生物分离工程吸附和离子交换[可修改版ppt]
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生物分离工程吸附和 离子交换
吸附操作
表面能发生吸附作用的 固体，一般为多孔微粒 或多孔膜，具有较大比 表面积，也称吸附介质
利用固体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,以除去有害 成分或分离回收有用目标产物的过程。
吸附是一种固体表面现象，只有那些具有较大内表面的 多孔性固体才具有吸附能力
（2）pH 值的影响 在酸性溶液中吸附能力大,PH>6.8 吸附 能力较差
（3）温度 低温吸附时,未达吸附平衡前 吸附量随温度升高而增加
硅胶
─具有多孔网状结构,极性吸附剂，可吸附非极 性和极性化合物
─化学惰性，具有较大的吸附量，易制备不同类 型的多孔硅胶
─活性与含水量有关:含水量低，活性强；反之， 弱；使用前需活化
天然产物的分离 生物碱，黄酮，多糖，苷类
生化药物 酶、氨基酸、蛋白质、肽，甾体
凝胶型吸附剂
多孔性纤维素、琼脂糖凝胶、葡聚糖凝 胶、聚丙烯酰胺凝胶 （详见 chapter 7)
吸附剂性能的评价
（１）孔径 • 适当的孔径有利于溶质在孔隙中的扩散，提高吸 附容量和吸附操作速度
（２）比表面积：每克吸附剂所具有的表面积 • 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。 • 增加比表面积的方法：a.粉碎成小颗粒 b.吸附 剂的活化
一、吸附剂
吸附剂的分类
孔道结构
吸附剂
多孔型 凝胶型
多孔吸附剂 活性炭 硅胶 大网格聚合物类吸附剂
活性炭－经典吸附剂
特点：非极性吸附剂，吸附能力强，易吸附非极性或 极性小的有机物，在水中吸附能力大于有机溶剂
形式：粉末活性炭和颗粒活性炭 应用：助滤、脱色、去热源、除臭
活性炭对物质的吸附规律
（1)活性炭对不同吸附物的吸附力大小情况： 碳链长的脂肪酸>碳链短的脂肪酸 ; 多糖>单糖; 多肽>氨 基酸; 芳香族化合物>脂肪族化合物 对相对分子量大的化合物>相对分子量小的化合物
─具有微酸性，适用于分离酸性和中性物质,用于 芳香油,萜类,脂肪类,氨基酸等的分离
大网格聚合物类吸附剂 （大孔网状吸附树脂）
种类：多孔性聚苯乙烯和多孔性聚酯树脂 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、再生容易 应用:抗生素(如头孢菌素等)和维生素B12等的分离浓
活化吸附，
项目
物理吸附
类型 化学吸附
不可逆
离子交换吸附
作用力
范德华力
化学键力
静电引力
吸附热
较小，接近液化热
较大，接近反应热
脱附条件
调节温度、pH 和盐浓度 可破坏化学键的洗脱剂 调节 pH 或提高离
子强度
选择性
选择性差
选择性高
选择性高
吸附速度
较快，需要的活化能小 慢，需要一定活化能
不一定
吸附层
单分子 or 多分子层
离子交换的特点 分辨率高、工作容量大且易于操作
概述
吸附分离技术在生物分离中的应用
原料液脱色、除臭
目标产物的提取、浓缩和粗分离
─
如蛋白质、多肽、核酸及大部分发酵产物
分离纯化，在生化分离中约有75%的工艺采
用离子交换法
概述
吸附法的特点：
❖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；
多孔性醋酸乙烯树脂
---6
7---400
氧化铝 硅藻土颗粒吸附剂
硅藻土矿
大孔网状吸附树脂的分类
非极性吸附树脂：苯乙烯交联而成，交联剂为 二乙烯苯，又称芳香族吸附剂。
中等极性吸附树脂：甲基丙烯酸酯交联而成， 交联剂亦为甲基丙烯酸酯，故又称脂肪族吸附 剂。
极性吸附树脂：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。
（2）弱酸性物质用碱解吸（成盐） （3）弱碱性物用酸解吸（成盐） （4）高盐吸附时用水解吸（降低离子强度，降低吸附量） （5）易挥发溶质用热水或蒸汽解吸
大孔吸附树脂的应用
抗生素分离纯化（再生容易、产品灰分少） β—内酰胺类、大环内酯类、氨基糖贰类、肽类、 博莱霉素类、含氮杂环类及其他新抗生素
维生素的提取纯化 VB12，VB2，VC
单分子层
单分子层
概述
分离工程中的吸附操作
物理吸附
• 吸附量的多少取决于溶质与吸附剂极性的相似性和溶 剂极性。
离子交换吸附（简称离子交换，Ion exchange）
• 基于离子交换原理的吸附操作
概述
离子交换法的基本概念
通过溶液中带电的溶质分子与离子交换剂中可交 换的离子进行交换，利用其静电作用力的差异而 达到分离纯化的方法。
概述
吸附剂对溶质 的吸附作用力
吸附的类型
物理吸附
吸附剂和吸附物通过分子力产生的吸附
化学吸附
吸附剂表面活性点与吸附物之间发生化 学键合,产生电子转移的现象
离子交换吸附
离子交换剂表面键合的离子基团通过静 电引力吸附带相反电荷的离子,发生电 荷转移
概述
又称范德华 吸附，是一
常见的各种吸附类种型可的逆 主过 程要。特点
❖对溶质的作用较小，这一点在蛋白质分离中特别重 要；
❖可直接从发酵液中分离所需产物，成为发酵与分离 的耦合过程，从而消除产物抑制；
概述
吸附法的特点：
优点： • 有机溶剂掺入少 • 操作简便，安全，设备简单 • 适于稳定性差的物质
缺点： • 吸附选择性差 • 收率低 • 无机吸附剂性能不稳定
第一节 吸附分离介质
缩过程。
表 6．1 生物分离中常用的多孔吸附剂
Leabharlann Baidu
平均孔径／nm 比表面积／(m2／g)
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
优良的吸附剂通常应具备以下特征
对被分离的物质具有较强的吸附能力 有较高的吸附选择性 机械强度高 再生容易、性能稳定 价格低廉。
影响吸附过程的因素
（1）吸附剂的特性（比表面积、粒度、极性大小、活化条 件）
大孔吸附树脂吸附规律
（1） 非极性吸附剂从极性溶剂中吸附非极性物质 （2） 高极性吸附剂从非极性溶剂中吸附极性物质 （3） 中等极性吸附剂对两种情况均有吸附能力 （4） 水溶液中，同族化合物分子量大，极性弱易吸附 （5） 无机盐促进吸附
大孔吸附树脂解吸规律
（1) 低级醇，酮或其水溶液（a 溶胀聚合物，b 溶解吸附 物，减弱溶质与吸附剂间作用力）
吸附操作
表面能发生吸附作用的 固体，一般为多孔微粒 或多孔膜，具有较大比 表面积，也称吸附介质
利用固体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,以除去有害 成分或分离回收有用目标产物的过程。
吸附是一种固体表面现象，只有那些具有较大内表面的 多孔性固体才具有吸附能力
（2）pH 值的影响 在酸性溶液中吸附能力大,PH>6.8 吸附 能力较差
（3）温度 低温吸附时,未达吸附平衡前 吸附量随温度升高而增加
硅胶
─具有多孔网状结构,极性吸附剂，可吸附非极 性和极性化合物
─化学惰性，具有较大的吸附量，易制备不同类 型的多孔硅胶
─活性与含水量有关:含水量低，活性强；反之， 弱；使用前需活化
天然产物的分离 生物碱，黄酮，多糖，苷类
生化药物 酶、氨基酸、蛋白质、肽，甾体
凝胶型吸附剂
多孔性纤维素、琼脂糖凝胶、葡聚糖凝 胶、聚丙烯酰胺凝胶 （详见 chapter 7)
吸附剂性能的评价
（１）孔径 • 适当的孔径有利于溶质在孔隙中的扩散，提高吸 附容量和吸附操作速度
（２）比表面积：每克吸附剂所具有的表面积 • 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。 • 增加比表面积的方法：a.粉碎成小颗粒 b.吸附 剂的活化
一、吸附剂
吸附剂的分类
孔道结构
吸附剂
多孔型 凝胶型
多孔吸附剂 活性炭 硅胶 大网格聚合物类吸附剂
活性炭－经典吸附剂
特点：非极性吸附剂，吸附能力强，易吸附非极性或 极性小的有机物，在水中吸附能力大于有机溶剂
形式：粉末活性炭和颗粒活性炭 应用：助滤、脱色、去热源、除臭
活性炭对物质的吸附规律
（1)活性炭对不同吸附物的吸附力大小情况： 碳链长的脂肪酸>碳链短的脂肪酸 ; 多糖>单糖; 多肽>氨 基酸; 芳香族化合物>脂肪族化合物 对相对分子量大的化合物>相对分子量小的化合物
─具有微酸性，适用于分离酸性和中性物质,用于 芳香油,萜类,脂肪类,氨基酸等的分离
大网格聚合物类吸附剂 （大孔网状吸附树脂）
种类：多孔性聚苯乙烯和多孔性聚酯树脂 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、再生容易 应用:抗生素(如头孢菌素等)和维生素B12等的分离浓
活化吸附，
项目
物理吸附
类型 化学吸附
不可逆
离子交换吸附
作用力
范德华力
化学键力
静电引力
吸附热
较小，接近液化热
较大，接近反应热
脱附条件
调节温度、pH 和盐浓度 可破坏化学键的洗脱剂 调节 pH 或提高离
子强度
选择性
选择性差
选择性高
选择性高
吸附速度
较快，需要的活化能小 慢，需要一定活化能
不一定
吸附层
单分子 or 多分子层
离子交换的特点 分辨率高、工作容量大且易于操作
概述
吸附分离技术在生物分离中的应用
原料液脱色、除臭
目标产物的提取、浓缩和粗分离
─
如蛋白质、多肽、核酸及大部分发酵产物
分离纯化，在生化分离中约有75%的工艺采
用离子交换法
概述
吸附法的特点：
❖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；
多孔性醋酸乙烯树脂
---6
7---400
氧化铝 硅藻土颗粒吸附剂
硅藻土矿
大孔网状吸附树脂的分类
非极性吸附树脂：苯乙烯交联而成，交联剂为 二乙烯苯，又称芳香族吸附剂。
中等极性吸附树脂：甲基丙烯酸酯交联而成， 交联剂亦为甲基丙烯酸酯，故又称脂肪族吸附 剂。
极性吸附树脂：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。
（2）弱酸性物质用碱解吸（成盐） （3）弱碱性物用酸解吸（成盐） （4）高盐吸附时用水解吸（降低离子强度，降低吸附量） （5）易挥发溶质用热水或蒸汽解吸
大孔吸附树脂的应用
抗生素分离纯化（再生容易、产品灰分少） β—内酰胺类、大环内酯类、氨基糖贰类、肽类、 博莱霉素类、含氮杂环类及其他新抗生素
维生素的提取纯化 VB12，VB2，VC
单分子层
单分子层
概述
分离工程中的吸附操作
物理吸附
• 吸附量的多少取决于溶质与吸附剂极性的相似性和溶 剂极性。
离子交换吸附（简称离子交换，Ion exchange）
• 基于离子交换原理的吸附操作
概述
离子交换法的基本概念
通过溶液中带电的溶质分子与离子交换剂中可交 换的离子进行交换，利用其静电作用力的差异而 达到分离纯化的方法。
概述
吸附剂对溶质 的吸附作用力
吸附的类型
物理吸附
吸附剂和吸附物通过分子力产生的吸附
化学吸附
吸附剂表面活性点与吸附物之间发生化 学键合,产生电子转移的现象
离子交换吸附
离子交换剂表面键合的离子基团通过静 电引力吸附带相反电荷的离子,发生电 荷转移
概述
又称范德华 吸附，是一
常见的各种吸附类种型可的逆 主过 程要。特点
❖对溶质的作用较小，这一点在蛋白质分离中特别重 要；
❖可直接从发酵液中分离所需产物，成为发酵与分离 的耦合过程，从而消除产物抑制；
概述
吸附法的特点：
优点： • 有机溶剂掺入少 • 操作简便，安全，设备简单 • 适于稳定性差的物质
缺点： • 吸附选择性差 • 收率低 • 无机吸附剂性能不稳定
第一节 吸附分离介质
缩过程。
表 6．1 生物分离中常用的多孔吸附剂
Leabharlann Baidu
平均孔径／nm 比表面积／(m2／g)
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
优良的吸附剂通常应具备以下特征
对被分离的物质具有较强的吸附能力 有较高的吸附选择性 机械强度高 再生容易、性能稳定 价格低廉。
影响吸附过程的因素
（1）吸附剂的特性（比表面积、粒度、极性大小、活化条 件）
大孔吸附树脂吸附规律
（1） 非极性吸附剂从极性溶剂中吸附非极性物质 （2） 高极性吸附剂从非极性溶剂中吸附极性物质 （3） 中等极性吸附剂对两种情况均有吸附能力 （4） 水溶液中，同族化合物分子量大，极性弱易吸附 （5） 无机盐促进吸附
大孔吸附树脂解吸规律
（1) 低级醇，酮或其水溶液（a 溶胀聚合物，b 溶解吸附 物，减弱溶质与吸附剂间作用力）