《生化分离工程》
Bioseparation Engineering 第7章 吸附与离子交换

生化Байду номын сангаас离过程的一般流程：
原料液 细胞分离(离心，过滤) 路线一 路线二 清液－胞外产物
细胞－胞内产物 路线一B 包含体 溶解(加盐酸胍、脲) 复性
细胞破碎
碎片分离
料液 流出
Step3
吸附质解 吸附
Step4

7.1.2吸附的类型
（1）物理吸附： 由吸附质与吸附剂之间的分子间引力即范德华力所 引起。放热，可逆，单分子层或多分子层，选择性差。 （2）化学吸附： 由吸附质与吸附剂间的化学键所引起，是吸附剂表 面活性点与溶质之间发生化学结合、产生电子转移的现 象。放热量大，单分子层，选择性强。 （3）离子交换吸附： 利用离子交换树脂作为吸附剂，将溶液中的待分离 组分，依据其电荷差异，依靠库仑力吸附在树脂上，然 后利用合适的洗脱剂将吸附质从树脂上洗脱下来，从而 达到分离的目的。吸附剂吸附后同时放出等当量的离子 到溶液中。
表7-4 主要离子交换基团及其结构(1)

表7-4 主要离子交换基团及其结构(2)

常用于蛋白质离子交换的离子交换剂：
表7-5 部分市售离子交换剂的离子交换容量和蛋白质的离子交换容量

离子交换树脂的命名
● ● ● ×●
凝 胶 型

7.1概述
7.1.1什么叫吸附
吸附是利用吸附剂对液体或气体中某一组分具有选择性吸 附的能力，使其富集在吸附剂表面的过程。 吸附过程通常包括： 待分离料液与吸附剂混合、吸附质被吸附到吸附剂表 面、料液流出、吸附质解吸回收等四个过程。
料液与吸 附剂混合
Step1
吸附质 被吸附
Step2
小
大 较小
小
难 难
易

粉末活性炭
锦纶活性炭
图7-1 粉末活性炭和锦纶活性炭的构造

活性炭对物质的吸附规律 活性炭是非极性吸附剂，因此在水中吸附能力大于有 机溶剂中的吸附能力。 针对不同的物质，活性炭的吸附遵循以下规律： ①对极性基团多的化合物的吸附力大于极性基团少的化合 物； ②对芳香族化合物的吸附能力大于脂肪族化合物； ③对相对分子量大的化合物的吸附力大于相对分子量小的 化合物； ④pH 值的影响 ； 碱性、中性吸附，酸性洗脱； 酸性、中性吸附，碱性洗脱。 ⑤温度 未平衡前，随温度升高而增加。

大孔吸附树脂常用的解吸方法 • 低级醇、酮或水溶液解吸 原理：使大孔树脂溶胀，减弱溶质与吸附剂间的相互作 用力。 • 碱解吸附 原理：成盐，主要针对弱酸性溶质 • 酸解吸附——原理同上 • 水解吸附 原理：降低体系中的离子强度，降低溶质的吸附量。

7.1.4.3常用离子交换剂

物理吸附力的本质 • • • • A B C D 定向力 诱导力 色散力 氢键力
范德华力
极性分子的永久偶极静电力 极性分子与非极性分子之间的吸引力 非极性分子之间的引力（瞬间偶极） 介于库仑引力与范德华引力之间的特殊分 子间定向作用力

7.1.3吸附的特点

表7-1 物理吸附与化学吸附的比较
备注：a. 大，对化学键的形成与破裂同化学反应相似；
b. 任何表面上均能吸附各种吸附质，整个表面吸附情况相同； c. 在吸附剂表面，存在有比一般吸附量更多的吸附点； d. 很快达到平衡； e. 只依赖于吸附质的物理化学特性； f. 依赖于吸附质和吸附剂的物理化学特性。

（2）大孔网状吸附剂 • 优点：脱色去臭效果理想；对有机物具有良好的选择 性；物化性质稳定；机械强度好；吸附速度快；解吸、 再生容易。 • 缺点：价格昂贵，吸附效果易受流速以及溶质浓度等 因素的影响。
图7-2 打孔网状吸附剂的微观结构

大孔网状吸附树脂的种类 • 非极性吸附树脂：苯乙烯交联而成，交联剂为二乙烯苯， 又称芳香族吸附剂。 • 中等极性吸附树脂：甲基丙烯酸酯交联而成，交联剂亦为 甲基丙烯酸酯，故又称脂肪族吸附剂。 • 极性吸附剂：丙烯酰胺或亚砜经聚合而成，通常含有硫氧、 酰胺、氮氧等基团。
交联度数值 顺序号 骨架代号 分类代号
001×7：
交联度为７% 顺序号为１ ０－苯乙烯系 ０－强酸性 001×7－交联度为7%的苯乙烯 系凝胶型强酸性阳离子交换树脂
路线一A
粗分离(盐析、萃取、超过滤等) 纯化(层析、电泳) 脱盐(凝胶过滤、超过滤) 浓缩(超过滤)
精制(结晶、干燥)

7. 吸附与离子交换
7.1概述 7.2吸附过程的理论基础 7.3分批与连续吸附 7.4固定床吸附和膨胀床吸附 7.5离子交换吸附 7.6离子交换吸附的应用 7.7其他类型的吸附

7.1.4.2常用吸附剂
表7-2 生化分离中常用的多孔吸附剂

（1）活 性 炭（Active carbon） 表7-3 三种活性炭相关项目的比较 颗粒大小 表面积 吸附力 吸附量
活性炭种类
洗脱
粉末活性炭 颗粒活性炭
锦纶活性炭
小 较小
大
大 较大
小
大 较小
（1）处理能力较小； （2）吸附过程对溶质的作用较小； （3）可直接从发酵液中分离所需的产物； （4）溶质和吸附剂之间的平衡关系通常是非线性关系。

7.1.4吸附剂与离子交换剂
7.1.4.1吸附剂与离子交换剂通常应具备以下特征 – 对被分离的物质具有较强的吸附能力； – 有较高的吸附选择性； – 机械强度高； – 再生容易、性能稳定； – 价格低廉。

大孔吸附树脂的吸附机理 非离子型共聚物，借助于范德华力从溶液中吸附各 种有机物，其吸附能力与树脂的化学结构、物理性能以 及与溶质、溶剂的性质有关。通常遵循以下规律： – 非极性吸附剂可从极性溶剂中吸附非极性溶质； – 极性吸附剂可从非极性溶剂中吸附极性物质； – 中等极性吸附剂兼有以上两种能力。