萃取與色譜分離設備 萃取分離原理及設備萃取分離原理及設備 溶劑萃取溶劑萃取 雙水相萃取雙水相萃取 萃取操作過程及設備萃取操作過程及設備 離子交換分離原理及設備離子交換分離原理及設備 離子交換樹脂及其分離原理離子交換樹脂及其分離原理 離子交換設備及計算離子交換設備及計算 吸附分離原理及設備吸附分離原理及設備 吸附分離原理吸附分離原理 吸附操作及設備吸附操作及設備 色譜分離原理及設備色譜分離原理及設備 色譜分離原理色譜分離原理 色譜分離操作條件及設備色譜分離操作條件及設備 色譜分離過程的放大色譜分離過程的放大原溶劑原溶劑雜質雜質溶質溶質萃取劑萃取劑Light phaseHeavy phase溶劑萃取法和其他新型分離技術相結合，產(chǎn)生了一系列新型分離技術：溶劑萃取法和其他新型分離技術相結合，產(chǎn)生了一系列新型分離技術：q超臨界流體萃?。ǔR界流體萃?。⊿upercritical fluid extractionSupercritical fluid extraction）q反膠團萃取（反膠團萃?。≧eversed micelle extractionReversed micelle extraction）q雙水相萃取技術（雙水相萃取技術（Partition of two aqueous phase systemPartition of two aqueous phase system）等。）等。 用于高品質的天然物質、胞內(nèi)物質（胞內(nèi)酶、蛋白質、多肽、核酸等）用于高品質的天然物質、胞內(nèi)物質（胞內(nèi)酶、蛋白質、多肽、核酸等）的分離提取上。的分離提取上。 用某種溶劑把有用物質從固體原料中提取用某種溶劑把有用物質從固體原料中提取到溶液中的過程稱為到溶液中的過程稱為浸取或浸出浸取或浸出。v用溫水從甜菜中提取糖，用溫水從甜菜中提取糖，v用有機溶劑從大豆、花生等油料作物中提取食用油，用有機溶劑從大豆、花生等油料作物中提取食用油，v用水或有機溶劑從植物中提取藥物、香料或色素等。用水或有機溶劑從植物中提取藥物、香料或色素等。萃取分離原理及設備萃取體系水相：樣品液試劑有機相：萃取劑溶劑/1.1.概念及基本原理概念及基本原理 概念：把目標物質從第一個液相中依靠更強大概念：把目標物質從第一個液相中依靠更強大的溶解力抽提到第二個液相中。的溶解力抽提到第二個液相中?；驹恚何镔|的溶解和基本原理：物質的溶解和相似相溶相似相溶原理，即原理，即通通過溶質在過溶質在兩個液相之間的竟爭性溶解兩個液相之間的竟爭性溶解（分配）而（分配）而實現(xiàn)的。實現(xiàn)的。一、溶劑萃取一、溶劑萃取 除了強的溶解性外還需要什么性質呢？除了強的溶解性外還需要什么性質呢？2.2.一個良好的溶劑要一個良好的溶劑要滿足以下要求滿足以下要求： 閃點又叫閃燃點,是指可燃性液體表面上的蒸汽和空氣的混合物與火接觸而初次發(fā)生閃光時的溫度 a.a. 有很大的萃取容量；有很大的萃取容量；b.b. 良好的選擇性；良好的選擇性；c.c. 與被萃取的液相（通常是水相）互溶度要小，且粘度低、與被萃取的液相（通常是水相）互溶度要小，且粘度低、界面張力小或適中，有利于相的分散和兩相分離；界面張力小或適中，有利于相的分散和兩相分離；d.d. 溶劑的回收和再生容易；溶劑的回收和再生容易；e.e. 化學穩(wěn)定性好，不易分解，對設備腐蝕性?。换瘜W穩(wěn)定性好，不易分解，對設備腐蝕性小；f.f. 價廉易得；價廉易得；g.g. 安全性好，安全性好，閃點閃點高，對人體無毒性或毒性低。高，對人體無毒性或毒性低。破乳的方法有很多破乳的方法有很多a.過濾或離心分離破乳法、過濾或離心分離破乳法、b.化學法、化學法、c.物理法（加熱、稀釋、吸附等）、物理法（加熱、稀釋、吸附等）、d.轉型法（如在轉型法（如在O/W中加入親油性乳化劑，使乳化液有生中加入親油性乳化劑，使乳化液有生成成W / O的傾向，但又不穩(wěn)定，從而達到破乳目的）。的傾向，但又不穩(wěn)定，從而達到破乳目的）。二、工業(yè)萃取方式二、工業(yè)萃取方式1.1.工業(yè)萃取的流程基本單元工業(yè)萃取的流程基本單元混合混合分離分離溶劑回收溶劑回收混合器混合器（如攪拌混合器）（如攪拌混合器）分離器（如碟片式離心機）分離器（如碟片式離心機）溶劑回收裝置溶劑回收裝置（如蒸餾塔）（如蒸餾塔） 在多級錯流萃取中在多級錯流萃取中 （ x n 、 x f 分別為第分別為第 N 級萃余液和料液中的溶質濃度）級萃余液和料液中的溶質濃度） ： 萃余分率：萃余分率： 而萃取分率為：而萃取分率為： 當當 n 時，萃取分率時，萃取分率 1 - n =1 （ E0 ） 可見，多級錯流萃取的理論收率高于單級萃取，即萃取完全。例如，當單級萃取可見，多級錯流萃取的理論收率高于單級萃取，即萃取完全。例如，當單級萃取E=4時，由式時，由式(2-3-6)知，知，1一一=80，但多級萃取流程長，一般情況下，萃取劑用量大但多級萃取流程長，一般情況下，萃取劑用量大，因而得到的萃取液濃度低。，因而得到的萃取液濃度低。E=C1VS/C2VF=K(/VF)=K ( /H)3.3.多級萃取流程多級萃取流程錯流錯流 例例1 1 利用乙酸乙酯萃取發(fā)酵液中的放線菌素利用乙酸乙酯萃取發(fā)酵液中的放線菌素D( (actinomycin D) )，pH3.5時分配系數(shù)時分配系數(shù)k=57。采用三級錯流萃取，令。采用三級錯流萃取，令H450dm3/h，三級萃取劑流量之和為三級萃取劑流量之和為39dm3/h。分別計算分別計算L1=L2=L3 13dm3/h 和和L1=20， L2=10， L3 9dm3/h時的萃取率時的萃取率。 如果萃取平衡符合線性關系，并且各級萃取劑流量如果萃取平衡符合線性關系，并且各級萃取劑流量之和為一常數(shù)，各級流量相等時萃取率最大。之和為一常數(shù)，各級流量相等時萃取率最大。解：萃取劑流量相等時解：萃取劑流量相等時E=kLH=5713450=1.651-3=（1+E）3（1+E）- 13=(1+1.65)(1+1.65) -331=0.946若各級萃取劑流量不等，則若各級萃取劑流量不等，則E1=2.53, E2=1.27, E3=1.14 n =ni=1(1+E i)11-3= 0.942由由得得3.3.多級萃取流程多級萃取流程逆流逆流例例2 2 利用乙酸乙酯萃取發(fā)酵液中的放線菌素利用乙酸乙酯萃取發(fā)酵液中的放線菌素D(actinomycin D)D(actinomycin D)，pH3.5pH3.5時分配系數(shù)時分配系數(shù)k=57k=57。令。令H H450dm3/h450dm3/h， L L 39dm39dm3 3/h/h) )，計算，計算采用多級逆流接觸萃取時使收率達到采用多級逆流接觸萃取時使收率達到9999所需的級數(shù)。所需的級數(shù)。解：根據(jù)解：根據(jù)LE=kH=4.94因為收率為因為收率為99，即，即1n 0.99，則從式，則從式1nE En+1n+1E1得得n2.74故需要三級萃取操作?？捎嬎悴捎萌壞媪鹘庸市枰壿腿〔僮?。可計算采用三級逆流接觸萃取的收率為觸萃取的收率為99.3，高于例，高于例1的錯流萃取，的錯流萃取，說明多級逆流接觸萃取效率優(yōu)于多級錯流萃取。說明多級逆流接觸萃取效率優(yōu)于多級錯流萃取。PEG = 聚已二醇(polyethylene glycol)Kpi = 磷酸鉀DX = 葡聚糖(dextran)1、Pro如何分布2、影響因素3、應用萃取分離原理及設備 雙水相萃取雙水相萃取(aqueous two-phase partitioning，ATPP) 雙水相萃取原理雙水相萃取原理 雙水相萃取原理：雙水相萃取原理：基于物質在雙水相體系中的選擇性分配。 雙水相體系：雙水相體系：某些有機物之間或有機物與無機鹽之間，在水中以適當?shù)臐舛热芙夂笮纬苫ゲ幌嗳艿膬上嗷蚨嘞嗨囿w系。 常用生物分離的雙水相體系：常用生物分離的雙水相體系：PEGDextran系列和PEG無機鹽系列。 雙水相體系在生物分離的應用：雙水相體系在生物分離的應用：用于蛋白質、酶、核酸、菌體、細胞、細胞器以及氨基酸、抗生素等生物小分子物質的分離、純化。(3)影響分配的系數(shù)影響分配的系數(shù)聚合物的分子量聚合物的分子量聚合物的濃度聚合物的濃度鹽類鹽類 pH值值分子量越小，蛋白質容易分配于富含該聚合物的相中。分子量越小，蛋白質容易分配于富含該聚合物的相中。l當接近分配的臨界點蛋白質均勻分配于兩相中，分配系數(shù)接近當接近分配的臨界點蛋白質均勻分配于兩相中，分配系數(shù)接近1；l成相聚合物的總濃度或聚合物成相聚合物的總濃度或聚合物/鹽濃度的比例增加時，系統(tǒng)遠離平衡鹽濃度的比例增加時，系統(tǒng)遠離平衡點，此時兩相性質的差別增加，蛋白質容易趨向于某一極。點，此時兩相性質的差別增加，蛋白質容易趨向于某一極。鹽濃度增加促使蛋白質兩極分化鹽濃度增加促使蛋白質兩極分化對物質解離度影響對物質解離度影響 目前已知的胞內(nèi)酶約目前已知的胞內(nèi)酶約2500種，但投入生產(chǎn)的很少。種，但投入生產(chǎn)的很少。原因之一是提取困難。胞內(nèi)酶提取的第一步系將細胞破原因之一是提取困難。胞內(nèi)酶提取的第一步系將細胞破碎得到勻漿液，但勻漿液黏度很大，有微小的細胞碎片碎得到勻漿液，但勻漿液黏度很大，有微小的細胞碎片存在，欲將細胞碎片除去，過去是依靠離心分離的方法，存在，欲將細胞碎片除去，過去是依靠離心分離的方法，但非常困難。但非常困難。雙水相系統(tǒng)可用于細胞碎片以及酶的進一雙水相系統(tǒng)可用于細胞碎片以及酶的進一步精制。步精制。 雙水相萃取法常用于胞內(nèi)酶提取雙水相萃取法常用于胞內(nèi)酶提取(4)雙水相萃取的應用雙水相萃取的應用a.欲提取的酶和細胞應分配在不同的相中；欲提取的酶和細胞應分配在不同的相中；b.酶的分配系數(shù)應足夠大，使在一定的相體積比時，酶的分配系數(shù)應足夠大，使在一定的相體積比時，經(jīng)過一次萃取，就能得到高的收率；經(jīng)過一次萃取，就能得到高的收率；c.兩相用離心機很容易分離。兩相用離心機很容易分離。 在兩水相系統(tǒng)中在兩水相系統(tǒng)中進行轉化翻譯功能進行轉化翻譯功能，如酶促反應，如酶促反應，可以把產(chǎn)物移入另一相中，消除產(chǎn)物抑制，因而提高可以把產(chǎn)物移入另一相中，消除產(chǎn)物抑制，因而提高了產(chǎn)率。這實際上是一種反應和分離耦合的過程，有了產(chǎn)率。這實際上是一種反應和分離耦合的過程，有時也稱為時也稱為；如果發(fā)生的是一種發(fā)酵過程，；如果發(fā)生的是一種發(fā)酵過程，則也稱為萃取發(fā)酵，因而此時也可以把兩水相系統(tǒng)稱則也稱為萃取發(fā)酵，因而此時也可以把兩水相系統(tǒng)稱為兩水相反應器。為兩水相反應器。 兩水相反應器兩水相反應器要進行兩水相生物轉化反應要進行兩水相生物轉化反應應滿足下列條件：應滿足下列條件：a.催化劑應單側分配；催化劑應單側分配；b.底物應分配于催化劑所處的相中；產(chǎn)物應分配在另底物應分配于催化劑所處的相中；產(chǎn)物應分配在另一相中；要有合適的相比。如產(chǎn)物分配在上相中，一相中；要有合適的相比。如產(chǎn)物分配在上相中，則相比要大，反之則相比要小。則相比要大，反之則相比要小。這些條件不可能同時滿足，分配理論也不完善，因此這些條件不可能同時滿足，分配理論也不完善，因此常需要根據(jù)試驗選擇最優(yōu)系統(tǒng)和操作條件。常需要根據(jù)試驗選擇最優(yōu)系統(tǒng)和操作條件。催化劑催化劑/ /底物底物產(chǎn)物產(chǎn)物采用兩水相系統(tǒng)進行生物轉化反應有下列優(yōu)點采用兩水相系統(tǒng)進行生物轉化反應有下列優(yōu)點 與固定床反應器相比，不需載體，不存在多孔載體與固定床反應器相比，不需載體，不存在多孔載體中的擴散阻力，故反應速度較快，生產(chǎn)能力較高；中的擴散阻力，故反應速度較快，生產(chǎn)能力較高； 生物催化劑在兩水相系統(tǒng)中較穩(wěn)定；兩相間表面張生物催化劑在兩水相系統(tǒng)中較穩(wěn)定；兩相間表面張力低，輕微攪拌即能形成高度分散系統(tǒng)，分散相液力低，輕微攪拌即能形成高度分散系統(tǒng)，分散相液滴在滴在10m m以下，有很大的表面積，有利于底物和以下，有很大的表面積，有利于底物和產(chǎn)物的傳遞。產(chǎn)物的傳遞。 雙水相萃取雙水相萃取(ATPP) 雙水相萃取方法雙水相萃取方法萃取分離原理及設備兩級雙水相萃取酶的流程兩級雙水相萃取酶的流程 萃取操作過程及設備萃取操作過程及設備萃取分離原理及設備 液液-液萃取設備應包括三部分：混合部分、分離部分和溶劑液萃取設備應包括三部分：混合部分、分離部分和溶劑回收設備回收設備 混合設備混合設備 混合罐混合罐 噴射式混合器噴射式混合器三、萃取設備三、萃取設備(1)混合設備混合設備 混合罐：混合罐：為一帶為一帶攪拌的反應罐，采用攪拌的反應罐，采用螺旋槳式攪拌器，轉螺旋槳式攪拌器，轉速速400-1000rpm;若用若用渦輪式攪拌器，轉速渦輪式攪拌器，轉速為為300-600rpm。液體。液體在罐內(nèi)平均混合停留在罐內(nèi)平均混合停留時間為時間為1-2min。 混合管：一般采用混合管：一般采用S形長管形長管,溶媒及料液等溶媒及料液等 經(jīng)泵經(jīng)泵在管的一端導在管的一端導入入,混合后的乳濁液在另一端導出混合后的乳濁液在另一端導出,為了為了使兩液相能充分混合使兩液相能充分混合,應保證管內(nèi)液體的液動呈完全應保證管內(nèi)液體的液動呈完全湍流。流體在管內(nèi)平均停留時間湍流。流體在管內(nèi)平均停留時間10-20s三、萃取設備三、萃取設備(1)混合設備混合設備 噴射萃取器：噴射萃取器：是一種是一種體積小效率高的混合裝置，體積小效率高的混合裝置，特別適用于兩液相的粘度特別適用于兩液相的粘度和界面張力都很小，即和界面張力都很小，即。圖。圖a為為，即兩液相由各自，即兩液相由各自導管導入器內(nèi)進行混合；導管導入器內(nèi)進行混合；b和和c為在為在兩液相已進兩液相已進行行，但在器內(nèi)通過噴，但在器內(nèi)通過噴嘴或孔板后，加強了湍流嘴或孔板后，加強了湍流程度從而提高了萃取效率。程度從而提高了萃取效率。 三、萃取設備三、萃取設備(1)混合設備混合設備 萃取操作過程及設備萃取操作過程及設備萃取分離原理及設備 分離設備分離設備 管式離心機管式離心機 碟式離心機碟式離心機三、萃取設備三、萃取設備(2)分離設備分離設備-碟片離心機碟片離心機 生產(chǎn)能力大，性能生產(chǎn)能力大，性能可靠，但結構復雜，可靠，但結構復雜，價格較高。碟片上有價格較高。碟片上有若干開孔，它們均勻若干開孔，它們均勻地分布在兩個不同的地分布在兩個不同的同心圓上，當?shù)赐膱A上，當?shù)凑找欢ǚ琵R后，開孔照一定放齊后，開孔能上下串通形成若干能上下串通形成若干垂直通道，它們是乳垂直通道，它們是乳濁進入碟片的進口。濁進入碟片的進口。 萃取操作過程及設備萃取操作過程及設備萃取分離原理及設備 離心萃取機離心萃取機 萃取操作過程及設備萃取操作過程及設備萃取分離原理及設備 離心萃取機離心萃取機 多級離心萃取機多級離心萃取機Luwesta三級離心萃取機三級離心萃取機三、萃取設備三、萃取設備(3)離心萃取設備離心萃取設備-多級離心萃取機多級離心萃取機 裝有兩級或三級裝置的逆流萃取設備。圖示是三個單級混合和分離設備的疊合裝置，分上、中、下三段，下段是第級混合和分離區(qū)，中段是第級，上段是第級，每段的下部是混合區(qū)域，中部是分離區(qū)域，上部是重液引出區(qū)域。 將萃取劑與料液在逆流情況下進行。操作時，重液相（料液）由底部軸周圍的，沿由內(nèi)向外順序流經(jīng)各管，最后由外管經(jīng)溢流環(huán)到向心泵室排出。輕液（萃取劑）由底部的中心管進入轉鼓，流入第十圓筒，從下端進入螺旋形通道，由外向內(nèi)順序流入各筒，最后從第一筒經(jīng)出口排出。三、萃取設備三、萃取設備(3)離心萃取設備離心萃取設備-多級離心萃取機多級離心萃取機 立式連續(xù)逆流離心萃取機立式連續(xù)逆流離心萃取機-Laval ABE-216離心萃取機離心萃取機 萃取操作過程及設備萃取操作過程及設備萃取分離原理及設備 離心萃取機離心萃取機ABE-216離心萃取機輕重液走向示意圖離心萃取機輕重液走向示意圖三相傾析式離心機結構三相傾析式離心機結構 傾析式離心萃取機傾析式離心萃取機 萃取操作過程及設備萃取操作過程及設備萃取分離原理及設備 離心萃取機離心萃取機分離釜 萃取釜CO2熱交換器 壓縮機或泵 過濾器 圖2 超臨界CO2萃取的基本流程 熱交換器云南亞太致興生物工程研究所1.德國伍德公司壓縮機 萃取釜 制冷MVC-760L 二氧化碳循環(huán)泵 應應 用用 范范 圍圍品品 種種功能性油脂沙棘油、小麥胚芽油、魚油、葡萄籽油、耐鵲油等中藥及中藥提取物穿心蓮提取物、當歸油、丹參提取物、厚樸提取物、薄荷油、五味子油、車前子油、柴胡油、川穹油、姜黃色素、菟絲子油、枸杞子油、鴉膽子油、天然咖啡因、紫草素、丹皮酚、乳香提取物、野菊花油、蒼術油、我術油、香附油、青蒿素、霍香游、紫蘇葉油、熊果酸調(diào)味品姜油、辣素、辣椒色素、花椒油、胡椒油香料、香精辛夷花精油、煙葉精油全自動離子交換裝置全自動離子交換裝置 離子交換器 1. 原理原理 (1)離子交換樹脂是一種不溶于酸、堿和有機溶劑的，帶有官能團的網(wǎng)離子交換樹脂是一種不溶于酸、堿和有機溶劑的，帶有官能團的網(wǎng)狀結構的高分子化合物，其結構有三部分組成：狀結構的高分子化合物，其結構有三部分組成：骨架骨架上的活性離子在水溶液中發(fā)生離解，可在較大的范圍內(nèi)自由移動，擴散到上的活性離子在水溶液中發(fā)生離解，可在較大的范圍內(nèi)自由移動，擴散到溶液中，同時，在溶液中的同類型離子也能從溶液中擴散到骨架的網(wǎng)格或溶液中，同時，在溶液中的同類型離子也能從溶液中擴散到骨架的網(wǎng)格或孔內(nèi)。當這兩種離子濃度差較大時，就產(chǎn)生一種交換的推動力，使它們之孔內(nèi)。當這兩種離子濃度差較大時，就產(chǎn)生一種交換的推動力，使它們之間產(chǎn)生交換作用，利用這種濃度差的推動力使樹脂上的可交換離子發(fā)生可間產(chǎn)生交換作用，利用這種濃度差的推動力使樹脂上的可交換離子發(fā)生可逆交換反應。逆交換反應。AB離交樹脂三維空間立體結構 2. 分類分類 樹脂按活性離子分類，如果活性離子是陽離子（和陽離子樹脂按活性離子分類，如果活性離子是陽離子（和陽離子發(fā)生交換）就稱為陽離子交換樹脂；如果是陰離子，則稱為發(fā)生交換）就稱為陽離子交換樹脂；如果是陰離子，則稱為陰離子交換樹脂。人們又根據(jù)活性離子的酸堿性分為陰離子交換樹脂。人們又根據(jù)活性離子的酸堿性分為4種種AB依據(jù)活性基團分類陽離子交換樹脂陰離子交換樹脂螯合樹脂兩性交換樹脂強酸型弱酸型交換基為酸性，H+與陽離子交換SO3HCOOHOHpH 2pH 6使用 pH 范圍pH 10交換基為堿性，陰離子發(fā)生交換強堿型弱堿型N+(CH3)3Cl-N+H3 OH-N+H2R OH-N+HR2 OH-pH 12pH Al3+ Ca2+ Mg2+ Na+ ，陰離子順序為：檸檬酸根陰離子順序為：檸檬酸根硫酸根硫酸根硝酸根硝酸根樹脂對離子交換吸附的選擇性，在樹脂對離子交換吸附的選擇性，在稀稀溶液中比較溶液中比較大大，而在而在濃濃溶液中選擇性較溶液中選擇性較小小。水化半徑較小的離子優(yōu)先吸附。水化半徑較小的離子優(yōu)先吸附。4.有機溶劑的影響有機溶劑的影響5.樹脂與交換離子間的輔助力樹脂與交換離子間的輔助力有機溶劑會使樹脂對有機離子的選擇性降低，而容易吸附無機離子，有機溶劑會使樹脂對有機離子的選擇性降低，而容易吸附無機離子，可利用有機溶劑從樹脂上洗脫難洗脫的有機物質?？衫糜袡C溶劑從樹脂上洗脫難洗脫的有機物質。凡能與樹脂間形成輔助力，如氫鍵、范德華力等輔助力的離子，樹脂對其吸附力凡能與樹脂間形成輔助力，如氫鍵、范德華力等輔助力的離子，樹脂對其吸附力就大；反之，能破壞這些輔助力的溶液就能容易地將離子從樹脂上洗脫下來。就大；反之，能破壞這些輔助力的溶液就能容易地將離子從樹脂上洗脫下來。離子交換機理及選擇性 離子交換機理B+A+BRARBA薄膜離子交換過程包括離子交換過程包括5步：步：1. A+自溶液擴散到樹脂表面；自溶液擴散到樹脂表面；2. A+從樹脂表面擴散到樹脂內(nèi)從樹脂表面擴散到樹脂內(nèi)部的活性中心；部的活性中心；3. A+在活性中心發(fā)生交換反應；在活性中心發(fā)生交換反應；4. 解吸離子解吸離子B+自樹脂內(nèi)部的活自樹脂內(nèi)部的活性中心擴散到樹脂表面；性中心擴散到樹脂表面；5. B+從樹脂表面擴散到溶液；從樹脂表面擴散到溶液；Sampleapplicationand washElutionEquilibrationRegeneration-+anionexchangerbead-離子交換機理及選擇性 離子交換機理應用應用: 氨基酸的分離氨基酸的分離( 陽離子交換樹脂陽離子交換樹脂) 用用pH遞增的檸檬酸鹽緩沖溶液洗脫側鏈遞增的檸檬酸鹽緩沖溶液洗脫側鏈pKa增大的氨基酸增大的氨基酸蛋白質、酶、核酸等生物活性物質的蛋白質、酶、核酸等生物活性物質的 分離、純化和富集分離、純化和富集.離子交換裝置及再生料液料液處理液處理液 單床式單床式料液料液處理液處理液 多床式多床式料液料液處理液處理液 復床式復床式料液料液處理液處理液 混合床式混合床式離子交換裝置離子交換裝置及再生再生方式料液再生液處理液廢液順流再生順流再生料液再生液處理液廢液逆流再生逆流再生離子交換裝置及再生再生方式廢液再生液料液再生液處理液對流逆流再生對流逆流再生廢液再生液料液再生液處理液對流再生對流再生離子交換裝置及再生再生操作交換交換反洗反洗再生再生水洗水洗交換交換料液處理液廢水反洗水再生水再生廢液正洗水廢水料液處理液動畫演示動畫演示離子交換裝置及再生再生操作混合床再生的操作過程混合床再生的操作過程四、離子交換裝置四、離子交換裝置 1.間歇式離子交換設備間歇式離子交換設備 一般為一般為，是一種具，是一種具有橢圓形封頭的圓筒形設備，高徑比有橢圓形封頭的圓筒形設備，高徑比為為2-32-3，也有為，也有為5 5。 罐底罐底有多孔板、篩網(wǎng)及濾布以有多孔板、篩網(wǎng)及濾布以支持樹脂層，或者用塊石英石或卵石支持樹脂層，或者用塊石英石或卵石直接鋪于罐底以支持樹脂層。直接鋪于罐底以支持樹脂層。 樹脂層高度約占圓筒高度的樹脂層高度約占圓筒高度的505070%70%，須留有充分的空間，已備，須留有充分的空間，已備反沖時樹脂層的擴脹反沖時樹脂層的擴脹圖10-1 具有多孔支持板的離子交換罐1-視鏡 2-進料口 3-手孔 4-液體分布器 5-樹脂層 6-多孔板 7-尼龍布 8-出液口86754321圖10-2 具有塊石支持層的離子交換罐1-進料口 2-視鏡 3-液位計 4-樹脂層 5-卵石層 6-出液口654312 圖10-3反吸負離子交換罐1-被交換溶液進口 2-淋洗水解吸液和再生液進口 3-廢液出口 4，5-分布器 6-淋洗水解吸液和再生液出口，反洗水進口654321(1)(1)流化床離子交換罐流化床離子交換罐 用多孔陶土板、粗粒無煙煤、石英砂等作用多孔陶土板、粗粒無煙煤、石英砂等作為樹脂支撐體。被處理的溶液從樹脂為樹脂支撐體。被處理的溶液從樹脂，經(jīng)過分布管使液體均勻分布于整個樹脂的橫截面。經(jīng)過分布管使液體均勻分布于整個樹脂的橫截面。 加料方式：重力式和壓力式。加料方式：重力式和壓力式。 再生方式：順流與逆流兩種。再生方式：順流與逆流兩種。 逆流再生有較好的效果，再生劑用量可減少；逆流再生有較好的效果，再生劑用量可減少；但要發(fā)生樹脂層的上浮。但要發(fā)生樹脂層的上浮。 如將陽、陰兩種樹脂混合起來，則制成混如將陽、陰兩種樹脂混合起來，則制成混合離交換設備合離交換設備, ,可避免采用單床時溶液變酸及變可避免采用單床時溶液變酸及變堿的象，因而可減少目標產(chǎn)物的破壞。堿的象，因而可減少目標產(chǎn)物的破壞。 圖 10-1 具 有 多 孔 支 持 板 的 離 子 交 換 罐1-視 鏡 2-進 料 口 3-手 孔 4-液 體 分 布 器 5-樹 脂 層 6-多 孔 板 7-尼 龍 布 8-出 液 口86754321(2)(2)固定床離子交換設備固定床離子交換設備具有多孔支持板的離子交換罐 圓筒體的高徑比一般為圓筒體的高徑比一般為23，樹脂層高度約為圓，樹脂層高度約為圓筒高度的筒高度的50 70。1-視鏡 2-進料口 3-手口4-液體分布器 5-樹脂層6-多孔板 7-尼龍層 8-出液口具有塊石支持層的離子交換罐1-進料口 2-視鏡 3-液位計4-樹脂層 5-卵石層 6-出液口被交換溶液進口淋洗水、解吸液及再生劑進口廢液出口分布器分布器淋洗水、解吸液及再生劑出口，反洗水進口反吸附離子交換罐擴口式離子交換器混合床交換罐制備無機鹽的流程123456789101211 圖10-9 半連續(xù)式移動床離子交換系統(tǒng)1-處理柱 2,3-中間循環(huán)柱 4-飽和樹脂存貯柱 5-再生柱 6,7,8-傳感器 9-樹脂計量段 10-緩沖段 11-再生段 12-清洗段 13-快速清洗段133.3.連續(xù)式離子交換設備連續(xù)式離子交換設備圖10-14 ISEP實驗室模型L100示意圖(1)(1)固定床離子交換器的缺點：固定床離子交換器的缺點： 樹脂不能邊飽和邊再生樹脂不能邊飽和邊再生 樹脂層厚度比交換區(qū)厚度大樹脂層厚度比交換區(qū)厚度大 再生和沖洗時必須停止交換再生和沖洗時必須停止交換3.3.連續(xù)式離子交換設備連續(xù)式離子交換設備圖10-14 ISEP實驗室模型L100示意圖 (2) (2)原理：原理： 離子交換和再生的過離子交換和再生的過程在單元裝置的不同部程在單元裝置的不同部位同時進行。真正的連位同時進行。真正的連續(xù)過程應是從交換柱出續(xù)過程應是從交換柱出來的已飽和樹脂被連續(xù)來的已飽和樹脂被連續(xù)地轉移并與新鮮再生劑地轉移并與新鮮再生劑接觸，經(jīng)過再生和清洗接觸，經(jīng)過再生和清洗的樹脂在循環(huán)回到交換的樹脂在循環(huán)回到交換柱使用。柱使用。連續(xù)離子交換技術和工業(yè)色譜技 篩板式連續(xù)離子交換設備漩渦式連續(xù)離子交換設備離子交換設備的計算 罐體積yVVt罐體積罐體積Vt：罐高徑比一般取罐高徑比一般取Hi/D=23。 交換設備的放大1.根據(jù)交換罐負荷相同的原則放大；根據(jù)交換罐負荷相同的原則放大；2.根據(jù)交換罐中溶液空塔流速相同的原則放大；根據(jù)交換罐中溶液空塔流速相同的原則放大；3.溶液通過床層的壓力降溶液通過床層的壓力降五。吸附分離原理及設備 吸附分離機理 吸附法吸附法是利用合適的吸附劑，在一定的操作條件是利用合適的吸附劑，在一定的操作條件下，使發(fā)酵液中的產(chǎn)物被吸附在固定吸附劑的內(nèi)外表下，使發(fā)酵液中的產(chǎn)物被吸附在固定吸附劑的內(nèi)外表面上，再以適當?shù)慕馕鼊a(chǎn)物從吸附劑上解吸下來，面上，再以適當?shù)慕馕鼊a(chǎn)物從吸附劑上解吸下來，從而達到分離濃縮的目的。從而達到分離濃縮的目的。吸附分離原理及設備 吸附劑的選擇 吸附劑吸附劑按其化學結構可分為兩大類：一類是有機按其化學結構可分為兩大類：一類是有機吸附劑，如活性炭、球形炭化樹脂、聚酰胺、纖維素、吸附劑，如活性炭、球形炭化樹脂、聚酰胺、纖維素、大孔樹脂等；另一類是無機吸附劑，如白土、氧化鋁、大孔樹脂等；另一類是無機吸附劑，如白土、氧化鋁、硅膠、硅藻土等。硅膠、硅藻土等。 吸附操作及設備1.攪拌罐內(nèi)的吸附操作攪拌罐內(nèi)的吸附操作2.固定床吸附固定床吸附色譜分離（色譜分離（Chromatographic Resolution，CR）利用多組分混合物利用多組分混合物中各組分物理化學性質（如吸附力、分子極性、分子形狀和大小、分中各組分物理化學性質（如吸附力、分子極性、分子形狀和大小、分子親合力、分配系數(shù)等）的差別，使各組分以不同程度分布在固定相子親合力、分配系數(shù)等）的差別，使各組分以不同程度分布在固定相和流動相中。和流動相中。當多組分混合物隨流動相流動時，由于各組分物理化學當多組分混合物隨流動相流動時，由于各組分物理化學性質的差別，而以不同的速率移動，使之分離。性質的差別，而以不同的速率移動，使之分離。 分離效率高，每米柱長可達幾千至幾十萬的分離效率高，每米柱長可達幾千至幾十萬的塔板數(shù)塔板數(shù)； 應用范圍廣，從極性到非極性、離子型到非離子型、小分子到大分應用范圍廣，從極性到非極性、離子型到非離子型、小分子到大分子、無機到有機及生物活性物質，以及熱穩(wěn)定到熱不穩(wěn)定的化合物，子、無機到有機及生物活性物質，以及熱穩(wěn)定到熱不穩(wěn)定的化合物，尤其是對生物大分子樣品的分離，是其他方法無法代替的；尤其是對生物大分子樣品的分離，是其他方法無法代替的； 選擇性強；選擇性強； 高靈敏度的在線檢測，可采用不同的高靈敏度檢測器進行連續(xù)的在高靈敏度的在線檢測，可采用不同的高靈敏度檢測器進行連續(xù)的在線檢測；線檢測； 快速分離；快速分離； 過程自動化操作。過程自動化操作。優(yōu)點優(yōu)點在色譜操作中，加入在色譜操作中，加入洗脫劑洗脫劑而使各組分分層的操作稱為展開而使各組分分層的操作稱為展開（Development），），洗脫時從柱中流出的溶液稱為洗脫液（洗脫時從柱中流出的溶液稱為洗脫液（Eluate），），而展開后各組分的分布情況稱為色譜（而展開后各組分的分布情況稱為色譜（Chromatography）。）。一、色譜分離的基本原理一、色譜分離的基本原理實驗室規(guī)?？罩b柱示范錄像實驗室規(guī)?？罩b柱示范錄像 色譜分離設備玻璃色譜分離柱玻璃色譜分離柱吸附色譜分離吸附色譜分離是指混合物隨流動相通過固定相（吸附劑）時，是指混合物隨流動相通過固定相（吸附劑）時，由于固定相對不同物質的吸附力不同而使混合物分離的方法。由于固定相對不同物質的吸附力不同而使混合物分離的方法。新的吸附色譜技術有：新的吸附色譜技術有：疏水作用色譜（疏水作用色譜（Hydrophobic Interaction Chromatography，HIC）、）、金屬螯合作用色譜（金屬螯合作用色譜（Metal Chelation Chromatography，MCC）、）、共價作用色譜（共價作用色譜（Covalent Interaction Chromatography，CIC）等；）等；吸附劑有氧化鋁、硅膠、活性炭、膨潤土、磷酸鈣、氧化鈦、吸附劑有氧化鋁、硅膠、活性炭、膨潤土、磷酸鈣、氧化鈦、氫氧化鋅凝膠等。氫氧化鋅凝膠等。無機吸附劑在有機大分子色層分離中的實用例子無機吸附劑在有機大分子色層分離中的實用例子絲裂霉素的精制絲裂霉素的精制。絲裂霉素的發(fā)酵濾液用活性炭吸附，丙酮洗脫，絲裂霉素的發(fā)酵濾液用活性炭吸附，丙酮洗脫，蒸去丙酮的濃縮水溶液，用氯仿萃取。蒸去丙酮的濃縮水溶液，用氯仿萃取。氯仿萃取液上氧化鋁柱，先用氯仿沖洗，能部分分帶，氯仿萃取液上氧化鋁柱，先用氯仿沖洗，能部分分帶，接著以氯仿丙酮（接著以氯仿丙酮（3:2）展開，約）展開，約2小時后，能分出色層，其中藍小時后，能分出色層，其中藍紫色色帶為有效成分絲裂霉素紫色色帶為有效成分絲裂霉素C。將柱推出，切取藍紫色部分，用將柱推出，切取藍紫色部分，用10甲醇氯仿洗脫，減壓蒸干，甲醇氯仿洗脫，減壓蒸干， 在甲醇苯中結晶，即可得藍紫色絲裂霉素在甲醇苯中結晶，即可得藍紫色絲裂霉素C結晶。結晶。分配色譜分配色譜是是利用混合物中各物質在兩液相中的分配系數(shù)不同利用混合物中各物質在兩液相中的分配系數(shù)不同而分離。而分離。正相色譜正相色譜（Normal Phase Chromatography，NPC）的固定相為極）的固定相為極性，流動相為非極性，當混合物隨流動相通過固定相時，極性較強的化性，流動相為非極性，當混合物隨流動相通過固定相時，極性較強的化合物被保留，極性較弱的化合物先被洗脫下來。合物被保留，極性較弱的化合物先被洗脫下來。反相色譜反相色譜（Reversed Phase Chromatography，RPC），固定相為），固定相為非極性，流動相為極性，用于分離非極性或弱極非極性，流動相為極性，用于分離非極性或弱極性物質。性物質。離子交換色譜離子交換色譜是是基于離子交換樹脂上可電離的離子與流動相基于離子交換樹脂上可電離的離子與流動相中具有相同電荷的溶質離子進行可逆交換，由于混合物中不中具有相同電荷的溶質離子進行可逆交換，由于混合物中不同溶質對交換劑具有不同的親合同溶質對交換劑具有不同的親合力而將它們分離。力而將它們分離。該法適合于離子和在溶劑中可發(fā)生電離的物質的分離。該法適合于離子和在溶劑中可發(fā)生電離的物質的分離。堿性水溶性抗生素的分離和分析也常用離子交換色層分離法。堿性水溶性抗生素的分離和分析也常用離子交換色層分離法。例例卡那霉素卡那霉素A,B,C可以用強堿性樹脂可以用強堿性樹脂Dowex12（OH型），型），以水作展開劑，進行離子交換色層分離法分離。以水作展開劑，進行離子交換色層分離法分離。在在0.939cm的色層分離柱中（樹脂用量的色層分離柱中（樹脂用量2550 mL，粒，粒度度200400目），流速控制在目），流速控制在2030 mL/h，卡那霉素，卡那霉素B最先流出，接著卡那霉素最先流出，接著卡那霉素C，最后卡那霉素，最后卡那霉素A自柱中流出。自柱中流出。凝膠色譜凝膠色譜以以凝膠為固定相，是一種根據(jù)各物質分子大小不同而凝膠為固定相，是一種根據(jù)各物質分子大小不同而進行分離的色譜技術，又稱為分子篩色譜（進行分離的色譜技術，又稱為分子篩色譜（Molecular Sieve Chromatography，MSC）、空間排阻色譜或尺寸排阻色譜）、空間排阻色譜或尺寸排阻色譜（Size Exclusion Chromatography，SEC）。）。 凝膠是一種不帶電荷的具有三維空間的多孔網(wǎng)狀結構的物質，凝膠的凝膠是一種不帶電荷的具有三維空間的多孔網(wǎng)狀結構的物質，凝膠的每個顆粒的細微結構就如一個篩子。當混合物隨流動相流經(jīng)凝膠柱時，較每個顆粒的細微結構就如一個篩子。當混合物隨流動相流經(jīng)凝膠柱時，較大的分子不能進入所有的凝膠網(wǎng)孔而受到排阻，它們將與流動相一起首先大的分子不能進入所有的凝膠網(wǎng)孔而受到排阻，它們將與流動相一起首先流出，較小的分子能進入部分凝膠網(wǎng)孔，流出的速度較慢，更小的分子能流出，較小的分子能進入部分凝膠網(wǎng)孔，流出的速度較慢，更小的分子能進入全部凝膠網(wǎng)孔，而最后從凝膠柱中流出。進入全部凝膠網(wǎng)孔，而最后從凝膠柱中流出。凝膠色譜主要用于脫鹽、分級分離及分子量的測定。凝膠色譜主要用于脫鹽、分級分離及分子量的測定。 應用舉例應用舉例（1）去熱原）去熱原（2）純化青霉素）純化青霉素（3）大分子物質的分子量測定）大分子物質的分子量測定將離子交換樹脂制備的無鹽水通過羥型將離子交換樹脂制備的無鹽水通過羥型DEAE-A-25凝膠，可制得無熱原水，用于注射。凝膠，可制得無熱原水，用于注射。用葡聚糖凝膠用葡聚糖凝膠G-25（粒度為（粒度為2080m m）分離）分離青霉素中的一些高分子雜質（青霉素聚合物、青青霉素中的一些高分子雜質（青霉素聚合物、青霉噻唑蛋白），去除這些強烈致敏性的全抗原。霉噻唑蛋白），去除這些強烈致敏性的全抗原。 生物體中許多大分子化合物具有與其生物體中許多大分子化合物具有與其結構相對應的專一分子可逆結合的結構相對應的專一分子可逆結合的特性特性，如酶蛋白與輔酶、抗原和抗體、激素與其受體、核糖核酸與其互補，如酶蛋白與輔酶、抗原和抗體、激素與其受體、核糖核酸與其互補的脫氧核糖核酸等體系，的脫氧核糖核酸等體系，把與目的產(chǎn)物具有特異親合力的生物分子固定化把與目的產(chǎn)物具有特異親合力的生物分子固定化后作為固定相后作為固定相，當含有目的產(chǎn)物的混合物（流動相）流經(jīng)此固定相時，即，當含有目的產(chǎn)物的混合物（流動相）流經(jīng)此固定相時，即可把目的產(chǎn)物從混合物中分離出來?？砂涯康漠a(chǎn)物從混合物中分離出來。親合色譜親合色譜對于生物大分子化合物的分離純化具有特別重要的意義。對于生物大分子化合物的分離純化具有特別重要的意義。生物親和關系生物親和關系u柱色譜柱色譜，具有進樣量大，回收容易等優(yōu)點，但其分辨率不如紙上色譜和，具有進樣量大，回收容易等優(yōu)點，但其分辨率不如紙上色譜和薄層色譜高；薄層色譜高；u紙上色譜紙上色譜，以濾紙為載體，是以濾紙纖維及其結合水作為固定相，以有，以濾紙為載體，是以濾紙纖維及其結合水作為固定相，以有機溶劑作為流動相的分配色譜分離。紙上色譜分離具有設備簡單、操作方機溶劑作為流動相的分配色譜分離。紙上色譜分離具有設備簡單、操作方便、分離效率高、所需樣品量少等優(yōu)點，但分離量少、回收困難，分離速便、分離效率高、所需樣品量少等優(yōu)點，但分離量少、回收困難，分離速度慢等；度慢等；u薄層色譜分離薄層色譜分離 ，將固定相在玻璃平板上鋪成薄層而進行分離的一種分，將固定相在玻璃平板上鋪成薄層而進行分離的一種分離技術。薄層色譜是柱色譜和紙上色譜兩者的結合。離技術。薄層色譜是柱色譜和紙上色譜兩者的結合。2. 按固定相形狀不同分類按固定相形狀不同分類工業(yè)規(guī)模的色譜分離流程色譜分離設備帶熱夾套分離柱反轉式分離柱KTAexplorerKTApurifierKTAFPLC色譜分離設備 流動相為氣體（稱為載氣）。流動相為氣體（稱為載氣）。 按分離柱不同分為：填充柱色譜和毛細管柱色譜按分離柱不同分為：填充柱色譜和毛細管柱色譜 按固定相的不同又分為：氣固色譜和氣液色譜按固定相的不同又分為：氣固色譜和氣液色譜200400ml0Maximum number of peaks in RPC 1500 10 20 mlMaximum number of peaks in gel filtration ca 15Remember: we are not purifying peaks, but proteins & peptides !分辨率分辨率越多峰越好越多峰越好 要求純度要求純度種類種類 提高分辨率提高分辨率純度純度定性定性 增加增加 增加增加 樣品量樣品量 產(chǎn)量產(chǎn)量 (生產(chǎn)力生產(chǎn)力) (峰越少越好峰越少越好) 上樣速度上樣速度不注重不注重 最大樣品處理速度最大樣品處理速度次次/h 生產(chǎn)力生產(chǎn)力=g/ml 膠膠/h固定以下條件：固定以下條件：1. 相同線行流速相同線行流速2. 相同緩沖液相同緩沖液3. 相同填料相同填料4. 相同柱高相同柱高5. 相同樣品濃度和相同樣品濃度和pH6. 相同樣品體積和柱床體積比例相同樣品體積和柱床體積比例7. 相同梯度體積和柱床體積比例相同梯度體積和柱床體積比例放大：放大：1. 柱直徑柱直徑2. 體積流速體積流速3. 上樣體積上樣體積2222expoootttcc2202) 1/(expttcco2202) 1/(expVVccoKALw216dAdK12/1/dwK Lwd22Ldw2/32/1212221212211222121221LLddwwLLddww2.01.000123456(column volumes)A280 nm2.01.000123456(column volumes)A280 nmColumn: 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-propanolFlow rate: 150 cm/h a) 2 ml/minb) 785 ml/minGradient: 20-70% B, 5 column volumes切實可行的可放大性切實可行的可放大性BioProcess23.6-ml column9.4-litre column切實可行的可放大性切實可行的可放大性Chromaflow 自動裝卸填料生產(chǎn)柱示范錄像自動裝卸填料生產(chǎn)柱示范錄像