第八章离子交换、吸附与层析分离设备

缺点：设备管线复杂、阀门多、树脂利用率相对较低
（一）间歇式离子交换设备

一般的离子交换罐为具有椭圆形封头的圆筒形设备，其圆筒体的 长和筒径之比一般为2~3，也有高至5的 树脂层高度约占圆筒高度的50~70%


罐顶应有人孔或者手孔，大型交换罐的人孔也可以装在罐壁上， 以便于装卸树脂
罐顶部的被吸附溶液、解吸液、软水进口可合用一个进口管与罐 顶相连 罐底的各种液体出口及反洗水进口和压缩空气进口也可合用一个 总进出口

吸附作用可分为三类：
物理吸附：通过分子间范德华力而产生的吸附作用 化学吸附：发生电子转移，发生化学反应而产生吸附作用 交换吸附：吸附剂吸引溶液中带相反电荷的离子而形成双 电层，同时在吸附剂与溶液间发生离子交 换

分离过程中的吸附操作应用最广的是物理吸附，化 学吸附的应用较少，而交换吸附在生物工程的下游

可得分配系数与反离子浓度的关系
即分配系数与反离子浓度成反比，随着离子 强度的增大，离子交换的分配系数下降。

如XH为单价弱电解质，即XH 仅发生部分解离，则解离平衡常数 为： 则分配系数为


由上式可知
式中 m1——单位反离子浓度下溶质的分配系数

如对上式两边取对数，则lnm与ln[U-]呈线形关系，斜率为-1。若 反离子与溶质的离子价分别为a和b，离子交换反应为：
(1)深入研究多孔介质在扩张床中的运动，这对扩张 床的设计、选用、操作、放大有直接影响。 (2) 制造在稳定性、特异性和吸附容量方面都适于扩张 床操作的介质。 (3) 改进清洗过程。
(三) 流化床（Fluidized bed）吸附

流化床（Fluidized bed）内吸附剂粒子呈流化状态 连续操作中吸附剂粒子从床上方输入，从床底排出 料液在出口仅少量排出，大部分循环流回流化床，以提高 吸附效率 与扩张床不同的是，流化床不需特殊的吸附剂，设备结构 设计也比扩张床容易，操作简便 缺点：床内固相与液相的返混剧烈，特别是高径比较小的 流化床
——单位质量的吸附剂所吸附的吸附质量，g/g； ——吸附质的平衡浓度，g/m3； ， ——经验常数，一般1<n<10。
二、吸附设备 （一）固定床（fixed bed）吸附

一般多采用吸附塔设备 含目标产物的料液连续的从吸附塔的一端流入，溶 质被吸附剂吸附后，从吸附塔的另一端流出 吸附过程的穿透点 ：当吸附塔内溶质的吸附接近 饱和时，溶质开始从塔中流出，出口浓度逐渐上升， 到某一时刻其浓度突然急剧增大，即为穿透点。

强酸（或强碱）性离子交换剂的滴定曲线开始是水平的，到某一点突然升高 （或降低），表明在该点交换剂上的离子交换基团已被碱（或酸）完全饱和；
弱酸（或弱碱）性离子交换剂的滴定曲线逐渐上升（或下降），无水平部分。 利用滴定曲线的转折点，可估算离子交换剂的交换容量，而由转折点的数目， 可推算不同离子交换基团的数目

根据化学平衡，洗脱条件总的选择原则是：
尽量使溶液中被洗脱离子的浓度降低 洗脱条件一般应和吸附条件相反
离子交换设备

按结构型式分为：罐式、塔式、槽式等 按操作方式分为：间歇式、周期式与连续式 两相接触方式可分为：固定床、移动床、流化床


固定床设备是现今应用得最多的离子交换设备
优点：设备结构简单、操作管理方便、树脂磨损少

固定床离子交换设备 操作特性：


离子交换树脂的下部需要支撑体 被处理的溶液从树脂上方加入，经过分布管使液体均匀分布于整 个树脂的横截面 柱式离子交换器可用不锈钢、硬塑料制作，常常用有衬里的碳钢 制造，管道、阀门一般均用塑料制成

固定床离子交换器的再生
逆流：效果好，再生剂用量少，但要发生树脂层的上浮
一部分是交联的具有三维空间立体结构的网络骨架 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
离子交换树脂的分类

按活性基团的性质不同 ：
阳离子交换剂（cation exchanger）：对阳离子具有交换能力，活性基团为酸 性 阴离子交换剂（anion exchanger）：阴离子具有交换能力，活性基团为碱性
一、吸附过程与原理

固体吸附剂可分为非多孔和多孔性物质两类：
非多孔性固体具有很小的比表面积 而多孔性固体由于其颗粒内存在着微孔，比表面可以很大
常用吸附剂

活性炭
优点：吸附能力强，分离效果好，来源比较容易，价格比较便宜 缺点：很难控制标准，而且色黑质轻，容易污染环境

硅胶
优点：杂质少，品质稳定，耐热耐磨性好，而且可以按需要的形状，

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离子交换平衡

典型的离子交换过程发生下列反应：
阴离子交换
阳离子交换
R+、R-——分别代表阴离子交换基和阳离子交换基； U——表示反离子； R U X R X U X——表示溶质。


离子交换的平衡常数为：

如一单价强电解质XH在一阴离子交换树脂上发 生交换，XH被完全解离，分配系为：


（二）扩张床（Expanded bed）吸附

能在床层膨松状态下实现平推流的扩张床吸附技术

是一种可以直接从含颗粒料液中提取生物大分子的新 技术 ——合并了除细胞碎片和初步纯化于一个操作中， 减少了操作步骤，缩短了操作时间，节约了生产成本
扩张床吸附剂 要求：
扩张床中使用的吸附剂必须易于流态化，并能实现稳定 的分级

将阳、阴两种树脂混合起来，则制成混合离子交换设备


有一些离子交换器既可用于固定床的操作，也可用于流化床的 操作 当料液向下流过床层时，则为固定床的操作，而当料液由下向 上流过床层时，则为流化床的操作

上图中用到的两个四通阀的结构
薄膜压滤式离子交换设备


它的内部是由一系列的塑胶过 滤板排列而成许多小腔，并包 有滤布 每一层滤布后面都有膨胀膜， 当腔内的树脂饼扩张或压缩时， 膨胀膜就会被扩张或被压缩 当液体流过树脂饼时，树脂饼 的状态始终是稳定的

与固定床的区别在于：
床层上部安装有可调节床层高度的调节器 料液从床底以高于吸附剂最小流化速率的流速输入 扩张床吸附操作可直接处理菌体发酵液或细胞匀浆液，回收其 中的目标产物

扩张床吸附技术将固液分离、吸附、浓缩集成在一 起，大大简化了操作步骤，目标蛋白质的回收率大 幅度提高。但是该技术中还有一些问题需要进一步 解决。

分类：
一种是在一惰性的高密度核外包上一层亲水性的天然高分子材料， 如琼脂糖—石英砂、琼脂糖—不锈钢、葡聚糖—硅胶、纤维素—二氧化 钛等； 另一种是直接用高密度的材料，如多孔玻璃、全氟聚合物等。合 成共聚物作为基质在固定床层析中得到了广泛的应用
扩张床的设备结构 构成：
柱子、在线检测装置和收集器、以及转子流量计、恒流泵、 床层高度调节器和上下两个速率分布器

操作方式 ：
①平行流动；②带向上流动的平行流动；③串联流动；④双通道串联流动； ⑤带排干液体的串联流动；⑥再循环流动；⑦脉冲料液置换
第二节 吸附过程原理及设备

吸附(Adsorption)是利用适当的吸附剂，在一定的操作条件下， 使有用目标产物或有害成分被吸附剂吸附，富集在吸附剂表 面，然后再以适当的洗脱剂将吸附的物质从吸附剂上解吸下 来，从而达到浓缩和提纯目的的过程。
离子交换树脂的性能评价 交换容量
交换容量是单位质量的干燥离子交换剂或单位体积的湿离 子交换剂所能吸附的一价离子的毫摩尔数，是表征树脂交换能力 的主要参数 。

其表示方法有重量交换容量和体积交换容量两种，后一种较直观 的反映生产设备的能力。

测定方法 ：
阳离子树脂：滴定NaOH 阴离子树脂：滴定氯离子
粒
度和表面结构制取

活性氧化铝
优点：价格便宜、再生容易，活性易控制 缺点：操作不便，手续繁琐，处理量有限

合成沸石（分子筛）
特点：表面积非常的大 ，具有非常大的阳离子交换能力

大网格吸附剂
优点：械强度高，使用寿命长，选择性吸附性能好，吸附质容易脱附， 并且流体阻力小
吸附平衡 当吸附剂达到平衡时，其吸附量m与溶液浓度 C和温度的关系称为吸附平衡关系 当温度一定时，吸附量只是浓度C的函数。m 与C的关系曲线称为吸附等温线 佛罗因德希（Freundlich）经验公式来描述：
第三篇 产物分离设备
第八章 离子交换、吸附与层析分离设备
内容

第一节 离子交换过程原理与设备 第二节 吸附过程原理及设备 第三节 层析原理与设备
根据物质的物化性质不同，可以对其进行分离；

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。

（二）半连续移动床式离子交换设备

移动床离子交换设备是一种半连续式离子交换装置，交 换、再生、清洗过程在装置中特定位置完成 。
特点 ：
离子交换与树脂再生、清洗分别在设备的不同单元中进行


优点：
生产率相同时所需树脂量比固定床少 再生剂用量少 被处理物料的纯度高，质量均匀 操作自动化程度高，可连续出料



第一节 离子交换过程原理与设备
一、离子交换过程原理

离子交换树脂的分类 离子交换树脂的性能评价 离子交换平衡 离子交换树脂和操作条件的选择 间歇式离子交换设备 半连续移动床式离子交换设备 连续式离子交换设备 离子交换膜
二、离子交换设备

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，其分子可以 分成三个部分：

阴阳离子交换剂又根据其活性基团的电离能力强弱不同 ：
强酸性阳离子交换剂 范围广 强碱性阴离子交换剂 弱酸性阳离子交换剂 小 弱碱性阴离子交换剂
离子化率基本不受pH的影响，离子交换作用的pH
离子化率受pH的影响大，离子交换作用的pH范围

根据离子交换剂的材料
包含合成树脂骨架的多孔弹性颗粒 ：聚苯乙烯树脂

缺点：
设备数量较多，操作管理较为复杂
（三）连续式离子交换设备
一般连续式离子交换设备 优点：
树脂利用率高，生产周期短 交换速度快，产品质量均匀 连续化生产便于自动化控制

缺点：
树脂破损很大 设备及操作较复杂且不易控制
压力流动连续式离子交换设备

由再生洗涤塔和交换塔组成 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



罐顶上应有压强表、排空口及反洗水出口 交换罐一般用钢板制成，内壁衬橡胶
反吸附离子交换罐

在反吸附离子交换罐中，被 交换的溶液由罐的下部导入， 其流速和粘度以使树脂在罐 内呈沸腾状态而不溢出罐外 为宜，交换后的溶液则由罐 顶的出口溢出。 优点：操作时不产生短路、 死角，以及流速大和生产周 期短
离子交换树脂的性能评价 滴定曲线

分别向几个大试管中加入1g氢型（或羟型）离子交换剂，其中一个试管加入 50ml 0.1mol／L的NaCl溶液，其他试管亦加入相同体积的溶液，但含有不同 量的0.1mol／L的NaOH（或HCl），使其发生离子交换反应。强酸（碱）性离 子交换剂放置24ｈ，弱酸（碱）性离子交换剂放置７日。达到平衡后，测定 各试管中溶液的pH值。以每克干离子交换剂加入的NaOH（或HCl）为横坐标， 以平衡pH值为纵坐标作图，就可得到滴定曲线。


在不影响交换容量的条件下，尽量提高交联度。
选择合适的操作条件

最重要的操作条件是交换时溶液的pH值。合适的pH值 须满足三个条件：
pH值应在产物的稳定范围内 使产物能离子化 使树脂能解离

树脂的型式也应注意：
对弱酸性和弱碱性树脂，为使树脂能离子化，应采用钠型或氯型
对强酸性和强碱性树脂，可以采用任何型式

离子交换平衡常数为 ：

由上式可得分配系数为 ：
离子交换树脂和操作条件的选择

树脂的选用，最重要的一条是根据分离要求和分离环境，保证 分离目的物与主要杂质对树脂的吸附力有足够的差异。 一般来说
强碱性产物宜选用弱酸性树脂 弱碱性产物宜选用强酸性树脂 弱酸性产物宜用强碱性树脂 强酸性产物宜用弱碱性树脂


缺点：
树脂磨损较大
重力流动连续式离子交换设备

又称双塔式 优点：
被处理液与树脂的流向为逆流

ISEP系统

组成：
由一个水平转盘和30个短小固定床构成 当转盘旋转360°时，每个树脂柱都将经历一次完整的吸附循环——即吸附、 再生(或洗脱)，以及一次或二次淋洗

优点：
再生剂量减少，稀释程度降低 树脂使用效率高 能使多级分离步骤同时进行