第5章离子交换与色谱

能力，而相对提高吸附无机离子的能力。
阳离子树脂的吸附顺序

发酵液中谷氨酸的分离 (1) 吸附顺序 用强酸性离子交换树脂提取谷氨酸时，发酵液中同时存在的阳 离子有Na+ 、NH4+、K+ 、Ca2+、Mg2+、腺瞟吟、氨基酸等。按树 脂对这些离子吸引力和亲和力大小，其吸附顺序是： 金属离子——NH4+ ——氨基酸——有机色素 (2) 氨基酸交换顺序 精氨酸（10.8 ）＞赖氨酸（ 9.7 ）＞丙氨酸（6.0） ＞亮 氨酸（ 5.98 ） ＞谷氨酸 (3) 金属阳离子和氨基酸的交换顺序 Ca2+＞Mg2+＞K+＞NH4+＞Na+＞腺膘吟＞丙氨酸＞亮氨酸＞谷氨酸 洗脱时，先洗脱出来是谷氨酸，后是NH4+，金属离子最后被洗 下，以达分离目的。
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图10-9 半连续式移动床离子交换系统 图10-9 半连续式移动床离子交换系统 2,3-中间循环柱 4-饱和树脂存贮柱 5-再生柱 6,7,8-传感 1-处理柱 2,3-中间循环柱 4-饱和树脂存贮柱 5-再生柱 6, 9-树脂计量段 10-缓冲段 11-再生段 12-清洗段 13-快速清洗段
（三）连续式离子交换设备 1. 筛板式连续离子交换设备
属连续逆流接触的离子交换设备。 树脂经顶部计量加入到交换塔内,并经
2 3 树脂进口 1
过漏斗形树脂加料器加到每层筛板上,
筛板起支撑树脂和对料液的分布作用； 待处理液从底部加入,从顶部溢流出。
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6 溶液进口
废液出口 5 图10-10 筛板式连续离子交换设备 1-树脂计量及加料口 2-塔身 3-漏斗形树脂加料口 4-筛板 5-饱和树脂受器 6-虹吸管
色谱设备的组成
各部件主要作用

泵：推动溶液，它是层析系统的心脏。 阀系统：控制溶液的流向，提供自动控制层析过程的可能 性。
层析柱：填装不同的层析介质，使混合物在通过它时，因
不同蛋白分子与层析介质作用强度不同，因而迁移速度不 同，从百度文库分开混合物。 检测器：确定混合物中各物质的位置和浓度，以及缓冲液 的各种参数。
2. 漩涡式连续离子交换设备

离子交换树脂及处理液在交换器中 在螺旋输送器的推动下，逆流接触， 呈漩涡状流动。

优点：能连续生产、供液不间断，
而且效率高；树脂利用率及再生饱
和程度高，因而再生液耗量较省；
操作管理较为方便。

缺点：树脂磨损较大。
第二节 色谱分离原理与设备
色谱技术是利用混合物中各种组分的物理化学
气相色谱（gas chromatography）；
固定相的使用形式不同可分：

柱层析；
纸层析；
薄层层析；
按分离机制不同可分为：
离子交换色谱； 吸附色谱； 分配色谱； 疏水作用色谱； 凝胶层析（色谱）； 亲和层析（色谱）等。

色谱分离设备的组成

组成： 输液泵、进样器 （阀）、色谱柱、 检测器、收集器等 组成。
交换速度的控制步骤是扩散速度，不同的分 离体系可能由内部扩散或外部扩散控制。
离子交换原理及反应

以水净化处理应用为例：
离子交换的选择性是分离纯化的基础

当溶液中同时存在着很多种离子时，树脂对离子有选择吸附
作用。

一般来说，离子和树脂间亲和力越大，就越容易吸附； 对无机离子，离子的化合价越高，就越容易被吸附； 离子交换反应受溶液的pH影响很大。对强酸、强碱树脂来说， 任何pH下都可进行交换反应，而弱酸、弱碱树脂的交换反应 则分别在偏碱性、偏酸性或中性溶液中进行； 离子交换树脂在水和非水体系中的行为是不同的。有机溶剂 的存在会使树脂脱水收缩，结构紧密，降低吸附有机离子的
收集器：用来收集样品。
液相色谱的基本流程图
流动相
色谱柱
A B C
进样阀
检测器
D
E F
G
泵
输液系统 进样系统
分离系统
检测系统
记录系统
色谱系统的进样与洗脱
泵 流动相 阀 阀 进样器 检测器 柱
组分收集与记录仪
进样
洗脱
一、凝胶色谱

利用凝胶粒子（凝胶过滤介质）为固定相，根据料
液中溶质相对分子质量的差别进行分离的液相层析 法。凝胶（色谱）层析又叫分子筛层析，是20世纪 60年代发展起来的一种分离纯化方法。凝胶具有网 状结构，小分子物质能进入其内部，而大分子物质 却被排阻在外部，当一混合物溶液通过凝胶过滤层 析柱时，溶液中的物质就按不同分子质量筛分开。
(一) 基本原理

凝胶过滤层析所用的基质是具有立体网状结构、筛孔直
径一致，且呈珠状颗粒的物质。这种物质可以完全或者部 分排阻某些大分子化合物于筛孔之外，而不能排阻某些小 分子化合物，但可让其在筛孔中自由地扩散、渗透。
图10-31 凝胶过滤层析原理示意图
多孔介质颗粒; 大小不同的分子; 液流
凝胶色谱原理
（二）半连续移动床离子交换设备 （三）连续式离子交换设备

离子交换设备分类
按结构型式分：罐式、塔式、槽式；
按操作方式分：间歇式、周期式与连续式；
按两相接触方式分为：固定床、流动床；
其中，固定床分：单床、多床、混合床。
工业规模的离子交换设备
离子交换车间
（一）间歇式离子交换设备
1. 正向吸附离子交换罐
及含量的测定。
分段数 图10-32 两组分的凝胶层析分离及洗脱曲线
(二) 凝胶层析操作步骤

1．装柱：有些凝胶是干燥颗粒，使用前须吸胀；注意在柱装好后，
任何时间都不能使液面低于凝胶表面，否则会影响分离效果。

2．加样：要使样品均匀地进入凝胶床，要在溶剂表面恰好与凝胶
表面相平时加进样品。当样品进入凝胶床，样品液面到达凝胶床表面 时，加入洗脱液。
制药工业用反渗透加混合床生产纯水工艺流程
（二） 半连续移动床离子交换设备


特点：
交换、再生、清洗过程在装 置中特定位置完成，通过管
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线和阀门将这些过程在装置
中串联在一起，各种离子交
换树脂、液体周期性地在特 定的部位流动。
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图10-9 半连续式移动床离子交换系统 1-处理柱 2,3-中间循环柱 4-饱和树脂存贮柱 5-再生柱 6,7,8-传感器 9-树脂计量段 10-缓冲段 11-再生段 12-清洗段 13-快速清洗段
交换过程
待处理液进入处理柱后，树脂随待处理液一起在柱内流动，同 时进行交换反应。 树脂悬浮液流到中间循环柱， 进行固液分离，处理水外排。当 再生信号发出，水处理系统内部 分树脂进入饱和树脂存贮柱，同 时有再生好的树脂补充过来。存 贮柱内的树脂进入再生柱再生。 该装置可实现水处理，饱和树脂 再生以及再生好树脂返回等过程 同时进行，从而达到连续产纯净 水的目的。 1-处理柱

图为用凝胶过滤层析技术分离两
种目标产物的示意图。将含有两 种不同分子量的混合样品小心自 柱顶端加入，接着连续以水或其 他溶液进行洗脱，并用分部收集 器收集洗脱液，测定每管物质浓 度，然后以洗脱体积为横坐标， 各物质浓度为纵坐标作图，即得 洗脱曲线。

(a) 混合蛋白物
(b) A280
分段收集
通过图谱可以进行组分成分鉴定
（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。
离子交换机理及选择性
离子交换机理：
A+＋RB RA＋B+
待分离的A+自溶液中扩散到树脂表面；
A+从树脂表面进入树脂内部的活性中心；
A+与RB在活性中心上发生复分解反应；
解吸附离子B+自树脂内部扩散至树脂表面；
B+离子从树脂表面扩散到溶液中；
一般的离子交换罐为具有椭圆形 封头的圆筒形设备，树脂层高度约占 圆筒高度的50～70%，须留有充分的空
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间，已备反冲时树脂层的扩胀。
交换罐上部有溶液分布装置，使溶 液均匀通过树脂层。 罐底有多孔板、筛网及滤布以支持 树脂层，或者用石英石或卵石直接铺
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于罐底以支持树脂层。
8 图10-1 具有多孔支持板的离子交换罐 1-视镜 2-进料口 3-手孔 4-液体分布器 5-树脂层 6-多孔板 7-尼龙布 8-出液口
第五章 离子交换与色谱分离设备
第一节 离子交换过程原理与设备 第二节 色谱分离原理与设备 第三节 吸附分离及设备（自学）
第一节


离子交换过程原理与设备
一
离子交换过程与原理
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。几乎所 有的生物大分子都是极性的，都可使其带电，所 以离子交换法已广泛用于生物大分子的分离纯化。
离子交换树脂的结构组成

a: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；

b:联接在骨架上的功能基（活性基）及可
交换离子。
树脂的网络骨架
（一）、离子交换树脂分类


按活性基团分类:
阳离子交换树脂(cation exchange)（含酸性基 团），对阳离子具有交换能力； 阴离子交换树脂(anion exchange)（含碱性基 团），对阴离子具有交换能力；
性质（分子的形状和大小、分子的极性、吸附力、 分子亲和力、分配系数等）不同，使各组分以不 同程度分布在两相（流动相、固定相）中，当流 动相流过固定相时，各组分以不同的速度移动，
而达到分离的目的。
色谱分离也称为层析分离或色层。
色谱（层析）分离分类

按流动相的状态不同可分:


液相色谱（liquid chromatography）；
2.反向吸附离子交换罐（流化床） 结构特点：
进料分布器在罐的下部， 上部增加解吸水分布器。吸附 后废液出口在封头顶部。底部 为淋洗水、解吸液和再生液出 口、反洗水进口。 被交换的溶液由罐的下部 导入，交换后的废液则由罐顶 的出口溢出。
反向吸附离子交换罐主要优缺点
优点： 省去菌丝过滤工序； 液固两相接触面大而且较 均匀，操作时不产生短路、 死角，以及流速大和生产 周期短。 缺点：树脂的饱和度不及 正吸附的高 、罐内树脂高 度要比正吸附时低一点 ， 以免树脂外溢 。


离子交换纯化策略

对生物大分子进行分离纯化，可采用两种方式：
①正吸附： 将目标产物离子化，再交换到介质上，杂质不被 吸附而从柱流出，称为正吸附。 ②负吸附：


将杂质离子化后被交换，而目标产物不被交换直
接流出，这种方式称为负吸附。
离子交换过程
二、离子交换设备

（一）间歇式离子交换设备


具体又可以分为：强阳、弱阳、强阴、弱阴。
离子交换树脂分类

根据离子交换剂的树脂材料分：
树脂为基质的离子交换树脂；
以苯乙烯和二乙烯苯共聚而成的合成树脂聚苯乙烯
多糖类骨架的离子交换树脂。
常用的离子交换树脂

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）； 弱酸性阳离子交换树脂：活性基团有-COOH, C6H5OH等弱酸性基团； 强碱性阴离子交换树脂：活性基团为季铵基团，
扩口式离子交换器

为防止离子交换树脂从 顶部溢出，可设计成扩 口式离子交换器。

顶部加装循环室。待交 换的处理液从底部的液 体分布器加入。从顶部 经过滤后溢流出。
反向吸附离子交换器的液流方向
进料
解吸
3. 混合床交换罐
树脂由阳、阴离子交换树脂混合组成，脱盐较充分。
溶液由上而下流动；再生
时，先用水反冲，使阳、 阴树脂借重度差分层（一 般阳离子树脂较重），然 后将碱液由罐的上部引入， 酸液则由罐底引入，废酸、 碱液在中部引出，再生及 洗涤结束后，压缩空气将 两种树脂重新混合，阳、 阴离子交换树脂常以体积 比l:1混合。
检测器2 流动相储 罐 进样阀 泵 柱子 检测器1 数据处理系统
多孔颗粒 样品
信 号 洗脱时间 色谱图
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图10-39 凝胶层析原理示意图
样品由进样阀进入层析柱，小分子物质能进入凝胶颗粒的 内部，而大分子物质却被排阻在外部，溶液中的物质就按不同 分子质量筛分开。柱后面连有的检测仪能检测出目标产物的出 峰时间，并由电脑记录，从而可实现目标产物的定时收集。


如三甲胺基或二甲基-ß -羟基乙基胺基；

弱碱性阴离子交换树脂：活性基团为伯胺或仲胺，
碱性较弱；
（二）离子交换过程
装载树脂及平衡; 吸附样品; 样品淋洗(解吸、分离)
树脂再生。
离子交换分离的一般流程
（1）原料液的预处理(离子化)，使得流动相易于被
吸附剂吸附； （2）装载，上样，使原料液和离子交换树脂的充分 接触，以利于吸附进行； （3）淋洗离子交换树脂，以去除杂质；