生物分離工程吸附分離技術(shù)與理論總體學(xué)習(xí)目的和要求

在了解吸附劑和離子交換劑、吸附和離子交換平衡的基礎(chǔ)上，掌握吸附和離子交換操作及其設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。目錄引言吸附劑與離子交換劑吸附平衡離子交換平衡固定床吸附操作膨脹床吸附操作引言-吸附分類物理吸附：基于吸附劑與溶質(zhì)間范德華力，無(wú)選擇性、無(wú)需高活化能、吸附層可以是單層，也可以是多層、吸附和解吸附速度通常較快；化學(xué)吸附：基于吸附劑與溶質(zhì)之間的化學(xué)結(jié)合，吸附過(guò)程產(chǎn)生電子轉(zhuǎn)移；需要高活化能、只能以單分子層吸附，選擇性強(qiáng)、吸附和解吸附速度較慢；離子交換：基于吸附劑與溶質(zhì)之間的靜電引力，吸附過(guò)程發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移常見的吸附類型及其主要特點(diǎn)物理吸附化學(xué)吸附吸附作用力

分子間引力化學(xué)鍵合力選擇性較差較高所需活化能低高吸附層單層或多層單層達(dá)到平衡所需時(shí)間快慢吸附劑與離子交換劑

-學(xué)習(xí)要點(diǎn)識(shí)記：生物分離中常用的吸附劑和離子交換劑理解：吸附劑、離子交換劑性能評(píng)估方法應(yīng)用：掌握典型離子交換劑的滴定曲線吸附劑與離子交換劑

-常用的吸附劑p182吸附劑應(yīng)具備的特征

對(duì)被分離的物質(zhì)具有較強(qiáng)的吸附能力、有較高的吸附選擇性、機(jī)械強(qiáng)度高、再生容易、性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉常用的吸附劑

活性炭，硅膠，金屬氧化物，有機(jī)高分子樹脂評(píng)價(jià)吸附性能的參數(shù)

比表面積、孔徑

2、親水或極性吸附劑

適用于非極性或極性較小的溶媒。如硅膠、氧化鋁，活性土皆屬此類。另外，吸附劑可以是中性、酸性或堿性。碳化鈣、硫酸鎂等屬中性吸附劑。氧化鋁、氧化鎂等屬堿性吸附劑。酸性硅膠、鋁硅酸屬酸性吸附劑。堿性的吸附劑適宜于吸附酸性的物質(zhì)，而酸性的吸附劑適宜干吸附堿性的物質(zhì)。氧化鋁及某些活性土為兩性化合物，因?yàn)榻?jīng)酸或堿處理后很容易獲得另外的性質(zhì)。吸附操作方式

靜態(tài)吸附被處理液與吸附劑攪拌混合，而被處理液沒有自上而下流過(guò)吸附劑的流動(dòng)，這種吸附操作叫靜態(tài)吸附。

動(dòng)態(tài)吸附被處理液通過(guò)吸附劑自上向下流動(dòng)而進(jìn)行吸附。活性炭對(duì)物質(zhì)的吸附規(guī)律活性炭是非極性吸附劑，因此在水中吸附能力大于有機(jī)溶劑中的吸附能力。針對(duì)不同的物質(zhì)，活性炭的吸附規(guī)律遵循以下規(guī)律：（1）對(duì)極性基團(tuán)多的化合物的吸附力大于極性基團(tuán)少的化合物（2）對(duì)芳香族化合物的吸附能力大于脂肪族化合物;（3）對(duì)相對(duì)分子量大的化合物的吸附力大于相對(duì)分子量小的化合物;（4）pH值的影響堿性中性吸附酸性洗脫;酸性中性吸附堿性洗脫;（5）溫度未平衡前隨溫度升高而增加;大孔網(wǎng)狀吸附樹脂的種類非極性吸附樹脂：苯乙烯交聯(lián)而成，交聯(lián)劑為二乙烯苯，又稱芳香族吸附劑。中等極性吸附樹脂：甲基丙烯酸酯交聯(lián)而成，交聯(lián)劑亦為甲基丙烯酸酯，故又稱脂肪族吸附劑。極性吸附劑：丙烯酰胺或亞砜經(jīng)聚合而成，通常含有硫氧、酰胺、氮氧等基團(tuán)。吸附劑與離子交換劑

-吸附劑之比表面積p183比表面積直接影響到溶質(zhì)的吸附容量，較大的比表面積可使溶質(zhì)的吸附量增加吸附劑的比表面積一般采用B.E.T（Brunauer-Emmett-Teller）法測(cè)定

根據(jù)在液氮溫度（-196℃）下氮?dú)庠谖奖砻嫘纬蓡畏肿訉游降脑?，通過(guò)測(cè)定氮?dú)獾奈襟w積vm（cm3/g），利用下面的公式可計(jì)算出比表面積a（cm2/g）：

a=Nsvm/2400=kvm=4.35*10000vm吸附劑與離子交換劑

-吸附劑之孔徑p183孔徑對(duì)吸附劑性能的影響主要體現(xiàn)在其對(duì)溶質(zhì)在吸附劑內(nèi)擴(kuò)散的影響方面。當(dāng)孔徑越大，溶質(zhì)分子擴(kuò)散越容易，反之則越困難孔徑和比表面積相互制約，孔徑越大，比表面積越小孔徑的測(cè)定(采用壓汞法)吸附劑與離子交換劑

-離子交換劑分類p184離子交換劑陽(yáng)離子交換劑（活性基團(tuán)為酸性）強(qiáng)陽(yáng)離子：磺酸基、磺丙基、膦酸基弱陽(yáng)離子：羧甲基、羧基陰離子交換劑（活性基團(tuán)為堿性）強(qiáng)陰離子：三甲胺基、季胺乙基、二乙胺乙基弱陰離子：氨基離子交換(ionexchange)概念：利用離子交換樹脂作為吸附劑，將溶液中的待分離組分，依據(jù)其電荷差異，依靠庫(kù)侖力吸附在樹脂上，然后利用合適的洗脫劑將吸附質(zhì)從樹脂上洗脫下來(lái)，達(dá)到分離的目的。例如：CM纖維素構(gòu)成樹脂的網(wǎng)絡(luò)骨架吸附劑與離子交換劑

-離子交換劑之交換容量定義交換容量是單位質(zhì)量的干燥離子交換劑或單位體積的濕離子交換劑所能吸附的一價(jià)離子的毫摩爾數(shù)。

吸附容量是表征離子交換能力的主要參數(shù)交換容量的測(cè)定陽(yáng)離子交換劑轉(zhuǎn)化為氫型陰離子交換劑轉(zhuǎn)化為氯型

吸附平衡-學(xué)習(xí)要點(diǎn)p189識(shí)記：吸附平衡概念理解：用蘭格繆爾的單分子層吸附理論解釋溶質(zhì)吸附現(xiàn)象吸附平衡-概念當(dāng)吸附劑達(dá)到吸附平衡后，固相表面溶質(zhì)濃度q與液相中溶質(zhì)濃度c存在一定的關(guān)系，q=f（c，T）吸附平衡-吸附平衡形式低濃度下q=mc高濃度下吸附平衡

-蘭格繆爾單分子吸附理論p190

吸附劑上有多個(gè)活性位點(diǎn)；每個(gè)活性具有相同的能量；并只能吸附一個(gè)分子的溶質(zhì)；吸附的分子間無(wú)相互作用；

根據(jù)蘭格繆爾理論，可得q=qmc/（Kd+c）離子交換平衡-學(xué)習(xí)要點(diǎn)識(shí)記：離子交換平衡概念理解：離子交換分配系數(shù)的推導(dǎo)離子交換平衡p192在沒有待分離的溶質(zhì)存在時(shí)，離子交換劑表面離子基團(tuán)一直被其反離子所覆蓋。由于溶質(zhì)與反離子帶有相同的電荷，典型的離子交換過(guò)程如下：陰離子交換劑：R+A-+P-R+P-+A-陽(yáng)離子交換劑：R-A++P+R-P++A+離子交換平衡

-完全解離電解質(zhì)的分配平衡

p193對(duì)于完全解離的電解質(zhì)XH而言，其在固液之間的分配系數(shù)為m=[RP]/[P-]平衡常數(shù)代入m=(KPA-[RA])/[A-]溶液中反離子濃度越高，離子交換的分配系數(shù)越小離子交換平衡

-不完全解離電解質(zhì)的分配平衡單價(jià)弱電解質(zhì)XH存在著如下的解離平衡，PHP-+H+弱電解質(zhì)在溶液中的分配系數(shù)可表示為m=[RP]/([P-]+[PH])m=m1/[A-]離子交換平衡

-通用分配平衡模型普遍化的離子交換反應(yīng)可表示為bRA+aPbaRP+bAa達(dá)到平衡后，分配平衡常數(shù)為KPA=[RP]|a|[Aa]|b|/[RA]|b|[Pb]|a|離子交換平衡

-蛋白質(zhì)的離子交換平衡隨著分子量的升高，交換劑對(duì)蛋白質(zhì)分子的空間排阻作用增大，蛋白質(zhì)分子進(jìn)入離子交換劑困難，無(wú)法與所有的離子交換劑活性中心接觸吸附于吸附劑上的蛋白質(zhì)分子會(huì)妨礙其它蛋白與游離的離子交換活性中心接觸，同時(shí)阻礙分子擴(kuò)散蛋白質(zhì)帶多價(jià)電荷，可與多個(gè)離子交換基發(fā)生作用。其在離子交換劑上的吸附受到反離子濃度的影響，可用如下的公式表示離子交換柱層析步驟⒈離子交換劑預(yù)處理和裝柱

對(duì)于離子交換纖維素要用流水洗去少量碎的不易沉淀的顆粒，以保證有較好的均勻度，對(duì)于已溶脹好的產(chǎn)品則不必經(jīng)這一步驟。溶脹的交換劑使用前要用稀酸或稀堿處理，使之成為帶H+或OH-的交換劑型。陰離子交換劑常用“堿-酸-堿”處理，使最終轉(zhuǎn)為-OH-型或鹽型交換劑；對(duì)于陽(yáng)離子交換劑則用“酸-堿-酸”處理，使最終轉(zhuǎn)為-H-型交換劑。

⒉加樣與洗脫

加樣：層析所用的樣品應(yīng)與起始緩沖液有相同的pH和離子強(qiáng)度，所選定的pH值應(yīng)落在交換劑與被結(jié)合物有相反電荷的范圍，同時(shí)要注意離子強(qiáng)度應(yīng)低，可用透析、凝膠過(guò)濾或稀釋法達(dá)此目的。樣品中的不溶物應(yīng)在透析后或凝膠過(guò)濾前，以離心法除去。為了達(dá)到滿意的分離效果，上樣量要適當(dāng)，不要超過(guò)柱的負(fù)荷能力。柱的負(fù)荷能力可用交換容量來(lái)推算，通常上樣量為交換劑交換總量的1％-5％。最好的洗脫方法是連續(xù)梯度洗脫，兩個(gè)容器放于同一水平上，第一個(gè)容器盛有一定pH的緩沖液，第二個(gè)容器含有高鹽濃度或不同pH的緩沖液，兩容器連通，第一個(gè)容器與柱相連，當(dāng)溶液由第一容器流入柱時(shí)，第二容器中的溶液就會(huì)自動(dòng)來(lái)補(bǔ)充，經(jīng)攪拌與第一容器的溶液相混合，這樣流入柱中的緩沖液的洗脫能力即成梯度變化。第一容器中任何時(shí)間的濃度都可用下式進(jìn)行計(jì)算：C＝C2－（C2－C1）（1－V）A2/A1洗脫時(shí)應(yīng)滿足以下要求：①洗脫液體積應(yīng)足夠大，一般要幾十倍于床體積，從而使分離的各峰不致于太擁擠。②梯度的上限要足夠高，使緊密吸附的物質(zhì)能被洗脫下來(lái)。③梯度不要上升太快，要恰好使移動(dòng)的區(qū)帶在快到柱末端時(shí)達(dá)到解吸狀態(tài)。目的物的過(guò)早解吸，會(huì)引起區(qū)帶擴(kuò)散；而目的物的過(guò)晚解吸會(huì)使峰形過(guò)寬。⒊洗脫餾份的分析

按一定體積（5-10ml/管）收集的洗脫液可逐管進(jìn)行測(cè)定，得到層析圖譜。依實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡牟煌?，可采用適宜的檢測(cè)方法（生物活性測(cè)定、免疫學(xué)測(cè)定等）確定圖譜中目的物的位置，并回收目的物。

⒋離子交換劑的再生與保存

離子交換劑可在柱上再生。如離子交換纖維素可用2mol/:NaCl淋洗柱，若有強(qiáng)吸附物則可用0.1mol/LNaOH洗柱；若有脂溶性物質(zhì)則可用非離子型去污劑洗柱后再生，也可用乙醇洗滌，其順序?yàn)椋?.5mol/LNaOH-水-乙醇-水-20％NaOH-水。保存離子交換劑時(shí)要加防腐劑。對(duì)陰離子交換劑宜用0.002％氯已定（洗必泰），陽(yáng)離子交換劑可用乙基硫柳汞（0.005％）。有些產(chǎn)品建立用0.02％疊氮鈉。固定床吸附操作

-學(xué)習(xí)要點(diǎn)識(shí)記：穿透曲線、穿透點(diǎn)和穿透時(shí)間等概念理解：固定床吸附過(guò)程理論基礎(chǔ)應(yīng)用：掌握固定床操作過(guò)程以及多床串聯(lián)吸附操作的優(yōu)缺點(diǎn)固定床吸附操作

-吸附操作模式

間歇攪拌槽（動(dòng)態(tài)）

一級(jí)吸附平衡，效率低，用于吸附動(dòng)力學(xué)和機(jī)理研究

固定床吸附塔（靜態(tài)）

多級(jí)吸附平衡，分離效率高固定床吸附的基本步驟平衡上樣吸附洗脫再生++++++-------anionexchangebeadEquilibrationSampleapplicationandwash-----------++++++----Elution----------------------------------++++++++++++--Regeneration-----------------------++++++SampleapplicationandwashElutionEquilibrationRegeneration--------------------------------------------------------------------++++++++++++++++++++++++++++++-----------固定床吸附操作

-吸附過(guò)程p212吸附塔內(nèi)填充著活性炭等吸附劑或者離子交換劑。當(dāng)料液連續(xù)輸入吸附塔中，溶質(zhì)被吸附劑吸附。從吸附塔人口開始，吸附劑的吸附質(zhì)濃度不斷上升，其飽和（最大）吸附濃度q0與入口料液濃度c0相平衡，即當(dāng)吸附塔內(nèi)溶質(zhì)的吸附接近飽和時(shí)，溶質(zhì)開始從塔中流出，出口處溶質(zhì)濃度升高，最后達(dá)到入口料液濃度，即吸附達(dá)到完全飽和。固定床吸附操作

-穿透曲線及相關(guān)概念穿透曲線

吸附過(guò)程中吸附塔出口溶質(zhì)濃度的變化曲線稱為穿透曲線

穿透點(diǎn)

出口處溶質(zhì)濃度開始上升的點(diǎn)稱為穿透點(diǎn)穿透時(shí)間達(dá)到穿透點(diǎn)所用的操作時(shí)間稱為穿透時(shí)間

固定床吸附操作

-吸附帶概念在吸附過(guò)程中，當(dāng)吸附塔內(nèi)某處溶質(zhì)達(dá)到吸附飽和后，該位置處固液兩相的濃度均不再改變。而在其下游區(qū)域仍然存在著溶質(zhì)濃度從c0到0的變化區(qū)域。一般將吸附塔中液相（或固相）溶質(zhì)濃度從c0（或q0）到0的分布區(qū)域稱為濃度波或吸收帶固定床吸附操作

-恒定圖式概念p225恒定圖式吸附帶是指吸附帶的濃度分布（濃度波）以一定的形狀移動(dòng)，則稱為此濃度分布為恒定圖式