【生物课件】第十章 离子交换、吸附与层析分离设备.doc

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强碱型阴离子交换树脂763或Dowex2强碱型阴离子交换树脂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。此外，聚苯乙烯碱性树脂的疏水特性常使蛋白质变性，由于这些原因，这类树脂常用于分离离子型小分子（如多肽，糖磷酸脂、抗生素等）。第二类离子交换剂是多糖类骨架的离子交换树脂，见表10-2。它是通过对先存在于多糖上的羟基基团进行化学改性制得的。多糖的多羟基特性使得生成物的化学改性是相当随机的。这些利用纤维素或葡聚糖骨架改性的多糖材料，目前广泛应用在离子交换分离生物大分子上。（二）离子交换树脂的性能评价离子交换树脂一般不溶于水、一般的酸碱溶液和有机溶剂，是一种具有良好化学稳定性的高分子聚合物。同时，离子交换树脂必须具备一定的理化性能。1外观大多数商品树脂多制成球形，其直径为0.21.2mm。球形的优点是增大比表面积、提高机械强度和减少流体阻力。普通凝胶型树脂是透明的球珠，大孔树脂呈不透明的雾状球珠。随合成原料、工艺条件不同，树脂的颜色也有所不同，一般有黄、白、黄褐、红棕等几种颜色。2膨胀度各种离子的交换树脂，都含有极性很强的交换基团，因此亲水性极强，但由于交联后具有立体型的网状结构，因而不溶于水，具有亲水凝胶的性质，吸水就膨胀，脱水就收缩。膨胀是可逆地进行的，其程度随树脂的交联度、相反离子的种类和浓度、外部溶液的浓度而变化，一般的商品树脂，每克干树脂可吸附0.51.0克水分，交联度较低的树脂，每克吸附1.03.0克水分。交联度大的树脂，膨胀度小，因而由于实验条件的变化而引起的膨胀度的差异就小。但交联度小的树脂，会显著膨胀或收缩，往往造成操作上的种种困难。3交联度树脂的性质随着作为交联剂的DVB的含量不同而有所差异。合成树脂时，单体中DVB 的含量百分数称为交联度，在商品树脂中，通常是8%12%。但合成时，通过改变它和苯乙烯的混合比，可制出不同含量的产品。一般说来，交联度越大，树脂越坚固，在水中不易溶胀。而交联度减少，树脂变得柔软，容易溶胀。4交换容量交换容量是单位质量的干燥离子交换剂或单位体积的湿离子交换剂所能吸附的一价离子的毫摩尔数，是表征树脂交换能力的主要参数。其表示方法有重量交换容量和体积交换容量两种，后一种较直观的反映生产设备的能力。交换容量的测定方法如下，对于阳离子交换剂，先用盐酸将其处理成氢型后，称重并测其含水量，同时称数克离子交换剂，加入过量已知浓度的NaOH溶液，待反应达到平衡后，测定剩余的NaOH摩尔数，就可求得该阳离子交换剂的交换容量。对于阴离子交换剂，不能利用与上述相对应的方法，即不能用碱将其处理成羟型后测定交换容量。这是因为，羟型离子交换剂在高温下容易分解，含水量不易准确测定，并且用水清洗时，羟型离子交换剂易吸附水中的CO2而使部分成为碳酸型。所以，一般将阴离子交换剂转换成氯型后测定其交换容量。取一定量的氯型阴离子交换剂装入柱中，通入硫酸钠溶液，用铬酸钾为指示剂，用硝酸银溶液滴定流出液中的氯离子，从而可根据洗脱交换下来的氯离子量，计算交换容量。蛋白质等生物大分子与小分子化合物的离子交换特性有很大差别：蛋白质的分子量大，树脂孔道对其空间排阻作用大，不能与所有的离子交换活性中心接触；离子交换吸附的蛋白质分子会妨碍其他蛋白质与未吸附蛋白质的离子交换基团发生作用，并阻碍蛋白质扩散进入到其他交换区域；蛋白质带多价电荷，在离子交换中一般可与多个离子交换基发生作用。因此，蛋白质的交换容量远低于小分子化合物的交换容量。5滴定曲线滴定曲线是检验和测定离子交换剂性能的重要数据，可参考如下方法测定。分别向几个大试管中加入1g氢型（或羟型）离子交换剂，其中一个试管加入50ml 0.1molL的NaCl溶液，其他试管亦加入相同体积的溶液，但含有不同量的0.1molL的NaOH（或HCl），使其发生离子交换反应。强酸（碱）性离子交换剂放置24，弱酸（碱）性离子交换剂放置日。达到平衡后，测定各试管中溶液的pH值。以每克干离子交换剂加入的NaOH（或HCl）为横坐标，以平衡pH值为纵坐标作图，就可得到滴定曲线。强酸（或强碱）性离子交换剂的滴定曲线开始是水平的，到某一点突然升高（或降低），表明在该点交换剂上的离子交换基团已被碱（或酸）完全饱和；弱酸（或弱碱）性离子交换剂的滴定曲线逐渐上升（或下降），无水平部分。利用滴定曲线的转折点，可估算离子交换剂的交换容量，而由转折点的数目，可推算不同离子交换基团的数目。同时，滴定曲线还表示交换容量随pH的变化。因此，滴定曲线比较全面地表征了离子交换剂的性质。（三）离子交换的理论基础1静力学离子交换过程是按化学当量关系进行的。平衡状态与过程的方向无关。如果有Na-型的磺酸树脂放在氯化钠的溶液中，当交换开始后，Na+和Cl-可以透过固液界面自由扩散，扩散的结果是一定量的Na+和Cl-透过界面，形成如下组成的相：即Na+和Cl- 在界面的两边（树脂相和溶液相）都有。而RSO3-因不能透过固-液界面而留在了树脂相。当扩散达到道南（Donnan）平衡时，即两边电解质的化学电位相等时： （10-1）而一种电解质的化学电位为其离子化学电位之和，即： （10-2） （10-3）式中 、树脂相和溶液相的化学位；、a树脂相和溶液相的活度。由上式可得出，当界面两边离子的活度相等时，电解质在界面的两边达到平衡。另外，由于离子在各自的相达到电中性，即：及 （10-4）所以，这就是说，当达到道南平衡时，由于树脂固定阴离子的排斥，外界溶液相的NaCl的浓度将大于树脂相。在稀电解质溶液中，只有很少的游离电解质能扩散到交换树脂中。在稀溶液中，两离子在树脂相的浓度比与在溶液中两离子的浓度比成线形关系，即 （10-5）式中 Z1、Z2 分别表示两离子的价数； m1、m2分别表示在树脂相两离子的浓度； c1、c2 分别表示在溶液相两离子的浓度； K表示离子交换常数。上式对有机离子也适用，如对有机大离子，则必须修正： （10-6）式中 m对有机大离子的交换容量。2动力学由于树脂放入水溶液中表面就会始终存在一层薄膜，所以离子交换过程一般包含有下列五个步骤。（）液相中的反离子扩散到树脂表面；（）反离子从树脂表面再扩散到树脂内部的活性中心；（）反离子与树脂上反离子发生交换反应；（）解吸离子自树脂内部扩散到树脂表面；（）离子再从树脂表面扩散到溶液中。其中（）和（）为外部扩散，（）和（）为内部扩散，（）为化学交换反应。整个交换反应的控制步骤是扩散。至于究竟内部扩散还是外部扩散属控制步骤，要随操作条件而变。一般来说，液相速度愈快或搅拌愈激烈，浓度愈稀，颗粒愈大，吸附愈弱，则愈是趋向于内部扩散控制，相反，液体流速慢，浓度浓，颗粒细，吸附强，则愈是趋向于外部扩散控制。一般来说对于吸附有机大分子时，因大分子在树脂内扩散速度慢，所以常为内部扩散控制。（四）离子交换平衡在没有需要分离的溶质存在的情况下，离子交换剂表面的离子基团R（R+或R）一直被其反离子覆盖，液相中的反离子浓度为常数。而溶质与反离子带有相同的电荷，溶质的吸附是基于其与离子交换基团相反电荷的静电引力。典型的离子交换过程发生下列反应：阴离子交换 （10-7a）阳离子交换 （10-7b）式中 R+、R-分别代表阴离子交换基和阳离子交换基； U表示反离子； X表示溶质。离子交换的平衡常数为： （10-8a） （10-8b）如一单价强电解质XH在一阴离子交换树脂上发生交换，XH被完全解离，分配系为 （10-9a）由式（10-7a）和（10-8a）可得分配系数与反离子浓度的关系 （10-10a）即分配系数与反离子浓度成反比，随着离子强度的增大，离子交换的分配系数下降。如XH为单价弱电解质，即XH 仅发生部分解离，则解离平衡常数为 （10-11）则分配系数为 （10-9b）故由式（10-8a）和（10-9b）、（10-11）可得 （10-10b）当KaX时，上式即为（10-10a）。从（10-10a）或（10-10b）可知 （10-12a）式中 m1单位反离子浓度下溶质的分配系数。如对上式两边取对数，则lnm与lnU-呈线形关系，斜率为-1。若反离子与溶质的离子价分别为a和b，离子交换反应为 （10-13）离子交换平衡常数为 （10-14）由上式可得分配系数为 （10-12b）（五）离子交换树脂和操作条件的选择选择合适的树脂是应用离子交换法的关键。选用树脂的主要依据是被分离物的性质和分离目的。树脂的选用，最重要的一条是根据分离要求和分离环境，保证分离目的物与主要杂质对树脂的吸附力有足够的差异。一般来说，对强碱性产物宜选用弱酸性树脂，用强酸性树脂固然也能吸附，但解吸较困难。对弱碱性产物宜选用强酸性树脂，若选用弱酸性树脂则因弱酸、弱碱所成的盐易水解故不易吸附。弱酸性产物宜用强碱性树脂；强酸性产物宜用弱碱性树脂。选择树脂还应考虑其交联度大小，多数生物产物分子都较大，应选择交联度较低的树脂。但交联度过小会影响树脂的选择性，且易粉碎，造成使用过程中树脂流失，故选择交联度的原则是：在不影响交换容量的条件下，尽量提高交联度。必须指出，用离子交换树脂吸附酶等蛋白质是有困难的，因为酶在吸附、解吸过程中会失活。将树脂骨架由憎水性改为亲水性，如经过加工的纤维素所制得的离子交换剂，现已被用于提取酶。俄罗斯开发了一种以三嗪为骨架的羧基树脂，可用来提取胞外酶。应注意选择合适的操作条件，最重要的操作条件是交换时溶液的pH值。合适的pH值须满足三个条件：（1）pH值应在产物的稳定范围内；（）使产物能离子化；（）使树脂能解离。树脂的型式也应注意，对酸性树脂可以用氢型或钠型，对碱性树脂可以用羟型或氯型。般来说，对弱酸性和弱碱性树脂，为使树脂能离子化，应采用钠型或氯型，而对强酸性和强碱性树脂，可以采用任何型式。但如产物在酸性、碱性下易破坏，则不宜采用氢型或羟型树脂。溶液中产物浓度的影响一般说来低价离子增加浓度有利于交换上树脂，高价离子在稀释时容易被吸附根据化学平衡，洗脱条件总的选择原则是：尽量使溶液中被洗脱离子的浓度降低。显然洗脱条件一般应和吸附条件相反，如吸附在酸性下进行，解吸应在碱性下进行；如吸附在碱性下进行，解吸应在酸性下进行。为使在解吸过程中，pH不致变化过大，有时宜选用缓冲液作为洗脱剂，如产物在碱性下易破坏，可以采用氨水等较缓和的碱性洗脱剂。如单靠pH变化洗不下来时，可以试用有机溶媒。选择有机溶媒的原则是能和水混合，且对产物溶解度要较大。二、离子交换设备目前已出现的离子交换设备按结构型式分为罐式、塔式、槽式等。按操作方式分为间歇式、周期式与连续式；根据两相接触方式的不同，又可分为固定床、移动床、流化床等。固定床设备是现今应用得最多的离子交换设备，它具有设备结构简单、操作管理方便、树脂磨损少等优点，同时存在设备管线复杂、阀门多、树脂利用率相对较低等弊端。此外，使用单一交换柱不能连续生产，多柱串联虽可实现连续生产，但势必增加设备投资，并且使操作复杂化。固定床设备的弊病限制了它的发展，使之日益面临新型设备的挑战。为适应现代化生产的要求，各国学者都将注意力集中在连续式设备的开发及应用研究上，先后研制出多种实用的离子交换设备，将离子交换技术又向前推进了一步。（一）间歇式离子交换设备一般的离子交换罐为具有椭圆形封头的圆筒形设备，其圆筒体的长和筒径之比一般为23，也有高至5的。树脂层高度约占圆筒高度的5070%，须留有充分的空间，已备反冲时树脂层的扩胀。在交换罐的上部有溶液分布装置，以使含有被交换离子的溶液、解吸液或再生剂能在整个罐截面上均匀地通过树脂层。圆筒体的底部与椭圆形底之间常装有多孔板、筛网及滤布以支持树脂层，或者用块石英石或卵石直接铺于罐底以支持树脂层。罐顶应有人孔或者手孔，大型交换罐的人孔也可以装在罐壁上，以便于装卸树脂。视镜孔和孔灯可以在罐顶也可以在罐壁上。罐顶部的被吸附溶液、解吸液、软水进口可合用一个进口管与罐顶相连，罐底的各种液体出口及反洗水进口和压缩空气进口也可合用一个总进出口。另外，罐顶上应有压强表、排空口及反洗水出口。交换罐一般用钢板制成，内壁衬橡胶。附属管道一般为硬聚氯乙烯管，阀门可用聚氯乙烯、不锈钢或橡皮膜阀门。常用的离子交换罐见图10-1及图10-2。 1反吸附离子交换罐在反吸附离子交换罐中，被交换的溶液由罐的下部导入，其流速和粘度以使树脂在罐内呈沸腾状态而不溢出罐外为宜，交换后的溶液则由罐顶的出口溢出。反吸附除可以省去菌丝过滤（如被交换的溶液为发酵液）这一工序外，还具有液固两相接触面大而且较均匀，操作时不产生短路、死角，以及流速大和生产周期短等优点，因此解吸后所得的产品质量较高。但反吸附时树脂的饱和度不及正吸附的高。此外罐内树脂高度要比正吸附时低一点，以免树脂外溢。反吸附交换罐的结构可见图10-3。2固定床离子交换设备这种操作方式使用最广，设备结构较为简单，操作也很方便。离子交换树脂的下部要用多孔陶土板、粗粒无烟煤、石英砂等作为支撑体。被处理的溶液从树脂上方加入，经过分布管使液体均匀分布于整个树脂的横截面。加料可以是重力加料，也可以是压力加料，后者要求设备密封。料液与再生剂可以从树脂上方通过各自的管道和分布器分别进入交换器，树脂支撑下方的分布管则便于水的逆洗。柱式离子交换器可用不锈钢、硬塑料制作，常常用有衬里的碳钢制造，管道、阀门一般均用塑料制成。固定床离子交换器的再生方式分成顺流与逆流两种。逆流再生有较好的效果，再生剂用量可减少；但要发生树脂层的上浮。如将阳、阴两种树脂混合起来，则制成混合离子交换设备。将混合床用于抗生素等生物产品的精制，可避免采用单床时溶液变酸（通过阳离子柱时）及变碱（通过阴离子柱时）的现象，因而可减少目标产物的破坏。单床及混合床固定式离子交换装置见图10-4所示。另外，有一些离子交换器既可用于固定床的操作，也可用于流化床的操作。该装置的示意图见图10-5，主要由以下几个部分组成：一个正相计量泵，可在01000的范围内调整流速；一个用玻璃制成的柱体，装有一个活塞以适应不同的体积；三个贮槽，分别装有去离子水，HCl和NaCl；三个阀门，这三个阀门必须都关闭或者只有其中的一个打开；两个四通阀，见图10-6，决定料液向上或向下以及料液通过床层或留在贮槽；两个pH电极，在床进口或出口的位置测量料液的pH值；一个pH计；用于数据测量的计算机。该装置可用于流化床或固定床的操作，当料液向下流过床层时，则为固定床的操作，而当料液由下向上流过床层时，则为流化床的操作。除了能方便地进行两种操作的转换外，还可通过pH电极实现料液的在线监控。3薄膜压滤式离子交换设备当溶质的吸附扩散变得非常慢的时候，细微分开的树脂就会有利于吸附。而大颗粒的树脂由于可利用的表面积非常得小或者溶质到达颗粒内部需要较长的时间，而不利于吸附。但是细微分开的树脂存在着严重的水力方面的问题。在通常的工业生产条件下，液体用相同的方式通过它们，几乎是不可能的。原因是树脂的细微分开的粉状结构使得流体流过时阻力非常得大。与普通的箱式压滤机类似的薄膜压滤器可以很好地解决这个问题。它的内部是由一系列的塑胶过滤板排列而成许多小腔，并包有滤布。这种薄膜压滤器在每一层滤布后面都有膨胀膜，当腔内的树脂饼扩张或压缩时，膨胀膜就会被扩张或被压缩。这样就能保证当液体流过树脂饼时，树脂饼的状态始终是稳定的，也解决了流体阻力的问题。其设备结构见图 10-7。该设备的操作可分为三个步骤：（1）树脂的填充，将粉状的树脂与水或另外一些合适的试剂混合制成泥浆状，用空气隔膜泵将泥浆状物打入膜压滤器。整个填充过程需要大约2个小时。（2）树脂的循环，给膜加压，使溶液流经树脂时能通过压滤器的特殊的洗涤口。（3）树脂的再生，通过特殊的洗涤口，树脂实现再生。该设备对于料液中重金属的去除，生物大分子如蛋白质、核酸、糖类的分离等都适用。4活动式自动化离子交换设备中国环境科学研究院“八五”期间研制了1台活动式自动化离子交换再生设备(见图10-8)。设备采用模块式设计，总体构成分为主体设备、电控柜、工艺参数监测柜、微机系统4个部分。主体设备设有4个工位，分别进行装柱、交换处理、树脂再生、淋洗操作。工况变换通过旋转系统带动树脂柱转到相应工位来实现。树脂柱旋转与各工位液路管道的对接与脱开，是由特别设计的管柱自动衔接头和旋转定位系统来完成的。此外，设备还包括各种进排液管道系统，高位水箱，中间循环槽，电路系统及动力设备等。主体设备结构紧凑，设计科学，树脂利用率高，且密封性好，保证了安全生产以及清洁的操作环境。电控柜设有多个小控制箱，用以控制主体设备运行。控制箱上设有手动和自动开关，打入自动由微机控制，打入手动则可人为施控。工艺参数监测柜上设有各种监测箱，不仅能显示各种工艺参数(温度、流量、pH值、液位等)的瞬时值，还能将这些模拟量传给计算机系统。计算机对监测柜传送来的模拟量，进行处理，计算、贮存、显示、打印输出，同时把控制主设备的信号输出到电控柜，最终控制主设备的运行。该控制系统实现了工艺参数自动监测、主设备动作自动控制的闭环控制方式，从而更为科学。有效地避免了人为误操作可能带来的各种谬误，使设备正常、高效的运行得到可靠的保障。（二）半连续移动床式离子交换设备移动床离子交换设备是一种半连续式离子交换装置，交换、再生、清洗过程在装置中特定位置完成，而将这些过程在装置中串联在一起，各种液体周期性地在特定的部位流动。该设备的特点：离子交换与树脂再生、清洗分别在设备的不同单元中进行。系统中设置多个阀门用来控制树脂流向，并根据工艺要求，借助水力将树脂输送到相应单元进行各种操作。移动床式的主要优点是：生产率相同时所需树脂量比固定床少；再生剂利用率及树脂饱和程度高，因而再生剂用量少；被处理物料的纯度高，质量均匀；操作自动化程度高，可连续出料等。它的缺点是设备数量较多，操作管理较为复杂。早期的移动床设备，如希金斯连续离子交换设备，阿萨希移动床设备，已经在工业上得到了应用，并取得了较好效果。80年代以来，仍不断出现各种改进的移动床设备。如美国1992年报道的Carlson等人研制的连续式移动床离子交换系统 (见图10-9)，包括水处理柱、再生清洗柱和一些辅助的中间循环柱。系统运行过程为：待处理液进入处理柱后，树脂随待处理液一起在柱内流动，同时进行交换反应。树脂悬浮液流到中间循环柱，进行固液分离，处理水外排。当再生信号发出，水处理系统内部分树脂进入饱和树脂存贮柱，同时有再生好的树脂补充过来。尔后，存贮柱内的树脂进入再生柱再生。该装置可实现水处理，饱和树脂再生以及再生好树脂返回等过程同时进行，从而达到连续产水的目的。与传统移动床设备不同的是，该装置设有一些传感器，用以监测水中某种离子浓度、pH值等指标。当指标达到预定值时，可发出信号，控制树脂进出再生系统。这种控制方式，比时控方法更为灵活可靠，科学性更强。（三）连续式离子交换设备1一般连续式离子交换设备固定床的离子交换操作中（指正吸附操作），交换仅限于在很短的交换带中进行，因此树脂利用率低，生产周期长。若采用连续逆流式操作则可避免上述缺点，且交换速度快，产品质量均匀，连续化生产便于自动化控制。但连续离子交换过程中的树脂破损很大，设备及操作较复杂且不易控制。图10-10和图10-11为连续逆流离子交换设备的示意图。连续式离子交换设备按料液流动的方法又可分为重力和压力两种。压力流动式是由再生洗涤塔和交换塔组成。交换塔为多室式，每室树脂和溶液的流动为顺流，而对于全塔来说树脂和溶液却为逆流，连续不断地运行。再生和洗涤共用一塔，水及再生液与树脂均为逆流。从树脂层来看，连续式装置的树脂在装置内不断流动，但它又在树脂内形成固定的交换层，具有固定床离子交换器的作用；另一方面，它在装置中与溶液顺流呈沸腾状态，因此又具有沸腾床离子交换的作用。其工作流程见图10-12。这种装置的主要优点是能连续生产、供液不间断，而且效率高；树脂利用率及再生饱和程度高，因而再生液耗量较省；操作管理较为方便。它的缺点是树脂磨损较大。重力流动式又称双塔式，这种装置的主要优点是被处理液与树脂的流向为逆流。工作流程见图10-13。2ISEP系统（1）ISEP系统的工作原理ISEP系统是首次开发成功的一种真正连续的离子交换系统，此系统由美国先进分离技术公司（Advanced Separation Technologies Inc.）于1986年开始开发，经过不断完善，目前已成功的应用在各种不同的产业领域中。ISEP是由一个水平转盘和30个短小固定床构成的，如图10-14所示。固定床和转盘以规定速率连续旋转，每个床柱中都装有吸附介质(如离子交换树脂等)，每个树脂柱的上部和下部均有接管，与由小电机驱动的分配器旋转端管嘴相接。树脂床的转盘由第二个电机驱动，它与旋转阀的转速同步。分配器旋转端与含有20个均匀分布槽口的分配器固定端相匹配，当ISEP运行时，流入或流出这些固定槽口的液流是恒定的、不间断的。当转盘旋转360时，每个树脂柱都将经历一次完整的吸附循环即吸附、再生(或洗脱)，以及一次或二次淋洗。当某一床柱从一个槽口下部移开时，液流暂时停止流动，直到床柱转移到与另一槽口相通，从而保证树脂床柱在任何时候只能接受来自一个槽口的液流。ISEP采用短树脂床，以使树脂在操作中得以最大限度的利用。在吸附循环中，床柱内的树脂无论是处于耗竭状态，还是处于再生状态，任何部位均无闲置，这使ISEP所用树脂量大大少于常规的离子交换系统。小容积树脂床与液流(再生剂，淋洗水)的逆流流动相结合，使树脂床再生和清洗时所需的再生剂量减少，稀释程度降低。（2）ISEP系统的优点固定床吸附一般适用于除去低浓度化合物的工艺，固定床的实用尺寸可在424hrs内连续操作。固定床的主要缺点是:吸附剂不能得到有效利用；再生用化学品消耗量过大；由于低进料浓度的限制，应用受到限制，而ISEP连续系统采用能够改善接触效率的逆向流动工艺，克服了上述缺点。ISEP设计灵活，为其应用提供了新的领域，用以替代在工业分离中存在某些严重缺陷的脉冲床。ISEP系统是一种完全革新的分离工艺技术，在已有的吸附、离子交换和过滤技术的基础上，由AST公司经多年研制开发而成，不同于传统的固定床（Fixed Bed）、脉冲床（Pulse Bed）、模拟移动床（Simulated Moving Bed）等工艺。ISEP系统可用于分离、精制和回收各种工业用水及其他溶液中的特定有效物质及有害物质，此系统可使用传统的吸附剂，如：离子交换树脂、活性炭及合成吸附剂等。由于系统是连续运行，ISEP不需要设置备用设备；离子交换树脂再生时也不必中断正常的生产。由于多柱（20/30交换柱）吸附以及在稳定状态下连续运行，ISEP系统可以处理杂质浓度较高的物料，保证产品具有稳定的成分和浓度。同时，因非活性树脂用量的减少及采用多通道逆向流动再生方式，离子交换树脂的用量及再生剂和洗涤水的消耗量可大大减少。因为ISEP能使多级分离步骤同时进行，所以越是复杂的分离过程，越能发挥其优越性。（3）ISEP的操作方式操作方式有:平行流动；带向上流动的平行流动；串联流动；双通道串联流动；带排干液体的串联流动；再循环流动；脉冲料液置换。逆向流动系统作业是ISEP工艺的关键技术之一，其优点是用固定床等所不可能达到的。如一个装有树脂的容器需要洗涤时，树脂几乎是完全充满了容器，外部液体空间的体积等于树脂内部液体的体积。通过扩散将达到一个平衡，使离开容器的液体，其残存自由离子的浓度为起始夹带于树脂中液体浓度的一半。采用ISEP逆流洗涤法将比4级固定床体系多除去310%的树脂内的离子，(若用3级洗涤，多除去256%的离子)。逆流再生也能达到类似的相对效率。多个串联的树脂床，逆流作业也可用于吸附中，可将进料液中离子型物质之浓度降到很低的水平，并确保出口树脂达到完全饱和，ISEP具有利用高效率的逆流洗涤和逆流再生能力，并有利用再生淋洗水作为再生稀释剂之能力，往往能把用水量、化学品用量和废水排放量，减少到因定床操作所需量的5080%，还能使洗脱液中的物质达到“高浓度”。图10-14 ISEP实验室模型L100示意图（4）ISEP系统的应用这种新的生产技术在通过玉米发酵赖氨酸的工艺中得到肯定。自从连续离子交换设备问世后，六年中它使得赖氨酸的生产在经济上发生了变革。该设备代替了大多数从发酵液中提取赖氨酸的传统方式。现今，该连续分离技术控制了世界上70%的赖氨酸产品的生产。全球六大赖氨酸生产厂家均使用连续离子交换分离设备，已经获得了比传统的间歇固定床分离更高的收率和更经济的生产方式。在操作中，一个转盘，其上排列着12，20或30根小的固定离子交换床的树脂柱，在一个特别的二合一的分配器下方缓慢的以稳定的速率旋转。当床根据正常的离子交换工艺的4个步骤按顺序运转时，分配器引导所有的水流通过交换床。当转盘完成一周的旋转后，赖氨酸已回收，同时树脂在另一个循环中再次使用。从本质上说，转盘和二合一分配器的旋转槽口是唯一转动的部分。他们每天可旋转6至12周。两台电机可提供低耗能旋转。固定床系统所需的30根或更多的阀门仅由一个二合一的分配器代替。 （四）离子交换膜与电渗析离子交换膜和电渗析技术是在离子交换技术的基础上发展起来的新技术。离子交换膜电渗析法广泛应用于海水淡化、水处理除盐、化工生产的提纯、分离、合成以及综合利用、废水处理等方面。近年来，已应用在生物产品如蛋白质的分离上。1离子交换膜离子交换膜是将离子交换树脂制成薄膜的形式而得到的，它和离子交换树脂的性质基本上相似。和离子交换树脂一样，按功能团不同，离子交换膜可以分为阳离子交换膜和阴离子交换膜。按构造组成的不同，离子交换膜又可以分为异相膜、均相膜和半均相膜。异相膜是将离子交换树脂磨成粉末，借助于惰性粘合剂（如聚氯乙烯、聚乙烯或聚乙烯醇等），由机械混炼加工成膜，由于粉末之间充填着粘合剂，因而膜的组成是不均匀的。均相膜以聚乙烯薄膜为载体，首先在苯乙烯、二乙烯苯溶液中溶胀，并以偶氮二异丁晴为引发剂，在加热加压条件下，在聚乙烯主链上接枝聚合而生成交联结构的共聚体。如果用浓硫酸磺化则制得阳膜；如以氯甲醚使共聚体氯甲基化，再经胺化则制成阴膜。异相膜的电阻较大，电化学性能比均向膜差；机械强度却比均相膜好。在水处理中一般都用异相膜。半均相膜是用聚乙烯粒子浸在苯乙烯、二乙烯苯后，加热聚合，经磺化制得阳膜或氯甲基化，再经胺化制得阴膜。这种半均相膜已应用于抗生素工业中。离子交换膜在电渗析中的应用主要由于它具有选择透过的性能，既阳离子交换树脂能透过阳离子，而不能透过阴离子，而阴离子交换膜只能透过阴离子而不能透过阳离子。将阳膜浸入溶液中，如膜上阳离子和溶液中阳离子不同，则要发生离子交换；如膜上阳离子和溶液中阳离子相同，则由于膜的骨架带强的负电荷，因此只有阳离子才能进入膜内，阴离子则被排斥在膜外。当在膜的两侧通以电流时，则阳离子能透过阳膜而趋向阴极，阴离子则受阻而留在溶液中。 壳聚糖是一种有着很好成膜特性的天然生物高分子聚合物。壳聚糖交联膜具有阴离子交换作用，是一种阴离子交换膜，其性能较好，具有较强的选择透过性。周亚光等使用的壳聚糖交联膜，是由1%的壳聚糖醋酸溶液，加入一定量金属离子的盐溶液，静止30分钟后将络合金属离子的壳聚糖醋酸溶液倒入一定量的25%戊二醛溶液中，经淋洗、红外干燥而制得的。在湿法冶金壳聚糖交联膜电渗析方法，分离去除Cl-、F-以及AsO-2，效果很好。在蛋白质的分离和纯化时，使用吸附多孔膜层析可克服许多传统的填充床层析的限制因素。微孔膜的载体相对于传统的珠式载体有很多优点，因为它们不被压缩而且不受扩散的限制。因此，使用微孔膜具有生产能力高、操作时间短等优点。近年来，在蛋白质的分离和纯化时，人们将功能化多聚物刷（polymer brushes）连到微孔膜上制成了一种新的层析剂，见图10-15。这种功能化的多聚物刷均匀地附在微孔中空纤维膜的孔表面，通过光诱导聚合以及后来的化学修饰交叉形成一定厚度的膜。通过多聚刷的静电排斥，由于蛋白质的三维结构形成的过程中，通过离子交换多聚物刷，在多层被俘获。通过小孔上的多聚物刷，蛋白质溶液渗入膜，通过离子交换作用，理想的蛋白质捕获率可获得，而且扩散阻力可忽略。蛋白质的捕获过程见图10-16所示。2. 电渗析技术电渗析制备无盐水的原理见图10-17、10-18。该装置为一三槽电渗析池。设开始时三室中都有氯化钠溶解，则当通直流电流后，中间室的Cl-通过阴膜，趋向阳极，在阳极上发生电极反应产生Cl2；中间室的Na+通过阳膜，趋向阴极，在阴极上发生电极反应，产生H2和NaOH，而中间室的NaCl则越来越少，而得到无盐水。 大型的电渗析装置如图10-19所示，两端是两块青铅制成的电极，电极四周及外侧用硬聚氯乙烯加以保护和绝缘。电极室、淡化室、浓缩室均由2毫米厚的聚氯乙烯制成，称为隔板，隔板大小应与膜相同，隔板四角有进水和出水孔，隔板中有互相连通的流水槽，槽中还固定有薄网板，使水流通过时具有一定的流速，并保持一定程度的湍动，以增加电渗析的效果。与通常用离子交换树脂制备无盐水不同，用离子交换膜时不需要再生，脱盐连续地靠电能来实现的，因而操作方便，节省酸碱，避免排放大量废酸、废碱，有利于环境的整治。在三槽电渗析槽中，电极反应消耗电能很大。为节省电能，工业上多用多槽式装置。因为电极反应所消耗的能量，不论层数多少都为定值，故工业上电渗析装置多由几百对膜。目前某些抗生素工厂已采用电渗析制备无盐水。三、离子交换设备的计算离子交换过程的平衡及速度常因所处理的物系的性质和操作条件的不同而有很大的差异。在生产操作中，料液中含有的不少杂质及操作条件的限制，都影响树脂对目标产物的交换容量。因此，离子交换设备的设计应根据小设备的实验结果进行放大。（一）固定床的放大固定床的放大通常有两种方式：根据单位树脂床体积中所通过的溶液的体积流量或单位树脂床截面积上所通过的溶液的体积流量相同的原则进行。1据单位树脂床体积中所通过的溶液的体积流量相同的原则进行放大单位树脂床体积中所通过的溶液的体积流量也可称为交换器负荷，可以用ml（溶液）/ml（湿树脂）min或m3（溶液）/m3（湿树脂）h表示。此值的倒数即溶液与树脂的接触时间。保证在小设备和大设备中此值相同，即说明两者的接触时间相同。根据此法放大，树脂床的几何形状即高径比不是一个决定因素，但一般可维持大设备和小设备有相同的几何形状，即相同的高径比。因此根据此原则放大的计算，十分方便，只要知道大设备中的溶液体积流量是小设备的若干倍，就立即知道大设备中湿树脂的装量是小设备的若干倍，从而很容易算出大设备中湿树脂的体积是多少，至于操作时间等条件完全可与小设备的相同。交换器的负荷为 （10-15）式中 交换器的容量，m3/m3h；通过溶液的体积流量，m3/h；湿树脂的体积，m3。若下标1代表小设备的操作条件，下标2代表大设备的操作条件。当时， （10-16）则大设备中的树脂体积为 （10-17）上式中F2/F1即为放大倍数m，故上式也可写为 （10-18）若以H代表树脂床高，D代表树脂床直径， ，或 ， （10-19）因 （10-20）故 （10-21）或 （10-22）因此，大设备的直径及高度为 （10-23） （10-24）2根据单位树脂床截面积上所通过溶液的体积流量相同的原则进行放大单位树脂床截面积上通过溶液的体积流量可以用ml（溶液）/cm2min或m3（溶液）/m2h来表示。此值即为溶液通过树脂床的线速度。根据此法放大时，要维持大设备与小设备的树脂床层高度相同，仅直径加大，以保证两者线速度相同，实际上也是保证两者接触时间相同。线速度为或 （10-25）式中 线速度，m/h； 树脂床截面积，m2。当W1=W2时 （10-26） （10-27） （10-28） （10-29） （10-30） （10-31）用此法计算出来的树脂体积M2实际上和上法计算的结果相同。因考虑到解吸对高径比较高的罐，解吸浓度比较高，故一般系用前法放大较好，不过用前法放大时，树脂床高度增加了，线速度也相应的增加，流体阻力也增大了。（二）连续逆流离子交换设备的计算连续逆流离子交换设备的计算方法可以仿照萃取、吸收等操作过程的计算。一般可用图解法求得操作过程中的理论级数。进行图解时，首先应有被交换离子在树脂中及在溶液中的平衡数据。如用小标1表示进口的浓度，下标2表示出口的浓度，操作线可用下式来表示 （10-32）式中 溶液流量，ml/min； 溶液中目标产物的浓度，mg/ml； 树脂流量，g/min； 树脂上目标产物的浓度，mg/g。将两端的极端浓度（，）及（，）的坐标用直线相连即为操作线，然后在操作线和平衡曲线间画出阶梯和读出理论级数。传质方程式可用下式来表示： （10-33）式中 溶液流量，m3/h； 交换柱高度，m； 交换柱截面积，m2； a交换柱中树脂的视重度，kg/m3； 溶液浓度，mg/L； 与同一截面上树脂浓度相平衡的溶液浓度，mg/L； 溶液总传质系数，m/h； 树脂颗粒的比表面积，m2/m3。在一定设备及溶液中，A为常数，a仅与H有关，当H值固定时， （10-34） （10-35）上式等号左边的积分值可用图解积分求得，因此已知H值可求得KLa值，或已知KLa值可求得H值。第二节 吸附过程原理及设备吸附(Adsorption)是利用适当的吸附剂，在一定的操作条件下，使有用目标产物或有害成分被吸附剂吸附，富集在吸附剂表面，然后再以适当的洗脱剂将吸附的物质从吸附剂上解吸下来，从而达到浓缩和提纯的目的，这样的过程称为吸附操作。当物质从流体相（气体或液体）浓缩到固体表面从而实现分离的过程称为吸附作用。在表面上能发生吸附作