大学课件 生物工程设备 离子交换分离原理及设备

第 二 节 离 子 交 换 分 离 原 理 及 设 备 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 理 化 性 能 离 子 交 换 机 理 及 选 择 性 离 子 交 换 装 置 及 再 生 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 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 。 几 类 树 脂 性 能 的 比 较 类 型性 能 阳 离 子 交 换 树 脂 阴 离 子 交 换 树 脂强 酸 性 弱 酸 性 强 酸 性 弱 酸 性活 性 基 团 磺 酸 羧 酸 季 胺 伯 胺 、 仲 胺pH 的 影 响 无 酸 性 交 换 力 小 无 碱 性 交 换 力 小盐 的 稳 定 性 稳 定 洗 涤 时 水 解 稳 定 洗 涤 时 水 解再 生 剂 用 量 3 5倍 1.5 2倍 3 5倍 1.2 2倍交 换 速 率 快 慢 快 慢 离 子 交 换 树 脂 的 理 化 性 能 颗 粒 度 ： 大 多 数 为 球 形 ， 直 径 0.2 1.2mm； 交 换 容 量 ： 表 示 方 法 有 质 量 交 换 容 量 (mmol/g树脂 )和 体 积 交 换 容 量 (mmol/mL树 脂 )； 此 外 还 有 工 作交 换 容 量 和 再 生 交 换 容 量 ； 机 械 强 度 膨 胀 度 含 水 量 及 密 度 ： 含 水 量 一 般 是 0.3 0.7g/g干 树 脂 )；湿 堆 积 密 度 和 湿 真 密 度 一 般 为 600 850kg/m 2和 11001400kg/m2； 孔 结 构 离 子 交 换 机 理 及 选 择 性 离 子 交 换 机 理B + A+ BRARBA薄 膜 离 子 交 换 过 程 包 括 5步 ：1. A+自 溶 液 扩 散 到 树 脂 表 面 ；2. A+从 树 脂 表 面 扩 散 到 树 脂内 部 的 活 性 中 心 ；3. A+在 活 性 中 心 发 生 交 换 反应 ；4. 解 吸 离 子 B+自 树 脂 内 部 的活 性 中 心 扩 散 到 树 脂 表 面 ；5. B+从 树 脂 表 面 扩 散 到 溶 液 ； Sampleapplicationand wash ElutionEquilibration Regeneration- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -+ + + + + + + + + + + + anionexchangerbead- - - 离 子 交 换 机 理 及 选 择 性 离 子 交 换 机 理 离 子 交 换 机 理 及 选 择 性 离 子 交 换 过 程 的 选 择 性 离 子 的 水 化 半 径 离 子 的 化 合 价 溶 液 的 酸 碱 度 交 联 度 、 膨 胀 度 和 分 子 筛 树 脂 与 交 换 离 子 之 间 的 辅 助 力 有 机 溶 剂 的 影 响 离 子 交 换 装 置 及 再 生料 液 处 理 液 单 床 式 料 液 处 理 液 多 床 式 料 液 处 理 液 复 床 式 料 液 处 理 液 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 料 液 再 生 液处 理 液 废 液逆 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 废 液再 生 液料 液 再 生 液处 理 液对 流 再 生 离 子 交 换 装 置 及 再 生再 生 操 作交 换 反 洗 再 生 水 洗 交 换料 液 处 理 液 废 水反 洗 水 再 生 水再 生 废 液 正 洗 水废 水 料 液处 理 液动 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 具有多孔支持板的离子交换罐 圆 筒 体 的 高 径 比 一 般 为2 3， 树 脂 层 高 度 约 为 圆筒 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 筛板式连续离子交换设备 漩涡式连续离子交换设备 离 子 交 换 设 备 的 计 算 罐 体 积 yVVt 罐 体 积 Vt：罐 高 径 比 一 般 取 H i/D=2 3。 交 换 设 备 的 放 大1.根 据 交 换 罐 负 荷 相 同 的 原 则 放 大 ；2.根 据 交 换 罐 中 溶 液 空 塔 流 速 相 同 的 原 则 放 大 ；3.溶 液 通 过 床 层 的 压 力 降 离 子 交 换 的 应 用 及 特 点 应 用 1.氨 基 酸 2.有 机 酸 3.抗 生 素 4.生 物 酶 特 点 1.树 脂 无 毒 且 可 反 复 使 用 2.少 用 或 不 用 有 机 溶 剂 3.成 本 低 4.设 备 简 单 5.操 作 方 便 吸 附 分 离 原 理 及 设 备 吸 附 分 离 机 理 吸 附 法 是 利 用 合 适 的 吸 附 剂 ， 在 一 定 的 操 作 条 件下 ， 使 发 酵 液 中 的 产 物 被 吸 附 在 固 定 吸 附 剂 的 内 外 表面 上 ， 再 以 适 当 的 解 吸 剂 将 产 物 从 吸 附 剂 上 解 吸 下 来 ，从 而 达 到 分 离 浓 缩 的 目 的 。 吸 附 分 离 原 理 及 设 备 吸 附 剂 的 选 择 吸 附 剂 按 其 化 学 结 构 可 分 为 两 大 类 ： 一 类 是 有 机吸 附 剂 ， 如 活 性 炭 、 球 形 炭 化 树 脂 、 聚 酰 胺 、 纤 维 素 、大 孔 树 脂 等 ； 另 一 类 是 无 机 吸 附 剂 ， 如 白 土 、 氧 化 铝 、硅 胶 、 硅 藻 土 等 。 吸 附 操 作 及 设 备1.搅 拌 罐 内 的 吸 附 操 作2.固 定 床 吸 附 色 谱 分 离 原 理 及 设 备 色 谱 分 离 原 理 色 谱 分 离 操 作 条 件 色 谱 分 离 设 备 Column Chromatography 实 验 室 规 模 空 柱 装 柱 示 范 录 像 Gel Filtration -size Resin has fixed size pores which allow molecules smaller than a given size to enter Small molecules will take longer to pass down the column than large ones because they travel further Can estimate molecular weight by comparison with a standard Ion Exchange - charge a)Mixture of proteins is applied to the negatively charged column resin balanced by Na+ ions (red)b)-ve and neutral proteins pass in the void volume, +ve proteins stickc)Excess of Na+ ions is addedd)+ve proteins are elutedCould have used change in pH to elute the proteins Affinity Chromatography Uses specific binding property to attach protein to column Increase concentration of ligand to elute the protein Examples: antibody columns - monoclonal antibody attached to column glutathione column binds glutathione-S-transferase on target 工业规模的色谱分离流程 色谱分离设备 玻 璃 色 谱 分 离 柱 色谱分离设备 带 热 夹 套 分 离 柱 反 转 式 分 离 柱 KTAexplorer KTApurifier KTAFPLC色 谱 分 离 设 备 色 谱 分 离 设 备 实 验 室 层 析 和 大 规 模 层 析 的 分 别分 辨 率 越 多 峰 越 好 要 求 纯 度种 类 提 高 分 辨 率纯 度定 性 增 加 增 加 样 品 量 产 量 (生 产 力 ) (峰 越 少 越 好 ) 上 样 速 度 不 注 重 最 大 样 品 处 理 速 度次 /h 生 产 力 =g/ml 胶 /h 线 性 放 大固 定 以 下 条 件 ：1. 相 同 线 行 流 速2. 相 同 缓 冲 液3. 相 同 填 料4. 相 同 柱 高5. 相 同 样 品 浓 度 和 pH6. 相 同 样 品 体 积 和 柱 床 体 积 比 例7. 相 同 梯 度 体 积 和 柱 床 体 积 比 例放 大 ：1. 柱 直 径2. 体 积 流 速3. 上 样 体 积 2.01.0 0 0 1 2 3 4 5 6(column volumes) A 280 nm 2.01.0 0 0 1 2 3 4 5 6(column volumes) A 280 nm Column: SOURCE 30RPC, a) 10 x300 mm (23.6 ml)b) FineLINE 200L, 100 x300 mm (9.4 l)Sample: Mixture of Angiotensin II, ribonuclease and insulinSample load: 0.064 mg/ml mediumEluent A: 0.1% TFA/0.05 M NaClEluent B: 0.1% TFA/60% n-propanol Flow rate: 150 cm/h a) 2 ml/minb) 785 ml/minGradient: 20-70% B, 5 column volumes 切 实 可 行 的 可 放 大 性KTA explorer10 BioProcess23.6-ml column 9.4-litre column 切 实 可 行 的 可 放 大 性 大 型 层 析 柱 多 种 大 小 ,材 料 可 供选 择 ,柱 床 体 积 高 达千 多 升 也 可 以 订 做 经 济 型 INdEX 和 层 叠 柱 制 药 用 BPG 和CHROMAFLOW 柱 极 高 标 准 的 BPSS 柱 专 为 SOURCE 填 料设 计 的 FineLINE 柱 CHROMAFLOW 自 动 装 卸 层 析 柱 装 卸 柱 到 清 洗 都 无 需打 开 柱 头 安 全 ,重 复 性 高 节 省 人 力 Chromaflow 自 动 装 卸 填 料 生 产 柱 示 范 录 像 STREAMLINE 扩 张 柱 床 吸 附 技 术 配 合 STREAMLINE填 料 和 层 析 柱 使 用 粗 样 无 需 离 心 ， 过 滤 ， 直 接 上 柱 层 析 法 回 收 率 高 ， 选 择 性 多 ， 可 自 动 化 取 代 离 心 和 超 滤 设 备 离 子 交 换 分 离 原 理 及 设 备 吸 附 分 离 原 理 及 设 备 色 谱 分 离 原 理 及 设 备小 结