第五章離子交換與色譜分離設(shè)備第一節(jié)離子交換過程原理與設(shè)備第二節(jié)色譜分離原理與設(shè)備第三節(jié)吸附分離及設(shè)備（自學(xué)）

第一節(jié)離子交換過程原理與設(shè)備一離子交換過程與原理離子交換法是應(yīng)用合成的離子交換劑作為吸附劑，將溶液中的物質(zhì)，依靠庫侖力吸附在交換劑上，然后用合適的洗脫劑將吸附物質(zhì)從交換劑上洗脫下來，達到分離、濃縮、提純的目的。生物工業(yè)中最常用的交換劑為離子交換樹脂。幾乎所有的生物大分子都是極性的，都可使其帶電，所以離子交換法已廣泛用于生物大分子的分離純化。離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)組成a:交聯(lián)的具有三維空間立體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)骨架，通常不溶于酸、堿和有機溶媒，化學(xué)穩(wěn)定性良好；b:聯(lián)接在骨架上的功能基（活性基）及可交換離子。樹脂的網(wǎng)絡(luò)骨架（一）、離子交換樹脂分類按活性基團分類:陽離子交換樹脂(cationexchange)（含酸性基團），對陽離子具有交換能力；

陰離子交換樹脂(anionexchange)（含堿性基團），對陰離子具有交換能力；具體又可以分為：強陽、弱陽、強陰、弱陰。根據(jù)離子交換劑的樹脂材料分：以苯乙烯和二乙烯苯共聚而成的合成樹脂聚苯乙烯樹脂為基質(zhì)的離子交換樹脂；多糖類骨架的離子交換樹脂。

離子交換樹脂分類常用的離子交換樹脂強酸性陽離子交換樹脂：活性基團是-SO3H（磺酸基）和-CH2SO3H（次甲基磺酸基）；弱酸性陽離子交換樹脂：活性基團有-COOH,C6H5OH等弱酸性基團；強堿性陰離子交換樹脂：活性基團為季銨基團，如三甲胺基或二甲基-?-羥基乙基胺基；弱堿性陰離子交換樹脂：活性基團為伯胺或仲胺，堿性較弱；（二）離子交換過程裝載樹脂及平衡;吸附樣品;樣品淋洗(解吸、分離)樹脂再生。離子交換分離的一般流程（1）原料液的預(yù)處理(離子化)，使得流動相易于被吸附劑吸附；（2）裝載，上樣，使原料液和離子交換樹脂的充分接觸，以利于吸附進行；（3）淋洗離子交換樹脂，以去除雜質(zhì)；（4）把離子交換樹脂上的有用物質(zhì)解吸并洗脫下來；（5）離子交換樹脂的再生。離子交換機理及選擇性待分離的A+自溶液中擴散到樹脂表面；A+從樹脂表面進入樹脂內(nèi)部的活性中心；A+與RB在活性中心上發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)；解吸附離子B+自樹脂內(nèi)部擴散至樹脂表面；B+離子從樹脂表面擴散到溶液中；交換速度的控制步驟是擴散速度，不同的分離體系可能由內(nèi)部擴散或外部擴散控制。A+＋RBRA＋B+

離子交換機理：離子交換原理及反應(yīng)以水凈化處理應(yīng)用為例：離子交換的選擇性是分離純化的基礎(chǔ)當溶液中同時存在著很多種離子時，樹脂對離子有選擇吸附作用。一般來說，離子和樹脂間親和力越大，就越容易吸附；對無機離子，離子的化合價越高，就越容易被吸附；離子交換反應(yīng)受溶液的pH影響很大。對強酸、強堿樹脂來說，任何pH下都可進行交換反應(yīng)，而弱酸、弱堿樹脂的交換反應(yīng)則分別在偏堿性、偏酸性或中性溶液中進行；離子交換樹脂在水和非水體系中的行為是不同的。有機溶劑的存在會使樹脂脫水收縮，結(jié)構(gòu)緊密，降低吸附有機離子的能力，而相對提高吸附無機離子的能力。陽離子樹脂的吸附順序發(fā)酵液中谷氨酸的分離(1)吸附順序用強酸性離子交換樹脂提取谷氨酸時，發(fā)酵液中同時存在的陽離子有Na+、NH4+、K+、Ca2+、Mg2+、腺瞟吟、氨基酸等。按樹脂對這些離子吸引力和親和力大小，其吸附順序是：金屬離子——NH4+——氨基酸——有機色素(2)氨基酸交換順序

精氨酸（10.8

）＞賴氨酸（9.7）＞丙氨酸（6.0）

＞亮氨酸（5.98）＞谷氨酸

(3)金屬陽離子和氨基酸的交換順序Ca2+＞Mg2+＞K+＞NH4+＞Na+＞腺膘吟＞丙氨酸＞亮氨酸＞谷氨酸洗脫時，先洗脫出來是谷氨酸，后是NH4+，金屬離子最后被洗下，以達分離目的。離子交換純化策略對生物大分子進行分離純化，可采用兩種方式：①正吸附：將目標產(chǎn)物離子化，再交換到介質(zhì)上，雜質(zhì)不被吸附而從柱流出，稱為正吸附。②負吸附：將雜質(zhì)離子化后被交換，而目標產(chǎn)物不被交換直接流出，這種方式稱為負吸附。離子交換過程（一）間歇式離子交換設(shè)備（二）半連續(xù)移動床離子交換設(shè)備（三）連續(xù)式離子交換設(shè)備二、離子交換設(shè)備

按結(jié)構(gòu)型式分：罐式、塔式、槽式；按操作方式分：間歇式、周期式與連續(xù)式；按兩相接觸方式分為：固定床、流動床；其中，固定床分：單床、多床、混合床。

離子交換設(shè)備分類工業(yè)規(guī)模的離子交換設(shè)備離子交換車間（一）間歇式離子交換設(shè)備1.正向吸附離子交換罐

一般的離子交換罐為具有橢圓形封頭的圓筒形設(shè)備，樹脂層高度約占圓筒高度的50～70%，須留有充分的空間，已備反沖時樹脂層的擴脹。交換罐上部有溶液分布裝置，使溶液均勻通過樹脂層。罐底有多孔板、篩網(wǎng)及濾布以支持樹脂層，或者用石英石或卵石直接鋪于罐底以支持樹脂層。2.反向吸附離子交換罐（流化床）

結(jié)構(gòu)特點：

進料分布器在罐的下部，上部增加解吸水分布器。吸附后廢液出口在封頭頂部。底部為淋洗水、解吸液和再生液出口、反洗水進口。被交換的溶液由罐的下部導(dǎo)入，交換后的廢液則由罐頂?shù)某隹谝绯觥?/p>

反向吸附離子交換罐主要優(yōu)缺點優(yōu)點：省去菌絲過濾工序；液固兩相接觸面大而且較均勻，操作時不產(chǎn)生短路、死角，以及流速大和生產(chǎn)周期短。缺點：樹脂的飽和度不及正吸附的高、罐內(nèi)樹脂高度要比正吸附時低一點，以免樹脂外溢。擴口式離子交換器為防止離子交換樹脂從頂部溢出，可設(shè)計成擴口式離子交換器。頂部加裝循環(huán)室。待交換的處理液從底部的液體分布器加入。從頂部經(jīng)過濾后溢流出。反向吸附離子交換器的液流方向進料解吸溶液由上而下流動；再生時，先用水反沖，使陽、陰樹脂借重度差分層（一般陽離子樹脂較重），然后將堿液由罐的上部引入，酸液則由罐底引入，廢酸、堿液在中部引出，再生及洗滌結(jié)束后，壓縮空氣將兩種樹脂重新混合，陽、陰離子交換樹脂常以體積比l:1混合。3.混合床交換罐樹脂由陽、陰離子交換樹脂混合組成，脫鹽較充分。制藥工業(yè)用反滲透加混合床生產(chǎn)純水工藝流程（二）半連續(xù)移動床離子交換設(shè)備特點：交換、再生、清洗過程在裝置中特定位置完成，通過管線和閥門將這些過程在裝置中串聯(lián)在一起，各種離子交換樹脂、液體周期性地在特定的部位流動。交換過程樹脂懸浮液流到中間循環(huán)柱，進行固液分離，處理水外排。當再生信號發(fā)出，水處理系統(tǒng)內(nèi)部分樹脂進入飽和樹脂存貯柱，同時有再生好的樹脂補充過來。存貯柱內(nèi)的樹脂進入再生柱再生。該裝置可實現(xiàn)水處理，飽和樹脂再生以及再生好樹脂返回等過程同時進行，從而達到連續(xù)產(chǎn)純凈水的目的。待處理液進入處理柱后，樹脂隨待處理液一起在柱內(nèi)流動，同時進行交換反應(yīng)。

（三）連續(xù)式離子交換設(shè)備屬連續(xù)逆流接觸的離子交換設(shè)備。樹脂經(jīng)頂部計量加入到交換塔內(nèi),并經(jīng)過漏斗形樹脂加料器加到每層篩板上,篩板起支撐樹脂和對料液的分布作用；待處理液從底部加入,從頂部溢流出。1.篩板式連續(xù)離子交換設(shè)備2.漩渦式連續(xù)離子交換設(shè)備離子交換樹脂及處理液在交換器中在螺旋輸送器的推動下，逆流接觸，呈漩渦狀流動。優(yōu)點：能連續(xù)生產(chǎn)、供液不間斷，而且效率高；樹脂利用率及再生飽和程度高，因而再生液耗量較省；操作管理較為方便。缺點：樹脂磨損較大。第二節(jié)色譜分離原理與設(shè)備色譜技術(shù)是利用混合物中各種組分的物理化學(xué)性質(zhì)（分子的形狀和大小、分子的極性、吸附力、分子親和力、分配系數(shù)等）不同，使各組分以不同程度分布在兩相（流動相、固定相）中，當流動相流過固定相時，各組分以不同的速度移動，而達到分離的目的。色譜分離也稱為層析分離或色層。色譜（層析）分離分類按流動相的狀態(tài)不同可分:液相色譜（liquidchromatography）；氣相色譜（gaschromatography）；固定相的使用形式不同可分：

柱層析；紙層析；薄層層析；按分離機制不同可分為：離子交換色譜；吸附色譜；分配色譜；疏水作用色譜；凝膠層析（色譜）；親和層析（色譜）等。色譜分離設(shè)備的組成組成：輸液泵、進樣器（閥）、色譜柱、檢測器、收集器等組成。色譜設(shè)備的組成各部件主要作用泵：推動溶液，它是層析系統(tǒng)的心臟。

閥系統(tǒng)：控制溶液的流向，提供自動控制層析過程的可能性。

層析柱：填裝不同的層析介質(zhì)，使混合物在通過它時，因不同蛋白分子與層析介質(zhì)作用強度不同，因而遷移速度不同，從而分開混合物。

檢測器：確定混合物中各物質(zhì)的位置和濃度，以及緩沖液的各種參數(shù)。

收集器：用來收集樣品。液相色譜的基本流程圖流動相

泵色譜柱檢測器

輸液系統(tǒng)分離系統(tǒng)

檢測系統(tǒng)記錄系統(tǒng)AEGBCDF進樣閥進樣系統(tǒng)色譜系統(tǒng)的進樣與洗脫洗脫進樣進樣器閥流動相泵閥柱檢測器組分收集與記錄儀一、凝膠色譜利用凝膠粒子（凝膠過濾介質(zhì)）為固定相，根據(jù)料液中溶質(zhì)相對分子質(zhì)量的差別進行分離的液相層析法。凝膠（色譜）層析又叫分子篩層析，是20世紀60年代發(fā)展起來的一種分離純化方法。凝膠具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，小分子物質(zhì)能進入其內(nèi)部，而大分子物質(zhì)卻被排阻在外部，當一混合物溶液通過凝膠過濾層析柱時，溶液中的物質(zhì)就按不同分子質(zhì)量篩分開。(一)基本原理

凝膠過濾層析所用的基質(zhì)是具有立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、篩孔直徑一致，且呈珠狀顆粒的物質(zhì)。這種物質(zhì)可以完全或者部分排阻某些大分子化合物于篩孔之外，而不能排阻某些小分子化合物，但可讓其在篩孔中自由地擴散、滲透。樣品由進樣閥進入層析柱，小分子物質(zhì)能進入凝膠顆粒的內(nèi)部，而大分子物質(zhì)卻被排阻在外部，溶液中的物質(zhì)就按不同分子質(zhì)量篩分開。柱后面連有的檢測儀能檢測出目標產(chǎn)物的出峰時間，并由電腦記錄，從而可實現(xiàn)目標產(chǎn)物的定時收集。凝膠色譜原理圖為用凝膠過濾層析技術(shù)分離兩種目標產(chǎn)物的示意圖。將含有兩種不同分子量的混合樣品小心自柱頂端加入，接著連續(xù)以水或其他溶液進行洗脫，并用分部收集器收集洗脫液，測定每管物質(zhì)濃度，然后以洗脫體積為橫坐標，各物質(zhì)濃度為縱坐標作圖，即得洗脫曲線。

通過圖譜可以進行組分成分鑒定及含量的測定。(二)凝膠層析操作步驟1．裝柱：有些凝膠是干燥顆粒，使用前須吸脹；注意在柱裝好后，任何時間都不能使液面低于凝膠表面，否則會影響分離效果。2．加樣：要使樣品均勻地進入凝膠床，要在溶劑表面恰好與凝膠表面相平時加進樣品。當樣品進入凝膠床，樣品液面到達凝膠床表面時，加入洗脫液。3．洗脫：凝膠層析用的所有的洗脫液均以能溶解被洗脫物質(zhì)和不使其變性或失活為原則。并且洗脫用的液體應(yīng)和凝膠溶脹時以及凝膠柱平衡時所用的液體完全相同，4．再生：用水進行逆向沖洗，再用緩沖液進行平衡。平衡完畢后，即可重復(fù)使用。5.保存：使用過的凝膠柱，若要短時間保存，則需進行反復(fù)洗滌除去蛋白質(zhì)等雜質(zhì)，并加入適當?shù)姆烂箘绱姿峁⑷纫掖嫉龋蝗粢L時間保存，則需將凝膠從柱中取出，進行洗滌、脫水和干燥。(三)、凝膠層析設(shè)備凝膠色譜裝置主要由進樣系統(tǒng)（一般為恒壓泵）、層析柱、收集器和檢測系統(tǒng)組成。

柱層析裝置色譜柱是色譜系統(tǒng)的心臟。色譜柱由柱管、壓帽、卡套（密封環(huán)）、篩板（濾片）、接頭、螺絲等組成。柱管材料：不銹鋼；厚壁玻璃；石英管。玻璃柱及不銹鋼柱層析柱分類按用途分：分析柱和制備柱；常規(guī)分析柱：內(nèi)徑2~5mm；窄徑柱：內(nèi)徑1~2mm；毛細管柱：內(nèi)徑0.2~0.5mm；半制備柱：內(nèi)徑＞5mm；實驗室制備柱：內(nèi)徑20~40mm生產(chǎn)制備柱：內(nèi)徑可達幾十厘米。柱的兩端均密閉，柱下端有濾板和濾布，濾板為400目的尼龍布或聚四氟乙烯布，樣品和洗脫液均用微量泵傳送，這樣可使底部的死體積減少到最小值。其中2、3柱還具有雙層管，管間可通溫水保溫，進出口處可用尼龍管伸入柱內(nèi)，連接一個附有濾板的漏斗狀托盤，以減少底部死體積，托盤周圍用橡皮圈與柱壁密封。常用層析柱此外可分為：軸向色譜柱徑向色譜柱徑向柱濃度分布均勻,柱效高,規(guī)模放大時,直徑不變,只需增大柱高，易于工業(yè)放大。反轉(zhuǎn)式凝膠色譜柱為一種反轉(zhuǎn)式層析柱。兩根支柱支撐在兩法蘭之間，在支柱的中部裝有轉(zhuǎn)軸，支撐在支架軸承中，這樣，分離柱就可以上下反轉(zhuǎn)，工作時可用定位螺固定。這種結(jié)構(gòu)可避免柱中凝膠壓緊。（見演示）實驗用凝膠層析設(shè)備工業(yè)規(guī)模的凝膠層析裝置工業(yè)規(guī)模的徑向?qū)游鲋ㄋ模┠z層析的應(yīng)用1．分離提純廣泛用于酶、蛋白質(zhì)、氨基酸、多糖、激素、生物堿等物質(zhì)的分離提純。2．脫鹽生物高分子（如蛋白質(zhì)、核酸、多糖等）溶液中的低分子量雜質(zhì)，可以用凝膠層析法除去，這一操作稱為脫鹽。3．測定高分子物質(zhì)的相對分子質(zhì)量。6．高分子溶液的濃縮將干凝膠投入到稀的高分子溶液中，這時水分和低分子量的物質(zhì)就會進入凝膠粒子內(nèi)部的孔隙中，而高分子物質(zhì)則排阻在凝膠顆粒之外，再經(jīng)離心或過濾，將