离子交换法

离子交换法概念：利用离子交换树脂作为吸附剂，将溶液中的待分离组分，依据其电荷差异吸附在树脂上，然后利用合适的洗脱剂将吸附质从树脂上洗脱下来，达到分离的目的。在发酵工业中可用于分离纯化蛋白质、氨基酸、核酸、酶、抗生素等物质。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。离子交换树脂离子交换树脂是人工合成的不溶于酸、碱和有机溶剂的高分子聚合物，它的化学性质稳定，并具有离子交换能力。构成：骨架:通常用R表示（保持树脂不溶性和化学稳定性)活性离子（可交换的离子，H+、OH-）（与外界离子交换或吸附）通式：R-活性基团离子交换树脂的分类：活性离子为阳离子，称阳离子交换树脂，与阳离子发生交换；活性离子为阴离子，称阴离子交换树脂，与阴离子发生交换。阳离子交换树脂的活性基团是酸性基团，阴离子交换树脂的则是碱性基团。离子交换树脂结构的简单表示：R－SO3－H＋(Na＋)阳离子交换树脂高分子基质;固定离子基团；反离子（活性离子）R－SO3－骨架；SO3－H＋(Na+)化学功能团。离子交换树脂的分类依据活性基团分类阳离子交换树脂阴离子交换树脂螯合树脂两性交换树脂强酸性弱酸性交换基为酸性，H+与阳离子交换—SO3H—COOH—OH无限制pH7使用pH范围pH9交换基为碱性，阴离子发生交换强碱性弱碱性—N+(CH3)3Cl-—N+H3OH-—N+H2ROH-—N+HR2OH-无限制pH4含有特殊螯合基团的树脂电子交换树脂，含有氧化还原功能基团四类树脂的特性比较性能阳离子交换树脂阴离子交换树脂强酸性弱酸性强碱性弱碱性活性基团磺酸羧酸季氨胺pH对交换能力的影响无在酸性中交换能力很小无在碱性溶液中交换能力很小再生需过量的强酸很容易需要过量的强碱再生容易，可用碳酸钠或氨交换速度快慢(除非离子化后)快慢(除非离子化后)离子交换树脂的命名产品型号主要用三位阿拉伯数字组成第一位：树脂的分类第二位：骨架的区别第三位：序号，由生产单位所定“×”后为交联度大孔型离子交换树脂在第一位数字以前以字母“D”表示凝胶型离子交换树脂大孔型离子交换树脂例如，001×7强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂(其交联度为7)，图解如下：D20l大孔型强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂(交联度没有标出)，图解可下：离子交换树脂命名法中分类代号和骨架代号代号分类名称骨架名称0强酸性苯乙烯系1弱酸性丙烯酸系2强碱性酚醛系3弱碱性环氧系4螯合性乙烯哌啶系5两性脲醛系6氧化还原氯乙烯系离子交换树脂主要性能测定交联度合成树脂时，单体中二乙烯苯的含量百分数。交联度按照下式计算：交联度%100WPWmdWd——二乙烯苯质量P——二乙烯苯纯度（%）Wm——单体相总质量•交联度越大，树脂就越紧固，机械强度越好，在水下不宜膨胀；相反，交联度越小，树脂变得柔软，容易膨胀，能很好的吸附比较大的离子，达到交换的平衡速度越大，但机械强度差，吸附选择性小。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。膨胀系数与树脂的交联度有一定的关系，交联度大的树脂，膨胀系数小，因而交换条件的变化引起膨胀度的差异就小。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。交换容量指一定量树脂中，可交换基团的毫克当量数。交换容量是表征树脂性能的重要指标。通常采用酸碱滴定法测定，以每克或每毫升树脂的毫克当量数表示总交换容量：单位体积湿树脂或单位质量干树脂中所有交换基团的总数。注意：它是常数，不代表真实交换能力离子交换动力学以阳离子交换动过程为例，在溶液中盐中，阳离子B+(B+S-)与一个完全解离的树脂盐（A+R-）上的阳离子A+可发生下列交换反应A++RB=RA+B+离子交换过程一般包含五个步骤：（1）A+离子自溶液扩散至树脂表面；（外扩散）（2）A+离子从树脂表面扩散至树脂内部的活性中心；（内扩散）（3）A+离子与树脂上的B+发生交换反应；（化学反应）（4）解离B+离子自树脂内部扩散到树脂表面；（内扩散）（5）B+离子从树脂表面扩散到溶液中。（外扩散）多步骤化学反应中，反应速度由慢步骤的速度控制。离子交换过程中，化学反应由树脂盐之间的化学电位差决定，速度快，除极个别情况外，化学反应多是快步骤，一般不是控制步骤，扩散才是控制步骤。具体是内扩散还是外扩散哪一步骤，是由操作条件决定，并且随着操作条件的改变而变化。例如：流相流动速度快，或搅拌激烈，树脂颗粒大，吸附弱，浓度稀，外扩散速度就快，内扩散速度慢，内扩散成为控制步骤；相反，流相流动速度慢，树脂颗粒细，吸附强，浓度高，外扩散速度就慢，内扩散速度慢，外扩散成为控制步骤；因为大分子在树脂内扩散速度慢，所以内扩散常常是控制步骤。总结：树脂的选择和操作条件控制一、树脂的选择（考虑因素）（1）产物的酸碱性质例如：强酸性物质应该选用弱碱性阴离子交换树脂弱酸性物质应该选用强碱性阴离子交换树脂强碱性物质应该选用弱酸性阳离子交换树脂弱碱性物质应该选用强酸性阳离子交换树脂（2）树脂应有一定交联度例如：大分子物质要选择交联度低的一些树脂；而小分子物质要选择高交联度的树脂。注意：交联度太小，会影响树脂的选择性，树脂的机械强度也较低，容易破碎，造成树脂的破碎流失。交联度选择原则：在不影响交换容量的条件下，尽可能提高交联度。二、操作条件的控制（1）交换条件的控制a.控制交换时的PH合适的PH应该考虑：被吸附物质稳定的PH范围；使吸附物质离子化；同时使树脂离子化。使用前，树脂需要处理成一定的型式，对于弱酸和弱碱性树脂，为使其离子化，应采用钠型或氯型；强酸和强碱性树脂可采用任何形式，但若产物在酸性或碱性条件下容易破环的，则不采用氢型或羟型；对于偶极离子的有机物，应采用氢型树脂。b.溶液中产物的浓度对交换有影响当产物分子是低价离子时，增加浓度有利于交换上柱；高价离子则应在较低浓度条件下容易被吸附。此外，溶液中竞争性离子要少。洗脱条件正好与上柱条件相反例如：PH选择方面，若酸性上柱，则应在碱性条件下洗脱；若碱性上柱，则应在酸性条件下洗脱。注意：为使洗脱过程中，PH不致变化太大，应采用缓冲液作为洗脱剂；若产物在碱性条件下容易破坏，可用氨水等较缓和的碱性洗剂；洗脱时应增加竞争性离子的强度；使用过的树脂，可以洗涤再生，反复使用。（2）洗脱条件的控制结晶法结晶过程：固体物质以晶体状态从蒸汽、溶液或熔融物中析出的过程。结晶过程具有成本低、设备简单、操作方便等特点，广泛应用于氨基酸、有机酸、抗生素、维生素、核酸等产品的精制。结晶过程的实质•结晶是指溶质自动从过饱和溶液中析出，形成新相的过程•这一过程包括：–溶质分子凝聚成固体–分子有规律地排列在一定晶格中晶体性质（1）具有一定形状的固态物质（但并不是所有固态物质都是晶体）（2）某些液体表面上看不像晶体，但内部结构具有晶体空间排列规律性例如：某些棒状大分子晶体受热转为液体，或生物分子中所结合水层都具有这种规律，这种液体称液晶或液态晶体。几种典型的晶体结构晶体与非晶体的区别•晶体具有方向性（在同一方向具有相同的性质），非晶体不具有此性质。•晶体具有一定的对称性。所以晶体的定义是许多性质相同的粒子在三维空间进行有规则的排列而成格子状固体的物质。生物物质形成晶体的条件•样品的纯度（决定因素）•溶液的饱和度（决定因素）•溶剂的性质样品纯度•结晶是同种物质分子的有序排列，所以杂质是障碍。•多数生物大分子需要相当的纯度才能进行结晶,但有些物质尽管纯度不高，若条件合适，也能从溶液中结晶（如毛发水解液中的胱氨酸）•大多数蛋白质纯度接近或超过50%才能结晶。•杂质的存在影响结晶的形成，但有些杂质吸附在晶体的表面，只影响晶体色泽，不影响晶体的形成，可加入少量活性炭除去。溶液的饱和度饱和溶液：当溶液中溶质浓度等于该溶质在同等条件下的饱和溶解度时，该溶液称为饱和溶液；过饱和溶液：溶质浓度超过饱和溶解度时，该溶液称之为过饱和溶液；只有溶质浓度稍稍过饱和状态或低于过饱和状态，即晶体形成速率略大于晶体溶解的速率，才可能有晶体析出。溶剂的影响大多数小分子生物物质多使用水，乙醇，甲醇，丙酮，氯仿等。许多小分子物质结晶使用混合溶剂如：水-乙醇、水-丙酮。结晶溶剂的选择应注意：1、所使用的溶剂不能与结晶物质发生化学反应。2、应对结晶物质有较高的温度系数，以便利用温度变化进行结晶。3、应对杂质有较大的溶解度，或在不同温度下结晶物质与杂质有不同的溶解度。4、选择时应考虑安全、成本或是否容易回收等。结晶方法浓缩结晶冷却结晶化学反应结晶法盐析结晶法制备方法浓缩结晶浓缩结晶:使溶液在常压或减压下蒸发浓缩而达到过饱和的结晶过程。适用于溶解度随温度降低而变化不大的物系。浓缩结晶对晶体的粒度不能有效的加以控制，影响晶体的纯度，从而影响晶体质量。冷却结晶冷却结晶：适应于那些溶解度随温度变化很大的物质，方法是加热使其溶解，然后冷却便可析出结晶（如肌苷酸的纯化）。但有些物质随温度的上升而降低的，如红霉素。这种物质可以在低温下用缓冲液溶解，调PH9.8-10.2,升温，析出晶体。化学反应结晶加入反应剂产生新物质，当该新物质的溶解度超过饱和溶解度时，即有晶体析出；其方法的实质是利用化学反应，对待结晶的物质进行修饰，一方面可以调节其溶解特性，同时也可以进行适当的保护；•如：在抗生素的溶液中加入成盐剂（酸、碱或盐类），使抗生素以盐的形式结晶析出。盐析结晶盐析结晶：向溶液中加入某些物质，以降低溶质在原溶剂中的溶解度，产生过饱和度的方法。盐析剂的要求：能溶解于原溶液中的溶剂，但不（很少）溶解被结晶的溶质，而且溶剂与盐析剂的混合物易于分离(用蒸馏法)。NaCl是一种常用的盐析剂，如在联合制碱法中，向低温的饱和氯化铵母液中加入NaCl，利用同离子效应，使母液中的氯化铵尽可能多地结晶出来，以提高结晶收率。