生物制药工艺学－离子交换法 ion-exchange

生物制药工艺学－离子交换法 ion-exchange内容摘要：

生物制药工艺学－离子交换法 ion-exchange 第八章 离子交换法 (本原理 离子交换法：利用溶液中带电粒子与离子交换剂之间 结合力 的差异进行物质分离的操作方法。 带电粒子与离子交换剂间的作用力是 静电力。 电荷密度、电荷种类2离子交换剂 离子交换剂： 由惰性的不溶性载体 、 功能基团和平衡离子组成。 阳离子交换剂：平衡离子带正电荷。 阴离子交换剂：平衡离子带负电荷。 + Y+ + X+ X+为平衡离子； Y+为交换离子。 3吸附 选择性吸附 ： 调节溶液的 使目的物带有相当数量的静电荷，而主要杂质离子带相反电荷或较弱的电荷。 选择合适的树脂（如阳离子交换树脂），便可使目的物被离子交换树脂吸附，而杂质较少被吸附。 4洗脱 （ 1） 调节洗脱液的 （ 2） 用高浓度的同性离子将目的物离子取代下来。 对阳离子交换树脂而言，目的物的 碱），将其洗脱下来所需溶液的 离子交换树脂吸附和洗脱过程6（ 1） X+为平衡离子， Z+为待分离离子；（ 2） Z+取代 X+而被吸附；（ 3）加碱后 去正电荷，被洗脱；（ 4）提高 X+的浓度取代出 Z+树脂的选择 物质带负电荷 ，与阴离子交换剂进行交换； 物质带正电荷 ，可以与阳离子交换剂进行交换。 7蛋白质等电点与所用交换剂8离子交换技术的应用9第二节 离子交换树脂的结构和种类 离子交换树脂构成： （ 1）惰性的不溶性高分子固定骨架，称 载体。 （ 2）与载体 共价键 连接的不能移动的活性基团，又称 功能基团。 （ 3）与功能基团以 离子键 连接的可移动的活性离子，亦称 平衡离子。 如聚苯乙烯磺酸型钠树脂。 10阳离子交换树脂分类 强酸型树脂：磺酸型树脂，功能基团为磺酸根 ( 甲基磺酸根 ( 有好的解离能力。 中酸性树脂：磷酸型树脂（ ） 弱酸性树脂：羧酸型树脂和酚型树脂 （ ） ，在 酸性环境中解离度受到抑制。 11阴离子交换树脂 强碱型阴离子交换树脂： 弱碱型阴离子交换树脂：活性基团为伯 、 仲 、 叔胺基。 在碱性环境中解离度受到抑制。 中强碱性阴离子交换树脂：兼有以上两类活性基团。 12离子交换树脂功能基团的电离常数13离子交换树脂的性能14两性树脂：蛇笼树脂 (5离子交换树脂的命名： 强酸类 1 100号； 弱酸类 101 200； 强碱类 201 300； 弱碱类 301400； 中强酸类 401 500 交联度 ：是合成载体骨架时交联剂重量的百分数 ，用 “ × ”将树脂编号与交联度分开。 弱酸 101 × 4其交联度为 4。 国内常用树脂命名： 724； 732； 71716离子交换树脂的骨架（一）苯乙烯型离子交换树脂 由 苯乙烯 与 二乙烯苯 经过氧苯甲酰催化聚合而成。 交联度1718（二） 丙烯酸型离子交换树脂丙烯酸型阳离子交换树脂：是由 丙烯酸甲酯与 二乙烯苯 经过氧苯甲酰催化聚合而成。 19丙烯酸型阳离子交换树脂 110树脂：丙烯酸甲酯与二乙烯苯聚合而成。 724树脂： 它是由甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯和二乙烯苯三元共聚而得。 20（三）其它离子交换树脂 蛇笼树脂 ： 脱盐 螯形树脂 ：金属离子 吸附树脂 ： “ 脱色树脂 ” 热再生离子交换树脂：21常用离子交换树脂特性表22第三节 离子交换动力学 一 、 离子交换平衡 2分别为离子 2的价电数。 表示溶液中与树脂表面的两种离子。 23尼科尔斯基方程式 用 1、 数量关系可表示 : 尼科尔斯基方程式 K 1时 离子 2对树脂有较大的吸引力24二、离子交换速度 R B+ + A+ R A+ + B+ 离子交换过程 ： 1、 A+从溶液扩散到树脂表面。 2、 A+从树脂颗粒表面扩散到颗粒中心。 3、 平衡离子 A+ 与离子 B+交换。 4、 B+从交换中心扩散到离子表面。 5、 B+ 再扩散到溶液中。 25粒子扩散 速度： 颗粒孔径 、 颗粒半径 、 树脂交换容量 、 离子 A+的半径与电荷 、 平衡离子的性质 （ 电荷 、 半径 ）。 26离子交换速度的影响因素： 1、 树脂粒度 ：树脂粒度大 ， 交换速度慢。 2、 搅拌速度 3、 树脂交联度 ：交联度大 ， 交换速度低。 4、 离子半径和离子价 ：离子每增加一个电荷 ， 交换速度下降一个数量级。 5、 温度。 6、 离子浓度 ：交换速度随离子浓度的上升而加快。 27三、离子交换动力学 交换离子被吸附，平衡离子被释放。 交换带 ： 交换离子 浓度从起始浓度 的树脂层。 交换带窄： K 1 ； 速慢。 28第四节 离子交换树脂的性能 一 、 离子交换对树脂的基本要求 二 、 影响树脂性能的几个因素 三 、 主要理化常数的测定29一、离子交换对树脂的基本要求： 1、 有尽可能大的 交换容量。 2、 有良好的 交换选择性。 3、 化学性质稳定。 4、 化学动力学性能好。 5、 物理性能好。 30二、影响树脂性能的几个因素 1、 离子交换树脂具有的 功能基团性质 和 数目 ， 数目 是其交换容量的基础。 （ 2、 树脂的 交联度 树脂强度 、 交换选择性 、 动力学性质。 3、 树脂骨架 和 平衡离子。 31偶极离子在离子交换过程中的行为是很特殊的 ， 以氨基酸的交换为例： + 3+ + + + 3+ 钠盐树脂 氢型树脂 ，被取代的氢离子为羧基所固定，使被吸附的氨基酸不能形成偶极，与树脂之磺酸基没有排斥力。 与钠型树脂相比， 氢型树脂 有较 大 的有效 交换容量。 33三、主要理化常数的测定 1、 含水量 ：常用 干燥法和离心法 测得。 2、 膨胀度 ：膨胀系数 3 湿真密度树脂充满水时的密度。 g 树脂。 34交换容量测定方法 阳离子交换树脂 （ 氢型 ） 的测定方法：一定量树脂中加入 一天或数天后测定 从 消耗的碱量 求交换容量。 阴离子交换树脂 （ 氯型 ） 的测定方法：一定量树脂装柱 ， 用过量 测定 流出液中氯离子总量 ， 求交换容量。 35滴定曲线：36滴定曲线371 强酸树脂 弱酸树脂 强碱树脂 弱碱树脂 子交换的选择性 影响离子交换选择性的因素： 离子价与离子水合半径 离子价与离子浓度 交换环境 树脂结构 偶极离子排斥38一、离子的化合价与水合半径的影响： 相对亲和力 和相对浓度。 电荷效应越强的离子与树脂的亲和力越大，而决定电荷效应的主要因素是 价电数和离子半径。 39 一价阳离子亲和力的次序是： H+ K+ 对 强碱性 树脂阴离子亲和力次序： F I - 对 弱碱性 树脂阴离子亲和力次序： F =I = -。 40离子交换树脂的性能41强酸强碱树脂对各种离子的选择系数 H+ K+。 42二、离子化合价与离子浓度的影响： 设离子平衡后溶液中两种离子的浓度比是定值 P. 2=P 在稀溶液 (中 ， 树脂吸附高价离子的倾向很大。 43举例 例如： 当 k=2 P=1 m1+ 时 若 则 若 则 在较稀的溶液中，树脂几乎仅吸附高价离子。 44三、交换环境的影响 1、 溶液的 解离度 、 交换容量 、选择性。 2、 离子强度 ： 交换容量 、 选择性 、交换速度 3、 有机溶剂 ：能降低有机离子的解离程度。 45四、树脂结构的影响（ 一 ） 树脂载体的交联度 ： 交联度上升 ， 膨胀度下降 ， 树脂潜在的选择能力提高。 空隙大小 的影响 ， 即膨胀度增大 ， 促使树脂吸附量增加。 选择性 的影响 ， 膨胀度增大时 ， 促使树脂吸附量降低； 膨胀系数值很小时，空间效应占主要地位。 膨胀系数增大到一定值时，选择性占主要地位。 46图 用磺酸基树脂 从含有 ml;甲基丙烯酸 丙烯酰胺树脂 ， 链霉素与钠离子交换等温线与树脂膨胀的关系1 膨胀系数 2 膨胀系数 3； 3 膨胀系数 4 树脂对链霉素吸附量 ， g； m2=m m 树脂的最大交换容量 ， g； 溶液中链霉素和钠离子浓度 ， （ 二 ） 辅助力 ：离子交换树脂与被吸附离子间的作用力除静电力外 ， 还存在一种辅助力。 无机离子交换常数 10之间。 有机离子交换时 ， 02103。 （三） 其它结合力：某些树脂对金属离子有特殊的亲和力。 羧酸型树脂48五、偶极离子排斥作用： 偶极离子 + 3+ + + + 3+ 钠盐树脂 氢型树脂 与钠型树脂相比， 氢型树脂 有较 大 的有效 交换容量。 49氢型与钠型磺酸基树脂吸附氨基酸比较50第六节 离子交换操作方法 一 、 树脂的选择 目的物是弱酸性或弱碱性的 小分子物质时 ， 宜选用强酸强碱树脂 （ 氨基酸的分离 ）。 蛋白质、酶 和 其它生物大分子 的分离多采用 弱碱或弱酸性树脂 ，减少生物大分子的变性，利于洗脱，提高选择性。 51二、树脂的处理和再生1、 外观特征 透明或半透明；颗粒圆整 ， 粒。