文档介绍：第十章离子交换、吸附与层析分离设备
离子交换和吸附、层析的内容是很丰富的,机理是多种多样的。
根据物质吸附性质的不同,可用吸附法进行分离;根据分子电离(电负性)的差异,可用离子交换法、电泳法和等电聚焦法等进行分离;根据分子形状和大小的不同,可用凝胶过滤层析、膜分离、超滤法等分离;根据配体特异性的不同,可用亲和层析法进行分离。本章主要就工业上较常用的离子交换、吸附与层析的原理及设备进行叙述。
第一节离子交换过程原理与设备
离子交换法是应用合成的离子交换剂作为吸附剂,将溶液中的物质,依靠库仑力吸附在交换剂上,然后用合适的洗脱剂将吸附物质从交换剂上洗脱下来,达到分离、浓缩、提纯的目的。生物工业中最常用的交换剂为离子交换树脂。离子交换树脂是能在水溶液中交换离子的固体,其分子可以分成三个部分:-部分是交联的具有三维空间立体结构的网络骨架,通常不溶于酸、碱和有机溶媒,化学稳定性良好;一部分是联结在骨架上的功能基(活性基);一部分是活性基所带的相反电荷的离子,称为可交换离子。惰性不溶的网络骨架和活性基联成一体,不能自由移动。活性离子则可以在网络骨架和溶液间自由迁移。当树脂发生离子交换时,其上的活性离子与溶液中的同性离子,按与树脂的化学亲和力不同产生交换过程。最先在工业上应用的离子交换树脂是无机类高分子,叫硅酸铝钠,俗称泡沸石,继而发现了磺化煤和磺化酚-醛树脂,以及后来发现的苯乙烯-二乙烯苯共聚体和铵盐型苯乙烯-二乙烯苯共聚体等。这些品种的树脂交换量、化学稳定性和物理稳定性都不太理想,后来在50年代发现的新型大孔离子交换树脂,由于其良好的稳定性、较高的交换容量而被广泛的应用。
离子交换的一般流程如下:
(1)原料液的预处理,使得流动相易于被吸附剂吸附;
(2)原料液和离子交换树脂的充分接触,使吸附进行;
(3)淋洗离子交换树脂,以去除杂质;
(4)把离子交换树脂上的有用物质解吸并洗脱下来;
(5)离子交换树脂的再生。
离子交换技术是分离精制生物产品的主要工业手段之一,如细胞色素C的精制用弱酸性阳离子交换树脂;ADP与ATP可用强碱性阴离子交换树脂进行分离精制;弹性酶(Elastase) 用Amberlite CG-50树脂进行分离;肝素、硫酸软骨素等用多孔型或大孔型强碱性阴离子交换树脂进行分离;胰岛素的分离纯化用DEAE-C(阴离子交换纤维素)等。
一、离子交换过程原理
(一)离子交换树脂的分类
离子交换树脂按活性基团的性质不同可分为阳离子交换剂(cation exchanger)和阴离子交换剂(anion exchanger)。前者对阳离子具有交换能力,活性基团为酸性;后者对阴离子具有交换能力,活性基团为碱性。阴阳离子交换剂又根据其活性基团的电离程度强弱不同,分为强酸性阳离子交换剂和弱酸性阳离子交换剂、强碱性阴离子交换剂和弱碱性阴离子交换剂。强离子交换剂的离子化率基本不受pH的影响,离子交换作用的pH范围广,而弱离子交换剂的离子化率受pH的影响大,离子交换作用的pH范围小。
另外,根据离子交换剂的材料也可分为两类:第一类是包含合成树脂骨架的多孔弹性颗粒,通常是苯乙烯和二乙烯苯共聚而成的聚苯乙烯树脂,用线状聚合苯乙烯交联而成网状
结构,改变原始单体的化学组成,使三维结构的骨架基质与所需的离子基团或功能团连接,见表10-1所示。例如带强酸性基团的树脂可以用乙烯基苯磺酸代替某些苯乙烯或者磺化苯乙烯-二乙烯苯的共聚物制得,类似地,带有强碱性基团或弱碱性基团的树脂可以通过用苯乙烯的类似衍生物部分替代苯乙烯或通过共聚物的衍生物作用来制取。制备的离子交换树脂的聚苯乙烯骨架有不同的交联度,它取决于二乙烯苯的初始进料量,高交联度对转盐时树脂颗
表10-1 聚苯乙烯型离子交换树脂的特性
名称
类型
功能团
732或Dowex50
强酸性阳离子交换树脂
724或IRC-50
弱酸性阳离子交换树脂
711或Dowex1
强碱Ⅰ型阴离子交换树脂
763或Dowex2
强碱Ⅱ型阴离子交换树脂
704或IR-45
弱碱性阴离子交换树脂
701或Dowex3
弱碱性阴离子交换树脂
;
表10-2 多糖类离子交换树脂的特性
名称
类型
功能团
DEAE-纤维素和DEAE-葡萄糖
阴离子交换纤维素
树脂(弱碱性)或葡聚糖
CM-纤维素和CM-葡萄糖
阴离子交换纤维素
树脂(弱酸性)或葡聚糖
磷酸-纤维素
磷酸-葡聚糖
阴离子交换纤维素
树脂(强酸性)或葡聚糖
苯甲酰化DEAE(B-DEAE)-纤维素和(B-DEAE)-葡聚糖
阴离子交换树脂(弱碱性)
粒的体积变化减小是有利的。然而,即使是最低的交联度也会产生一个致密的母体,阻滞许多生物大分子渗透进入树脂颗粒并阻碍有效的分离。此