8吸附分离.ppt

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1、8吸附分离A 下雨 潮湿;B 冰箱除异味C 变色硅胶气气液液固固1 概 述2 吸附剂3 离子交换剂4 吸附操作技术5 影响吸附的因素6 应用内内 容容8吸附分离吸附吸附吸附吸附(adsorption)(adsorption)：溶质从液相或气相转移到固相的现象。吸吸附附机机制制：固体表面分子(或原子)处于特殊的状态。固体内部分子所受的力是对称的，故彼此处于平衡。但在界面分子的力场是不饱和的，即存在一种固体的表面力，它能从外界吸附分子、原子、或离子，并在吸附表面上形成多分子层或单分子层。吸吸附附作作用用:物质从气体或液体浓缩到固体表面从而实现分离的过程。吸附剂吸附剂:在表面上能发生吸附作用的固体，

2、或称为吸附介质。吸附物吸附物:被吸附的物质。8吸附分离2.1 吸附剂的类型吸附剂的类型材料结构材料结构A、非多孔类：非多孔性固体的比表面仅取决于颗粒的外表面，比较而言比表面积小，用粉碎的方法可以增加其比表面积。B、多孔类：多孔性颗粒的表面是由“外表面”和“内表面”所组成，内表面积可比外表面积大几百倍。由于颗粒内微孔的存在，比比比比表表表表面面面面很大，可达每克几百平方米。2.2 2.2 比表面积的测定比表面积的测定比表面积的测定比表面积的测定一般采用B.E.T(Brunueer-Emmett-Teller)法：在液氮温度下(-196C)，用吸附剂吸附氮气，在吸附剂表面形成单分子吸附层，测定氮气

3、的吸附体积vm(cm3/g)，计算比表面积a(cm2/g):N-阿弗加德罗常数，s-被吸附分子的横截面积，在-196C 氮气分子的s=1.6210-15 cm2。2.3 平均孔径（平均粒度）平均孔径（平均粒度）平均孔径（平均粒度）平均孔径（平均粒度）及其分布及其分布 吸附剂的孔径及分布可采用水银压入法，利用汞孔度计测定。当压力升高时，水银可进入到细孔中，压力p与孔径d的关系为 -水银的表面张力(0.48N/m2)，-水银与细孔壁的接触角(=140)。通过测定水银体积与压力之间的关系即可求出孔径的分布情况。2.4 常见吸附剂常见吸附剂化学成分化学成分2.4.1 活性炭“万能吸附剂万能吸附剂万能吸

4、附剂万能吸附剂”活性炭是一种非常优良的吸附剂，它是利用木炭、竹炭、各种果壳和优质煤等作为原料，通过物理和化学方法对原料进行破碎、过筛、催化剂活化、漂洗、烘干和筛选等一系列工序加工制造而成。优点：吸附力强、分离效果好、价格低廉等。缺点：色黑质轻，易造成环境污染。分类：粉末活性炭、颗粒活性炭、锦纶活性碳。选择性：极性非极性；芳香族脂肪族；大分子量小分子量视频：木炭吸附试验视频：木炭吸附试验2.4.2 硅胶 硅胶是一种高活性吸附材料，通常是用硅酸钠和硫酸反应，并经老化、酸泡等一系列后处理过程而制得。不溶于水和任何溶剂，无毒无味，除强碱、氢氟酸外不与任何物质发生反应。特点：吸附性能高、热稳定性好、化学

5、性质稳定、有较高的机械 强度等。分类：大孔硅胶、粗孔硅胶、B型硅胶、细孔硅胶 变色硅胶：细孔硅胶+CoCl2 产品特点：对水蒸汽有极强的吸附作用吸湿前：蓝色吸湿量：浅红色2.4.3 大孔网状聚合物吸附剂 由有机高分子聚合物形成的不溶于酸、碱及各种有机溶剂的具有多孔骨架的吸附剂，又称为大网格吸附剂、大孔树脂、吸附树脂。2.4.3.1 特点：（1）选择性好（2）解吸容易（3）机械强度好（4）流体阻力小（5）反复使用（6）可适用于各种产品n有机溶剂萃取和金属盐沉淀法缺点：（1）工艺繁琐（2）有机溶剂、金属盐、酸、碱损耗大n大孔吸附树脂层析法：（1）自动化与连续化；（2）不用或少用除乙醇外的有机溶剂；

6、（3）树脂再生容易，重复使用；（4）得率高18一21，成本低；（5）安全性强，符合环保规定要求。8吸附分离n按骨架极性：非极性（苯乙烯-二乙烯苯）中等极性（甲基丙烯酸酯）极性n孔隙度：吸附剂中空隙所占百分比n孔容：每g吸附剂所含的空隙体积n骨架密度：吸附剂骨架密度（每ml骨架（不包括空隙）的重量）。n湿真密度：空隙充满水时的密度非极性基团酯键8吸附分离（1）？从极性溶剂中吸附非极性物质（2）？从非极性溶剂中吸附极性物质（3）？对两种情况均有吸附能力（4）水溶液中，同族化合物，？（5）无机盐，？（6）孔径与分子直径，？（7）pH 值，？非极性吸附剂极性吸附剂中等极性吸附剂（孔径6倍于分子直径）促

7、进吸附分子量大、极性弱易吸附酸性物质酸促进吸附，碱性物质碱促进吸附8吸附分离（1）低级醇，酮或其水溶液 （溶胀聚合物、溶解吸附物）（2）弱酸性物质用碱解吸（3）弱碱性物用酸解吸（4）高盐吸附时用水解吸（5）易挥发溶质用热水或蒸汽解吸8吸附分离n抗生素分离纯化（再生容易、产品灰分少）内酰胺类、大环内酯类、氨基糖苷类、肽类、博莱霉素类、含氮杂环类及其他新抗生素n 维生素的提取纯化 VB12，VB2，VC n天然产物的分离 生物碱，黄酮，多糖，苷类 n生化药物 酶、氨基酸、蛋白质、肽，甾体 大孔吸附树脂吸附技术最早用于废水处理、医药工业、化学工业、分析化学、临床检定和治疗等领域，近年来在我国已广泛用

8、于中草药有效成分的提取、分离、纯化工作中。8吸附分离n大孔吸附剂分离鹅脱氧胆酸与胆酸的制备现有方法：（不能分离鹅脱氧胆酸与胆酸）（1）有机溶剂萃取（2）金属盐沉淀大孔吸附剂分离（1）分离出胆酸，鹅脱氧胆酸两种成分（2）不用有毒溶剂（3）得率高A 范德华力B 静电作用力C 酶与基质结合时的配位键D 疏水相互作用E 空间位阻F 氢键2.5 吸附力的分类吸附力的分类A 物理吸附物理吸附 吸附剂和吸附物通过分子间力(范德华力)产生的吸附称为物理吸附。这是一种最常见的吸附现象，其特点是吸附不仅限于一些活性中心，而是整个自由界面。B 化学吸附化学吸附 化学吸取附是由于吸附剂在吸附物之间的电子转移，发生化学

9、反应而产生的。其特点是一种吸附剂只对一种或特定几种物质起作用。2.6 吸附类型吸附类型C 交换吸附交换吸附交换吸附类型:1）极性吸附:吸附剂表面如为极性分子所组成，则会吸引溶液中呈相反极性的物质或离子而形成双电层，这种吸附称为极性吸附。2）离子交换:在吸附剂与溶液间发生离子交换，即吸附剂吸附离子后，它同时要放出等当量的离子于溶液中。交换吸附的决定因素交换吸附的决定因素:1）离子所带电荷越多，它在吸附剂表面的相反电荷点上的吸附力就越强。2）电荷相同的离子，其水化半径越小，越易被吸附。2.7 吸附平衡吸附平衡吸吸附附等等温温线线：当吸附剂与溶液中的溶质达到平衡时，其吸附量q*同溶液中溶质的平衡应与

10、温度有关。当温度一定时，吸附量只和浓度有关，q*=f(c)-吸附等温线。生物分离中至少有四种吸附线等温(见图)。A)Henry type在一定温度下，平衡时吸附剂吸附溶质浓度q*与液相溶质浓度c之间的关系为线性函数：m为分配系数。适应条件：在低浓度范围之内成立。当浓度较高时，上式无效。B)Freundlich type其经验公式为其中，k和n为常数，n一般在1-10之间。Freundlich等温线可以描述大多数抗生素、类固醇、甾类激素等在溶液中的吸附过程。C)Langmuir type S-为表面活性中心。基于上述平衡，及假定单分子层吸附，得Langmuir 型吸附平衡方程qmax为饱和吸附量

11、，Kb为结合常数。当n个分子在一个活性中心发生吸附时，即存在此时有：当吸附剂对溶质的吸附作用非常大时，这时存在 n 10，或用前式表示Kb非常大，这时游离的溶质浓度对吸附浓度影响极小，接近不可逆吸附。D)、Rectangle type如在固定化单克隆抗体的免疫亲和吸附中，一般存在 n 10。Book:P190nkcq/1*=cKcKqqbb+=1max*nbnbcKcKqq+=1max*Protein8吸附分离1）离子交换剂构成离子交换剂构成带电基团带电基团A cation exchanger:阳离子交换剂 强酸性（SP）弱酸性（CM）B anion exchanger:阴离子交换剂 强碱性（

12、Q）弱碱性（DEAE）本身带负电荷本身带正电荷离子交换剂构成离子交换剂构成基质：基质：Sephadex,Sepharose,Cellulose等数字常表示凝胶吸水量。C-25为例：1克干燥的C-25凝膠可以吸水2.5 ml。甲状腺球蛋白乳白蛋白Amersham products:强阴牛血红蛋白脱氧核苷酸A人免疫球蛋白Amersham products:强阳Amersham products:粒径越小，分辨率越高2)离子交换操作示意离子交换操作示意用平衡缓冲液处理分离介质和样品。低离子强度逐步提高离子强度高离子强度Linear gradient elution线性梯度洗脱Stepwise elu

13、tion分步洗脱（阶段洗脱）3)离子交换层析操作及注意事项离子交换层析操作及注意事项1.填料的预处理A）Source、Monobeads、Minibeads系列以预装柱出售，无需处理。B）Sepharose、Bio-gel A系列以液态湿胶形式出售。使用前倾去上清，以湿胶：起始缓冲液=3：1添加缓冲液，搅匀，装柱。C）Sephadex系列以固体干胶形式出售，需要进行溶胀。用起始缓冲液在常温下浸泡1-2天，或在沸水中浸泡2h。溶胀过程避免强烈搅拌，否则导致凝胶颗粒破裂。一定不要用水溶胀，否则凝胶内部带电基团之间排斥力增大导致凝颗粒胀破。溶胀后进行抽真空脱气处理。D）Cellulose系列以固体干

14、胶形式出售，需要进行溶胀。又是其中含有较多杂质，需要进行洗涤。阴离子交换树脂：Cl-、OH-酸碱酸：Cl-碱酸碱：OH-阳离子交换树脂：Na+、H+碱酸碱：Na+酸碱酸：H+（1）交换柱与水平面完全垂直。（2）关闭柱底出口，在柱内注入约2cm高缓冲液。（3）将树脂搅成悬浮状后沿柱内壁小心地把柱灌满，倒时不要太快，以免产生泡沫。（4）待树脂在柱底部逐渐沉积时，慢慢打开柱底出口，让液体流出。继续添加树脂悬液。如果上层出现明显清液，可用吸管小心吸去柱内上层出现的清液。依次操作直至装完树脂。（5）用缓冲液将柱子封口，封柱。（6）在柱后放置光源，检查装填是否均匀，无气泡。在装柱时要避免柱内液体流干而使装

15、柱失败。装好的柱体应该没有纹路，没有裂痕，没有气泡。柱顶表面平整而均匀。这样方可投入使用，否则要重装。2.装柱3.平衡起始缓冲液（starting buffer）：通常是盐类的缓冲溶液。常用的缓冲剂有：磷酸盐、乙酸盐、柠檬酸盐、甲酸盐、Tris-HCl等。平衡终点判断：直到流出液的pH与洗脱液的pH相同为止（pH试纸检查），大约需要23倍床体积。4.上样由蠕动泵上样。样品需要进行微滤膜过膜处理，除去不容物。样品的浓度可根据填料的离子交换容量进行计算，不宜超过交换容量的20%。样品的粘度不宜过大。样品的上样体积可以稍大，但须保证不影响pH。5.洗脱由蠕动泵输入洗脱液。由梯度混合器产生洗脱液。通过

16、改变洗脱液的 pH、离子强度、离子类型等，改变交换剂的选择性，使杂质和目标物在不同的洗脱条件下得以分别洗脱而分离。样品由分部收集器收集。可安装检测器进行在线检测。6.洗涤由蠕动泵输入洗涤液。一般为高离子强度的洗脱液。7.再生、清洗由蠕动泵输入再生液。一般用2M NaCl溶液能洗脱绝大多数杂质。必要时用盐-酸-碱进行清洗。8.储存微生物的生长会严重污染层析柱。要求 4 8 度保存。短期保存：再生清洗完成后直接保存。长期保存：添加叠氮化钠阴离子交换剂：20%乙醇的0.2mol/L醋酸中。阳离子交换剂：20%乙醇的0.2mol/LNaOH中。Amersham快速液相色谱仪快速液相色谱仪(FPLC)仪

17、器特点仪器特点：由经典的液体柱层析引入气相色谱理论，并且对相体进行了改革，配用高压输液泵，采用高灵敏检测器、梯度洗脱装置、自动收集装置和微机等发展起来的现代液相色谱。4）性能评价）性能评价A 交换容量交换容量(exchange capacity)指单位质质量量的干干离子交换剂或单位体体积积的湿湿离子交换剂所能吸附的一价离子的毫摩尔数(mmol)，是表征交换剂离子交换能力的主要参数。见前页table。对对于于阴阴离离子子交交换换剂剂：将阴离子交换剂转换成Cl型后，取一定量的Cl型交换剂，加入Na2SO4溶液进行交换,用硝酸银溶液滴定流出液的Cl-，用铬酸钾作指示剂，根据Cl-量计算交换容量。B

18、交换容量的测定交换容量的测定 对于阳离子交换剂：对于阳离子交换剂：用HCl将其处理成H型，称重并测定其含水量；称数克交换剂，加入到过量已知浓度的NaOH溶液，发生交换反应。待反应达到平衡后(强酸性的需要静置24h，弱酸性的需静置数日)，测定剩余的NaOH摩尔数，就可求得阳离子交换剂的交换容量。蛋白质的交换容量：蛋白质的交换容量：比小分子化合物要小的多。1）树脂孔道的空间排阻作用大；2）交换后排阻其他蛋白质的扩散和交换；3）蛋白质的多电荷与多个交换中心结合C 滴定曲线滴定曲线全面评价表征交换剂的重要参数方方法法：1g氢型(或羟型)交换剂+x-ml 0.1M NaOH/or HCl+水至50 ml

19、(其中1支+50 ml 0.1 M NaCl)+静置24h(对强交换剂)/or 7d(对弱交换剂)+测pH+作图意义：意义：1st 强离子交换剂的交换；2nd 弱离子交换剂的交换；3rd 滴定曲线的转折点 交换容量；4th 转折点数 交换基团的种类数；5th 交换容量随pH的变化。物质在吸附剂中的浓度/物质在溶液中的浓度3)离子交换平衡离子交换平衡A 强电解质XH的分配系数mB 弱电解质XH的分配系数mC 蛋白质的分配系数mm=m1/A-A-：反离子浓度KdpPage：193、194nAmersham-GE Healthcare Life SciencesnBio-Rad8吸附分离4.1搅拌釜

20、吸附操作4.2固定床吸附操作4.3膨胀床吸附操作4.4流化床吸附操作4.5模拟/移动床吸附操作8吸附分离1)单釜吸附单釜吸附2)多级错流吸附多级错流吸附料液与吸附剂在搅拌釜内混合接触发生吸附，待吸料液与吸附剂在搅拌釜内混合接触发生吸附，待吸附接近平衡后，过滤使固液分离。与混合附接近平衡后，过滤使固液分离。与混合-澄清式澄清式萃取相似。萃取相似。3)多级逆流吸附多级逆流吸附8吸附分离1)单柱吸附单柱吸附饱饱和和(最最大大)吸吸附附浓浓度度q0:与入口料液浓度c0相平衡的吸附浓度。穿透曲线穿透曲线(breakthrough curve)：穿穿透透时时间间:一般为出口浓度达到入口浓度的5%-10%的

21、时间。穿透点穿透点(breakthrough point):洗脱洗脱(elution)：再生再生(re-generation)：浓浓度度波波/吸吸附附带带/交交换换带带：吸附塔中液相或固相溶质浓度从c0/或q0到0的分布区带。传质区传质区：在交换带中发生的液、固相之间的传质恒恒定定图图式式分分布布(constant patern)：浓度波以恒定的形式移动，一般发生在Langmuir和Freundlich型的吸附操作中。Book:P2122)动态法测定吸附量动态法测定吸附量曲线1为不吸附溶质的穿透曲线，对应的体积为V0。曲线2为吸附溶质的曲线，对应体积为V。吸附剂吸附溶质的量为斜线面积，即为c0

22、(V-V0)。利用不同浓度的溶液反复作吸附操作，即可得到吸附平衡关系q*=f(c)。3)多柱串联吸附多柱串联吸附 多柱串联系统由一个带有多个树脂柱（16，20，30柱）的圆盘，和一个多孔分配阀组成。通过圆盘的转动和阀口的转换，使分离柱在一个工艺循环中完成了吸附，水洗，解吸，再生的全部工艺过程。8吸附分离固定床：固定床：在吸附颗粒确定以后，床层的膨胀与通过床层液体的表观流速U有关。当U不大时，颗粒之间仍保持静止并互相接解，这为固定床。流化床：流化床：当U增大至起始流态化速度Umf，颗粒不再相互支撑，开始悬浮在液体中；进一步提高U，床层随之膨胀，床层的压力降几乎不变，但床层中颗粒的运动加剧，这时的

23、床层为流化床。优点：优点：A 压降小，可处理高黏度或固体颗粒的粗料液；B 不需要特殊吸附剂，设备操作简单。8吸附分离固固定定床床优优点点：流体在介质层中基本上呈平推流，返混小，柱效率高。缺缺点点：无法处理含颗粒的料液，因会堵塞床层，造成压力降增大而最终使操作无法进行。流流化化床床缺缺点点：存在严重的返混，特别是高径比很小的流化床，使床层理论塔板数降低，吸附剂的利用率低。1)1)膨胀床膨胀床综合固定床和流化床的优点，使吸附颗粒按自身的物理性质相对稳定地处在床层中的一定层次上实现稳定分级，而流体保持以平推流的形式流过床层，同时吸附颗粒间有较大的空隙，使料液中的固体颗粒能顺利通过床层(见图)。Boo

24、k:P2292)操作操作Book:P2368吸附分离1）移动床）移动床(moving bed)定义：吸附操作中固相可连续输入和排出吸收塔，与料液形成逆逆流流接触流动，可实现连续稳态的吸附操作。可分为吸附床吸附床和再生床再生床。吸附质的轴向浓度分步：吸附质的轴向浓度分步：存在问题存在问题A 吸附剂的磨损;B 固相出口的堵塞(为此，必须采用床层震动或用球形旋转阀等特殊装置)。Book:P239 自学2)模拟移动床模拟移动床5 影响吸附的因素5.1 吸附剂的性质5.2 吸附质的性质5.3 温度5.4 pH值5.5 盐浓度5.6 吸附物浓度与吸附剂用量5.1 吸附剂的性质吸附速度：颗粒度 速度，孔径合

25、适 速度机械性能：化学组成 Sepharose的机械性能不太好。极性：大孔树脂的极性、非极性侧链。带电基团：强阳、强阴、弱阳、弱阴。颗粒大小孔径大小骨架物质带电基团吸附剂的化学组成和结构决定其理化性质。吸附容量：颗粒、孔径小 比表面积、空隙度吸附容量（大分子物质）吸附容量（小分子物质）5.2 吸附质的性质能使固体物质表面活性降低的物质易被吸附。溶质从极易溶解的溶液中被吸附时，吸附量少。极性极性；非极性非极性。极性（非极性）越强的物质吸附量多。5.3 温度1）吸附一般为放热，所以达到吸附平衡，升高温度会使吸附量降低。2）蛋白质或酶被吸附的高分子是处于伸展状态，此过程为吸热。因此，升高温度会使吸附

26、量升高。但要注意保持物质的活性。5.4 溶液的pH值pH会影响吸附剂和吸附质的解离情况，进而影响吸附量。具体情况具体优化。5.5 盐的浓度离子交换树脂常用低浓度吸附，高浓度洗脱。大孔树脂有时用高盐吸附，低盐洗脱。5.6 吸附物浓度与吸附剂用量低浓度高浓度 存在优化问题实际操作：对蛋白质进行稀释，要求浓度在1%以下，以增加吸附剂对吸附质的选择性。吸附剂的用量不宜过多，增加成本及有效成分的损失。8吸附分离1)分析化学分析化学：HPLC进样前的固相萃取柱在线浓缩。Solid phaseextraction2)膨胀床吸附纯化膨胀床吸附纯化G6PDH原料液：酵母细胞匀浆液条件：柱I.D.=10 mm,柱高=20 cm,表面流速=66-200 cm/h。Page 2373）污染物治理）污染物治理废水、空气、4）医药：尿激酶的制备）医药：尿激酶的制备 8吸附分离吸附分离重点与难点1.离子交换的概念、分类及原理2.离子交换树脂的命名、理化性能3.各吸附操作的基本形式及各自的特点 8吸附分离1 大孔吸附剂有几类？性能如何？2 线性梯度洗脱和分布洗脱的优缺点？3 影响吸附过程因素有哪些？