南农--生物分离工程--生物分离.ppt

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1、通过本章学习应掌握以下内容通过本章学习应掌握以下内容：什么是吸附过程？什么是吸附过程？什么是吸附过程？什么是吸附过程？吸附的类型有哪些？它们是如何划分的？吸附的类型有哪些？它们是如何划分的？吸附的类型有哪些？它们是如何划分的？吸附的类型有哪些？它们是如何划分的？常用的吸附剂种类有哪些？常用的吸附剂种类有哪些？常用的吸附剂种类有哪些？常用的吸附剂种类有哪些？什么是吸附等温线？其意义何在？什么是吸附等温线？其意义何在？什么是吸附等温线？其意义何在？什么是吸附等温线？其意义何在？影响吸附过程的因素有哪些？影响吸附过程的因素有哪些？影响吸附过程的因素有哪些？影响吸附过程的因素有哪些？常用的吸附单元操作

2、有哪些方式？常用的吸附单元操作有哪些方式？常用的吸附单元操作有哪些方式？常用的吸附单元操作有哪些方式？什么是吸附？利用固体特有的吸附特性，从液体中吸附利用固体特有的吸附特性，从液体中吸附目标物，再用适当的洗脱剂将其解吸达目标物，再用适当的洗脱剂将其解吸达到分离纯化的过程。到分离纯化的过程。吸附过程通常包括：待分离料液与吸附剂混合、吸附过程通常包括：待分离料液与吸附剂混合、吸附过程通常包括：待分离料液与吸附剂混合、吸附过程通常包括：待分离料液与吸附剂混合、吸附质被吸附到吸附剂表面、料液流出、吸附吸附质被吸附到吸附剂表面、料液流出、吸附吸附质被吸附到吸附剂表面、料液流出、吸附吸附质被吸附到吸附剂表

3、面、料液流出、吸附质解吸回收等四个过程。质解吸回收等四个过程。质解吸回收等四个过程。质解吸回收等四个过程。料液与吸料液与吸料液与吸料液与吸附剂混合附剂混合附剂混合附剂混合吸附质吸附质吸附质吸附质被吸附被吸附被吸附被吸附料液料液料液料液流出流出流出流出吸附质解吸附质解吸附质解吸附质解吸附吸附吸附吸附Step1Step2Step3Step4特点：简便廉价安全简便廉价安全 选择性不高选择性不高 收率低收率低应用：广泛应用于生物、制药、食品、化工、环保及电子等吸附机理1.1.固体的表面性质固体的表面性质固体表面分子（或原子）所处的状态与固体内部固体表面分子（或原子）所处的状态与固体内部分子（或原子）所

4、处的状态不同分子（或原子）所处的状态不同 吸附剂吸附剂吸附剂吸附剂:在表面上能发生吸附作用的固体在表面上能发生吸附作用的固体 吸附物吸附物吸附物吸附物:被吸附的物质被吸附的物质 “正吸附正吸附”“”“负吸附负吸附”吸附机理表面性质 界面吸附类型与特性1.物理吸附2.化学吸附3.交换吸附1.物理吸附分子间作用力的吸附1 1）吸附区域为自由界面）吸附区域为自由界面2 2）吸附层数为多层）吸附层数为多层3 3）吸附可逆性）吸附可逆性可逆可逆4 4）吸附选择性）吸附选择性差差2.化学吸附化学键力的吸附1 1）吸附区域为未饱和的原子）吸附区域为未饱和的原子2 2）吸附层数为单层）吸附层数为单层3 3）吸

5、附可逆性）吸附可逆性不可逆不可逆4 4）吸附选择性）吸附选择性很好很好常见的吸附类型及其主要特点物理吸附物理吸附物理吸附物理吸附化学吸附化学吸附化学吸附化学吸附吸附作用力吸附作用力吸附作用力吸附作用力 分子间引力分子间引力分子间引力分子间引力化学键合力化学键合力化学键合力化学键合力选择性选择性选择性选择性较差较差较差较差较高较高较高较高所需活化能所需活化能所需活化能所需活化能低低低低高高高高吸附层吸附层吸附层吸附层单层或多层单层或多层单层或多层单层或多层单层单层单层单层达到平衡所需时间达到平衡所需时间达到平衡所需时间达到平衡所需时间快快快快慢慢慢慢3.交换吸附静电力的吸附1 1）吸附区域为极性

6、分子或离子）吸附区域为极性分子或离子2 2）吸附层数为单层或多层）吸附层数为单层或多层3 3）吸附可逆性）吸附可逆性可逆可逆4 4）吸附选择性）吸附选择性较好较好吸附剂吸附剂1.吸附剂的要求交换容量交换容量结构结构（多孔、立体网状）（多孔、立体网状）选择性选择性组成组成稳定性稳定性结构、组成结构、组成2.吸附剂的种类1 1）无机：硅胶、氧化铝、磷酸钙凝胶、沸石等）无机：硅胶、氧化铝、磷酸钙凝胶、沸石等2 2）有机：活性炭、（大孔）吸附树脂、纤维素等）有机：活性炭、（大孔）吸附树脂、纤维素等活 性 炭（Active carbon）活性炭种类活性炭种类活性炭种类活性炭种类颗粒大小颗粒大小颗粒大小颗

7、粒大小表面积表面积表面积表面积吸附力吸附力吸附力吸附力吸附量吸附量吸附量吸附量洗脱洗脱洗脱洗脱粉末活性炭粉末活性炭粉末活性炭粉末活性炭小小小小大大大大大大大大大大大大难难难难颗粒活性炭颗粒活性炭颗粒活性炭颗粒活性炭较小较小较小较小较大较大较大较大较小较小较小较小较小较小较小较小难难难难锦纶活性炭锦纶活性炭锦纶活性炭锦纶活性炭大大大大小小小小小小小小小小小小易易易易组成结构：由木屑、兽骨、兽血或煤屑等原料高温组成结构：由木屑、兽骨、兽血或煤屑等原料高温组成结构：由木屑、兽骨、兽血或煤屑等原料高温组成结构：由木屑、兽骨、兽血或煤屑等原料高温（800800）碳化而成的多孔网状结构）碳化而成的多孔网状

8、结构）碳化而成的多孔网状结构）碳化而成的多孔网状结构先选粒炭先选粒炭先选粒炭先选粒炭粉末活性炭粉末活性炭粉末活性炭粉末活性炭锦纶活性炭锦纶活性炭锦纶活性炭锦纶活性炭吸附特性吸附特性非极性吸附剂，在极性介质中，非极性吸附剂，在极性介质中，非极性吸附剂，在极性介质中，非极性吸附剂，在极性介质中，对非极性物质具对非极性物质具对非极性物质具对非极性物质具有较强的吸附有较强的吸附有较强的吸附有较强的吸附 水溶液中吸附最强水溶液中吸附最强水溶液中吸附最强水溶液中吸附最强吸附物类广、吸附物类广、吸附物类广、吸附物类广、选择性差选择性差选择性差选择性差 吸附色素、有味物质、热原吸附色素、有味物质、热原吸附色素

9、、有味物质、热原吸附色素、有味物质、热原酸性溶液吸附强酸性溶液吸附强酸性溶液吸附强酸性溶液吸附强“中毒中毒中毒中毒”气体分子占据表面；使用前干燥气体分子占据表面；使用前干燥气体分子占据表面；使用前干燥气体分子占据表面；使用前干燥 “净化净化净化净化”稀稀稀稀HClHClHClHCl洗、中和、干燥洗、中和、干燥洗、中和、干燥洗、中和、干燥人造沸石1 1）组成结构：）组成结构：NaNa2 2AlAl2 2O O4 4xSiOxSiO2 2y yH H2 2O O，多孔网状，多孔网状结构结构2 2）种类：人工、天然沸石）种类：人工、天然沸石3 3）吸附特性：阳离子交换吸附剂）吸附特性：阳离子交换吸附

10、剂 NaNa2 2Z+2MZ+2M+=M=M2 2Z+2NaZ+2Na+提取细胞色素碱性蛋白pI10.5 猪心糜（稀H2SO4 pH4.0)提取液（pH6.0静置沉淀）清液（氨水pH7.5人造 沸石吸附）吸附物（水0.2%NaCl洗涤）吸附物（25%硫酸铵洗脱）洗脱液磷酸钙凝胶磷酸钙凝胶磷酸钙凝胶磷酸钙凝胶1 1 1 1）组成结构：）组成结构：）组成结构：）组成结构：多孔网状结构凝胶多孔网状结构凝胶多孔网状结构凝胶多孔网状结构凝胶2 2 2 2）种类：）种类：）种类：）种类：制法不同制法不同制法不同制法不同磷酸钙磷酸钙磷酸钙磷酸钙 Ca Ca Ca Ca3 3 3 3（POPOPOPO4 4

11、4 4）2 2 2 2 ；磷酸氢钙；磷酸氢钙；磷酸氢钙；磷酸氢钙 CaHPOCaHPOCaHPOCaHPO4 4 4 4.2H2H2H2H2 2 2 2O O O O；羟基磷灰石羟基磷灰石羟基磷灰石羟基磷灰石CaCaCaCa5 5 5 5（POPOPOPO4 4 4 4）3 3 3 3.OH OH OH OH 3 3 3 3）吸附性质：凝胶骨架中）吸附性质：凝胶骨架中）吸附性质：凝胶骨架中）吸附性质：凝胶骨架中CaCaCaCa2+2+2+2+与蛋白质负电荷基团与蛋白质负电荷基团与蛋白质负电荷基团与蛋白质负电荷基团的静电吸附作用的静电吸附作用的静电吸附作用的静电吸附作用羟基磷灰石羟基磷灰石羟基磷

12、灰石羟基磷灰石中性、粘度好、可装柱、分辨率最高，中性、粘度好、可装柱、分辨率最高，中性、粘度好、可装柱、分辨率最高，中性、粘度好、可装柱、分辨率最高，不耐酸碱不耐酸碱不耐酸碱不耐酸碱 ；分先制备和；分先制备和；分先制备和；分先制备和后制备后制备后制备后制备胰岛素胰岛素（pI5.3pI5.3）胰浆（磷酸乙醇）提取液（胰浆（磷酸乙醇）提取液（4%50%CaCl4%50%CaCl2 2吸附）吸附）沉淀（沉淀（pH6.0pH6.0过滤）沉淀（过滤）沉淀（pH2.5pH2.5）解吸液）解吸液透明质酸酶透明质酸酶精制液（磷酸钠精制液（磷酸钠 Ca(Ac)Ca(Ac)2 2 pH8.5 pH8.5抽滤）抽滤

13、）无热原滤液（冻干）成品酶无热原滤液（冻干）成品酶 硅胶硅胶硅胶硅胶1 1）组成结构：）组成结构：SiOSiO2 2n Hn H2 2O O，多孔网状结构多孔网状结构 结构水结构水 O OO O SiOSiOH SiOSiOH O O O O 2 2）吸附性质：）吸附性质：极性吸附剂极性吸附剂 在非极性介质中，对极性物质具有较强的吸附在非极性介质中，对极性物质具有较强的吸附 吸附力与吸附力与“自由水自由水”含量负相关含量负相关 分离生物小分子分离生物小分子 110110活化活化8h 8h 吸附力小于氧化铝吸附力小于氧化铝 含水含水16-18%16-18%作层析载体作层析载体氧化铝氧化铝1 1）

14、组成结构：）组成结构：AlAl2 2O O3 3.nHnH2 2O O，多孔网状结构，多孔网状结构2 2）种类：碱性氧化铝、中性氧化铝、酸性氧化铝）种类：碱性氧化铝、中性氧化铝、酸性氧化铝3 3）吸附性质：极性吸附剂；）吸附性质：极性吸附剂；用于有机小分子和生物小分子的分离用于有机小分子和生物小分子的分离 吸附活性与含水量负相关吸附活性与含水量负相关 再生活化再生活化：溶媒、酸、碱、水洗、高温活化：溶媒、酸、碱、水洗、高温活化白陶土AlAl2 2O O3 32SiO2SiO2 22H2H2 2O O 多用去杂多用去杂吸附吸附H H+、胺类、胺类、蛋白蛋白 脱敏脱敏 脱色脱色 中和酸中和酸 尿中

15、回收激素尿中回收激素 用前稀用前稀HClHCl洗、水洗至中性、烘干洗、水洗至中性、烘干氢氧化铝凝胶AlAl2 2O O3 33H3H2 2O O 铝盐与氨水生成可后制备铝盐与氨水生成可后制备 吸附力与吸附力与“陈化陈化”程度有关刚生成吸附力弱程度有关刚生成吸附力弱常用吸附抗原常用吸附抗原滑石粉 MgMg3 3H H2 2(SiO(SiO3 3)4 4 吸附力弱；可吸附多糖；可作为助滤剂吸附力弱；可吸附多糖；可作为助滤剂皂土 铝、镁的硅酸盐铝、镁的硅酸盐 膨润土膨润土 表面负电，结合金属离子、肽、碱性蛋白表面负电，结合金属离子、肽、碱性蛋白 核酸酶抑制剂核酸酶抑制剂聚酰胺粉 尼龙粉、锦纶，含多量

16、酰胺键尼龙粉、锦纶，含多量酰胺键 以氢键吸附，分辨率高以氢键吸附，分辨率高 溶剂影响：水有机溶剂碱性水溶液溶剂影响：水有机溶剂碱性水溶液硅藻土 无定形无定形SiOSiO2 2 吸附力弱吸附力弱 常作助滤剂、澄清剂，常作助滤剂、澄清剂，吸附尿激酶吸附尿激酶UK UK 大孔树脂吸附剂（大网格聚合物吸附剂）1 1）组成结构：有机高分子聚合物的多孔网状结构）组成结构：有机高分子聚合物的多孔网状结构 无交换基团的无交换基团的“树脂树脂”2 2）特点：选择性好；解吸容易；机械强度好；流体）特点：选择性好；解吸容易；机械强度好；流体阻力较小；价格高；可多次使用阻力较小；价格高；可多次使用3 3）类型：）类型

17、：非极性吸附剂非极性吸附剂芳香族（苯乙烯等）芳香族（苯乙烯等）中等极性吸附剂中等极性吸附剂脂肪族（甲基丙烯酸酯脂肪族（甲基丙烯酸酯等）等）极性吸附剂极性吸附剂含硫氧、酰氨、氮氧等基团含硫氧、酰氨、氮氧等基团 空隙度空隙度-%-%孔容孔容-空隙体积空隙体积/g/g树脂树脂 骨架密度骨架密度-g/ml-g/ml骨架骨架 湿真密度湿真密度-空隙充满水时的密度空隙充满水时的密度 吸附作用 范德华力，极性相似相吸范德华力，极性相似相吸 ，盐类无影响，盐类无影响 影响因素：影响因素：化学结构，物理参数，溶质和溶剂性质，化学结构，物理参数，溶质和溶剂性质，溶液溶液pHpH 根据溶质和溶剂性质选择极性和孔径根

18、据溶质和溶剂性质选择极性和孔径，孔径为溶质直径孔径为溶质直径6 6倍为宜倍为宜吸附等温线吸附等温线概念：当温度一定时，吸附量与浓度之间的函数关系称为吸附等温线。1.兰缪尔（LangnuirLangnuir）吸附等温线1 1）二个假设：二个假设：吸附活性中心间各自独立吸附活性中心间各自独立每一个吸附活性中心只吸附一个分子每一个吸附活性中心只吸附一个分子2）推导：吸附速度吸附速度=K=K1 1（mm mm)C,)C,解吸速度解吸速度=K=K2 2 mm 当达到平衡时，当达到平衡时，K K1 1（mm m)C=Km)C=K2 2m m m-m-溶质溶质/g/g吸附剂吸附剂 C-C-溶液浓度溶液浓度

19、b=Kb=K1 1/K/K2 2 mm b C b C m=m=1+b C 1+b C mm b C b C m=m=1+b C 1+b C当溶液浓度很稀时，当溶液浓度很稀时，1+bC11+bC1，m=mm=m bC bC当溶液浓度很高时，当溶液浓度很高时，1+bC bC 1+bC bC，m=mm=m 当溶液浓度适中时，当溶液浓度适中时，m=m=KKC C 1/n 1/n 其中其中n n 1 1 lgm=lg K+1/nlgC lgm=lg K+1/nlgC作图求作图求KK，n n 从从n n知吸附的饱和程度知吸附的饱和程度 1/n1/n1 1离饱和远离饱和远 1/n1/n0 0离饱和近离饱和

20、近例：应用大孔树脂作为吸附剂分离抗菌素，饱和吸附量为0.06 Kg（抗菌素）/Kg（干树脂）；当抗菌素浓度为0.02Kg/m3时，吸附量为0.04Kg/Kg；假定此吸附属于Langmuir等温吸附，求料液含抗菌素0.2Kg/m3时的吸附量。解：根据解：根据LangmuirLangmuir吸附等温式可求出吸附等温式可求出b b值，即：值，即：mm b C 0.06 b C 0.060.02 0.02 b bm=0.04,b=100m=0.04,b=100 1+b C 1+1+b C 1+0.02 0.02 b b 则当料液含抗菌素则当料液含抗菌素0.2Kg/m0.2Kg/m3 3时的吸附量可计算

21、如下：时的吸附量可计算如下：0.061000.2 m=0.057 m=0.057Kg/KgKg/Kg 1+1+1001000.20.2 影响吸附的因素吸附剂的性质（组成结构、容量、稳定性（组成结构、容量、稳定性 ）比表面积比表面积 陈化程度陈化程度 磷酸钙凝胶磷酸钙凝胶 制备方法制备方法 活性炭活性炭800800活化吸附碱活化吸附碱 500500吸附酸吸附酸 “钝化钝化”暴露于冷湿空气暴露于冷湿空气 “活化活化”加热除水加热除水 真空除水真空除水 吸附物的性质（熔点、缔合、离解、氢键等）（熔点、缔合、离解、氢键等）能使表面张力降低的物质易吸附能使表面张力降低的物质易吸附 在溶解度大的溶剂中，溶

22、质吸附量小在溶解度大的溶剂中，溶质吸附量小 极性相近的易吸附极性相近的易吸附 同系物同系物MM（羧酸）极性（羧酸）极性宜用非极性吸附剂宜用非极性吸附剂吸附条件 温度温度 物理吸附物理吸附 T Tmm平衡易达到平衡易达到 放热放热化学吸附化学吸附 T T提高活化能并加速平衡提高活化能并加速平衡 放热放热大分子吸附大分子吸附 T Tmm 热不稳定：热不稳定：吸附稳定：室温吸附稳定：室温 p p影响解离分子极性吸附量影响解离分子极性吸附量大分子一般在大分子一般在pIpI 附近附近m m 盐浓度盐浓度实验确定实验确定吸附物浓度与吸附剂用量稀溶液稀溶液mm C C溶液过浓选择性差，溶液过浓选择性差，蛋白

23、蛋白 使用活性炭，溶液先稀释使用活性炭，溶液先稀释 吸附剂量吸附剂量选择性选择性成本成本溶液不能太浓，吸附剂用量不要太多溶液不能太浓，吸附剂用量不要太多吸附过程吸附过程1.吸附分离法的一般过程1 1）吸附）吸附2 2）洗脱）洗脱3 3）再生）再生2.吸附过程的类型1 1）间歇过程）间歇过程2 2）连续过程）连续过程3.间歇过程的工艺1 1）吸附等温公式）吸附等温公式2 2）物料衡算式）物料衡算式4.连续过程的工艺1 1）穿透曲线）穿透曲线2 2）柱效计算）柱效计算 t =1 2tB机理机理机理机理:吸附色谱吸附色谱吸附色谱吸附色谱吸附剂吸附剂吸附剂吸附剂:Al Al2 2OO3 3,SiO,S

24、iO2 2(硅胶硅胶硅胶硅胶),),聚酰胺等聚酰胺等聚酰胺等聚酰胺等吸附剂和洗脱剂的选择吸附剂和洗脱剂的选择吸附剂和洗脱剂的选择吸附剂和洗脱剂的选择:物质极性物质极性物质极性物质极性 吸附活性吸附活性吸附活性吸附活性 洗脱剂极性洗脱剂极性洗脱剂极性洗脱剂极性 强强强强 小小小小 强强强强 弱弱弱弱 大大大大 弱弱弱弱装柱装柱加入样品加入样品层析后层析后常用洗脱剂极性次序常用洗脱剂极性次序:石油醚石油醚环己烷环己烷CCl4甲苯甲苯CH2Cl2CHCl3乙醚乙醚醋酸乙酯醋酸乙酯正正丙醇丙醇乙醇乙醇甲醇甲醇水水溶剂和洗脱 溶剂和洗脱剂常是同一物质要求 无杂惰性无杂惰性 不易被吸附剂吸附不易被吸附剂吸

25、附 粘度小粘度小 易除去易除去溶剂选择1.1.洗脱剂极性洗脱剂极性（），有利于洗脱极性溶质），有利于洗脱极性溶质2.2.极性（非极性）溶剂中的弱极性物质易为非极极性（非极性）溶剂中的弱极性物质易为非极性吸附剂吸附性吸附剂吸附 洗脱规律1 1 常用低级醇、酮、水常用低级醇、酮、水常用低级醇、酮、水常用低级醇、酮、水 原理：能溶胀吸附剂，溶解溶质原理：能溶胀吸附剂，溶解溶质原理：能溶胀吸附剂，溶解溶质原理：能溶胀吸附剂，溶解溶质2 2 弱酸性物质可用碱解吸弱酸性物质可用碱解吸弱酸性物质可用碱解吸弱酸性物质可用碱解吸 原理：成盐原理：成盐原理：成盐原理：成盐3 3 弱碱性物质可用酸解吸弱碱性物质可用酸解吸弱碱性物质可用酸解吸弱碱性物质可用酸解吸 原理：成盐原理：成盐原理：成盐原理：成盐4 4 高盐吸附用水洗脱高盐吸附用水洗脱高盐吸附用水洗脱高盐吸附用水洗脱 原理：降低体系中的离子强度原理：降低体系中的离子强度原理：降低体系中的离子强度原理：降低体系中的离子强度5 5 挥发性溶质用热水洗脱挥发性溶质用热水洗脱挥发性溶质用热水洗脱挥发性溶质用热水洗脱Applications医药：尿激酶的制备医药：尿激酶的制备医药：尿激酶的制备医药：尿激酶的制备