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/m2和 1100～
1400kg/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；
Sample
application
and wash
ElutionEquilibration Regeneration
-
--
-
--
- -
- -
-
--
--- -
-
- -
-
-
-
- -
- -
---
- --
--
--
--- -- -- -
-
- -
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- -
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--
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-
+
+
+
++
+
+
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++
+ +
+
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++
++ +
+
+
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+
+
+
++ +
a n i o n
e x c h a n g e r
bead
- -
- ---
-
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
yVV t ?
罐体积 Vt：
罐高径比一般取 Hi/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 stick
c) Excess of Na+ ions is
added
d) +ve proteins are eluted
Could have used change
in pH to elute the
proteins
CATION EXCHANGE
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
实验室 大规模生产
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 pH
6,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
2.0
1.0
0
0 1 2 3 4 5 6
(column volumes)
A 280 nm
2.0
1.0
0
0 1 2 3 4 5 6
(column volumes)
A 280 nm
SOURCE 30RPC
FineLINE 200L
400-fold scale up
10 mm diameter column
Column:
SOURCE 30RPC,
a) 10x300 mm (23.6 ml)
b) FineLINE 200L,
100x300 mm (9.4 l)
Sample:
Mixture of Angiotensin II,
ribonuclease and insulin
Sample load,
0.064 mg/ml medium
Eluent A:
0.1% TFA/0.05 M NaCl
Eluent B:
0.1% TFA/60%
n-propanol
Flow rate:
150 cm/h a) 2 ml/min
b) 785 ml/min
Gradient:
20-70% B,5 column
volumes
切实可行的可放大性
?KTA? explorer10 BioProcess
23.6-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
?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/m2和 1100～
1400kg/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；
Sample
application
and wash
ElutionEquilibration Regeneration
-
--
-
--
- -
- -
-
--
--- -
-
- -
-
-
-
- -
- -
---
- --
--
--
--- -- -- -
-
- -
-
- -
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-
--
-
-
+
+
+
++
+
+
+
++
+ +
+
+
++
++ +
+
+
++ +
+
+
+
++ +
a n i o n
e x c h a n g e r
bead
- -
- ---
-
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
yVV t ?
罐体积 Vt：
罐高径比一般取 Hi/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 stick
c) Excess of Na+ ions is
added
d) +ve proteins are eluted
Could have used change
in pH to elute the
proteins
CATION EXCHANGE
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
实验室 大规模生产
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 pH
6,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
2.0
1.0
0
0 1 2 3 4 5 6
(column volumes)
A 280 nm
2.0
1.0
0
0 1 2 3 4 5 6
(column volumes)
A 280 nm
SOURCE 30RPC
FineLINE 200L
400-fold scale up
10 mm diameter column
Column:
SOURCE 30RPC,
a) 10x300 mm (23.6 ml)
b) FineLINE 200L,
100x300 mm (9.4 l)
Sample:
Mixture of Angiotensin II,
ribonuclease and insulin
Sample load,
0.064 mg/ml medium
Eluent A:
0.1% TFA/0.05 M NaCl
Eluent B:
0.1% TFA/60%
n-propanol
Flow rate:
150 cm/h a) 2 ml/min
b) 785 ml/min
Gradient:
20-70% B,5 column
volumes
切实可行的可放大性
?KTA? explorer10 BioProcess
23.6-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
