第六章离子交换分离原理及设备ppt课件

1、第六章第六章 层析设备层析设备 和离子交换设备和离子交换设备第一节 层析设备 层析技术是利用混合物中各种组分的物理层析技术是利用混合物中各种组分的物理化学性质分子的形状和大小、分子的极性、化学性质分子的形状和大小、分子的极性、吸附力、分子亲和力、分配系数等不同，吸附力、分子亲和力、分配系数等不同，使各组分以不同程度分布在两相中，其中一使各组分以不同程度分布在两相中，其中一个相是固定的，称为固定相；另一个相是流动个相是固定的，称为固定相；另一个相是流动的，称为流动相。当流动相流过固定相时，的，称为流动相。当流动相流过固定相时，各组分以不同的速度移动，而达到分离的目的。各组分以不同的速度移动，而达

2、到分离的目的。一、层析原理一、层析原理 层析技术按不同的方法可分为几种不同的类型。层析技术按不同的方法可分为几种不同的类型。如按流动相的状态不同可分为：如按流动相的状态不同可分为： 液相色谱液相色谱liquid chromatographyliquid chromatography）；）； 气相色谱气相色谱gas chromatographygas chromatography）；）；按固定相的使用形式不同可分为：按固定相的使用形式不同可分为： 柱层析、纸层析、薄层层析等；柱层析、纸层析、薄层层析等；按分离机制不同可分为：按分离机制不同可分为： 吸附层析、离子交换层析、分配层析、吸附层析、离子

3、交换层析、分配层析、 疏水作用层析、凝胶层析和亲和层析等。疏水作用层析、凝胶层析和亲和层析等。 死 空 气静 水 压 参 考 点(b)(c)(a)操 作压 参考 点图 10-34 凝 胶 柱死 空 气静 水 压 参 考 点( b )( c )( a )操 作压 参考 点图 1 0 - 3 4 凝 胶 柱选定的凝胶作为固定相装入层析柱，样品溶液由进样系统选定的凝胶作为固定相装入层析柱，样品溶液由进样系统进入层析柱，根据分子大小的不同由大到小依次流出凝胶进入层析柱，根据分子大小的不同由大到小依次流出凝胶柱。然后依次分布收集洗脱液，即得到样品混合物中每单柱。然后依次分布收集洗脱液，即得到样品混合物中

4、每单一组份的化合物。凝胶柱可用于生物大分子的纯化、分子一组份的化合物。凝胶柱可用于生物大分子的纯化、分子量的测定等。量的测定等。. .凝胶层析设备凝胶层析设备21流 动 相 储罐进 样 阀样 品多 孔 颗 粒柱 子检 测 器 2检 测 器 1数 据 处 理 系 统洗 脱 时 间信号色 谱 图泵图 10-39 凝 胶 层 析 原 理 示 意 图1.1.凝胶层析原理图凝胶层析原理图 该装置的凝胶层析原理的示意图，样品由进样阀进入层析柱，小分子物质能进入凝胶颗粒的内部，而大分子物质却被排阻在外部，溶液中的物质就按不同分子质量筛分开了。柱后面连有的检测仪能检测出目标产物的出峰时间，并由电脑记录，从而可

5、实现目标产物的定时收集。 21流动相储罐进样阀样品多孔颗粒柱子检测器2检测器1数据处理系统洗脱时间信号色谱图泵图10-39 凝胶层析原理示意图色谱分离设备玻璃色谱分离柱玻璃色谱分离柱带热夹套分离柱带热夹套分离柱进口磨口塞柱砂心滤板出口恒温浴进口滤板保温夹层接泵螺丝尼龙管（1）（2）（3）砂心滤板柱柱滤板接泵滤板保温夹层图10-35 常用的几种层析柱正规的层析柱如图正规的层析柱如图10-3510-35，柱的两端，柱的两端均密闭。滤板用均密闭。滤板用400400目的尼龙布或目的尼龙布或聚四氟乙烯布，样聚四氟乙烯布，样品和洗脱液均用微品和洗脱液均用微量泵传送。量泵传送。其中其中2 2、3 3柱还具有

6、柱还具有双层管，管间可通双层管，管间可通温水保温，进出口温水保温，进出口处可用尼龙管伸入处可用尼龙管伸入柱内，连接一个附柱内，连接一个附有滤板的漏斗状托有滤板的漏斗状托盘，以减少底部死盘，以减少底部死体积，托盘周围用体积，托盘周围用橡皮圈与柱壁密封。橡皮圈与柱壁密封。 1234567891011图10-36 反转式分离柱1-柱体 2-保温夹套 3-密封橡胶圈 4-滤板 5-转圈 6-支柱 7-支架8-保温液进出口 9-固定螺钉 10-尼管 11-压力表反转式层析柱。反转式层析柱。两根支柱支撑两根支柱支撑在两法兰之间，在两法兰之间，在支柱的中部在支柱的中部装有转轴，支装有转轴，支撑在支架轴承撑在

7、支架轴承中，这样，分中，这样，分离柱就可以上离柱就可以上下反转，工作下反转，工作时可用定位螺时可用定位螺固定。这种结固定。这种结构可避免柱中构可避免柱中凝胶压紧。凝胶压紧。薄层凝胶层析装置薄层凝胶层析装置 凝胶排阻层析既可以采用柱层析的装置，也可用薄凝胶排阻层析既可以采用柱层析的装置，也可用薄层层析的装置。这种操作方式叫做薄层凝胶排阻层析层层析的装置。这种操作方式叫做薄层凝胶排阻层析thin layer gel exclusion chromatography）。）。 溶 剂滤 纸盖 板溶 剂滤 纸玻 璃 柱流 程图 10-37 薄 层 凝 胶 层 析 装 置薄层由凝胶构成，即由凝胶构成固定相

8、，并且不加粘合剂；薄层由凝胶构成，即由凝胶构成固定相，并且不加粘合剂；自始至终不能让凝胶干燥；自始至终不能让凝胶干燥；必须平衡必须平衡1212小时以上，以便使固定相和流动相之间的体积比标小时以上，以便使固定相和流动相之间的体积比标准化。准化。这一类装置可用于亲水性样品物质的分离分析，如蛋白质、多这一类装置可用于亲水性样品物质的分离分析，如蛋白质、多肽和核酸等。肽和核酸等。溶 剂滤 纸盖 板溶 剂滤 纸玻 璃 柱流 程图 1 0 - 3 7 薄 层 凝 胶 层 析 装 置AM90-1AM90-1型凝胶层析仪型凝胶层析仪 该系统系全自动凝胶层析该系统系全自动凝胶层析仪，由蠕动泵、不中断进仪，由蠕动

9、泵、不中断进样阀、层析柱、紫外检测样阀、层析柱、紫外检测仪、自动电脑积分记录仪仪、自动电脑积分记录仪组成，并能与收集器配合，组成，并能与收集器配合，进行定峰定时、定滴收集。进行定峰定时、定滴收集。主要用于：主要用于：（1 1各类生物大分子的分各类生物大分子的分离；离；（2 2生物大分子的分子量生物大分子的分子量测定及其定性；测定及其定性；（3 3已知生物大分子的定已知生物大分子的定量分析；量分析； 封闭连续柱层析装置封闭连续柱层析装置柱层析是复杂组分分柱层析是复杂组分分离提纯离提纯的非常有效的手段。的非常有效的手段。使用通使用通常的柱层析装置，溶常的柱层析装置，溶剂挥发剂挥发分散、环境污染。分

10、散、环境污染。而封闭连续柱层析装而封闭连续柱层析装置洗脱置洗脱液处于基本封闭的循液处于基本封闭的循环利用环利用形状，易于实现自动形状，易于实现自动控制。控制。特点：特点：将洗脱和产品浓缩结将洗脱和产品浓缩结晶两晶两道工序结合起来，缩道工序结合起来，缩短了短了生产周期，洗脱液的生产周期，洗脱液的用量用量可显著减少。可显著减少。 131412119867532104 10-40 连续层析装置示意图1-接头(连接射水真空泵) 2-回流冷凝管 3-层析柱4-蒸气通道 5,6-双通活塞 7-分析取样孔 8-滴液口9-烧瓶 10-温度计 11-集热式磁力搅拌器 12-射水泵 13-水槽 14-水泵 与普通

11、柱层析比较，封闭连续柱层析有其自己与普通柱层析比较，封闭连续柱层析有其自己的特点和优势：的特点和优势：能阻止或缓解不稳定的物质的分解或变性；能阻止或缓解不稳定的物质的分解或变性；有利于稳定层析条件，提高柱子的分离效能；有利于稳定层析条件，提高柱子的分离效能；减轻了产品浓缩结晶和溶剂蒸馏回收的工作量，减轻了产品浓缩结晶和溶剂蒸馏回收的工作量，缩短了产品制备周期；缩短了产品制备周期；封闭连续柱层析是在封闭状态下工作，溶媒泄封闭连续柱层析是在封闭状态下工作，溶媒泄漏很少，污染危害大大减轻。漏很少，污染危害大大减轻。废液123456785被分离物洗脱液料液 图10-41 工业规模的凝胶分离装置1-过滤

12、器 2-泵 3-流速调节阀 4-单色仪 5-三通阀 6-分离柱 7-流量计 8-检出仪KTAexplorerKTApurifierKTAFPLC色谱分离设备色谱分离设备多种大小多种大小, ,材料可供选择材料可供选择, ,经济型经济型层叠柱层叠柱制药用制药用极高标准柱极高标准柱第二节 离子交换设备 离子交换树脂及其分离原理离子交换树脂及其分离原理 离子交换树脂的分类及合成离子交换树脂的分类及合成 离子交换树脂的理化性能离子交换树脂的理化性能 离子交换机理及选择性离子交换机理及选择性 离子交换装置及再生离子交换装置及再生 离子交换设备及计算离子交换设备及计算 离子交换设备的结构离子交换设备的结构

13、离子交换设备的计算离子交换设备的计算离子交换树脂的分类 按树脂骨架的主要成分分为聚苯乙烯型树脂、聚丙烯酸型树脂、酚-醛型树脂等； 按聚合的化学反应分为共聚型树脂和缩聚型树脂； 按树脂骨架的物理结构分为凝胶型树脂(微孔树脂)、大网络树脂(大孔树脂)及均孔树脂； 按树脂的酸碱性分为强酸性、弱酸性阳离子交换树脂和强碱性、弱碱性阴离子交换树脂。一、离子交换过程原理一、离子交换过程原理几类树脂性能的比较 类型类型性能性能阳离子交换树脂阳离子交换树脂阴离子交换树脂阴离子交换树脂强酸性强酸性弱酸性弱酸性强酸性强酸性弱酸性弱酸性活性基团活性基团磺酸磺酸羧酸羧酸季胺季胺伯胺、仲胺伯胺、仲胺pH的影响的影响无无酸

14、性交换力小酸性交换力小无无碱性交换力小碱性交换力小盐的稳定性盐的稳定性稳定稳定洗涤时水解洗涤时水解稳定稳定洗涤时水解洗涤时水解再生剂用量再生剂用量35倍倍1.52倍倍35倍倍1.22倍倍交换速率交换速率快快慢慢快快慢慢二、离子交换设备二、离子交换设备离子交换设备按结构型式分为离子交换设备按结构型式分为: : 罐式、塔式、槽式等。罐式、塔式、槽式等。按操作方式分为按操作方式分为: : 间歇式、周期式与连续式；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、移动床、流化床等。 （一间歇式离子交换设备（一间歇式离子交换

15、设备图10-1 具有多孔支持板的离子交换罐1-视镜 2-进料口 3-手孔 4-液体分布器 5-树脂层 6-多孔板 7-尼龙布 8-出液口86754321图10-2 具有块石支持层的离子交换罐1-进料口 2-视镜 3-液位计 4-树脂层 5-卵石层 6-出液口654312 图10-3反吸负离子交换罐1-被交换溶液进口 2-淋洗水解吸液和再生液进口 3-废液出口 4，5-分布器 6-淋洗水解吸液和再生液出口，反洗水进口654321在反吸附离子交在反吸附离子交换罐中，被交换换罐中，被交换的溶液由罐的下的溶液由罐的下部导入，其流速部导入，其流速和粘度以使树脂和粘度以使树脂在罐内呈沸腾状在罐内呈沸腾状态

16、而不溢出罐外态而不溢出罐外为宜，交换后的为宜，交换后的溶液则由罐顶的溶液则由罐顶的出口溢出。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。 计量槽料液再生剂流量计升液器处理液碱计量槽NaOH蒸气酸计量槽空气处理液 (B)混合床(A) 单床图10-4 固定式离子交换装置的流程HCL料液交换柱处理液水提升器水回流再生塔再生剂图10-12 压力流动式离子交换装置流程

17、树脂喷射器料液交换塔处理液再生废液再生塔再生液出水缩口洗涤塔 水洗涤水树脂树脂图10-13 重力流动式离子交换装置流程流程2.离子交换装置及再生料液料液处理液处理液 单床式单床式料液料液处理液处理液 多床式多床式料液料液处理液处理液 复床式复床式料液料液处理液处理液 混合床式混合床式离子交换装置离子交换装置及再生再生方式料液再生液处理液废液顺流再生顺流再生料液再生液处理液废液逆流再生逆流再生离子交换装置及再生再生方式废液再生液料液再生液处理液对流逆流再生对流逆流再生废液再生液料液再生液处理液对流再生对流再生离子交换装置及再生再生操作交换交换反洗反洗再生再生水洗水洗交换交换料液处理液废水反洗水再

18、生水再生废液正洗水废水料液处理液动画演示动画演示离子交换装置及再生再生操作混合床再生的操作过程混合床再生的操作过程具有多孔支持板的离子交换罐 圆筒体的高径比一般为圆筒体的高径比一般为23，树脂层高度约为圆，树脂层高度约为圆筒高度的筒高度的50 70。1-视镜 2-进料口 3-手口4-液体分布器 5-树脂层6-多孔板 7-尼龙层 8-出液口具有块石支持层的离子交换罐1-进料口 2-视镜 3-液位计4-树脂层 5-卵石层 6-出液口被交换溶液进口淋洗水、解吸液及再生剂进口废液出口分布器分布器淋洗水、解吸液及再生剂出口，反洗水进口反吸附离子交换罐扩口式离子交换器混合床交换罐制备无机盐的流程筛板式连续

19、离子交换设备漩涡式连续离子交换设备三、离子交换设备的计算三、离子交换设备的计算1.1.离子交换树脂的用量离子交换树脂的用量（树脂），为树脂的有效交换容量为树脂床体积，（成品单位）附量，为交换罐对产品的总吸mluqmVuQqVQMM/103161621621221010）（）（为：附的量溶液中的产品被树脂吸CCVCCVQQFmluCChhmVmVF/,/2133产品的浓度，进口溶液、出口溶液中操作时间，为为溶液通过交换罐的积流量，为溶液通过交换罐的体为溶液总体积，qCCVqCCVVQQFM?212121gmlxkgGxVGM/103树脂体积，为每克干树脂相当的湿量，为交换罐中干树脂的质干树脂的质

20、量：MMFVVHaVVVV生所需的时间：吸附、水洗、解吸或再hmmahmVF333/生时的交换负荷，吸附、水洗、解吸或再；体积流量，生所用溶液的吸附、水洗、解吸或再2.2.溶液通过固定床的压力降溶液通过固定床的压力降23)1 (200pdHp正吸附时正吸附时,溶液通过固定床的压降溶液通过固定床的压降:反吸附时反吸附时,溶液通过固定床的压降溶液通过固定床的压降:gHgHpFMbFMb)1)()1)(）：（临界）流速（状时溶液最低反吸附时，树脂呈沸腾sm/88. 006. 094. 082. 1)(00917. 0FFMPcd），（树脂的自由沉降速度速反吸附时，溶液最大流sm/18)(20FMPg

21、d3.固定床的放大固定床的放大固定床的放大通常有两种方式：固定床的放大通常有两种方式：3.1根据单位树脂床体积中所根据单位树脂床体积中所通过的溶液的体通过的溶液的体 积流量积流量3.2单位树脂床截面积上所通单位树脂床截面积上所通过的溶液的体积过的溶液的体积 流量相同的原则进行。流量相同的原则进行。3333/mVhmVhmmaVVaMFMF湿树脂体积，通过溶液的体积流量，交换器的容量，式中：交换器的负荷为：此值的倒数即溶液与树脂的接触时间。保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。两者的接触时间相同。2121MMFFVVVV 假设假设: :下标下标1 1代表小设备的操作条件，下标代表小设备的操作条件，下标2 2代代表表 大设备的操作条件。大设备的操作条件。 当时，当：21aa 那么那么:大设备中的树脂体积为大设备中的树脂体积为:1212FFMMVVVV12MMmVV若以若以H H代表树脂床高