3－2 离子交换过程及设备.ppt

第三章萃取与色谱分离设备 第二节 离子交换过程及设备 一、离子交换概述 （一）离子交换原理 （二）离子交换剂结构和分类 （三）离子交换树脂选择 二、离子交换分离过程及设备 （一）离子交换工艺前提条件 （二）离子交换操作方式 （三）影响离子交换速度的主要因素 （四）离子交换设备及计算 思考题 序言 离子交换法是常用的层析法之一。它是在以离子交换剂为固定相，液体为流动相的系统中进行的。 离子交换法具有分离效率高、选择性好、容易实现自动化控制等特点。 离子交换法广泛用于生物物质的分离纯化、制备、溶液的中和、脱色等工艺操作。 一、 离子交换概述 （一）离子交换原理 根据带电的溶质分子与离子交换剂中可交换的离子进行交换而达到分离纯化的目的。 该方法依靠电荷间的相互作用，利用溶质分子所带电荷的差异而进行分离纯化。 几乎所有的生物物质都是极性的，都可使其带电，只要能在适当条件下溶解于水溶液中，并形成阳离子或阴离子的，都可以采用离子交换法进行分离、纯化。 ※在洗脱的過程中，由于连续添加新的交换溶液，所以会朝正反应方向移动，因而可以把离子交换剂上的离子沖洗下來。 ※如果有两种以上的成分被交换吸附在离子交换剂上，用洗脱液洗脱时，被洗脱的能力则取决于各自洗脱反应的平衡常数。 （二）离子交换剂结构和分类 离子交换剂 是一类不溶性高分子化合物材料（树脂，纤维素，葡聚糖，琼脂糖等），它们的化学性质稳定，并具有离子交换能力。 ※功能基由固定在骨架上的带电基团与可进行交换的能够移动的离子两部分组成。两者所带电荷相反，以静电力结合，可移动的离子能与溶液中带同种电荷的离子起交换作用。 离子交换剂由不能移动的高分子基团与可移动的离子两部分构成。 离子交换剂分为两大类，即阳离子交换剂和阴离子交换剂。 固定在骨架上的带电基团在水溶液中解离并形成阴离子，它能捕捉溶液中各类阳离子，这种与阳离子发生交换反应的离子交换剂，称为阳离子交换剂。 固定在骨架上的带电基团在水溶液中能解离形成阳离子，并且能够与阴离子进行交换反应的称为阴离子交换剂。 （三）离子交换树脂选择 选择原则： 保持欲分离物质的生物活性；在不同pH值环境中该物質所帶电荷的极性与強弱。 ⑴若被分离的碱性物质在酸性溶液中较稳定，带正电荷，亲和力强，则可与阳离子交换剂进行交换反应，故采用阳离子交换剂； ⑵若被分离的酸性物质在碱性溶液中较稳定，则使用阴离子交换剂； ⑶如果要分离的物质是两性离子，则考虑该物质在它稳定的pH范围内帶何种电荷，作为交换剂的选择。 例如，等电点为pH 5.3 的蛋白质，在pH5.3的酸性溶液中，采用阳离子交换剂，在pH5.3的碱性溶液中，使用阴离子交换剂。 总之： 已知等电点的蛋白质，在高于等电点的pH条件下，因帶有负电荷，应使用阴离子交换； 在低于等电点的pH下，则采用阳离子交换； 若蛋白质在高于或低于等电点的 pH 值范围内都稳定，则既可采用阳离子交换剂也可采用阴离子交换剂，此时取决于工作溶液的 pH 值及杂质的带电情况。? 二、离子交换分离过程及设备 （一）离子交换工艺前提条件 一般来说，蛋白质为两性化合物，处于等电点时宏观上不带电，通常不能进行离子交换。 当工作溶液的pH 值高于等点电时，蛋白质以带负电荷的离子形态存在，可与阴离子交换剂反应。 反之，当工作溶液的pH 值低于等点电时，蛋白质以带正电荷的离子形态存在，可与阳离子交换剂反应。 不同种类的蛋白质分子，都有相应固有的等电点。 总体来说，等电点低的蛋白质容易被阴离子交换剂所吸附，另外，等电点高的蛋白质容易被阳离子交换剂所吸附。 但是，利用离子交换层析法，对不同种类蛋白质进行分离时，等电点差别大的蛋白质比较容易被分离纯化，而等电点差别小的蛋白质之间相对比较难被分离纯化。 （二）离子交换操作方式 1、在使用离子交换树脂之前必须进行预处理： 先以蒸馏水去除在生产、保存过程中混入的杂质；并以NaOH和HCl处理树脂，使其上的功能基团完全露出： 2、离子交换剂使用一段时间后，吸附的杂质接近饱和状态，就要进行再生处理，可用酸、碱或盐溶液将交换剂所吸附的离子和其他杂质洗脱除去，使之恢复原来的组成和性能。 （三）影响离子交换速度的主要因素 1.待分离样品本身 样品的浓度越高、粘度越大、组成越复杂、分子量越大，吸附所要的时间越长，速度就要低一点；反之，速度可以高一点； 样品比较珍贵时，希望回收率较高时，速度也要低一点。 2．离子交换剂： 疏水基质的离子交换剂，因其机械强度高，流动速度快； 颗粒较大和颗粒度均匀的交换剂，流动阻力较小，可以达到较高流速。 3．上样、洗脱缓冲液的性质： 在上样时，缓冲液的pH