第7章 离子交换技术 2005.06

第7章离子交换技术
知识点：离子交换树脂的分类及其定义，离子交换树脂的合成（学生自学），离子交换树脂的理化性能和测定方法，离子交换过程的理论基础，离子交换过程的选择性，树脂和操作条件的选择及运用举例。

重点：离子交换树脂的分类，概念及其适用范围，离子交换树脂的理化性能和测定方法，格雷戈公式的推导和离子交换机理及其数学表达式，离子交换速度的影响因素的影响情况，离子交换过程的运用学理论和使离子层分层明显的三种常用方法，能够熟练地据实际情况选择合适的树脂和操作方式。

难点：离子交换过程的理论基础和选择性，格雷戈公式的推导和离子交换机理及其数学表达式。

1离子交换树脂基础
离子交换技术是利用离子交换剂与各种离子的作用力强弱差异，选择性地吸附或释放特定的离子，从而达到去除杂质、富集或纯化目标生化物质的目的。

在生物医药工业中，广泛用于提取抗生素、氨基酸、有机酸等小分子物质，特别是抗生素的生产。

例如，链霉素、西索米星、卡那霉素、庆大霉素、土霉素、红霉素、林可霉素、麦迪霉素、螺旋霉素等均可用离子交换法进行提取。

近年来由于基因工程和蛋白质工程的迅猛发展，离子交换技术也逐渐大量用于蛋白质、核酸和多糖等生物大分子的分离纯化，但主要是以离子交换层析的方法来纯化蛋白质。

原则上，在某一条件下，只要目标生化物质能离子化，就可以采用离子交换技术进行提取、分离和纯化。

常用的离子交换剂有两类：疏水结构离子交换剂和亲水结构离子交换剂。

前者即通常所说的离子交换树脂，主要以苯乙烯等材料为原料，经人工合成固态高分子化合物为疏水性骨架，具有机械强度高，遇水膨胀率低，交换容量大等特点，抗生素等小分子物质宜用疏水性结构的离子交换剂分离；后者主要以葡聚糖、纤维素、琼脂糖等多糖为亲水性骨架，连接上可以进行离子交换的基团，蛋白质等生物大分子宜选择亲水性结构的离子交换剂。

纯化蛋白质类药物常用CM型阳离子交换剂或DEAE型阴离子交换剂。

离子交换树脂是一种不于一般的酸碱和有机溶剂，也不熔融固态高分子化合物，不但稳定性好，而且具有可离子交换的多功能基。

它由不溶性的三维空间网状骨架，连接在骨架上的功能团和功能团所带的相反电荷的可交换离子等单元结构组成。

从酸碱性观点来看，离子交换树脂可视为多功能的高分子多元酸（H＋）或高分子多元碱（OH-）。

2 离子交换树脂的分类和性能
离子交换树脂可交换功能团中的活性离子决定此树脂的主要性能。

因此，树脂可按照活性离子来分类，活性离子是阳离子的树脂能和阳离子发生交换，称为阳离子交换树脂；同理，活性离子是阴离子的称为阴离子交换树脂。

阳离子交换树脂的功能团是酸性基团，而阴离子交换树脂则是碱性基团。

功能团的电离程度决定了树脂的酸性或碱性的强弱，按功能团分，通常将树脂分为强酸性、弱酸性阳离子交换树脂和强碱性、弱碱性阴离子交换树脂等四大类，四大类离子交换树脂性能比较见表1。

表1 四大类离子交换树脂性能比较[1]
离子交换树脂的主要性能有：交联度、膨胀率、含水量、离子交换速度、交换量和交换选择性等。

（1）交换量是离子交换树脂质量的重要标志。

表示方法有mg当量/g树脂或g当量/kg 树脂。

对于工业应用中，交换树脂多以体积表示，即mg当量/ml树脂或g当量/l树脂。

通常，离子交换剂对无机离子的交换容量大，而对有机物质，尤其是生物大分子物质，由于空间位阻等因素的影响，交换容量会下降。

交换量有两种表达方式：总交换量（即极限交换量）和工作交换量。

总交换量指树脂经100℃干燥至恒重后单位量树脂具有的可交换离子总数，表示为mg当量/g干树脂或mg 当量/g湿树脂。

工作交换量指在某一指定的运行条件下树脂的实际交换量。

若在固定床中操作，在漏出点时，树脂所吸附的量称为工作交换量。

（2）离子选择性影响离子选择性的因素有离子水化半径、离子的化合价和溶液的酸碱度等。

离子与树脂之间的亲和力越大，就越容易吸附。

在低浓度水溶液和常温条件下，离子的化合价越高，就越容易被吸附。

在无机离子的交换中，水化半径较小的离子越容易吸附，各种一价离子对树脂的亲和力大小排序如下：①采用强酸性树脂时，H+＝Li+＜Na+＝NH4+＜Ro+＜Cs+＜Ag+＜Ti+；采用弱酸树脂时，Li+＜Na+＝NH4+＜Ro+＜Cs+＜Ag+＜Ti+＝H+；②采用强碱性树脂时，OH-＜F-＜HCO3-＜Cl-＜HSO3-＜Br-＜NO-＜I-＜ClO4-；采用弱碱性树脂时，F-＜HCO3-＜Cl-＜OH-＜HSO3-＜Br-＜NO-＜I-＜ClO4-。

（3）离子交换速度离子交换速度取决于扩散速度。

影响扩散速度的因素有颗粒大小、交联度、温度、离子的大小和溶液浓度等。

当溶液浓度低于0.001 mol/L时，一般为外扩散控制；当浓度增加为0.01 mol/L时；外扩和内扩并存；当浓度继续增加，多为内扩控制。

对内扩散控制的场合，颗粒减小有利于交换速度的提高。

交联度越低，树脂越易膨胀，在树脂内部扩散就较容易。

升温有助于交换速度的增加。

离子化合价越高，离子和树脂骨架间的库仑引力越大，扩散速度就愈小；离子半径较小，扩散速度较快。

当液膜控制时，增加搅拌速度可减小外扩散阻力，增加交换速度。

（4）交联度离交树脂的交联度是骨架结构的重要因素，是骨架强度的关键，与树脂的许多性能有密切联系。

交联度可用溶胀水、膨胀度或膨胀系数进行表示。

对聚苯乙烯型树脂交联度一般以二乙烯苯用单体总量的百分数表示，对其它类型树脂，如酚醛型树脂，因其结构更为复杂，并无明确表示标志。

交联度对树脂的性能影响很大。

交联度上升，树脂的结构紧密性上升，机械强度上升，功能反应难度上升，选择性上升；同时，交换量下降，含水量下降，离子扩散速度下降，交换速度下降。

3 离子交换树脂的的滴定曲线
离子交换树脂的作用决定于功能团，其功能团则相当于高分子多元酸或高分子多元碱等聚电解质，和无机酸碱一样也具有滴定曲线。

作为树脂性能标志的功能团的酸碱的强弱程度度最好用电位滴定曲线或pH滴定曲线来描述。

具体做法是：在不同条件下，在水溶液中使用已知浓度的盐酸滴定OH型阴离子交换树脂，或者使用已知浓度的NaOH滴定H型阳离子交换树脂，观察并记录pH变化对所耗的酸碱量作图,绘制离子交换树脂的滴定曲线。

四种树脂的滴定曲线见图1。

图1 四种树脂的滴定曲线[1]
n：单位质量离子交换剂所加入NaOH或Hcl的mmol数
1-强酸型（Amberlite IR-120）；2-弱酸型（Amberlite IR-84）
3-强碱型（Amberlite IR-400）；4-弱碱型（Amberlite IR-45）
从图1可以发现，滴定曲线的物理意义在于：①对于强酸性或强碱性树脂，滴定曲线有一段是水平的，到某一点时突然升高或降低表示树脂上的功能团已经饱和；②对于弱碱或弱酸性树脂，则无水平部分，曲线是逐渐变化的，表明体系的酸碱度对树脂的交换能力有影响。

③由滴定曲线的转折点可估计其总交换量，由转折点的数目可推知功能团的数目。

④滴定曲线还表示交换容量随pH的变化趋势。

4 离子交换机理
离子交换过程包括三个步骤：外部扩散(经过液膜的扩散)、内部扩散(在颗粒内部的扩散)和化学交换反应。

一般地说，离子间的交换反应速度是很快的，有时甚至快到难以测定。

所以除极个别的场合外，化学交换反应不是控制步骤，而扩散是控制步骤。

当液相体系浓度越浓，颗粒越大，或动态处理时过柱速度越快，或静态处理时搅拌越激烈，则吸附越弱，越趋向于内部扩散控制；当液相体系流速慢，浓度稀，颗粒细，则吸附强，越趋向于外部扩散控制。

至于如何判断是内部扩散控制还是外部扩散控制？如何清除这种影响详见本书生化反应过程的相关内容，也可参考相关书籍，这里不赘述。

5 树脂和操作条件的选择及应用举例
下面以卡那霉素和西索米星的提取为典型实例说明树脂筛选和操作条件选择的策略。

选
择的范围包括：树脂类型，也就是交换容量和官能团形式；溶液的pH值，主要指树脂和卡那霉素解离情况的稳定性；原液浓度，考察树脂的选择性，交换容量和操作方式。

（1）卡那霉素的离子交换树脂提取
卡那霉素A作为原料药用于生产单硫酸卡那霉素、双硫酸卡那霉素和丁胺卡那霉素等。

丁胺卡那霉素是我国医疗首选推荐药品之一和国家基本药物。

微生物发酵生产卡那霉素时，发酵液中卡那霉素组分由90%以上的卡那霉素A、2%左右的卡那霉素B和少量卡那霉素C组成。

卡那霉素A、B在化学结构上仅R1、R2基团上存在差异,在物化性质上也极为相近，对其进行分离相当困难。

卡那霉素是多元弱碱水溶性化合物，其分子结构示于图2，在不同pH值水溶液中能以不同的电化学状态存在，卡那霉素A分子含有四个氨基，在水溶液中存在四级离解平衡。

卡那霉素B分子含有五个氨基，在水溶液中存在五级离解平衡。

采用电位滴定的方式测定卡那霉素A、B的离解常数，据此编程处理计算出不同PH值条件下卡那霉素各离子状态的分布曲线，示于图3。

从PH-分布系数曲线中可以发现。

卡那霉素A、B随溶液pH值由高到低，出现逐级离解，在酸性溶液中主要以高价离子状态存在。

图2 卡那霉素分子结构式
●卡A：R1 = OH, R2 = NH2 ，C18H36N4O11 ，M W=484.499，[α]D=+146°；
●卡B：R1 = NH2, R2 =NH2，C18H37N5O10，M W =483.54，[α]D =+130°；
●卡C：：R1 = NH2 , R2=OH，C18H36N4O11，M W =484.499，[α]D =+126°。

图3 不同pH值条件下卡那霉素A、B分子各价态分布曲线（pH-分布系数曲线）
由于卡那霉素为弱碱性生物有机碱，根据离子交换的一般原则，从发酵液中提取卡那霉素，国内一直沿用强酸性阳离子交换树脂（如732树脂）静态吸附、动态洗脱的工艺。

目前国外已经开始采用弱酸型阳树脂（如DK110树脂）从发酵液中提取卡那霉素。

在卡那霉素的离子交换过程中最重要的操作条件包括：树脂类型、溶液的pH和原液浓度。

1）树脂类型的选择：
据离子交换理论，强酸型阳离子交换树脂（如732树脂）优先考虑用于弱碱性卡那霉素的提取，但732树脂与卡那霉素结合牢固，洗脱困难，洗脱率＜80%，且选择性较差，交换时pH约为5.4，此时卡那霉素以R4＋存在，交换容量下降。

当采用弱酸型阳树脂（如DK110树脂）提取卡那霉素时，存在着吸附容量高、易洗脱、洗脱液高峰集中等特点。

由于DK110树脂是丙烯酸型大孔树脂，单位体积中含有的活性功能团数目，比表面积和孔径均大于苯乙烯单体凝胶型732树脂。

当DK110树脂交换时，溶液pH可达6.76，卡那霉素主要以R2+,R3+存在，只要求树脂上较少的功能团与其交换，表现出较大容量。

表3所示为不同类型阳离子交换树脂对发酵液动态吸附性能的比较。

表3 不同类型阳离子交换树脂对发酵液动态吸附性能的比较
注：上柱发酵液效价约6500 U/ml(卡B占2.0%)、pH 7.5、流速1.5 ml/min；
上柱总效价为树脂理论饱和吸附量的三倍，玻璃柱φ18mm*300mm。

表3结果显示，弱酸性阳离子交换树脂（DK-110、SD-110、D-186）在卡那霉素吸附和杂质吸附量等吸附性能指标上都高凝胶型强酸性阳树脂（732、A1320）。

这是就强酸性树脂与卡那霉素结合牢固，选择性吸附性能较差；而弱酸性树脂对卡那霉素具有较高的选择性吸附性能所导致的结果。

2）溶液的pH值
提取卡那霉素的合适pH值必须满足下列三个条件：使卡那霉素能解离、使732树脂或DK110树脂能离子化、卡那霉素能维持在稳定的范围内。

①卡那霉素解离问题
卡那霉素水溶液呈弱碱性，在不同pH值时，卡那霉素呈不同的化学价态存在(图3)。

当pH＝7.0时，溶液中R3＋和R2＋分别占55.3%和29%，与树脂交换时只需较少的功能团与其交换，表现出较大的交换容量。

在pH＝5.0时，则卡那霉素主要以R4＋存在，每分子卡那霉素在与树脂交换时要求与之相配对的树脂上的活性基因也增多，故交换容量下降；当pH＝9.0时，则卡那霉素主要以R＋和R0存在，不仅交换势降低，选择性变差，而且有不能交换的卡那霉素游离碱出现，故交换容量下降。

②树脂解离问题
732树脂的功能团中的活性离子为-SO3H，pK＜1，pH值对其交换能力无影响；DK110树脂的功能团中的活性离子为-COOH，pK 4～6, pH值对其交换能力影响较大，再生后树脂pH＞7，此时pH＞PK时，随pH上升，树脂离子化程度上升。

③卡那霉素稳定性问题
卡那霉素稳定存在的pH值范围6～8。

综上所述，实际使用时，732树脂离子交换时，选择溶液pH=5.5～6.0；DK110树脂离子交换时，选择溶液pH=6.8～7.2较合适。

④在不同pH值条件下阳离子交换树脂对卡那霉素发酵液动态吸附性能比较
配制不同pH值的发酵液作为上柱液，在相同上柱吸附总量（树脂理论饱和吸附量三倍）、
吸附流速为1.67 ml/min的条件下进行实验，研究不同pH值条件下，四种有代表性的树脂对发酵液动态吸附特性（见表4）。

表4结果显示，SD-110、D-186比732、A1320在pH6.0~8.0时的卡那霉素吸附总量和杂质吸附量一般都较高。

在相同pH值条件下，D-186树脂在卡那霉素吸附总量上要小于SD-110，且对杂质的吸附量和吸附比率均小于SD-110树脂。

溶液的pH值对树脂吸附卡那霉素的影响显著，当pH值为7.5时，SD-110和D-186树脂对发酵液中卡那霉素的吸附能力最强。

表4 在不同pH条件下发酵液动态吸附的特性比较
3）原液浓度：
卡那霉素是由6-氨基葡萄糖，2-DOS和卡那霉素胺三部分组成的有机生物碱，在溶液pH ＝7时，以高价离子（R2＋、R3＋、R4＋）存在；从理论上讲，高价离子在稀浓度时，树脂对其交换容量和选择性上升，但若过稀，则使交换速度下降，树脂的处水量上升，浓缩倍数下降，因此，采用732和DK110离子交换时，最适原液浓度为8000 U/ml左右，目前国内外卡那发酵最高水平为7000-8000 U/ml，因此，可以直接采用发酵液上柱吸附。

4）操作方式：
国内沿用732静态吸附，3%氨水动态洗脱法；国外多采用DK110动态吸附，2%氨水动态解吸法。

发酵液的静态吸附和动态吸附性能比较见表5。

从表5可以发现，对本实验所采用的各类型树脂，动态吸附的卡那霉素吸附总量均大于静态吸附，而杂质吸附量则明显小于静态吸附。

动态吸附的优势：树脂交换容量即卡那霉素
吸附总量大、杂质吸附量小。

产生动态吸附的优势的原因：卡那霉素发酵液流经树脂层时，从上到下一层层地发生吸附、解析、再吸附、再解析的动态平衡交换过程，始终与最初上柱液浓度进行平衡。

而静态吸附过程不存在动态吸附解吸的平衡过程，只是达到体系整体的平衡，与最终溶液浓度达到平衡，也就没有明显的竞争吸附过程。

因此，静态离子交换法不如动态离子交换法。

表 5 不同类型树脂对发酵液静态吸附和动态吸附的特性比较
5） 采用多柱串联动态吸附洗脱工艺提取发酵液中的卡那霉素
整个多柱吸附过程的卡那霉素A 组份总回收率达到94%，卡那霉素B 组份的总回收率达到98%以上。

图4为操作流程和设备。

表6 三柱串联吸附实验结果
树脂柱 卡A 组分吸附量 (*104
U/ml 树脂) 卡B 组分吸附量
(*104
U/ml 树脂) 杂质吸附量 (*104
U/ml 树脂)
卡B 组分富集率
% D-186 18.72 1.08 3.0 5.45 732 12.00 0.11 6.0 0.91 732
10.26
未检出
4.0
注：取发酵液(卡A 组分7200u/ml ；卡B 组分200u/ml ；杂质5500u/ml ；pH7.0)，
在恒定流速1.67ml/min 的条件下连续进料流过树脂层。

图4 动态吸附、洗脱工艺提取发酵液中的卡那霉素操作流程和设备
图5从发酵液中分离提取卡那霉素A、B组分的物料流程
图6 从结晶母液中分离提取卡那霉素A、B组分的物料流程
（2）西索米星的离子交换树脂提取
以从发酵液中提取西索米星为例说明如何选择合理的离子交换操作条件：西索米星为弱
碱性生物有机碱（图7），分子中含有四个氨基，在水溶液中存在四级离解平衡。

选用强酸性阳离子交换树脂，或选用弱酸型阳树脂均可达到吸附西索米星阳离子的目的。

在提取西索米星时，弱酸型阳树脂比强酸型阳树脂更为有利，具有吸附量高、与西索米星阳离子作用力较弱、易洗脱、洗脱液高峰集中等优点。

图7 抗生素西索米星的结构式
图8所示的西索米星分子在不同pH 条件下各价态的分布情况。

研究结果显示，西索米星是一种多元水溶性弱碱性抗生素，在不同pH 值的水溶液体系中能以不同的电化学状态存在，不同价态离子呈现多级解离平衡状态，因西索米星分子中含有4个氨基，在水溶液中存在四级解离平衡，随着溶液的pH 值由高到低而出现逐级解离。

当pH ≥9.7时 西索米星99％以上以0价存在，当pH 降至8.0时，0价降为61.3％，而＋1价升至33.2％，并开始有5％的西索米星处于＋2价；
当pH 处于西索米星发酵结束时正常的pH 条件（如7.2～7.4）时，约75％的西索米星以＋1和＋2价的形式存在；
当pH 值降至菌体生长初期时的生理pH 条件下（6.6～6.8），则＋2和＋3价形式占75％以上，并有5％～10％的＋4价。

当pH ≤4.6时有96.2％是以＋4价存在，其余的均以＋3价形式存在。

-0.20
0.2
0.4
0.60.8
1
1.2
0.00
2.00 4.00 6.00
8.0010.0012.00pH 分布系数siso4+siso3+
siso2+siso1+siso0
图5不同pH条件下西索米星各价态的分布曲线
利用离子交换树脂提取西索米星的合适pH值必须满足三个条件：使西索米星能解离成阳离子、使树脂能离子化、西索米星的组成结构维持稳定。

在不同pH值时，西索米星呈不同的化学价态存在。

当pH 7.0～8.0时，西索米星主要以低价态存在。

在pH > 8.0条件下，存在零价分子，不带电荷的西索米星分子不能吸附在树脂上，导致西索米星提取率下降。

在pH < 7.0时，西索米星高价态离子浓度增加，将导致阳离子树脂工作交换量下降。

另一方面，DK110等弱酸型阳离子交换树脂的功能团中的活性离子为-COOH，pK 4～6。

当pH＞pK时，随pH上升，树脂离子化程度上升。

因此，采用DK110树脂提取西索米星时，溶液PH值选择在7.0左右较合适。

参考文献
1.俞俊棠等.《生物工艺学》（上），华东理工大学出版社，1994年；
2.严希康，《生化分离技术》，华东理工大学出版社，1996年；
3.钱庭宝，《离子交换剂应用技术》，天津科学技术出版社
4.李忠琴，硕士论文。