【正文】 第八章 離子交換法 生物分離過程的一般流程 原料液 細胞分離 (離心，過濾 ) 細胞－胞內產(chǎn)物 路線一 路線二 細胞破碎 碎片分離 路線一 A 路線一 B 清液－胞外產(chǎn)物 粗分離 (沉淀 /膜過濾 /萃取 ) 純化 (離子交換 /層析 /吸附 脫鹽 (凝膠過濾、超濾 ) 濃縮 (超濾 ) 精制 (結晶、干燥 ) 包含體 溶解 (加鹽酸胍、脲 ) 復性 ? 什么是離子交換？ ? 離子交換的機理是什么？ ? 離子交換樹脂的分類？ ? 離子交換樹脂的理化性質有哪些？ ? 離子交換的選擇性受哪些因素影響？ ? 基本的離子交換操作過程是怎樣的？ 本章內容 ? 離子交換劑是一類能發(fā)生離子交換的物質，分為無機離子交換劑和有機離子交換劑。 無機離子交換劑 有機離子交換劑 沸石、磺化煤 離子交換樹脂 離子交換法概述 ? 離子交換長期以來應用于水處理和金屬的回收。 ? 在生物工業(yè)中，由于離子交換法分辨率高、工作容量大且易于操作，幾乎所有的生物分子都是極性的，都可使其帶電，所以離子交換法已廣泛用于生物分子的分離純化技術。 ? 主要應用在抗生素、氨基酸、有機酸等小分子的提取分離。近年來在蛋白質等生物大分子的分離提取也有應用。 離子交換法概述 離子交換樹脂的出現(xiàn)已有近 80年的歷史 . 離子交換樹脂發(fā)展史上的 3個重要階段 ? 1933年 Adams和 Hofms發(fā)明了 縮聚類 酚醛型陽、陰離子交換樹脂 , ? 二戰(zhàn)及二戰(zhàn)后期離子交換樹脂大發(fā)展 1939年德國法本公司和 1941年美國的樹脂產(chǎn)品和化學品公司先后開始工業(yè)生產(chǎn)， 在第二次世界大戰(zhàn)中，美國獲得了苯乙烯系和丙烯酸系 加聚型 離子交換樹脂合成的專利。它開創(chuàng)了當今離子交換樹脂制造方法的基礎。 離子交換樹脂的發(fā)展 離子交換法概述 ? 50年代以后，開展了膜狀離子交換樹脂的研究 ,開辟了電化學的新領域。 ? 50年代末， 60年代初期 , 又研制出耐壓、耐磨、高交換速度、能交換或吸著高分子量化合物的大孔離子交換樹脂。 70年代以后，出現(xiàn)了各種大孔吸附樹脂及特種樹脂。 ? 我國在 1950年以后開始離子交換樹脂的研究， 1956年何炳林提出并合成了大孔型離子交換樹脂 1958年，離子交換樹脂在國內正式投入工業(yè)化生 離子交換樹脂的發(fā)展 離子交換法概述 離子交換樹脂的結構 離子交換法概述 其結構由三部分組成： ? 樹脂骨架 ，使樹脂具有化學穩(wěn)定性和機械強度； ? 功能基團 ； ? ，稱為 活性離子 ，它在樹脂骨架中的進進出出，就發(fā)生離子交換現(xiàn)象。 離子交換樹脂的結構 網(wǎng)絡骨架 離子交換法概述 苯乙烯系、丙烯酸系、酚醛系、環(huán)氧系 離子交換樹脂結構 骨架： 接有功能基團，本身是惰性 功能基團： 連接在骨架 上，可與相反離子結合 待交換分子： 在吸附階段可與活性離子交換，與骨架上的功能基團結合 活性離子： 與功能基團所帶電荷相反的可移動的離子 離子交換法概述 離子交換樹脂結構的簡單表示： R － SO3－ H＋(Na＋) 陽離子交換樹脂 高分子基質 。 固定離子基團；反離子（活性離子） R － SO3－? 骨架； SO3－ H＋(Na+) ? 化學功能團。 離子交換法概述 ?活性離子為陽離子，稱陽離子交換樹脂， 與陽離子發(fā)生交換 ?活性離子為陰離子，稱陰離子交換樹脂， 與陰離子發(fā)生交換 ? 離子交換法是通過帶電的溶質分子與離子交換劑中可交換的離子進行交換而達到分離純化的方法。 離子交換層析原理 離子交換法概述 ? 主要依賴電荷間的相互作用，利用帶電分子中電荷的微小差異而進行分離。 ? 選擇適當條件可使一些溶質分子變成離子態(tài)，通過靜電作用結合到離子交換劑上，而另一些物質不能被交換，這兩種物質就可被分離。 ? 帶同種電荷的不同離子 雖都可以結合到同一介質上，但由于帶電量不同，與介質的結合牢度不同，改變洗脫條件可依次被洗脫而達到分離的目的。 離子交換法概述 離子交換層析原理 +++++++++++++ +++++++++++++++++++S t a r t i n gb u f f e r c o u n t e r i o n sS u b s t a n c e st o b e s e p a r a t e dG r a d i e n t i o n s離子交換層析原理 開始 吸附 解吸 解吸結束 再生 ① ② ④ ⑤ 離子交換法概述 ③ 樣品 解吸劑 再生劑 + + 二 . 離子交換樹脂的分類 二 . 離子交換樹脂的分類 按化學功能團分 ，酸性基團， (弱酸性、強酸性 ) ，堿性基團， (弱堿性、強堿性 ) ?活性離子 H＋ 氫型陽樹脂； ?活性離子 OH－ 羥型陰樹脂； ?活性離子為其它離子統(tǒng)稱鹽型樹脂。 1 陽離子交換樹脂 交換前 交換達到平衡后 二 . 離子交換樹脂的分類 2 陰離子交換樹脂 交換前 交換達到平衡后 二 . 離子交換樹脂的分類 一般以 磺酸基一 SO3H作為活性基團 ，交換反應以磺酸型樹脂與氯化鈉的作用為例，可表示如下： 由于是強酸性基團，其電離程度不隨外界溶液的 pH而變化，所以使用時的 pH一般沒有限制。 此外，以磷酸基一 PO(OH)2和次磷酸基一 PHO(OH)作為活性基團的樹脂具有中等強度的酸性。 1強酸性陽離子交換樹脂 二 . 離子交換樹脂的分類 苯乙烯系強酸性陽離子交換樹脂的結構 — CH2— CH— CH2— CH— CH2— CH— CH2— CH— ∣ ∣ SO3 H+ ∣ SO3 H+ SO3 H+ — CH2— CH— CH2— CH— CH2— CH— CH2— CH— SO3 H+ — CH2— CH— CH2— SO3 H+ HC=CH2 HC=CH2 m + n HC=CH2 二 . 離子交換樹脂的分類 2 弱酸性陽樹脂 ? 功能團可以為羧基 COOH， OH (酚羥基） ? 這類樹脂的電離程度小，其交換性能和溶液的 pH有很大關系。在酸性溶液中，這類樹脂幾乎不能發(fā)生交換反應，交換能力隨溶液的 pH增加而提高。 ?對于羧基樹脂，應該在 pH ＞ 7的溶液中操作， ?而對于酚羥基樹脂，溶液的 pH應＞ 9。 二 . 離子交換樹脂的分類 3 強堿性陰樹脂 I型的堿性比 II型強，但再生較困難， II型樹脂的穩(wěn)定性較差。 和強酸性樹脂一樣，強堿性樹脂使用的 pH范圍沒有限制 二 . 離子交換樹脂的分類 有兩種強堿性樹脂：功能基團為 三甲胺基稱為強堿 Ⅰ 型 二甲基 β 羥基 乙基胺為強堿 II型 水溶液中 R ≡ N＋ OH－ (Cl－ ) 4 弱堿性陰樹脂 伯 胺 基N H2仲 胺 基N H叔 胺 基N吡 啶 基和弱酸性樹脂一樣，其交換能力隨 pH變化而變化， pH越低，交換能力越大。 功 能 團 為 二 . 離子交換樹脂的分類 水溶液中： R－ NH3+OH－ ； R?NH2+OH－ ； R≡NH+OH－ ①活性功能團： OH H a 強酸陽樹脂 － SO3H － P ? O － P ? O OH OH b 弱酸陽樹脂 － C O OH ； 酚羥基 c 強堿性陰樹脂 ( 季胺 ) 強堿 I 號： CH3 強堿 II 號： CH3 － N＋－ CH3 － N＋－ CH3 CH3 CH2CH2OH d 弱堿性陰樹脂 － NH2伯胺 、 ＝ NH 仲胺 、 ≡ N 叔胺 二 . 離子交換樹脂的分類 5 四類樹脂的特性比較 ② 典型的交換反應：與無機酸堿的反應類同 中和 RSO3H ＋ NaOH ? RSO3Na ＋ H2O 中性鹽分解 RSO3H ＋ NaCl RS O3Na ＋ HCl 復分解 RSO3Na ＋ KCl R SO3K ＋ NaCl ③ 溶液 pH ~ 交換能力 對弱酸，弱堿樹脂有影響（ 強酸，強堿樹脂任何 pH 都解離） 樹脂解離 pH ? pK 酸樹 pKRCOOH ? 4 ? 6 p H ? pK 堿樹 pKR N H 3 O H ? 7 ? 9 二 . 離子交換樹脂的分類 5 四類樹脂的特性比較 ④ 鹽的穩(wěn)定性 弱酸、弱堿性樹脂成的鹽（鹽型）不穩(wěn)定，易水解。 弱酸樹脂： RCOOH + NaOH → RCOO Na + H2O 水解： RCOONa + H2O → RCOOH + NaOH * 洗到 pH9 ~ 10 弱堿樹脂： RNH3OH + HCl → RNH3 Cl + H2O 水解： RNH3 Cl + H2O → RNH3OH + HCl * 洗到 pH4 ~ 5 NaOH H2O RCOONa RCOOH NaOH 二 . 離子交換樹脂的分類 5 四類樹脂的特性比較 強酸樹脂再生時耗用過量的酸；強堿樹脂再生時耗用過量的堿。 強酸樹脂： RSO3Na + HCl RSO3H + NaCl 再生難 弱酸樹脂： RCOONa + HCl → RCOOH + NaCl 易 強堿樹脂： R≡N+ Cl175。 + NaOH R≡N+ OH￣ + NaCl 難 弱堿樹脂： RNH3+ Cl175。