生物制药工艺学离子交换学习PPT教案.pptx
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1、1第八章 离子交换法(ion-exchange) 第一节 基本原理 离子交换法:利用溶液中带电粒子与离子交换剂之间结合力的差异进行物质分离的操作方法。 带电粒子与离子交换剂间的作用力是静电力。 电荷密度、电荷种类2离子交换剂 离子交换剂:由惰性的不溶性载体、功能基团和平衡离子组成。 阳离子交换剂:平衡离子带正电荷。 阴离子交换剂:平衡离子带负电荷。 R-X+ + Y+ R-Y+ + X+ R-表示阳离子交换剂的功能基团和载体;X+ 为平衡离子;Y+为交换离子。 3吸附 选择性吸附:调节溶液的pH值,使目的物带有相当数量的静电荷,而主要杂质离子带相反电荷或较弱的电荷。 选择合适的树脂(如阳离子交
2、换树脂),便可使目的物被离子交换树脂吸附,而杂质较少被吸附。 4洗脱 (1)调节洗脱液的pH值。 (2)用高浓度的同性离子将目的物离子取代下来。 对阳离子交换树脂而言,目的物的pI值愈大(愈碱),将其洗脱下来所需溶液的pH值也愈高。 5离子交换树脂吸附和洗脱过程 (1 1)X X+ +为平衡离子,YHYH+ +及Z Z+ +为待分离离子;(2 2)YHYH+ +和Z Z+ +取代X X+ +而被吸附;(3 3)加碱后YHYH+ +失去正电荷,被洗脱;(4 4)提高X X+ +的浓度取代出Z Z+ + 动画6树脂的选择 pH大于等电点时,物质带负电荷,与阴离子交换剂进行交换; pH小于等电点时,
3、物质带正电荷,可以与阳离子交换剂进行交换。 7蛋白质等电点与所用交换剂8离子交换技术的应用9第二节 离子交换树脂的结构和种类 离子交换树脂构成: (1)惰性的不溶性高分子固定骨架,称载体。 (2)与载体共价键连接的不能移动的活性基团,又称功能基团。 (3)与功能基团以离子键连接的可移动的活性离子,亦称平衡离子。 如聚苯乙烯磺酸型钠树脂。10阳离子交换树脂分类 强酸型树脂:磺酸型树脂,功能基团为磺酸根(SO3H)及甲基磺酸根(CH2SO3H),有好的解离能力。 中酸性树脂:磷酸型树脂(PO3H2 ) 弱酸性树脂:羧酸型树脂和酚型树脂(COOH , ) ,在酸性环境中解离度受到抑制。11阴离子交换
4、树脂 强碱型阴离子交换树脂: 弱碱型阴离子交换树脂:活性基团为伯、仲、叔胺基。在碱性环境中解离度受到抑制。 中强碱性阴离子交换树脂:兼有以上两类活性基团。 12离子交换树脂功能基团的电离常数 13离子交换树脂的性能 14两性树脂: 蛇笼树脂(snake-cage resins)15离子交换树脂的命名: 强酸类 1100号; 弱酸类 101200; 强碱类201300; 弱碱类301400; 中强酸类401500 交联度:是合成载体骨架时交联剂重量的百分数,用“”将树脂编号与交联度分开。 弱酸101 4其交联度为4。 国内常用树脂命名:724;732;71716常用树脂 724;弱酸阳离子交换树
5、脂 732;强酸阳离子交换树脂 717;强碱阴离子交换树脂17离子交换树脂的骨架(一)苯乙烯型离子交换树脂 由 苯 乙 烯 与 二乙 烯 苯 经 过 氧苯 甲 酰 催 化 聚合而成。 交联度1819(二)丙烯酸型离子交换树脂丙烯酸型阳离子交换树脂:是由丙烯酸甲酯与二乙烯苯经过氧苯甲酰催化聚合而成。20丙烯酸型阳离子交换树脂 110树脂:丙烯酸甲酯与二乙烯苯聚合而成。 724树脂:它是由甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯和二乙烯苯三元共聚而得 。21(三)其它离子交换树脂 蛇笼树脂:脱盐 螯形树脂:金属离子 吸附树脂 :“脱色树脂” 热再生离子交换树脂: 22常用离子交换树脂特性表 23第三节 离子交换
6、动力学 一、离子交换平衡 R代表离子交换树脂,Z1及Z2分别为离子A1和A2的价电数。 表示溶液中与树脂表面的两种离子。 24尼科尔斯基方程式 用m1、m2及C1、C2分别代表树脂上和溶液中的两种离子的浓度。 数量关系可表示: 尼科尔斯基方程式K K1 1时 离子A A1 1比离子A A2 2对树脂有较大的吸引力 25二、离子交换速度 RB+ + A+ RA+ + B+ 离子交换过程: 1、A+从溶液扩散到树脂表面。 2、A+从树脂颗粒表面扩散到颗粒中心。 3、交换离子A+ 与平衡离子B+交换。 4、B+从交换中心扩散到离子表面。 5、B+ 再扩散到溶液中。26粒子扩散 速度: 颗粒孔径、 颗
7、粒半径、 树脂交换容量、 离子A+的半径与电荷、 平衡离子的性质(电荷、半径)。27离子交换速度的影响因素: 1、树脂粒度:树脂粒度大,交换速度慢。 2、搅拌速度 3、树脂交联度:交联度大,交换速度低。 4、离子半径和离子价:离子每增加一个电荷,交换速度下降一个数量级。 5、温度。 6、离子浓度:交换速度随离子浓度的上升而加快。28三、离子交换动力学 交换离子被吸附,平衡离子被释放。 交换带:交换离子A1由于被树脂吸附,其浓度从起始浓度Co逐渐下降到0的树脂层。 交换带窄:K K1 1 ;A A1 1浓度小;流速慢。 29第四节 离子交换树脂的性能 一、离子交换对树脂的基本要求 二、影响树脂性
8、能的几个因素 三、主要理化常数的测定30一、离子交换对树脂的基本要求: 1、有尽可能大的交换容量。 2、有良好的交换选择性。 3、化学性质稳定。 4、化学动力学性能好。 5、物理性能好。31二、影响树脂性能的几个因素 1、离子交换树脂具有的功能基团性质和数目,数目是其交换容量的基础。(pH) 2、树脂的交联度树脂强度、交换选择性、动力学性质。 3 3、树脂骨架和平衡离子。 32pH对交换容量的影响33 钠型树脂与氢型树脂 偶极离子 RSO3-Na+ + H3+NRCOO - RSO3- H3+ NRCOO - +Na+ RSO3- H + + H3+NRCOO - RSO3- H3+ NRCO
9、O H 钠盐树脂 氢型树脂,被取代的氢离子为羧基所固定,使被吸附的氨基酸不能形成偶极,与树脂之磺酸基没有排斥力。 与钠型树脂相比,氢型树脂有较大的有效交换容量。 34三、主要理化常数的测定 1 1、含水量:常用干燥法和离心法测得。 2 2、膨胀度:膨胀系数K K膨胀。 3湿真密度树脂充满水时的密度。 4.4.交换容量:meq/g :meq/g 树脂。35交换容量测定方法 阳离子交换树脂(氢型)的测定方法:一定量树脂中加入NaOH溶液,一天或数天后测定NaOH剩余量,从消耗的碱量求交换容量。 阴离子交换树脂(氯型)的测定方法:一定量树脂装柱,用过量Na2SO4溶液进行离子交换,测定流出液中氯离子
10、总量,求交换容量。36滴定曲线:37滴定曲线1 1强酸树脂Amberlite IR-120Amberlite IR-120;2 2弱酸树脂Amberlite IRC-84Amberlite IRC-84;3 3强碱树脂Amberlite IRA-400Amberlite IRA-400;4 4弱碱树脂Amberlite IR-45Amberlite IR-45强酸强碱树脂有水平段转折点位置功能团种类交换容量随pH值变化38第五节 离子交换的选择性 影响离子交换选择性的因素: 离子价与离子水合半径 离子价与离子浓度 交换环境 树脂结构 偶极离子排斥39一、离子的化合价与水合半径的影响: 相对亲和
11、力和相对浓度。 电荷效应越强的离子与树脂的亲和力越大,而决定电荷效应的主要因素是价电数和离子半径。40 一价阳离子亲和力的次序是: H+Li+Na+K+ NH4+ Ag+ 对强碱性树脂阴离子亲和力次序: FOH HCOO ClBrISO4 2- 对弱碱性树脂阴离子亲和力次序: FClBr=I=Ac SO4 2- OH。41离子交换树脂的性能 42强酸强碱树脂对各种离子的选择系数强酸强碱树脂对各种离子的选择系数 H+Li+Na+K+ NH4+ Pb+Cs+Ag+Ti+ 。43二、离子化合价与离子浓度的影响: 设离子平衡后溶液中两种离子的浓度比是定值P.P. C C1 1/C/C2 2=P=P 在
12、稀溶液(C(C2 2较小) )中,树脂吸附高价离子的倾向很大。 44举例 例如: 当k=2 P=1 m1+m2=1 C2=0.1mol/L Z2=1时 若Z1=2 则m10.9,m20.1 若Z1=3 则m10.97,m20.03 在较稀的溶液中,树脂几乎仅吸附高价离子。45三、交换环境的影响 1、溶液的pH:解离度、交换容量、选择性。 2、离子强度:交换容量、选择性、交换速度 3、有机溶剂:能降低有机离子的解离程度。46四、树脂结构的影响 (一)树脂载体的交联度: 交联度上升,膨胀度下降,K值增大,树脂潜在的选择能力提高。 空隙大小的影响,即膨胀度增大,促使树脂吸附量增加。 选择性的影响,膨
13、胀度增大时,K值减小,促使树脂吸附量降低; 膨胀系数值很小时,空间效应占主要地位。 膨胀系数增大到一定值时,选择性占主要地位。图8.14 磺酸基树脂吸附土霉素的量与树脂膨胀度之间的关系47膨胀度与选择性的关系 图图8.12 在甲基丙烯酸在甲基丙烯酸丙烯酰胺树脂,链霉素与钠离子交换等温线与丙烯酰胺树脂,链霉素与钠离子交换等温线与树脂膨胀度的关系树脂膨胀度的关系 1 1膨胀系数1.91.9; 2 2膨胀系数3 3; 3 3膨胀系数4.54.5; 4 4膨胀系数5.25.2; m m1 1树脂对链霉素吸附量; C C1 1,C C2 2溶液中链霉素和钠离子浓度48 (二)辅助力:离子交换树脂与被吸附
14、离子间的作用力除静电力外,还存在一种辅助力。 无机离子交换常数K值多在110之间。 有机离子交换时,K值可高达102103。 (三)其它结合力:某些树脂对金属离子有特殊的亲和力。 羧酸型树脂 49 五、偶极离子排斥作用: 偶极离子 RSO3-Na+ + H3+NRCOO - RSO3- H3+ NRCOO - +Na+ RSO3- H + + H3+NRCOO - RSO3- H3+ NRCOO H 钠盐树脂 氢型树脂 与钠型树脂相比,氢型树脂有较大的有效交换容量。 50氢型与钠型磺酸基树脂吸附氨基酸比较 51第六节 离子交换操作方法 一、 树脂的选择 目的物是弱酸性或弱碱性的小分子物质时,宜
15、选用强酸强碱树脂(氨基酸的分离)。 蛋白质、酶和其它生物大分子的分离多采用弱碱或弱酸性树脂,减少生物大分子的变性,利于洗脱,提高选择性。 52 二、树脂的处理和再生1 1、 外观特征 透明或半透明;颗粒圆整,粒度均匀,强度。 2 2、 树脂的预处理 (1 1) 物理处理:去杂,过筛。 (2 2) 化学处理:用8 81010倍的1mol/L 1mol/L 盐酸或氢氧化钠溶液交替浸泡。 53氨基酸分离前树脂的处理54不同类型树脂的处理55树脂的再生 树脂再生:使用过的树脂重新获得使用性能的处理过程。 再生过程: (1) 去杂,大量水冲洗,除去物理吸附的杂质。 (2) 用酸、碱处理除去与功能基团结合
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