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生物工业下游技术,第九章 离子交换法,优点：成本低，工艺操作方便，提炼效率较高，设 备结构简单，以及节约大量的有机溶剂等。 缺点：不一定能找到合适的树脂，生产周期长，生 产过程中pH值变化较大。 第一节 离子交换原理及分类 第二节 离子交换树脂的理化性能和测定 第三节 离子交换过程的理论基础 第四节 离子交换的应用,第一节 离子交换原理及分类,一、离子交换原理 离子交换树脂：是一种不溶于酸、碱和有机溶剂的固态高分子材料。它的化学稳定性良好，且有一定孔隙度。 其巨大的分子可以分成两部分： 一部分是不能移动的，多价的高分子基团，构成树脂的骨架，使树脂具有上述的溶解度和化学稳定的性质； 另一部分是可移动的离子，称为活性离子，它在树脂的骨架中进进出出，就发生离子交换现象。 或者说，其结构由三部分组成： 不溶性的三维空间网状骨架； 连接在骨架上的官能团； 官能团所带的相反电荷的可交换离子。,离子交换的推动力,根据树脂所带的可交换的离子性质，离子交换树脂大体上可分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂。 骨架上的活性离子可扩散到溶液中；溶液中的同类型离子也能扩散到骨架的网格或孔内。 当这两种离子浓度差较大时，就产生一种交换的推动力，使它们之间产生交换作用。 浓度差越大，交换速度越快。 利用这种浓度差的推动力能使树脂上的可交换离子发生可逆交换反应。 离子在树脂的交换反应与溶液中的置换反应相似。,二、离子交换树脂分类,1 强酸性阳离子树脂： 这类树脂含有强酸性基团，如磺酸基SO3H。 能在溶液中离解H+而呈强酸性。反应简式为： 树脂中的SO3 -基团能吸附溶液中的其他阳离子如： 强酸性树脂的离解能力很强，在酸性或碱性溶液中都能离解和产生离子交换作用，因此使用时的pH没有限制。,1 强酸性阳离子树脂,以磷酸基PO(OH)2和次磷酸基 PHO(OH)作为活性基团的树脂具有中等强度的酸性。 树脂在使用一段时间后，要进行再生处理，即用化学药品使树脂的官能团回复原来状态再次使用。强酸性阳离子树脂是用强酸进行再生处理。,2弱酸性阳离子树脂,这类树脂含有弱酸性基团，如羧基COOH、酚羟基 OH，能在水中离解出H+而呈弱酸性。反应简式为： 只能在碱性、中性或微酸性溶液中发挥作用(羧基pH6，酚羟基PH9)。这类树脂也是用酸进行再生。,3强碱性阴离子树脂,这类树脂含有强碱性基团，如季铵基 NR3OH，能在水中离解出OH-而呈碱性，反 应简式为： 离解性很强，使用的pH范围没有限制，再 生一般用强碱。,4弱碱性阴离子树脂,这类树脂含有弱碱性基团，如伯胺基( NH2)、仲胺基 (NHR)或叔胺基(NR2)， 反应简式为： 离解能力较弱，只能在低pH值下工作， 可用弱碱再生。,1）将强酸性阳离子树脂与NaCl作用，转变为钠型树脂；避免了溶液PH值下降和由此产生的副作用，如对设备的腐蚀。进行再生时，用盐水而不用强酸。 2）弱酸性树脂生成的盐RCOONa很易水解，呈碱性，所以用水洗不到中性，一般只能洗到pH910左右。但是弱酸性树脂和氢离子结合能力很强，再生成氢型较容易，耗酸量少。,四种基本类型树脂的实用型,3）强碱性阴离子树脂可先转变为氯型，工作时用Cl-交换其他阴离子，再生只需用食盐水。 4 ）弱碱性树脂生成的盐RNH3 Cl同样易水解。这类树脂和OH-离子结合能力较强，所以 再生成羟型较容易，耗碱量少。 强酸性树脂和强碱性树脂在转变成钠型和氯型后，在使用时就不再有强酸性及强碱性。但它们仍具有这些树脂的其他典型性能，如强离解性和工作的pH范围宽等。,凝胶型和大孔型树脂,按骨架结构不同，离子交换树脂可分为凝胶型和大孔型树脂。 凝胶型树脂： 是以苯乙烯或丙烯酸与交联剂二乙烯苯 聚合得到具有交联网状结构的聚合体。 这种聚合体一般是呈透明状态的，在它的高分子骨架中，没有毛细孔，而在吸水润胀后，才在大分子链节间形成很微细的孔隙，通常称为显微孔。 这类树脂适用于吸附交换无机离子等小离子。,凝胶型和大孔型树脂,大孔型树脂： 是由苯乙烯或丙烯酸与交联剂二乙烯苯的异构体聚合，再经特殊的物理处理，使其形成大网孔，再导入交换基团制成，它内部并存有微细孔和大量的粗孔。 较善于吸附大分子有机物，耐有机物的污染。,三、其他类型的树脂,1两性离子交换树脂： 将两种性质相反的阴、阳离子交换官能团连接在同一树脂骨架上，就构成两性树脂。 这种树脂骨架上的两种类型官能团彼此接近，在与溶液里的阴阳离子交换以后，只要通过水，稍稍改变体系的酸碱条件即可发生相反的水解反应，恢复树脂原来的形式。,三、其他类型的树脂,2选择性离子交换树脂： 这类树脂又叫螯合性离子交换树脂，它与金属离子形成螯合物的基团，是一种对某些离子有特殊选择性的树脂，其选择性高于一般的强酸性和弱酸性树脂。 树脂内如含有可与其中某一离子生成螯合物的有机分子基团，则在交换中可以选择性地优先与这种离子结合。利用这种选择性反应，可制备含某一金属离子的树脂来分离含某些有机官能团的化合物，如用含汞的树脂分离含巯基的辅酶A、半胱氨酸、谷胱甘肽。,三、其他类型的树脂,3吸附树脂： 这类树脂又称为“脱色树脂”，它有较大的表面积，具多孔性，吸附能力强，但交换离子 的能力很小，甚至不能交换。 在发酵工业多用于脱色，吸附大分子的产物和除去蛋白质等。如近来出现的大网格树脂，孔隙大，树脂内表面积大，适宜于吸附大分子和用作催化剂。,4电子交换树脂： 这类树脂的作用不是进行离子交换而是电子转移。能起氧化还原作用，所以也称为氧化还原树脂。根 据活性基团的性质，可分为两种类型。 一种其活性基团是树脂母体的一部分聚合物，其 电子交换反应如下： 另一种类型的活性基是一种加在树脂上的离子， 反应时离子不发生交换，但可进行氧化还原反应。 如吸附有亚硫酸根的强碱性阴离子交换树脂，反应后可用氧化剂或还原剂再生。,三、其他类型的树脂,四、树脂的命名,根据离子交换树脂官能团的性质，将其分为强 酸、弱酸、强碱、弱碱、螯合、两性及氧化还原等 7类。规定如下： 离子交换树脂的全名由分类名称、骨架(或基 团)名称、基本名称(离子交换树脂)排列组成。 由于氧化还原树脂与离子交换树脂的特性不 同。故在命名的排列上也有不同，其命名由基本名 称、骨架名称、分类名称和树脂两字排列组成。 凡属酸性的应在基本名称前加一“阳”字； 凡属碱性的，在基本名称前加一“阴”字。,四、树脂的命名,离子交换树脂的型号由3位阿拉伯数字组成。第1位数字代表产品的分类，第2位数字代表骨架结构的差异，第3位数字为顺序号，用以区别基团、交联剂等的不同。 为了区别凝胶型和大孔型离子交换树脂，在全名前加 “D”表示大孔型树脂。凝胶 型树脂，在型号后面用“x”号联接阿拉伯数字，表示交联度。国内生产的树脂仍沿用习惯命名。,第二节 离子交换树脂的 理化性能和测定,(1)外观： 离子交换树脂是一种透明或半透明的物质，有白、黄、黑及赤褐色等几种颜色。一般颜色与性能关系不大。 树脂的颗粒大小，对树脂的交换能力、树脂层中溶液流动分布均匀程度、溶液通过树脂层的压力及交换和反冲时树脂 的流失等都有很大影响。一般 树脂为球形，可减少流体阻力。 颗粒大小一般选用20一60目(0.250.8mm)。,离子交换树脂的理化性能,(2)交联度： 其大小决定着树脂机械强度以及网状结构的疏密。 交联度大，网孔小，结构紧密，树脂机械强度大；交联度小， 树脂网孔大，结构疏松，强度小。 同时，交联度的变化，使离子交换树脂对大小不同的各种离子具有选择性通过的能力。,(3)化学稳定性： 树脂应有较好的化学稳定性，不易分解破坏。 缩聚树脂的化学稳定性一般较差，在强碱溶液 中，缩聚阳树脂会破坏，共聚阳树脂对碱抵抗能力 较强，但不应与浓度大于2mol/L的碱液长期接触。 阴树脂对碱敏感，处理时，碱液浓度不宜超过 1mol/L。强碱树脂稳定性较差。羟型阴树脂即使在 水中也不稳定，因此常以氯型保存。,离子交换树脂的理化性能,离子交换树脂的理化性能,(4)机械强度： 树脂必须具有一定的物理稳定性，以避免或减少在使用过程中破损流失。 一般来说，膨胀度越大，交联度小的树脂，机械强度就越差。,离子交换树脂的理化性能,(5)交换量： 树脂在应用时，希望有较大的交换容量，也即在实际应用中具有多少可以交换离子的能力。为了能有较大的交换容量，在制造时应使单位质量树脂所含的官能团尽可能多。 树脂不仅吸附量要很多，即交换容量和选挥性好，而且要容易解吸，即应有良好的可逆性。一般来说，吸附容易的解吸就比较困难。,离子交换树脂主要性能测定,1）含水量： 将树脂在105110干燥至恒重就可 以测定其含水量。 将树脂离心 (400g, 30min)，所失去的 水分称为溶胀水。它和树脂的交联度有关， 可作为测定交联度的一种方法。,离子交换树脂主要性能测定,2)膨胀度： 干树脂加水，不时摇动，24h后，测定树脂体积，前后体积之比，称为膨胀系数。 膨胀系数与交联度、交换量、可交换容量、溶液中离子性质有关。,离子交换树脂主要性能测定,3)密度： 树脂的密度有干真密度、湿真密度、视密度等。 湿真密度： 取所需型式的湿树脂，在布氏漏斗中抽干。迅速称取25g抽干树脂，入密度瓶中，加水至刻度称重，计算。,离子交换树脂主要性能测定,4)交换容量： 交换容量是表征树脂性能的重要数据。 它用单位质量干树脂或单位体积湿树脂 所能吸附的1价离子的毫摩尔数米表示。,离子交换树脂主要性能测定,5)滴定曲线 ： 和无机酸、碱一样，离子交换树脂也有滴定曲线。 与离子强度、种类、树脂官能团强度有关。 由滴定曲线的转折点，可估计其总交换 量；而由转折点的数目，可推知官能团的数目。 曲线还表示交换容量随pH值的变化，所以 滴定曲线较全面地表征树脂官能团的性质。,第三节 离子交换过程的理论基础,一、离子交换平衡 离子交换反应是可逆反应，但是，这种可逆反 应并不是在均相溶液中进行，而是在固态的树脂和 水溶液接触的界面间发生的。 在水溶液中，离子交换是由于树脂上的宫能团 B+与溶液中的同类型离子A+之间的浓度差推动着它 们之间的交换，当这种交换反应进行到一定程度时，就建立了离子交换平衡状态，使树脂上和溶液中都同时含有A+和B+两种离子。,一、离子交换平衡,离子交换树脂对有机大分子吸附时，会存在假平衡。主要是由于： 树脂的活性中心受空间排列的影响不能全部吸附有 机大分子； 树脂颗粒度影响对大分子的交换，当树脂的颗粒较大时，有机大分子在树脂的内部扩散速度很慢，达到平衡需要的时间较长。当树脂的颗粒度减小时，交换速度和交换量都会有所增加。,二、离子交换选择性,离子交换选择性： 在实际应用中，溶液中常常同时存在着很多离子。离子交换树脂能否将所需离子从溶液中吸附出或将杂质离子全部(或大部)吸附住，具有更大的实际意义。这就是离子交换选择性。 离子选择系数K： B KA越大，离子交换树脂对B离子的选择性越大(相对于A离子而言)；反之，小于1，树脂对A离子的选择性大。 离子选择系数定性地表示离子交换剂的选择性，因此又称分配系数或交换势。,影响离子交换树脂选择性的因素,1离子价数： 离子交换树脂总是优先选择高价离子。 阳离子的被吸附顺序为： Fe3+AI3+Ca2+Mg2+Na+ 阴离子顺序为： 柠檬酸根硫酸根硝酸根 2 溶液浓度： 树脂对离子交换吸附的选择性，在稀溶液中比较大，而在浓溶液中较小。因此可将溶液稀释，树脂选择吸附高价离子。 3 离子的水化半径： 离子在水溶液中的大小应用水化半径来表征，而不是原子量。水化半径较小的离子优先吸附。,影响离子交换树脂选择性的因素,4树脂物理结构： 通常，交联度高的树脂对离子的选择性较强。大孔型树脂的选择性低于凝胶型树脂。但对于大分子的吸附，情况较复杂。 5有机溶剂： 有机溶剂常会使树脂对有机离子的选择性降低，而容易吸附无机离子，可利用有机溶剂从树脂上洗脱难洗脱的有机物质。 6 树脂与交换离子间的辅助力： 凡能与树脂间形成辅助力（氢键、范德华力等）的离子，树脂对其吸附力就大；能破坏这些辅助力，离子从树脂上易洗脱。,三、离子交换过程和速度,离子交换反应是在动态下进行的，不论溶液的运动情况怎样，在树脂表面上始终存在着一层薄膜，起交换的离子只能借分子扩散而通过这层簿膜。 离子交换速度： 在单位时间内，溶液中A+浓度减少或B+浓度增加的量。,三、离子交换过程和速度,实际交换过程（谷氨酸）由以下相对速度组成： 1)溶液中的谷氨酸离子从溶液通过液膜扩散到树脂表面； 2)穿过树脂表面向树脂孔内部扩散，到达有效交换位置； 3)谷氨酸离子与树脂中的H+进行离子交换； 4) H+从树脂内部向树脂表面扩散； 5) H+穿过树脂表面的液膜进入水溶液。 其中步骤(1)、(5)称为外扩散或膜扩散；(2)、(4)称为内扩散或粒扩散；(3)称为交换反应。一般反应速度很快，而扩散速度很慢，因此，离子交换反应的速度主要取决于扩散速度。,影响交换速度的因素,1树脂颗粒 离子的外扩散速度与树脂颗粒大小成反比，而粒子的内部扩散速度与粒径倒数的高次方成正比，粒度减少，交换速度加快。 2树脂的交联度 交联度降低，树脂易膨胀，树脂内扩散较容易，交换速度提高。 3溶液流速 外扩散随溶液过柱流速的增加而增加，内扩散基本不受其影响。,影响交换速度的因素,4溶液浓度 溶液中离子浓度低，对外扩散速度影响较大，对内扩散影响较小；离子浓度较高，对内扩散影响较大，对外扩散影响较小。 5温度 溶液的温度提高，扩散速度加快。 6离子的大小 大分子受空间阻碍，在树脂内的扩散速度特别慢。小离子快。 7离子的化合价 离子与树脂骨架间存在库仑引力，化合价越高，扩散越慢。,第四节 离子交换的应用,一 、离子交换装置： 按操作方式分为： 间歇式分批操作及柱式操作两种。 按是否敞口分为： 有开放式(即敞口式)和密闭式两种。 开放式：便于树脂的装入、吸出，只能在常压下操作。柱的反洗和清污容易，但由于敞口，易混入外界杂质。 密闭式：上下全封，能克服开放式的缺点，但清污和装住较麻烦。,一 、离子交换装置,按装树脂方式分为：单床(只装一种树脂)和复床(两种以上树脂分层装在同一柱内)反移动床(树脂的使用、再生和清洗不在同一柱内)等几种。 材质：通常中小型离子交换柱用有机玻璃或硬质聚氯乙烯制成，大型柱用钢板焊接制成，内壁涂衬上耐酸、碱的防腐蚀物。 树脂装量：一般发酵工业用的离子交换柱中装载树脂层的高度通常为1- 1.5m，柱体总高度约为树脂层 的2倍。如果树脂的粒度较大，阻力较小，高径比可提高(4-5：1) 。一般正上拄有效树脂体积约为柱的70，倒上柱约为60。,二、离子交换树脂的工作过程,1树脂预处理： 去除未参与聚合反应的低、高分子成分的分解产物，铁、铜、铝等金属物质及灰尘； 装柱，去离子水浸泡12h，2-3倍10%食盐水浸泡4h；水洗，酸、碱处理，调pH。 2上柱交换： 关键，可采用正上柱或倒上柱 ，柱上树脂分三层： 已交、交换、未交。交换带逐渐下移，达底部称漏出点。交换带一般0.21m。B离子浓度高、操作温度低、料液流速高、树脂老化等都会使交换带加宽，不利；应控制，但有限。,二、离子交换树脂的工作过程,3 洗脱： 用亲和力更大的离子取代产物。生物大分子分离纯化有两种方式： “正吸附”，产物离子化，被交换。优点是目的产物纯度高，可浓缩，宜处理浓度低、量大的溶液； “负吸附”。吸附杂质。宜处理浓度高溶液；产物纯度不高，不浓缩。 4 树脂的再生： 交换吸附的逆反应。水洗，再生剂再生，清水洗至所需PH值。 钠型强酸性树脂用NaCI再生；氢型强酸性树脂用强酸再生，氯型强碱性阴树脂主要用NaCI溶液再生，羟型强碱性阴树脂用Na0H溶液再生。恢复程度为70一80。,三、树脂和操作条件的选择,树脂选择： 1、强碱性离子宜用弱酸性树脂； 2、弱碱性离子宜用强酸性树脂； 3、弱酸性离子宜用强碱性树脂； 4、强酸性离子宜选用弱碱性树脂； 5、大分子离子应选择交联度较低的树脂； 6、小分子离子应选择一定交联度的树脂。 原因：1、4：强酸对强碱，解吸较困难； 2、3：弱酸对弱碱，形成的盐易水解，不易吸附； 5：低交联度便于大分子扩散到树脂内部，但交联度过低，会 影响树 脂的选择性和机械强度； 6：交联度过高，树脂在清洗再生及转型过程中，膨胀度较大， 对设备造成损坏。,合适操作条件的选择,PH：合适的PH值应具备3个条件：pH值应在产物的稳定范围内；使产物离子化；使树脂能解离。 树脂的型式：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；而对强酸性和强碱性 树脂，可以采用任何形式；但如产物在酸性、碱性条件下易破坏，则不宜采用氢型或羟型树脂。 溶液中产物浓度：低价离子增加浓度有利于交换上树脂，高价离子在稀释时容易被吸附。,合适操作条件的选择,洗脱条件： 洗脱条件应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。如吸附在酸性下进行，解吸应在碱性下进行；吸附在碱性，解吸应在酸性。 为了使pH变化不致过大，可选用缓冲液作洗脱剂。PH变化不行时，可用能和水混合、且对产物溶解度较大的有机溶剂洗脱。 洗脱前，树脂的洗涤工作相当重要，很多杂质可以在洗涤时除去，洗涤可以用水、稀酸和盐类溶液等。,四、软水和无盐水的制备,软水： 利用钠型阳离子交换树脂去除钙、镁离子后的水。 主要是用于锅炉给水，钙、镁离子是锅炉结垢的主要成。 经钠盐型离子交换树脂床的原水，硬度可降至0.05mm ol/L以下，甚至可完全消除。但原水中的碱度保持不变。 树脂可用工业食盐水溶液(10一15)再生，可反复使用。,四、软水和无盐水的制备,无盐水： 除去原水中所有的溶解性盐类、游离的酸、碱离子。 无盐水的用途十分广泛，如高压锅炉的补给水、实验室用的去离子水，制药、食品等各行业都需要无盐纯水。 离子交换法制备无盐纯水是将原水通过氢型阳离子交换树 脂和羟型阴离子交换树脂，经过离子交换反应，将水中的阴、阳离子除去，从而制得纯度很高的无盐纯水。 阳离子交换树脂用一定浓度的盐酸或硫酸再生。强碱阴树脂用5一8 NaOH 再生，费用高；弱碱阴树脂用1一3NaOH再生，但不能除硅等弱酸性阴离子。可根据水质要求而组合。,五、离子交换技术在生物工程的应用,1、氨基酸：是一类两性化合物，在不同的pH条件下能以正离子、负离子或两性离子的形式存在。可用阳离子交换富集分离。 例如：谷氨酸，当pH322时，呈阳离子状态，可用732强酸性阳离子树脂选择性吸附，与发酵液中妨碍谷氨酸结晶的残糖及糖的聚合物、蛋白质、色素等非离子性杂质分离，达到浓缩提纯的目的。 2、有机酸：可用阳树脂除去有机酸溶液中的阳离子杂质，达到纯化的目的。如柠檬酸，用阳树脂脱除酸液中的金属离子。,五、离子交换技术在生物工程的应用,3、抗生素：一些具有酸性基团，在中性或弱碱条件下以负离子的形式存在，可用阴离子树脂提取分离，如苄基青霉素； 氨基糖苷类抗生素，如红霉素、链霉素、卡那霉素，在中性或弱酸性条件下以阳离子形式存在，可用阳离子树脂提纯。 还有一些抗生素为两性