新版1111第六章层析设备和离子交换设备.ppt
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第六章层析设备和离子交换设备,1、层析设备2、离子交换设备,本章重点,1、层析原理及设备。
2、离子交换原理及设备。
本章习题:
简述层析分离原理及其种类。
简述凝胶层析系统设备或仪器组成。
简述离子交换设备的种类及其结构。
例题6-2空隙率为0.25,粘度为3cP。
例题6-3流量放大2倍。
第一节层析设备,凝胶是一种具有多孔、网状结构的分子筛。
利用这种凝胶分子筛对大小、形状不同的分子进行层析分离,称凝胶层析(gelchromatography)。
层析技术,亦称色谱技术,是一种物理的分离方法。
它是利用混合物中各组分的物理化学性质的差别,使各组分以不同程度分布在两个相中,其中一个相为固定的(称为固定相),另一个相则流过此固定相(称为流动相)并使各组分以不同速度移动,从而达到分离。
凝胶层析的应用范围:
凝胶层析法适用于分离和提纯蛋白质、酶、多肽、激素、多糖、核酸类等物质。
分子大小彼此相差25%的样品,只要通过单一凝胶床就可以完全将它们分开。
利用凝胶的分子筛特性,可对这些物质的溶液进行脱盐、浓缩、去热源和脱色。
凝胶层析的优点,凝胶层析具有设备简单、操作方便、分离迅速及不影响分子生物学活性等优点。
目前已被广泛应用于各种生化产品的分离和纯化。
一、层析的种类,
(1)排阻层析(exclusionchromatography)凝胶层析介质(固定相)交联形成网孔,网孔阻止直径比其大的生物大分子通过。
利用流动相中溶质的分子量大小差异而进行分离的一种方法,称之为排阻层析。
体积排阻层析的原理l分子大小不同混合物上柱;2洗脱开始,小分子扩散进人凝胶颗粒内,大分子被排阻于颗粒之外;3大小分子分开:
4大分子行程较短,已洗脱出层析柱,小分子尚在进行中,
(2)离子交换层析(ionexchangechromatography)利用固定相球形介质表面活性基团经化学键合,将具有交换能力的离子基团在固定相上面,这些离子基团可以与流动相中离子发生可逆性离子交换反应而进行分离的方法,称之为离子交换层析。
(3)吸附层析(absorptionchromatography)利用吸附层析介质表面的活性分子或活性基团,对流动相中不同溶质产生吸附作用,利用其对不同溶质吸附能力的强弱而进行分离的一种方法,称之为吸附层析。
(4)分配层析(partitionchromatography),被分离组分在固定相和流动相中不断发生吸附和解吸附的作用,在移动的过程中物质在两相之间进行分配。
利用被分离物质在两相中分配系数的差异而进行分离的一种方法,称之为分配层析。
(5)亲和层析(affinitychromatography)在固定相载体表面偶联具有特殊亲和作用的配基,这些配基可以与流动相中溶质分子发生可逆的特异性结合而进行分离的一种方法,称之为亲和层析。
(6)金属螯合层析(metalchelatingchromatography)利用固定相载体上偶联的亚胺基乙二酸为配基与二价金属离子发生螯合作用,结合在固定相上,二价金属离子可以与流动相中含有的半胱氨酸、组氨酸、咪唑及其类似物发生特异螯合作用而进行分离的方法,称之为金属螯合层析。
(7)疏水层析(hydrophobicchromatography),利用固定相载体上偶联的疏水性配基与流动相中的一些疏水分子发生可逆性结合而进行分离的方法,称之为疏水层析。
(8)反向层析(reversephasechromatography)利用固定相载体上偶联的疏水性较强的配基,在一定非极性的溶剂中能够与溶剂中的疏水分子发生作用,以非极性配基为固定相,极性溶剂为流动相来分离不同极性的物质的方法,称之为反相层析。
(9)聚焦层析(focusingchromatography)利用固定相载体上偶联的载体两性电解质分子,在层析过程中所形成的pH梯度,并与流动相中不同等电点的分子发生聚焦反应进行分离的方法,称之为聚焦层析。
(10)灌注层析(perfusionchromatography)利用刚性较强的层析介质颗粒中具有的不同大小贯穿孔与流动相中溶质分子分子量的差异进行分离的方法,称之为灌注层析。
二、层析分离操作条件及设备,
(一)层析分离操作条件分离柱内的固定相必须均匀。
柱内不发生气泡,柱体垂直,固定相表面保持水平;溶质的上柱量应根据分离要求和床体积Vt的大小来确定,一般分离要求越精确相应的比例应越小、其范围在(330)Vt之间,但溶液黏度影响分离效果,一般应小于0.01Pas;固定相粒度细,分离效果好,但柱内液体流速慢,操作时应根据实际需要,在不影响分离的情况下,可适当提高流速,以减少分离时间。
(二)层析分离设备(以凝胶层析设备为例),分离柱可分为金属、玻璃、陶瓷等;如:
玻璃色谱分离柱带热夹套分离柱反转式分离柱,玻璃色谱分离柱,1柱层析装置一般的柱层析装置就可以用于凝胶层析,如图所示。
主要由进样系统(一般为恒压泵)、层析柱、收集器、检测系统组成。
选定的凝胶作为固定相装入层析柱,样品溶液由进样系统进入层析柱,根据分子大小的不同由大到小依次流出凝胶柱。
然后依次分布收集洗脱液,即得到样品混合物中每单一组份的化合物。
凝胶柱可用于生物大分子的纯化、分子量的测定等。
反转式分离柱(避免压紧),柱的两端均密闭,为了使用方便起见,柱两端的形式是一样的。
滤板用400目的尼龙布或聚四氟乙烯布,样品和洗脱液均用微量泵传送,达样可使底部的死体积减少到最小值。
除一般的下层层析外,也可用于上向或循环层析。
其中
(2)、(3)柱还具有双层管,管间可通温水保温,进出口处可用尼龙管伸入柱内,连接一个附有滤板的漏斗状托盘,以减少底部死体积,托盘周围用橡皮圈与柱壁密封。
2AM90-1型凝胶层析仪系统该系统系全自动凝胶层析仪,由蠕动泵、不中断进样阀、层析柱、紫外检测仪、自动电脑积分记录仪组成,并能与收集器配合,进行定峰定时、定滴收集。
主要用于:
(1)各类生物大分子的分离;
(2)生物大分子的分子量测定及其定性;(3)已知生物大分子的定量分析;(4)氨基酸、无机盐的分离分析。
该凝胶层析仪的检测波长为254nm和280nm,洗脱速度适用范围为1600ml/h,吸收峰分辨率为0.55.5,适用于连续操作。
此外,该层析仪还可用于亲和层析和离子交换层析,如图所示。
3.封闭连续柱层析装置,与普通柱层析比较,封闭连续柱层析有其自己的特点和优势:
能阻止或缓解不稳定的物质的分解或变性;有利于稳定层析条件,提高柱子的分离效能;减轻了产品浓缩结晶和溶剂蒸馏回收的工作量,缩短了产品制备周期;封闭连续柱层析是在封闭状态下工作,溶媒泄漏很少,污染危害大大减轻。
第二节离子交换设备,离子交换法:
以合成的离子交换剂来吸附溶液中需要分离的离子。
在提取过程中,生物制品首先被从发酵液中转移吸附到离子交换树脂上,然后在适宜的条件下用洗脱剂将其从树脂上洗脱下来,从而达到分离、浓缩、提纯生物制品的目的。
一、离子交换树脂及其分离原理,1、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。
2、离子交换树脂的合成,离子交换树脂的合成是应用高分子聚合和有机化学反应原理来合成带有活性基团的多价高聚物。
加聚法缩聚法,3、离子交换树脂的理化性能,颗粒度交换容量机械强度膨胀度含水量及密度孔结构,圆筒体的高径比一般为23,树脂层高度约为圆筒高度的5070。
具有多孔支持板的离子交换罐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,二、离子交换设备的结构1、一般常用的离子交换罐,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,2反吸附离子交换罐,扩口式离子交换器,1底2液体分布器3底部液体进、出管4填充层5壳体6离子交换树脂层7扩大沉降层8回流管9循环管10液体出口管11顶盖12液体加入管13喷头,3、混合床交换罐,4、连续逆流离子交换设备,1树脂计量管及加料管2塔身3漏斗形树脂下降管4筛板5饱和树脂受器6虹吸管,1树脂加料器2具有螺旋带的转子3树脂提升管4塔身5虹吸管,三、离子交换设备的计算,1、树脂用量交换罐中树脂的吸附量为:
Q1VMql06溶液中的生物产品被树脂的吸附量为:
Q2V1(c1c2)106F(c1c2)106由于QlQ2所以干树脂重量为:
G=VM103/x,(X-每克干树脂相当的湿树脂体积,ml/g),2、罐体积罐体积为:
式中V交换罐体积,m3;y树脂装填系数、对于正吸附,y0.50.70罐高径比一般取HtD23。
3、交换设备的放大,
(1)根据单位树脂床体积中所通过的溶液的体积流量相同的原则进行放大单位树脂床体积中所通过的溶液的体积流量也可称为交换器负荷,可以用ml(溶液)/ml(湿树脂)min或m3(溶液)/m3(湿树脂)h表示。
此值的倒数即溶液与树脂的接触时间。
保证在小设备和大设备中此值相同,即说明两者的接触时间相同。
根据此法放大,树脂床的几何形状即高径比不是一个决定因素,但一般可维持大设备和小设备有相同的几何形状,即相同的高径比。
因此根据此原则放大的计算,十分方便,只要知道大设备中的溶液体积流量是小设备的若干倍,就立即知道大设备中湿树脂的装量是小设备的若干倍,从而很容易算出大设备中湿树脂的体积是多少,至于操作时间等条件完全可与小设备的相同。
交换器的负荷为式中a交换器的容量,m3/m3h;F通过溶液的体积流量,m3/h;M湿树脂的体积,m3。
若下标1代表小设备的操作条件,下标2代表大设备的操作条件。
当时,则大设备中的树脂体积为,上式中F2/F1即为放大倍数m,故上式也可写为若以H代表树脂床高,D代表树脂床直径,或因为所以,或因此,大设备的直径及高度为,
(2)根据单位树脂床截面积上所通过溶液的体积流量相同的原则进行放大单位树脂床截面积上通过溶液的体积流量可以用ml(溶液)/cm2min或m3(溶液)/m2h来表示。
此值即为溶液通过树脂床的线速度。
根据此法放大时,要维持大设备与小设备的树脂床层高度相同,仅直径加大,以保证两者线速度相同,实际上也是保证两者接触时间相同。
线速度为或式中w线速度,m/h;A树脂床截面积,m2。
当W1=W2时,4、溶液通过床层的压力降,正吸附时压强降,反吸附时压强降,例题6-1用弱酸型树脂,采用三罐串联吸附链霉素,料液中链霉素浓度为5000u/ml,流量为6m3/h。
经过12h后,第一罐中树脂的吸附量为1.7105u/ml(Na型树脂),第三罐出口的废液浓度始终不大于200u/ml。
求每一罐中的树脂用量。
1克H型干树脂相当于7mlNa型湿树脂。
解:
例题6-2若吸附链霉素用的弱酸型树脂(型树脂)的平均颗粒直径为0.57mm,最大颗粒直径为0.89mm,最小颗粒直径为0.44mm,静止时树脂床的空隙率为0.34,床高为1.27m,湿树脂的密度为1135kg/m3,含链霉素的料液密度为1000kg/m3,粘度为2cP,正吸附时流速为3.81m/h,求正吸附时通过固定床的压强降以及饭吸附时的压强降、临界化速度和最大流速各位多少?
解:
(1)正吸附时压强降,
(2)反吸附时压强降,(3)反吸附时临界化速度,(4)反吸附时最大流速,例题6-3若用弱酸型树脂吸附链霉素溶液,其体积流量为3m3/h,树脂床的高度为1.27m,直径为1m,现将流量放大1倍,求放大后的交换罐中树脂床的高度及直径。
解:
原有树脂床体积:
交换器负荷:
1.根据交换器负荷相同的原则放大树脂体积:
树脂床直径:
树脂床高度:
2.根据线速度相同的原则放大树脂床直径:
树脂床高度:
树脂体积:
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