离子交换分离原理及设备

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重规矩，严要求，少危险。2020年12 月10日 星期四1 时29分 12秒13 :29:121 0 December 2020
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好的事情马上就会到来，一切都是最 好的安 排。下 午1时29 分12秒 下午1 时29分1 3:29:12 20.12.1 0
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每天都是美好的一天，新的一天开启 。20.12. 1020.1 2.1013:2913:29 :1213:2 9:12De c-20
• Small molecules will take longer to pass down the column than large ones because they travel further
• Can estimate molecular weight by comparison with a standard
淋洗水、解吸液及再生剂进口
被交换溶液进口
废液出口
分布器
反吸附离子交换罐
分布器 淋洗水、解吸液及再生剂出口，反洗水进口
扩口式离子交换器
混合床交换罐制备无机盐的流程
漩涡式连续离子交换设备 筛板式连续离子交换设备
离子交换设备的计算
✓ 罐体积
罐体积Vt： Vt V y
罐高径比一般取Hi/D=2～3。
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加强自身建设，增强个人的休养。202 0年12 月10日 下午1时 29分20 .12.102 0.12.10
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追求卓越，让自己更好，向上而生。2 020年1 2月10 日星期 四下午1 时29分 12秒13 :29:122 0.12.10
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严格把控质量关，让生产更加有保障 。2020 年12月 下午1时 29分20 .12.101 3:29De cember 10, 2020
✓ 交换设备的放大
1.根据交换罐负荷相同的原则放大； 2.根据交换罐中溶液空塔流速相同的原则放大； 3.溶液通过床层的压力降
离子交换的应用及特点
• 应用
1.氨基酸 2.有机酸 3.抗生素 4.生物酶
• 特点
1.树脂无毒且可反复使用 2.少用或不用有机溶剂 3.成本低 4.设备简单 5.操作方便
吸附分离原理及设备
色谱分离设备
带热夹套分离柱
反转式分离柱
色谱分离设备
ÄKTAexplorer ÄKTApurifier ÄKTAFPLC
色谱分离设备
实验室层析和大规模层析的分别
分辨率
实验室
越多峰越好 种类 纯度 定性
上样速度
不注重 次/h
大规模生产
要求纯度 提高分辨率
增加
增加
样品量
产量
(生产力)
(峰越少越好)
Sample: Mixture of Angiotensin II, ribonuclease and insulin
400-fold scale up
Sample load: 0.064 mg/ml medium
Eluent A: 0.1% TFA/0.05 M NaCl
Eluent B: 0.1% TFA/60% n-propanol
Ion Exchange - charge
a) Mixture of proteins is applied to the negatively charged column resin – balanced by Na+ ions (red)
b) -ve and neutral proteins pass in the void volume, +ve proteins stick
– antibody columns - monoclonal antibody attached to column – glutathione column – binds glutathione-S-transferase on target
工业规模的色谱分离流程
色谱分离设备
玻璃色谱分离柱
• 孔结构
离子交换机理及选择性
✓ 离子交换机理
A RB RA B
薄膜
B+
A+
离子交换过程包括5步： 1. A+自溶液扩散到树脂表面； 2. A+从树脂表面扩散到树脂 内部的活性中心；
3. A+在活性中心发生交换反 应；
4. 解吸离子B+自树脂内部的 活性中心扩散到树脂表面；
5. B+从树脂表面扩散到溶液；
离子交换分离原理及设备
➢ 离子交换树脂及其分离原理
✓ 离子交换树脂的分类及合成 ✓ 离子交换树脂的理化性能 ✓ 离子交换机理及选择性
➢ 离子交换装置及再生 ➢ 离子交换设备及计算
✓ 离子交换设备的结构 ✓ 离子交换设备的计算
离子交换树脂的分类
• 按树脂骨架的主要成分分为聚苯乙烯型树脂、聚丙 烯酸型树脂、酚-醛型树脂等； • 按聚合的化学反应分为共聚型树脂和缩聚型树脂； • 按树脂骨架的物理结构分为凝胶型树脂(微孔树脂)、 大网络树脂(大孔树脂)及均孔树脂； • 按树脂的酸碱性分为强酸性、弱酸性阳离子交换树 脂和强碱性、弱碱性阴离子交换树脂。
离子交换机理及选择性
✓ 离子交换机理
Equilibration
Sample application and wash
Elution
Regeneration
+-- ++--+++a e b -n x e --c i a o h d n a n g e r -++-+-+++----- -+-- -+++----+--+-- -- +-----+-+-----+++- - -+-----+---+---+-------++----
• 颗粒度：大多数为球形，直径0.2～1.2mm； • 交换容量：表示方法有质量交换容量(mmol/g树
脂)和体积交换容量(mmol/mL树脂)；此外还有工作 交换容量和再生交换容量；
• 机械强度 • 膨胀度 • 含水量及密度：含水量一般是0.3～0.7g/g干树脂)；
湿堆积密度和湿真密度一般为600～850kg/m2和1100～ 1400kg/m2；
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务实，奋斗，成就，成功。2020年12 月10日 星期四1 时29分 12秒T hursday , December 10, 2020
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抓住每一次机会不能轻易流失，这样 我们才 能真正 强大。2 0.12.10 2020年 12月10 日星期 四1时2 9分12 秒20.12. 10
谢谢大家！
离子交换机理及选择性
✓ 离子交换过程的选择性
• 离子的水化半径 • 离子的化合价 • 溶液的酸碱度 • 交联度、膨胀度和分子筛 • 树脂与交换离子之间的辅助力 • 有机溶剂的影响
离子交换装置及再生
✓离子交换装置
单床式 多床式
复床式
混合床式
料液
料液
料液
料液
处理液
处理液
处理液
处理液
离子交换装置及再生
几类树脂性能的比较
类型
阳离子交换树脂
性能
强酸性 弱酸性
阴离子交换树脂 强酸性 弱酸性
活性基团 磺酸
羧酸
季胺 伯胺、仲胺
pH的影响 无
酸性交换力小 无
碱性交换力小
盐的稳定性 稳定
洗涤时水解 稳定 洗涤时水解
再生剂用量 3～5倍 1.5～2倍
3～5倍 1.2～2倍
交换速率 快
慢
快
慢
离子交换树脂的理化性能
• 吸附分离机理
吸附法是利用合适的吸附剂，在一定的操作条件 下，使发酵液中的产物被吸附在固定吸附剂的内外表 面上，再以适当的解吸剂将产物从吸附剂上解吸下来， 从而达到分离浓缩的目的。
吸附分离原理及设备
• 吸附剂的选择
吸附剂按其化学结构可分为两大类：一类是有机 吸附剂，如活性炭、球形炭化树脂、聚酰胺、纤维素、 大孔树脂等；另一类是无机吸附剂，如白土、氧化铝、 硅胶、硅藻土等。
最大样品处理速度
生产力=g/ml 胶/h
线性放大
固定以下条件： 1. 相同线行流速 2. 相同缓冲液 3. 相同填料 4. 相同柱高 5. 相同样品浓度和pH 6. 相同样品体积和柱床体积比例 7. 相同梯度体积和柱床体积比例 放大： 1. 柱直径 2. 体积流速 3. 上样体积
切实可行的可放大性
FineLINE 200L
切实可行的可放大性
大型层析柱
• 多种大小,材料可供 选择,柱床体积高达 千多升
• 也可以订做 • 经济型 INdEX 和 层
叠柱 • 制药用BPG 和
CHROMAFLOW 柱 • 极高标准的 BPSS 柱 • 专为 SOURCE 填料 设计的 FineLINE 柱
CHROMAFLOW 自动装卸层析柱
➢ 离子交换分离原理及设备 ➢ 吸附分离原理及设备 ➢ 色谱分离原理及设备
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踏实，奋斗，坚持，专业，努力成就 未来。2 0.12.10 20.12.1 0Thurs day , December 10, 2020
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弄虚作假要不得，踏实肯干第一名。1 3:29:12 13:29:1 213:29 12/10/2 020 1:29:12 PM
• 装卸柱到清洗都无需 打开柱头
• 安全,重复性高 • 节省人力
Chromaflow 自动装卸填料生产柱示范录像
STREAMLINE 扩张柱床吸附技术
• 配合STREAMLINE填料和层析柱使用 • 粗样无需离心，过滤，直接上柱 • 层析法回收率高，选择性多，可自动化 • 取代离心和超滤设备
小结
✓再生方式
料液
再生液
料液
废液
处理液 废液
顺流再生
处理液 再生液
逆流再生
离子交换装置及再生
✓再生方式
料液
再生液
料液
再生液
废液
废液
处理液 再生液
对流逆流再生
处理液 再生液
对流再生
离子交换装置及再生
✓再生操作
交换 反洗 再生 水洗 交换
料液
废水
再生水
正洗水
料液
处理液
反洗水
再生废液
废水
动画演示
处理液
离子交换装置及再生
• 吸附操作及设备
1.搅拌罐内的吸附操作 2.固定床吸附
色谱分离原理及设备
➢ 色谱分离原理 ➢ 色谱分离操作条件 ➢ 色谱分离设备
Column Chromatography
实验室规模空柱装柱示范录像
Gel Filtration -size
• Resin has fixed size pores which allow molecules smaller than a given size to enter
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安全象只弓，不拉它就松，要想保安 全，常 把弓弦 绷。20. 12.1013 :29:121 3:29De c-2010 -Dec-2 0
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重于泰山，轻于鸿毛。13:29:1213:29:1 213:29 Thursd ay , December 10, 2020
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不可麻痹大意，要防微杜渐。20.12.10 20.12.1 013:29:1213:2 9:12De cember 10, 2020
ÄKTA™ explorer10
A 280 nm
23.6-ml column A 280 nm
2.0
2.0
1.0
1.0
BioProcess
SOURCE 30RPC
Biblioteka Baidu
9.4-litre column
Column: SOURCE 30RPC, a) 10x300 mm (23.6 ml) b) FineLINE 200L, 100x300 mm (9.4 l)
c) Excess of Na+ ions is added
d) +ve proteins are eluted
CATION EXCHANGE
Could have used change in pH to elute the proteins
Affinity Chromatography
• Uses specific binding property to attach protein to column • Increase concentration of ligand to elute the protein • Examples:
Flow rate: 150 cm/h a) 2 ml/min b) 785 ml/min
Gradient: 20-70% B, 5 column volumes
0
0
1
2
3
4
5
6
(column volumes)
10 mm diameter column
0
0
1
2
3
4
5
6
(column volumes)
✓再生操作
混合床再生的操作过程
具有多孔支持板的离子交换罐
圆筒体的高径比一般为 2～3，树脂层高度约为圆 筒高度的50 ～70％。
1-视镜 2-进料口 3-手口 4-液体分布器 5-树脂层 6-多孔板 7-尼龙层 8-出液口
具有块石支持层的离子交换罐
1-进料口 2-视镜 3-液位计 4-树脂层 5-卵石层 6-出液口