生物分离工程-吸附和离子交换
生物工程下游技术 第七章 吸附与离子交换法
由于离子交换法分辨率高、工作容量大且易于 操作，它已成为蛋白质、多肽、核酸及大部分
发酵产物分离纯化的一种重要方法，在生化分
离中约有75%的工艺采用离子交换法。
离子交换树脂
其结构由三部分组成：
1.不溶性的三维空间网状结构构成的树脂骨架，
使树脂具有化学稳定性；
2.是与骨架相联的功能基团；
3.是与功能基团所带电荷相反的可移动的离子，
蛋白质等生物大分子的分离提取也有应用。
“离子交换树脂之父”何炳林
1942年毕业于西南联合大学 1952年获美国印第安纳大学博士学位南
开大学教授
1980年当选为中国科学院院士 开创并发展了我国的离子交换树脂和吸 附工业，发明了大孔离子交换树脂，系 统研究了新型离子交换树脂和大孔新型
吸附树脂的合成、结构、性质及应用。
吸附剂性质：
吸附容量（a 比表面，b 空隙度） 吸附速度（a 粒度，b 孔径分布） 机械强度（使用寿命）
吸附物性质:
（1）表面张力降低的物质 （2）溶质在易溶解的溶剂中吸附量小 （3）极性吸附剂易吸附极性物质 （4）同系物极性越小，越易被非极性吸附剂吸附
溶液pH 的影响 （解离度） 温度的影响 （吸附热，溶解度） 其它组分的影响（促进，干扰，互不影响）
纯化方式
对生物大分子进行分离纯化，可采用两种方式： ①将目的产物离子化，被交换到介质上，杂质 不被吸附而从柱流出，目的产物经洗脱收集称 为正吸附。
②将杂质离子化后被交换，而目的产物不被交
换直接流出，这种方式称为负吸附。
操作方式
离子交换法按操作方法可分为间歇式分批操作和柱
离子交换分离与吸附分离
离子交换分离与吸附分离学生：李吉清指导教师：罗川南一、离子交换分离法1、概念利用离子交换树脂作为吸附剂，将溶液中的待分离组分，依据其电荷差异，依靠库仑力吸附在树脂上，然后利用合适的洗脱剂将吸附质从树脂上洗脱下来，达到分离的目的。
2、离子交换树脂的构成（1）具有三维空间离体结构的网络骨架（2）联接在骨架上的活性基团（3）活性基团所带的相反电荷的活性离子（可交换离子）3、离子交换的分类按活性基团分类，可分为阳离子交换树脂(cation exchange)（含酸性基团）和阴离子交换树脂(anion exchange)（含碱性基团）。
具体又可以分为：强阳、弱阳和强阴、弱阴4、常用的离子交换树脂（1）强酸性阳离子交换树脂：活性基团是-SO3H（磺酸基）和-CH2SO3H（次甲基磺酸基）；（2）弱酸性阳离子交换树脂：活性基团有-COOH，-OCH2COOH，C6H5OH 等弱酸性基团；（3）强碱性阴离子交换树脂：活性基团为季铵基团，如三甲胺基或二甲基-ß-羟基乙基胺基；（4）弱碱性阴离子交换树脂：活性基团为伯胺或仲胺，碱性较弱；5、新型离子交换树脂（1）大孔离子交换树脂大孔离子交换树脂具有和大孔吸附剂相同的骨架结构，在大孔吸附剂合成后（加入致孔剂），再引入化学功能基团，便可得到大孔离子交换树脂。
（2）多糖基离子交换树脂固相载体为多糖类物质，亲水性强、交换空间大、对生物大分子物致变性作用主要的多糖基离子交换树脂（a）离子交换纤维素树脂骨架为纤维素，根据活性基团的性质可分为阳离子交换纤维素和阴离子交换纤维素两类。
特点：骨架松散、亲水性强、表面积大、交换容量大、吸附力弱、交换和洗脱条件温和、分辨率高常用的离子交换纤维素有：甲基磺酸纤维素、羧甲基纤维素（CMC）、二乙基氨基乙基纤维素（DEAE）（b）葡聚糖凝胶离子交换树脂骨架为葡聚糖凝胶，如sepharose、sephadex，根据功能基团的不同，亦可分为阳离子交换和阴离子交换树脂命名方法：交换活性基团+骨架+原骨架编号特点：除了具有离子交换功能以外，兼有分子筛的功能，提高了分离的效率常用的葡聚糖凝胶离子交换树脂：CM-sephadex C-25、DEAE-sephadex A-25等6、离子交换树脂的理化性能（1）外观：球形、浅色为宜，粒度大小为16~60目>90%；（2）机械强度：>90%；（3）含水量：0.3~0.7g/g 树脂；（4）交换容量：重量交换容量、体积交换容量、工作交换容量或称表观交换容量（在某一条件下）；（5）稳定性：化学稳定性、热稳定性；（6）膨胀度：交联度、活性基团的性质与数量、活性离子的性质、介质的性质和浓度、骨架结构；（7）湿真密度：单位体积湿树脂的重量；（8）孔度、孔径、比表面积7、影响交换速度的因素（1）颗粒大小：愈小越快（2）交联度：交联度小，交换速度快（3）温度：越高越快（4）离子化合价：化合价与高，交换越快（5）离子大小：越小越快（6）搅拌速度：在一定程度上，越大越快（7）溶液浓度：当交换速度为外扩散控制时，浓度越大，交换速度越快8、离子交换的选择性离子交换常数：交换势或交换系数[R-A]、[R-B]表示结合在树脂上的A 离子和B 离子浓度[A]S 、[B]S 表示溶液中A 离子和B 离子 9、影响离子交换选择性的因素（1）水合离子半径：半径越小，亲和力越大；（2）离子化合价：高价离子易于被吸附；（3）溶液pH ：影响交换基团和交换离子的解离程度，但不影响交换容量；（4）离子强度：越低越好；（5）有机溶剂：不利于吸附；（6）交联度、膨胀度、分子筛：交联度大，膨胀度小，筛分能力增大；交联度小，膨胀度大，吸附量减少；（7）树脂与粒子间的辅助力：除静电力以外，还有氢键和范德华力等辅助力；10、离子交换操作方法（1） 树脂预处理物理处理：水洗、过筛，去杂，以获得粒度均匀的树脂颗粒；化学处理：转型（氢型或钠型）阳离子树脂 酸—碱—酸阴离子树脂 碱—酸—碱最后以去离子水或缓冲液平衡（2） 离子交换吸附静态：操作简单、但是分批操作，交换不完全动态：离子交换柱，操作连续、交换完全，适宜多组份分离柱式固定床（3） 洗脱离子交换完成后，将树脂吸附的物质重新转入溶液的方法ssB A B A R A B R K ]][[]][[−−=洗脱方法（a）改变溶液pH值（b）改变溶液离子强度（4）再生是指是离子交换树脂重新具有交换能力的过程酸性阳离子树脂酸-碱-酸-缓冲溶液淋洗碱性阴离子树脂碱-酸-碱-缓冲溶液淋洗方式有：顺流再生和逆流再生二吸附分离法1、吸附定义（1）、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的过程。
生物分离工程名词解释
凝聚：指在投加的化学物质（铝、铁的盐类或石灰等）作用下，胶体脱稳并使粒子相互聚集成１mm 大小块状凝聚体的过程。
PPT电泳：荷电的胶体粒子在电场中的移动。
PPT或者：荷电溶质（电解质）或粒子在电场作用下发生定向泳动的现象P362电泳迁移率（mobility）:在电位梯度E的影响下，带电颗粒在时间t中的迁移距离d。
PPT或者：单位电场强度下的电泳速度。
P363膜分离的概念：利用膜的选择性（孔径大小），以膜的两侧存在的能量差作为推动力，由于溶液中各组分透过膜的迁移率不同而实现分离的一种技术。
PPT 或者：利用具有一定选择性透过特性的过滤介质进行物质的分离纯化。
P56离子交换: 在吸附剂与溶液间发生离子交换，即吸附剂吸附离子后，它同时要放出等当量的离子于溶液中。
PPT亲和层析：是利用生物分子对之间所具有的专一而又可逆的亲和力使生物分子分离纯化的技术。
PPT过滤：是在外力作用下，利用过滤介质使悬浮液中的液体通过，而固体颗粒被截留在介质上，从而实现固液分离的一种单元操作。
PPT或者：利用薄片形多孔性介质（如滤布）截留固液悬浮液中的固体粒子，进行固液分离的方法。
P20沉降：离心分离是基于固体颗粒和周围液体密度存在差异，在离心场中使不同密度的固体颗粒加速沉降的分离过程，当静置悬浮液时，密度较大的固体颗粒在重力作用下逐渐下沉，这一过程称为沉降。
PPT重结晶：是利用杂质和结晶物质在不同溶剂和不同温度下的溶解度不同，将晶体用合适的溶剂再次结晶，以获得高纯度的晶体的操作。
PPT分辨率：也称分离度。
它是指相邻两色谱保留值之差与两峰底宽平均值之比。
PPT晶体：形成新相（固体）需要一定的表面自由能。
因此，溶液浓度达到饱和溶解度时，晶体尚不能析出，只有当溶质浓度超过饱和溶解度后，才可能有晶体析出。
溶液达到过饱和状态是结晶的前提；过饱和度是结晶的推动力。
PPT分子伴侣：是一种热休克蛋白质，在体内和体外都具有抑制蛋白质伸展肽链错误折叠和聚集、促进肽链折叠成天然活性肽的作用。
吸附与离子交换
4.3大孔性 吸附树脂
（1）大孔性树脂的结构
大孔吸附树脂是一种不含交换基团的, 具有 大孔结构的高分子吸附剂。通常大孔性树 脂是聚苯乙烯和二乙烯苯的共聚物，它们 具有多孔性的巨大网状结构。
(2)大孔网状 吸附树脂的
种类
01
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。
02
两性树脂：同时含有酸、碱两种基团的树脂； 均孔型离子交换树脂：主要是阴离子型凝胶离子交换树脂，孔径均匀，交换容量高、机
械强度好； 螯合树脂：树脂上含有具有螯合能力的集团，既可以形成离子键，又可以形成配位键；
主要用于脱除金属离子.如：国产 #401型是属于氨羧基［－N（CH2COOH）2］ 多糖基离子交换树脂：固相载体为多糖类物质，亲水性强、交换空间大、对生物大分子
方法：
将浆状吸附剂添加到装有溶液的搅拌反应 罐中，初始抽提物和蛋白质都有可能被吸 附到吸附剂上，并逐个分离。
步骤
吸附剂与溶液混合（吸附）→吸附剂 与溶液分离→淋洗（洗涤杂质）→抽 干→解吸
Ps：典型吸附剂有磷酸纤维素、亲和 吸附剂、免疫吸附剂等。
5.2连续搅拌罐中的吸附
（2）特点
一．罐内浓度＝出口液浓度
变T、pH、盐浓度等物理条件解吸。）
#2022
2.2.2 化学吸附
2.2.3交换吸附
一．原理：离子交换剂通过静电引力吸附溶液中带相反电荷的离子，吸 附过程发生电荷转移。
二．特点： 三．离子电荷越多，越易被吸附。 四．电荷相同，离子水合半径越小，越易被吸附。 五．一般通过调pH或增加离子强度进行洗脱。
02 1.1定义：
利用离子交换树脂作为吸 附剂，将溶液中的待分离 组分，依据其电荷差异， 依靠库仑力吸附在树脂上， 然后利用合适的洗脱剂将 吸附质从树脂上洗脱下来， 达到分离的目的。
6吸附与离子交换分离
球基棉纤维分离
巯基棉可以定量吸附水溶液中多种微量重 金属离子和某些非金属离子，具有富集倍数 大、吸附效率高、吸附速度快、选择性强、 解脱性能好、制备简单、操作简便和易于推 广等优点。
nRSH Men [RS] Me nH n
巯基纤维素的制备
巯基棉纤维是将巯基(HS-)连接在棉花的大 分子链上而制成。它的吸附性能取决于棉花 纤维比表面上巯基的数量。
聚氨酯泡沫塑料
泡沫塑料广泛用于各种介质中痕量无机及 有机化合物的富集分离，即它们可在稀溶液 中选择吸附多种有机和无机化合物，如油、 苯、三氯甲烷、苯酚以及I2、Hg（Ⅱ）、Au （Ⅲ）、Fe（Ⅲ）、Sb（Ⅴ）、Tl（Ⅲ）、 Re（Ⅲ）、Mo（Ⅵ）、U（Ⅵ）等。
聚氨基甲酸乙酯泡沫塑料对Au、Tl的吸附
填料的特性：交换容量、比表面大小 装填情况： 操作条件：流速
l 迎头分析：测定吸附剂的吸附特性等 物化研究。
l 净化分离：如气体净化、去离子水制 备等；在分析上可用来吸附基体成分或 痕量待测组分。
2）顶替法（displacement development）
混合样
加样
顶替剂
分离结果
将混合物样品加到分离柱后，然后用亲和力大的顶替剂
用量？ 操作？ II 高纯金属微量杂质的分离分析
分子筛分离
分子筛是一种晶态的金属硅铝酸盐矿物。它 具有高度选择性吸附性能，是由于其结构形成 许多与外部相通的均一微孔。凡是比分子筛孔 径小的分子可通入孔道中，而较大者则留在孔 外，借此筛分各种分子大小不同的混合物。
分子筛主要用于气态物的分离和有机溶剂痕 量水的除去。实验室一般采用4-5A的分子筛。
（1）在光度分析中的应用
一般认为，壳聚糖能通过分子中的氨基，羟基与金属离子 Hg2+，Ni2+，Pb2+，Cd2+，Cr3+，Mg2+，Zn2+，Cu2+，Fe3+都可形 成稳定的螯合物。在分析测试中也可以用于复杂样品中痕量 金属元素的分离富集。
【生物课件】第十章 离子交换、吸附与层析分离设备
【生物课件】第十章离子交换、吸附与层析分离设备离子交换和吸附、层析的内容是很丰富的，机理是多种多样的。
根据物质吸附性质的不同，可用吸附法进行分离；根据分子电离（电负性）的差异，可用离子交换法、电泳法和等电聚焦法等进行分离；根据分子形状和大小的不同，可用凝胶过滤层析、膜分离、超滤法等分离；根据配体特异性的不同，可用亲和层析法进行分离。
本章主要就工业上较常用的离子交换、吸附与层析的原理及设备进行叙述。
离子交换法是应用合成的离子交换剂作为吸附剂，将溶液中的物质，依靠库仑力吸附在交换剂上，然后用合适的洗脱剂将吸附物质从交换剂上洗脱下来，达到分离、浓缩、提纯的目的。
生物工业中最常用的交换剂为离子交换树脂。
离子交换树脂是能在水溶液中交换离子的固体，其分子可以分成三个部分：－部分是交联的具有三维空间立体结构的网络骨架，通常不溶于酸、碱和有机溶媒，化学稳定性良好；一部分是联结在骨架上的功能基（活性基）；一部分是活性基所带的相反电荷的离子，称为可交换离子。
惰性不溶的网络骨架和活性基联成一体，不能自由移动。
活性离子则可以在网络骨架和溶液间自由迁移。
当树脂发生离子交换时，其上的活性离子与溶液中的同性离子，按与树脂的化学亲和力不同产生交换过程。
最先在工业上应用的离子交换树脂是无机类高分子，叫硅酸铝钠，俗称泡沸石，继而发现了磺化煤和磺化酚-醛树脂，以及后来发现的苯乙烯-二乙烯苯共聚体和铵盐型苯乙烯-二乙烯苯共聚体等。
这些品种的树脂交换量、化学稳定性和物理稳定性都不太理想，后来在50年代发现的新型大孔离子交换树脂，由于其良好的稳定性、较高的交换容量而被广泛的应用。
离子交换的一般流程如下：（1）原料液的预处理，使得流动相易于被吸附剂吸附；（2）原料液和离子交换树脂的充分接触，使吸附进行；（3）淋洗离子交换树脂，以去除杂质；（4）把离子交换树脂上的有用物质解吸并洗脱下来；（5）离子交换树脂的再生。
离子交换技术是分离精制生物产品的主要工业手段之一，如细胞色素C的精制用弱酸性阳离子交换树脂；ADP与ATP可用强碱性阴离子交换树脂进行分离精制；弹性酶（Elastase）用Amberlite CG-50树脂进行分离；肝素、硫酸软骨素等用多孔型或大孔型强碱性阴离子交换树脂进行分离；胰岛素的分离纯化用DEAE-C（阴离子交换纤维素）等。
生物分离工程考试重点
一、名词解释：生物分离工程：是从微生物、动植物细胞及其生物化学产物中提取有用物质的技术。
过滤：是指在某一种支撑物上放置过滤介质，注入含固体颗粒的溶液，是液体通过固体颗粒留下，是固液分离的常用方法之一。
凝集：是指在某些电解质作用下，使扩散双电层的排斥电位降低，破坏胶体系统的分散状态，而使胶体粒子聚集的过程。
絮凝：是指在某些高分子絮凝剂存在下，在悬浮粒子之间产生架桥作用而使胶粒形成粗大的絮凝团的过程。
离心分离：离心分离是基于固体颗粒和周围液体密度存在差异，在离心场中使不同密度的固体颗粒加速沉降的分离过程，当静置悬浮液时，密度较大的固体颗粒在重力作用下逐渐下沉，这一过程也称为沉降。
离心过滤：是将料液送入有孔的转鼓并利用离心力场进行过滤的过程，以离心力为推动力完成过滤作业，兼有离心和过滤的双重作用。
萃取：利用溶质在互不相溶的两相之间分配系数的不同而使溶质得到纯化或浓缩的方法。
至少有一相为液相。
吸附：一种物质从一相移动到另外一相的现象称为吸附。
如果吸附仅仅发生在表面上，就称为表面吸附；如果被吸附的物质遍及整个相中，则称为吸收。
吸附等温线：固体吸附剂从溶液中吸附溶质达到平衡时，其吸附量与溶质浓度和温度有关。
当温度一定时，吸附量与浓度之间的函数关系。
膜：在一种流体相间有一层薄的凝聚相物质，把流体相分隔开来成为两部分，这一薄层物质称为膜。
膜本身是均一的一相或由两相以上凝聚物构成的复合体。
膜污染：原料液中的微粒或大分子与膜有理、化或机械作用而引起的在膜表面或孔内吸附、沉积造成膜孔径变小甚至堵塞的不可逆现象。
浓差极化：膜表面的浓度高于主体浓度的现象。
（是可逆的）蒸发：使含有不挥发性溶质的溶液沸腾汽化并移出蒸气，从而使溶液中溶质浓度提高的单元操作称为蒸发。
结晶：是从液相或气相生成形状一定、分子（或原子、离子）有规则排列的晶体的现象。
是新相生成的过程；是利用溶质之间溶解度的差别进行的一种分离操作。
重结晶：利用杂质和结晶物质在不同溶剂和不同温度下的溶解度不同，将晶体用合适得溶剂溶解再次结晶，从而使其纯度提高。
生物分离工程 第六章综合测试
第六章吸附与粒子交换一、名词解释吸附剂：吸附操作所使用的固体材料一般为多孔微粒或多孔膜，具有很大的比表面积，称为吸附剂或吸附介质。
物理吸附：物理吸附基于吸附剂与溶质之间的分子间力，即范德华力，可以是单分子层吸附，也可以是多分子层吸附。
被背媳妇的介质可以通过改变温度、PH和盐浓度等物质条件脱附。
化学吸附：化学吸附是吸附剂表面活性点与溶质之间发生化学键合，产生电子转移的现象。
化学吸附释放大量的热。
吸附平衡：溶质通过吸附作用在在液固两相间分配达到平衡。
吸附等温线：一般吸附操作在恒温度下进行，即温度保持不变。
此时吸附剂上的平衡吸附剂浓度q只是液相游离溶质浓度c的函数，q与c的关系称为吸附等温线。
离子交换：通常将基于离子交换原理的吸附操作称为离子交换或离子交换吸附。
吸附作用力为静电引力，所用吸附剂为离子交换剂，离子交换剂表面含有离子基团或可离子化得集团，通过静电引力吸附带有相反电荷的离子，吸附过程发生电荷转移。
通过调节PH或提高离子强度的方法洗脱。
交换容量：用离子交换容量是单位质量干树脂或单位体积湿树脂所能吸附的一价离子的毫摩尔数表示，是表征离子交换能力的主要参数之一。
穿透曲线：吸附过程中吸附柱出口溶质浓度的变化曲线称穿透曲线。
穿透点：吸附过程中吸附柱出口溶质浓度的变化曲线称穿透曲线，出口处溶质浓度开始上升的点称为穿透点。
工作交换容量：工作交换容量是表示离子交换树脂在一定工作条件下所具有的交换能力，通常是指单位体积的湿树脂所能交换离子的物质的量，单位以mmol/g、mol/m3或mmol/L表示。
填空1.吸附按作用力主要分为物理吸附、化学吸附和离子交换。
2.孔径和比表面积是评价吸附剂性能的主要参数，孔径越大，比表面积越小。
3.溶液的pH>等电点时，蛋白质带负电荷；溶液的pH<等电点时，蛋白质带正电荷。
4.生物分离中常用的吸附剂种类有活性炭、硅胶、有机高分子吸附剂等。
5.离子交换树脂由不溶性的三维空间的高分子网状骨架、以共价键连接在骨架上的官能团、和活性基团所带的相反电荷的活性离子三部分构成。
生物工程下游技术 吸附与离子交换PPT课件
➢ 已交换离子由树脂表面向本体溶液扩散（膜扩散）。
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离子交换速度
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40
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41
6.2.3 影响吸附的因素
考虑三种作用力： （1）固体-溶质 （2）固体-溶剂 （3）溶质-溶剂
吸附剂性质： 吸附容量（a 比表面，b 空隙度） 吸附速度（a 粒度，b 孔径分布） 机械强度（使用寿命）
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吸附质性质: (1) 能使表面张力降低的物质，易为表面所吸附
一般在低浓度范围内成立；
2) b -Langmuir 等温线 (单分子层)-朗格缪尔吸附
q* qmc 或q*qmKbc
Kd c
1Kbc
qm为饱和吸附容量，Kd为吸附平衡的解离常数，Kb为 结合常数
常数测定： 为一直线：截距1/qm; 斜率Kd/qm 此吸附方程适合酶等蛋白质的分离提取。
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30
Langmuir 吸附等温式
（2） 化学吸附: 放热量大，单分子，选择 性强
（3） 交换吸附:利用离子交换树脂分离生物物质的方 法。吸附剂吸附后同时放出等当量的离子到溶液中
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4
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5
物理吸附 分子间力(范德华力)引起 没有选择性 放热较小，约42kJ／mol或更少 多分子层吸附 吸附剂的比表面积和细孔分布影响大
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6
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7
交换吸附
分类：
阳离子交换剂：即对阳离子具有交换能力，活性基 团为酸性，又分为强酸性和弱酸性。
阴离子交换剂：即对阴离子具有交换能力，活性基 团为碱性，又分为强碱性和弱碱性。
离子交换树脂命名
强酸性 （1-100） 弱酸性（101-200） 强碱性 （201-300) 弱碱性 （301-400） X 后面交联度
生物分离工程名词解释
膜分离的概念：利用膜的选择性（孔径大小），以膜的两侧存在的能量差作为推动力，由于溶液中各组分透过膜的迁移率不同而实现分离的一种技术。
或者：利用具有一定选择性透过特性的过滤介质进行物质的分离纯化。
离子交换: 在吸附剂与溶液间发生离子交换，即吸附剂吸附离子后，它同时要放出等当量的离子于溶液中。
亲和层析：是利用生物分子对之间所具有的专一而又可逆的亲和力使生物分子分离纯化的技术。
过滤：是在外力作用下，利用过滤介质使悬浮液中的液体通过，而固体颗粒被截留在介质上，从而实现固液分离的一种单元操作。
或者：利用薄片形多孔性介质（如滤布）截留固液悬浮液中的固体粒子，进行固液分离的方法。
重结晶：是利用杂质和结晶物质在不同溶剂和不同温度下的溶解度不同，将晶体用合适的溶剂再次结晶，以获得高纯度的晶体的操作。
分辨率：也称分离度。
它是指相邻两色谱保留值之差与两峰底宽平均值之比。
晶体：形成新相（固体）需要一定的表面自由能。
因此，溶液浓度达到饱和溶解度时，晶体尚不能析出，只有当溶质浓度超过饱和溶解度后，才可能有晶体析出。
溶液达到过饱和状态是结晶的前提；过饱和度是结晶的推动力。
初级分离：指从菌体发酵液、细胞培养液、胞内抽提液（细胞破碎液）及其他各种生物原料初步提取目标产物，使目标产物得到浓缩和初步分离的下游加工过程。
截留率：表示膜对溶质的截留能力，可用小数或百分数表示。
（真实截留率和表观截留率）自溶：通过调节温度、PH值或添加有机溶剂，诱使细胞产生溶解自身的酶的方法，也是一种酶溶法。
：指从进样开始到被测组份在柱后出现浓度极大点时所通过的流动相保留体积VR体积。
：指色谱柱内固定相颗粒间所剩留的空间、色谱仪中管路和连接头间的死体积VM空间以及检测器的空间的总和，当后两项很小而可忽略不计时，V M可由t m与流动相体积流速F0(ml/min)的乘积计算。
理论塔板高度：单位理论塔板的长度称为理论塔板高度。
它等于色谱柱长度除以理论塔板数。
用理论塔板数与板高表示柱效率时是等价的。
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
生物分离工程期末答案
期末考试复习题吸附法和离子交换1、吸附作用机理是什么？按作用力可分为哪几种？答：固体表面分子(或原子)处于特殊的状态。
固体内部分子所受的力是对称的，故彼此处于平衡。
但在界面分子的力场是不饱和的，即存在一种固体的表面力，它能从外界吸附分子、原子、或离子，并在吸附表面上形成多分子层或单分子层。
按作用力可分为：物理吸附，化学吸附和离子交换2、吸附法有几种？各自有何特点？答：吸附法按吸附作用力分主要有三类，物理吸附、化学吸附和离子交换。
特点：物理吸附基于吸附剂及溶质之间的分子间作用力即范德华力。
溶质在吸附剂上吸附及否或吸附量的多少主要取决于溶质及吸附剂极性的相似性和溶剂的极性。
一般物理吸附发生在吸附剂的整个自由表面，被吸附的溶质可通过改变温度、PH和盐浓度等物理条件脱附。
化学吸附释放大量的热，吸附热高于物理吸附。
化学吸附一般为单分子层吸附，吸附稳定，不易脱附，故洗脱化学吸附质一般需采用破坏化学结合的化学试剂为洗脱剂。
化学吸附具有高选择性离子交换吸附所用吸附剂为离子交换剂。
离子交换剂表面含有离子基团或可离子化基团，通过静电引力吸附带有相反电荷的离子，吸附过程发生电荷转移。
离子交换的吸附质可以通过调节PH或提高离子强度的方法洗脱。
3、大孔网状聚合物吸附及活性炭吸附剂相比有何优缺点？答：大孔网状聚合物吸附剂机械强度高，使用寿命长，选择性能好，吸附质容易吸附，并且阻力小，常应用于抗生素和维生素B12等的分离浓缩过程。
4、影响吸附过程的因素有那些？答：影响吸附的因素（1）吸附速度由于大分子分子量大，扩散慢，且吸附时常伴随着分子构型的变化，故其吸附速度慢，这就给讨论大分子吸附带来困难。
（2）分子量的影响对孔性固体，分子量增加，吸附量减少。
对大孔或非孔固体α=1只有1个吸附点α=0表示大分子完全平躺。
（3）溶剂的影响在溶剂中，大分子较伸展，吸附量减少。
若溶剂产生竞争吸附，吸附量减少。
（4）温度的影响存在着温度升高使吸附量下降和温度升高使吸附量升高两种情况。
《生物分离工程》复习题(解答版)
《生物分离工程》复习题《绪论细胞分离》1。
在细胞分离中，细胞的密度ρS越大，细胞培养液的密度ρL越小，则细胞沉降速率越大。
2。
表示离心机分离能力大小的重要指标是C。
A.离心沉降速度B.转数C。
分离因数D。
离心力3.过滤中推动力要克服的阻力有介质阻力和滤饼阻力,其中滤饼占主导作用。
4。
简答：对微生物悬浮液的分离（过滤分离)，为什么要缓慢增加操作压力？5。
判断并改错：在恒压过滤中,过滤速率会保持恒定。
（×）改：不断下降。
6。
简答：提高过滤效率的手段有哪些?7。
判断并改错：生长速率高的细胞比生长速率低的细胞更难破碎。
(×)改：更易破碎.8。
简答：采用哪种方法破碎酵母能达到较高的破碎率？9。
简答: 蛋白质复性收率低的主要原因是什么？10。
简答：常用的包含体分离和蛋白质复性的工艺路线之一。
11。
B可以提高总回收率。
A。
增加操作步骤B.减少操作步骤C。
缩短操作时间D.降低每一步的收率12.重力沉降过程中，固体颗粒不受C的作用。
A.重力B。
摩擦力C。
静电力 D.浮力13.过滤的透过推动力是D。
A.渗透压B。
电位差 C.自由扩散 D.压力差14。
在错流过滤中，流动的剪切作用可以B。
A。
减轻浓度极化，但增加凝胶层的厚度B.减轻浓度极化,但降低凝胶层的厚度C.加重浓度极化，但增加凝胶层的厚度D。
加重浓度极化，但降低凝胶层的厚度15.目前认为包含体的形成是部分折叠的中间态之间A相互作用的结果。
A。
疏水性B。
亲水性C。
氢键 D.静电16.判断并改错：原料目标产物的浓度越高，所需的能耗越高,回收成本越大.(×)改：原料目标产物的浓度越低.17。
菌体和动植物细胞的重力沉降操作，采用D手段，可以提高沉降速度.A.调整pH B。
加热 C.降温D。
加盐或絮状剂18。
撞击破碎适用于D的回收。
A.蛋白质B.核酸C。
细胞壁D。
细胞器19。
重力沉降过程中，固体颗粒受到重力，浮力，摩擦阻力的作用,当固体匀速下降时，三个力的关系重力=浮力+摩擦阻力。
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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
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
活性炭种类 粉末活性炭 颗粒活性炭
颗粒大小 小
较小
表面积 大
较大
吸附力 大
较小
吸附量 大
较小
洗脱 难 难
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
（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
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
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
（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
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
概述
离子交换法的基本概念
通过溶液中带Biblioteka 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。
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
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
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
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；
❖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
第六章 吸附分离技术和理 论
概述
吸附现象
当气体或液体与某些固体接触时，气体或液体的 分子会积聚在固体表面上，这种现象称之为吸附
流体分子富集在固体表面， 形成一吸附层(或称吸附
膜)，而没有向固体内部渗 透
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
─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
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）
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
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
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。
缩过程。
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)
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