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6.吸附和离子交换

6.吸附和离子交换. 本章介绍： 吸附过程的理论基础 吸附剂和离子交换剂 主要吸附操作过程 固定床和膨胀床 流化床、移动床和模拟移动床. 6.1概述. 1) 概念: 吸附是气相中的组分或液相中的溶质转移到 固相表面 的现象,是一种物质与物质之间的作用的结果. 气相中的组分转移到固相表面称为 固体对气体的吸附 . 液相中的溶质转移到固相表面称为 固体对液体的吸附 . 液体可以是电解质溶液,或是非电解质溶液.溶质可以是分子,原子或离子. 2) 吸附的类型: 物理吸附,化学吸附和离子交换吸附. 3) 物理吸附和化学吸附的区别.

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6.吸附和离子交换

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  1. 6.吸附和离子交换 本章介绍： 吸附过程的理论基础 吸附剂和离子交换剂 主要吸附操作过程 固定床和膨胀床 流化床、移动床和模拟移动床

  2. 6.1概述 1) 概念:吸附是气相中的组分或液相中的溶质转移到固相表面的现象,是一种物质与物质之间的作用的结果. 气相中的组分转移到固相表面称为固体对气体的吸附. 液相中的溶质转移到固相表面称为固体对液体的吸附. 液体可以是电解质溶液,或是非电解质溶液.溶质可以是分子,原子或离子. 2) 吸附的类型:物理吸附,化学吸附和离子交换吸附

  3. 3) 物理吸附和化学吸附的区别 吸附类型 物理吸附 化学吸附 吸附力 范德华力 化学键力 吸附热 较小与液化热相近 较大与反应热相近 选择性 无 有 吸附分子层 单或多分子层 单分子层 吸附速度 较快不需活化能 较慢,需要活化能, 不受温度影响 温度升高速度加快 吸附稳定性 会发生表面位移, 不位移,不易解析 易解析

  4. 4) 吸附在生物工程中的应用 • 原料液脱色 • 除臭和异味 • 目标产物的提取 • 浓缩和粗分离

  5. 6.2 吸附模型 吸附浓度(吸附量) 实验曲线到建立模型是有感性认识到理性认识的飞跃.是科学研究的从理论上认识现象的过程. (2) (1) (1)型单分子层吸附 (2)型为S型吸附是常见的物理吸附 (3)型吸附保持多分子吸附, (4)型低压单分子吸附,压力增加内表面吸附增加,直到毛孔填满达到吸附饱和. (5)型低压多分子吸附,(4)(5)型反映了高孔型吸附剂的孔结构 (5) 拐点 (4) (3) P0 液体浓度(饱和蒸气压力)

  6. 6.2.1 亨利Henry型吸附平衡方程式 吸附达到平衡时，吸附剂的平衡吸附质浓度q*与液相 游离溶质浓度c之间的关系： 一般情况下q*是c和温度的函数，即： q*=f(c，T) 在一定温度下，低浓度范围内： q*=mc （亨利定律）

  7. 弗罗因德利希Freundlich方程式（浓度较高） 是总结大量实验数据得出的经验方程式

  8. 兰格缪尔Langmuir吸附方程式 在多孔吸附剂中是最简单的理论模型 1)吸附表面及吸附分子的状态的假定: ①固体表面上有均匀分布的吸附中心, 所有中心性质相同;(吸附质与表面接触碰撞概率相同) ②每个吸附中心只能吸附一个气体分子; ③被吸附分子间无相互作用, 且不能沿表面移动; ④单层吸附,只有空白表面才能发生吸附

  9. 液体吸附的Langmuir吸附等温式 基于Langmuir单分子层吸附理论的Langmuir型等温平衡方程 结合常数,为吸附平衡解离常数Kd的倒数 饱和吸附容量 与液相游离溶质浓度C对应的吸附剂的平衡吸附质浓度 液相游离溶质浓度

  10. 6.2.3.3离子交换吸附 类比化学的取代反应 以离子交换剂作为吸附剂的吸附过程. 带有可交换离子的吸附剂与电解质溶液接触后,可交换离子与溶液中的同种电性的离子按化学计量进行交换反应的过程 阴离子交换剂 XCl SO42- Cl- ○ ● ○ ○ ● ● ○ ● ● ○ ● ○ ○ ● ● ● 电解质溶液Na2SO4/CaCl2 ○ ○ ○ ● ● ● ○ ● ○ ● ○ ● ○ ● ● ● ● 阳离子交换剂 NaX ○ ○ ○ Na+ Ca+2 ●

  11. 阳离子交换剂(硬水软化过程) 2NaX+CaCl2 CaX2+2NaCl R -U + + X+ R - X + + U+ 阴离子交换剂 2X Cl2+ Na2 SO4 X2SO4 +2NaCl R+ U- + X- R+ X- + U- 离子交换平衡常数 电价电解质完全解离的分配系数

  12. - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + - - + + + + + - + + + + + + + - - - - + + - - + + + + + + - - - + + + + + - - What happens in ion exchange? Equilibration 平衡 Sample application and wash 样品的加入和洗提 Elution 洗提 Regeneration 再生 - - - - - - - - - - - - - -

  13. What happens in ion exchange? Equilibration平衡 anion exchange bead 阴离子交换 - - - + + - + - + + - + -

  14. - - - - - - - - - - What happens in ion exchange? Sample application and wash 样品的加入和洗提 - - - + + + + + + - -

  15. - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - What happens in ion exchange? Elution 洗提 + + + + + + + + + + + + - - - -

  16. - - - - - - - - - - - - - - - - - - + - - - - - What happens in ion exchange? Regeneration 再生 + + + + +

  17. Regeneration • 树脂的再生：指去掉在实验中最后与树脂牢固结合的物质使得树脂能再次使用。 • 在不同离子强度溶液的溶胀效应影响下保持稳定的树脂可以直接在层析柱中再生。 • 在不同离子强度溶液的溶胀效应影响下溶胀情况不同的树脂，再生前应从层析柱中取出，之后再重新装柱。 • 若在上次层析中树脂里积累了大量碎屑，也应从层析中取出再生。

  18. Separation by charge电荷差异分离蛋白质 • Interaction between opposite charges 正负电荷的相互作用 • Charged groups on the proteins interact with charged groups on the ion exchanger. Different proteins have different charges and interact differently. 离子交换是通过蛋白质所带电荷与离子 交换剂所带的电荷差异进行离子交换，不同蛋白质所带的电荷不同而且相互间的作用也不同

  19. Separation by charge电荷差异分离蛋白质 • Anion or cation exchange 阴离子或阳离子交换 When the protein is negatively charged, it is an anion – anion exchange 若蛋白质说带电荷为负时，则需用阴离子交换树脂进行纯化 • When it is positively charged, it is a cation - cation exchange 若蛋白质所带电荷为正时，则需用阳离子交换树脂进行纯化

  20. 选择的基本原则 • 一些活性因数会影响离子交换 • 不同的蛋白质所带的电荷不同而且表面电荷的分布也不一样

  21. pH对电荷的影响 COOH + R NH3 Hydrogen gained（加H） Low pH（低pH） Positive charge(正电荷) High pH Negative charge（负电荷） - COO + R NH3 - Hydrogen lost （去H） COO R NH2

  22. COOH + R NH3 - COO R NH2 - COO + R NH3 Titration curves 滴定曲线 + acid isoelectric point alkaline excess positive charge balanced positive and negative charge excess negative charge 过量正电荷 等量的正负电荷 过量的负电荷 Overall charge on protein 蛋白质所带的总电量 10 3 pH - The overall charge on a protein depends on pH 蛋白质所带电荷随pH的改变而改变

  23. + Charge on protein 蛋白质所带的电荷 - Controlling selectivity by pHPＨ进行选择性控制 Anion exchanger 10 3 pH Cation exchanger 　阳离子交换

  24. “恰当”的离子交换剂 • 没有任何场合都能适用的离子交换树脂 • 不同的上样和分离目的所需离子交换树脂不同

  25. Charged groups 电荷 Type 类型 Density 密度 Matrix 基质 Porosity 多孔性 Particle size 微粒 Chemistry 化性 Selectivity 选择性 Capacity 容量 Capacity, speed 容量速度 Peak width, speed 峰宽和速度 Useful life, recovery 使用寿命、回收率 Functional properties of ion exchangers离子交换树脂的功能特性

  26. Charged groups正负离子交换 • Anion exchangers 阴离子交换剂 -Diethylaminoethyl (DEAE) -OCH2CH2N+(CH2CH3)2 -Quaternary aminoethyl (QAE) -OCH2CH2N+(C2H5) 2CH2CHOHCH3 -Quaternary ammonium (Q) -CH2N+ (CH3)3 • Cation exchangers 阳离子交换剂 -Carboxymethyl (CM) -OCH2COO– -Sulphopropyl (SP) -CH2CH2CH2SO3– -Methylsulphonate (S) -CH2SO3–

  27. Strong and weak ion exchangers强离子和弱离子交换剂 • 弱离子交换剂活性随pH的改变而改变 • 强离子交换剂活性通过连续大范围地改变pＨ而改变 Weak anion exchanger Weak cation exchanger Strong anion exchanger Strong cation exchanger

  28. Advantages of strong ion exchangers强离子交换剂的优点 • Charged at all pH's we want to use 可根据我们的需要改变pＨ而进行离子交换 • Constant charge at all pH's we want to use 可根据我们的需要改变pＨ而连续进行离子交换 • Faster and easier to equilibrate 可快速而且容易达到平衡

  29. Summary总结 • Useful at all stages of purification and at all scales 纯化的所有步骤和测量的可行性 • Controllable 可操纵性 • High selectivity 高效选择性 • High capacity 高产量性 • Concentrating 浓缩性 • High recovery 高效回率

  30. 6.3 吸附操作 6.3.1 分类 • 按设备规模可分实验室和工业性两大类; • 按设备特性及操作方式分三大类: • 间歇式离子交换设备 • 固定床(柱) 离子交换设备 • 连续或半连续式离子交换设备 连续离子交换设备按树脂运动方式不同分为: • 连续移动树脂层离子交换设备 • 悬浮离子层离子交换设备 • 带空气搅拌的离子交换设备 • 脉冲式离子交换设备

  31. 6.3.2 搅拌槽吸附 H,YF H,Y W,qF W,q 吸附平衡关系: 操作线方程: 1)间歇(分批)搅拌吸附 q mol/L 平衡线 (Y, X) C D qF Y mol/L YF

  32. 多次吸附操作 原料液C0从第一级进入，依次通过各级与加入各级的吸附剂Si进行吸附，浓度随吸附级依此降低C1，C2……。末级引出的吸附余液CN。加入各级的吸附剂S1，S2……由分配各级的用量，获得的Q1，Q2……分别从各级排出， 吸附剂 cn c1 c2 Cn-1 c0 原料 q1 q1 q1 q1 多次吸附流程

  33. 吸附等温线 q mol/L -H/L2 -H/L3 -H/LN 操作线-H/L1 q1 q2 q3 qN 00 c0 cn cn-1 c2 c1 c mol/L 吸附剂q0 q1 qn q2 qn-2 qn-1 n-1 n 2 1 cn Cn-1 c0 Cn-2 c2 c1 多次逆流操作吸附

  34. 固定床吸附的示意图 6.3.3 固定床吸附 液相(ε) Da(dc/dz） Z=0 1)是吸附操作的基本方式 2）是一时间和空间变化的过程 UC Z Y（z) (dc/dt) ε Sdz 时间有关的床层浓度分布曲线 Z+dZ, U(c+dc/dz)dz) Da(d/dz(c+(dc/dz)dz) Y（t) Z=L 固相（1-ε） 穿透曲线 T/(z)

  35. 6.3.4 膨胀床吸附(Expanded Bed Adsorption , EBA) 膨胀床吸附技术是上世纪九十年代发展起来的一种新型蛋白质分离纯化技术 • 能直接从发酵液或细胞匀浆中捕获目标产物,集固液分离、浓缩和初步纯化于一个操作单元。 • 优点：减少操作单元数, 缩短操作时间 节约生产成本, • 操作特性介于流化床和固定床之间 • 吸附剂依靠流速在床层中悬浮,但流动接近于平推流,与固定床相似

  36. 1)膨胀床的形成

  37. 2) 膨胀床吸附步骤示意

  38. (1)平衡: • 膨胀率随流体流速影响的情况控制流速是控制床层的膨胀率的主要手段。 运行开始时膨胀床呈沉降状态, 进行吸附操作前, 需用平衡缓冲液让膨胀床达到平衡, 保持一定的膨胀率

  39. (2)吸附: • 吸附操作:目标产物吸附在吸附剂上, 杂质或细胞碎片等固体颗粒流出膨胀床。 • 通过观察其目标产物的穿透曲线来决定衡量这一步是否完善, 常规的填充床操作基本一致,是关键步骤,

  40. (3)淋洗: 淋洗的作用: • 除去滞留在床层间的颗粒, • 除去非结合和弱结合性的可溶杂蛋白。 淋洗溶液大多用平衡步骤中的缓冲液,这一步仍以膨胀床模式进行。

  41. (4)洗脱: 细胞、细胞碎片或其它颗粒冲洗掉后, 需要把吸附的目的产物洗脱下来, 洗脱采用填充床方式。 • 洗吸附剂已达到其最大吸附容量, 产物分布在整个膨胀床上, 或由于置换效应富集于膨胀床的上部, 采用向上洗脱,洗脱液从柱子底部泵入, 进行向上洗脱, • 只用了吸附剂的一部分吸附容量, 产物一般富集在膨胀床的下部, 采用向下洗脱能得到更高的产物浓度;。洗脱液从柱子顶部流入, 向下洗脱。

  42. (5)在位清洗(再生) • 层析介质的使用寿命对整个纯化过程的效率有很大的影响。 • 在膨胀床中, 吸附介质受到料液里所含细胞、细胞碎片、脂类和核酸等杂质的污染, 为了确保每次纯化后能恢复膨胀床的流体力学和吸附性能, 选择和优化有效的在位清洗方案至关重要。 • 配基条件许可, 有效的在位清洗过程以0.5～1.0M的NaOH为主要的清洗剂。 • 有些吸附剂,如亲和吸附剂等,不能用NaOH 清洗, 可选用6M的盐酸胍、6M的尿素或1M的醋酸代替。

  43. 3) 膨胀床对基质的特性要求 (1)粒径和密度的要求 • 扩张床(流化床) 中基质的起始流态化速度: • 颗粒的终点沉降速度Ut 的Stocks 公式 : • 床层的扩张遵从Richardson - Zaki 准则确定床层表观流速:

  44. 一般操作时,床层扩张到2～3 倍时为宜,对应于空隙度0.7-0.8 ,此时扩张指数n 通常维持在4.8左右,实际的流速U 为终点沉降速度的1/3 以下。 • 用于固定床的琼脂糖和纤维素基质,密度小,难以满足工业应用处理量的要求, • 如Q2Sepharose ,其平均粒径为93.5μm ,密度为1.13 g/ cm3 ,Ut为0.7mm/s ,故U 只能在10～30 cm/h之间。 • 为满足吸附过程高处理量要求和与料液中的悬浮颗粒区分开的要求,必须提高基质的终点沉降速度 • 提高颗粒的终点沉降速度的方法 • 增加颗粒的直径 • 增加颗粒的密度

  45. 改变颗粒大小的局限性 • 颗粒过大，扩散慢，蛋白质的层析过程中,颗粒内扩散是整个传质过程的控制步骤,基质粒径的大小会直接影响分离的效率。 • 粒径的增加, 为维持合适的扩张率而要求增加流速和为满足较慢的吸附动力学而要求降低流速之间的矛盾难以解决。 • 当粒径与柱径比dp/dc > 0.01时,层析柱的壁效应会导致床层的不稳定。 粒径太小,要求扩张床的下分布器具有更小的网孔,会使料液中的细胞和细胞碎片更容易堵塞分布器的进口。 用于扩张床的基质粒径在50～400μm之间,增加基质的密度是制备扩张床吸附基质的最佳办法。

  46. 提高颗粒的密度 使用高密度的基质,可以降低基质的粒径,从而提高传质的效果。 使用高密度基质,即使在高流速下返混程度也不增加。基质的密度与料液中的悬浮颗粒的密度差异大,床层更加稳定。基质密度为1. 3～1. 5 g/ mL 时最佳,能够较好地平衡床层扩张、过程有效性和吸附容量之间的关系。 (1) 采用高密度的大孔匀质材料, 多孔玻璃, 氟化二氧化锆, 聚丙烯酰胺复合陶瓷 （2）采用亲水性材料包裹高密度的惰性材料 琼脂糖-石英砂, 琼脂糖- 不锈钢, 葡聚糖- 二氧化硅,纤维素- 二氧化钛, 聚乙烯醇- 全氟聚合物等。

  47. 3)常规特性要求 • 高亲水性, 减少非特异性吸附 • 大比表面积, 保证较多的吸附位点 • 形状规则(球形) , 维持一致的流体力学特性; • 较高的机械强度, 适应重复利用的需要; • 化学可修饰性, 能衍生出各种离子交换剂和 亲和吸附剂; • 制备工艺简单,价格便宜。

  48. 4) 其它的特性要求 • 膨胀床处理的是含有细胞或细胞碎片的固体悬浮液,为防止分布器的堵塞,必须在洗脱之后马上进行在位清洗(Clean in Place , CIP) 。 在位清洗一般用0. 5～1. 0 mol/ L 氢氧化钠溶液或w = 0. 25 的醋酸溶液,因此要求基质能耐酸碱; • 为了清除微生物污染,还要对基质进行热灭菌。 羟基磷灰石基质只能在pH = 5～10 下稳定,二氧化硅基质不耐碱性条件,而聚合物基质难以适应热灭菌的要求。 • 对于具有孔结构特征的基质,要求孔道不易堵塞和不会出现孔塌陷。

  49. 常见的膨胀床基质 按照扩张床基质的结构,可以将其分为核壳型和混合型两类。前者由一个或多个相对集中的颗粒组成内核,后者由一种材料分散分布在另一种材料之中,整体上不具有明显的核壳结构

  50. 3）膨胀床吸附层析应用

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