶液pH变化的影响，在pH1～14范围内均能进行离子交换反应，以磺酸型树脂与NaCl作用为例，交换反应为：
RSO3H＋NaCl=RSO3Na＋HCI
此外，以磷酸基团-PO(OH)2和次磷酸基团-PO(OH)作为活性基团的树脂具有中等强度的酸性。

最多的为732#
弱酸性阳离子交换树脂
这类树脂的活性基团有羧基-COOH，酚羟基-OH等，它们的电离程度小，交换性能受溶液pH的影响很大，其交换能力随溶液pH的增加而提高。

在酸性溶液中，这类树脂几乎不发生交换反应、对于羧基树脂，应该在pH>7的溶液中操作，而对于酚羟基树脂，应使溶液的pH＞9。

和强酸树脂不同，弱酸树脂和氢离子结合能力很强，故再生成氢型较容易，耗酸量少。

强碱性阴离子交换树脂
这类树脂有两种，一种含三甲胺基称为强碱I型，另一种含二甲基- 羟基-乙基胺基团，为强碱型。

和强酸离子交换相似，活性基团电离程度较强且不受pH变化的影响，在pH1～14范围内均可使用。

这类树脂成氯型时较羟型稳定，耐热性也较好，因此，商品大多以氯型出售。

I型的碱性比对Ⅱ型强，但再生较困难，Ⅱ型树脂的稳定性较差。

典型的交换反应为
RN(CH3)3CI＋NaOH—→RN(CH3)3OH+NaCl
弱碱性阴离子交换树脂
这类树脂的活性基团有伯胺基团-NH2、仲胺基=NH、叔胺基≡N和吡啶基等。

与弱酸阳离子树脂一样，交换能力受溶液pH的影响很大，pH越小交换能力越强。

故在pH<7的溶液中使用。

这类树脂和OH-结合能力较强，再生成羟型较容易，耗碱量少。

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