大学课件 生物工程设备 离子交换分离原理及设备

第二节离子交换分离原理及设备离子交换树脂及其分离原理离子交换树脂的分类及合成离子交换树脂的理化性能离子交换机理及选择性离子交换装置及再生离子交换设备及计算离子交换设备的结构离子交换设备的计算离子交换树脂的分类•按树脂骨架的主要成分分为聚苯乙烯型树脂、聚丙烯酸型树脂、酚-醛型树脂等；•按聚合的化学反应分为共聚型树脂和缩聚型树脂；•按树脂骨架的物理结构分为凝胶型树脂(微孔树脂)、大网络树脂(大孔树脂)及均孔树脂；•按树脂的酸碱性分为强酸性、弱酸性阳离子交换树脂和强碱性、弱碱性阴离子交换树脂。几类树脂性能的比较类型性能阳离子交换树脂阴离子交换树脂强酸性弱酸性强酸性弱酸性活性基团磺酸羧酸季胺伯胺、仲胺pH的影响无酸性交换力小无碱性交换力小盐的稳定性稳定洗涤时水解稳定洗涤时水解再生剂用量3～5倍1.5～2倍3～5倍1.2～2倍交换速率快慢快慢离子交换树脂的理化性能•颗粒度：大多数为球形，直径0.2～1.2mm；•交换容量：表示方法有质量交换容量(mmol/g树脂)和体积交换容量(mmol/mL树脂)；此外还有工作交换容量和再生交换容量；•机械强度•膨胀度•含水量及密度：含水量一般是0.3～0.7g/g干树脂)；湿堆积密度和湿真密度一般为600～850kg/m2和1100～1400kg/m2；•孔结构离子交换机理及选择性离子交换机理B+A+BRARBA薄膜离子交换过程包括5步：1.A+自溶液扩散到树脂表面；2.A+从树脂表面扩散到树脂内部的活性中心；3.A+在活性中心发生交换反应；4.解吸离子B+自树脂内部的活性中心扩散到树脂表面；5.B+从树脂表面扩散到溶液；SampleapplicationandwashElutionEquilibrationRegeneration-----------------------------------------------------------++++++++++++++++++++++++++++++anionexchangerbead-----------离子交换机理及选择性离子交换机理离子交换机理及选择性离子交换过程的选择性•离子的水化半径•离子的化合价•溶液的酸碱度•交联度、膨胀度和分子筛•树脂与交换离子之间的辅助力•有机溶剂的影响离子交换装置及再生料液处理液单床式料液处理液多床式料液处理液复床式料液处理液混合床式离子交换装置离子交换装置及再生再生方式料液再生液处理液废液顺流再生料液再生液处理液废液逆流再生离子交换装置及再生再生方式废液再生液料液再生液处理液对流逆流再生废液再生液料液再生液处理液对流再生离子交换装置及再生再生操作交换反洗再生水洗交换料液处理液废水反洗水再生水再生废液正洗水废水料液处理液动画演示离子交换装置及再生再生操作混合床再生的操作过程具有多孔支持板的离子交换罐圆筒体的高径比一般为2～3，树脂层高度约为圆筒高度的50～70％。1-视镜2-进料口3-手口4-液体分布器5-树脂层6-多孔板7-尼龙层8-出液口具有块石支持层的离子交换罐1-进料口2-视镜3-液位计4-树脂层5-卵石层6-出液口被交换溶液进口淋洗水、解吸液及再生剂进口废液出口分布器分布器淋洗水、解吸液及再生剂出口，反洗水进口反吸附离子交换罐扩口式离子交换器混合床交换罐制备无机盐的流程筛板式连续离子交换设备漩涡式连续离子交换设备离子交换设备的计算罐体积yVVt罐体积Vt：罐高径比一般取Hi/D=2～3。交换设备的放大1.根据交换罐负荷相同的原则放大；2.根据交换罐中溶液空塔流速相同的原则放大；3.溶液通过床层的压力降离子交换的应用及特点•应用1.氨基酸2.有机酸3.抗生素4.生物酶•特点1.树脂无毒且可反复使用2.少用或不用有机溶剂3.成本低4.设备简单5.操作方便吸附分离原理及设备•吸附分离机理吸附法是利用合适的吸附剂，在一定的操作条件下，使发酵液中的产物被吸附在固定吸附剂的内外表面上，再以适当的解吸剂将产物从吸附剂上解吸下来，从而达到分离浓缩的目的。吸附分离原理及设备•吸附剂的选择吸附剂按其化学结构可分为两大类：一类是有机吸附剂，如活性炭、球形炭化树脂、聚酰胺、纤维素、大孔树脂等；另一类是无机吸附剂，如白土、氧化铝、硅胶、硅藻土等。•吸附操作及设备1.搅拌罐内的吸附操作2.固定床吸附色谱分离原理及设备色谱分离原理色谱分离操作条件色谱分离设备ColumnChromatography实验室规模空柱装柱示范录像GelFiltration-size•Resinhasfixedsizeporeswhichallowmoleculessmallerthanagivensizetoenter•Smallmoleculeswilltakelongertopassdownthecolumnthanlargeonesbecausetheytravelfurther•CanestimatemolecularweightbycomparisonwithastandardIonExchange-chargea)Mixtureofproteinsisappliedtothenegativelychargedcolumnresin–balancedbyNa+ions(red)b)-veandneutralproteinspassinthevoidvolume,+veproteinsstickc)ExcessofNa+ionsisaddedd)+veproteinsareelutedCouldhaveusedchangeinpHtoelutetheproteinsCATIONEXCHANGEAffinityChromatography•Usesspecificbindingpropertytoattachproteintocolumn•Increaseconcentrationofligandtoelutetheprotein•Examples:–antibodycolumns-monoclonalantibodyattachedtocolumn–glutathionecolumn–bindsglutathione-S-transferaseontarget工业规模的色谱分离流程色谱分离设备玻璃色谱分离柱色谱分离设备带热夹套分离柱反转式分离柱ÄKTAexplorerÄKTApurifierÄKTAFPLC色谱分离设备色谱分离设备实验室层析和大规模层析的分别实验室大规模生产分辨率越多峰越好要求纯度种类提高分辨率纯度定性增加增加样品量产量(生产力)(峰越少越好)上样速度不注重最大样品处理速度次/h生产力=g/ml胶/h线性放大固定以下条件：1.相同线行流速2.相同缓冲液3.相同填料4.相同柱高5.相同样品浓度和pH6.相同样品体积和柱床体积比例7.相同梯度体积和柱床体积比例放大：1.柱直径2.体积流速3.上样体积2.01.000123456(columnvolumes)A280nm2.01.000123456(columnvolumes)A280nmSOURCE30RPCFineLINE200L400-foldscaleup10mmdiametercolumnColumn:SOURCE30RPC,a)10x300mm(23.6ml)b)FineLINE200L,100x300mm(9.4l)Sample:MixtureofAngiotensinII,ribonucleaseandinsulinSampleload:0.064mg/mlmediumEluentA:0.1%TFA/0.05MNaClEluentB:0.1%TFA/60%n-propanolFlowrate:150cm/ha)2ml/minb)785ml/minGradient:20-70%B,5columnvolumes切实可行的可放大性ÄKTA™explorer10BioProcess23.6-mlcolumn9.4-litrecolumn切实可行的可放大性大型层析柱•多种大小,材料可供选择,柱床体积高达千多升•也可以订做•经济型INdEX和层叠柱•制药用BPG和CHROMAFLOW柱•极高标准的BPSS柱•专为SOURCE填料设计的FineLINE柱CHROMAFLOW自动装卸层析柱•装卸柱到清洗都无需打开柱头•安全,重复性高•节省人力Chromaflow自动装卸填料生产柱示范录像STREAMLINE扩张柱床吸附技术•配合STREAMLINE填料和层析柱使用•粗样无需离心，过滤，直接上柱•层析法回收率高，选择性多，可自动化•取代离心和超滤设备离子交换分离原理及设备吸附分离原理及设备色谱分离原理及设备小结