第二部分第三章離子交換吸附設備詳解演示文稿

第二部分第三章離子交換吸附設備詳解演示文稿當前1頁，總共50頁。優(yōu)選第二部分第三章離子交換吸附設備當前2頁，總共50頁。離子交換原理當前3頁，總共50頁。當前4頁，總共50頁。生物工業(yè)中最常用的交換劑:

離子交換樹脂離子交換樹脂是能在水溶液中交換離子的固體，其分子可以分成三個部分：－部分是交聯(lián)的具有三維空間立體結構的網絡骨架，通常不溶于酸、堿和有機溶媒，化學穩(wěn)定性良好；一部分是聯(lián)結在骨架上的功能基（活性基）；一部分是活性基所帶的相反電荷的離子，稱為可交換離子。

當前5頁，總共50頁。離子交換的一般流程如下：（1）原料液的預處理，使得流動相易于被吸附劑吸附；（2）原料液和離子交換樹脂的充分接觸，使吸附進行；（3）淋洗離子交換樹脂，以去除雜質；（4）把離子交換樹脂上的有用物質解吸并洗脫下來；（5）離子交換樹脂的再生。當前6頁，總共50頁。一、離子交換過程原理（一）離子交換樹脂的分類離子交換樹脂按活性基團的性質不同可分為陽離子交換劑（cationexchanger）和陰離子交換劑（anionexchanger）。

當前7頁，總共50頁。陽離子交換劑當前8頁，總共50頁。陽離子交換劑當前9頁，總共50頁。陽離子交換劑對陽離子具有交換能力，活性基團為酸性；陰離子交換劑對陰離子具有交換能力，活性基團為堿性。陰陽離子交換劑又根據(jù)其活性基團的電離程度強弱不同，分為強酸性陽離子交換劑和弱酸性陽離子交換劑、強堿性陰離子交換劑和弱堿性陰離子交換劑。強離子交換劑的離子化率基本不受pH的影響，離子交換作用的pH范圍廣，而弱離子交換劑的離子化率受pH的影響大，離子交換作用的pH范圍小。當前10頁，總共50頁。（二）離子交換樹脂的性能評價離子交換樹脂一般不溶于水、一般的酸堿溶液和有機溶劑，是一種具有良好化學穩(wěn)定性的高分子聚合物。同時，離子交換樹脂必須具備一定的理化性能。當前11頁，總共50頁。1．外觀

大多數(shù)商品樹脂多制成球形，其直徑為0.2~1.2mm。球形的優(yōu)點是增大比表面積、提高機械強度和減少流體阻力。普通凝膠型樹脂是透明的球珠，大孔樹脂呈不透明的霧狀球珠。隨合成原料、工藝條件不同，樹脂的顏色也有所不同，一般有黃、白、黃褐、紅棕等幾種顏色。當前12頁，總共50頁。當前13頁，總共50頁。當前14頁，總共50頁。當前15頁，總共50頁。2．膨脹度

各種離子的交換樹脂，都含有極性很強的交換基團，因此親水性極強，但由于交聯(lián)后具有立體型的網狀結構，因而不溶于水，具有親水凝膠的性質，吸水就膨脹，脫水就收縮。膨脹是可逆地進行的，其程度隨樹脂的交聯(lián)度、相反離子的種類和濃度、外部溶液的濃度而變化，一般的商品樹脂，每克干樹脂可吸附0.5~1.0克水分，交聯(lián)度較低的樹脂，每克吸附1.0~3.0克水分。交聯(lián)度大的樹脂，膨脹度小，因而由于實驗條件的變化而引起的膨脹度的差異就小。但交聯(lián)度小的樹脂，會顯著膨脹或收縮，往往造成操作上的種種困難。當前16頁，總共50頁。3．交聯(lián)度

樹脂的性質隨著作為交聯(lián)劑的DVB（二乙烯苯

）的含量不同而有所差異。合成樹脂時，單體中DVB的含量百分數(shù)稱為交聯(lián)度，在商品樹脂中，通常是8%~12%。但合成時，通過改變它和苯乙烯的混合比，可制出不同含量的產品。一般說來，交聯(lián)度越大，樹脂越堅固，在水中不易溶脹。而交聯(lián)度減少，樹脂變得柔軟，容易溶脹。當前17頁，總共50頁。樹脂工藝當前18頁，總共50頁。樹脂工藝當前19頁，總共50頁。樹脂工藝當前20頁，總共50頁。4．交換容量

交換容量是單位質量的干燥離子交換劑或單位體積的濕離子交換劑所能吸附的一價離子的毫摩爾數(shù)，是表征樹脂交換能力的主要參數(shù)。其表示方法有重量交換容量和體積交換容量兩種，后一種較直觀的反映生產設備的能力。當前21頁，總共50頁。（三）離子交換樹脂和操作條件的選擇1、選擇合適的樹脂是應用離子交換法的關鍵。

選用樹脂的主要依據(jù)是被分離物的性質和分離目的。樹脂的選用，最重要的一條是根據(jù)分離要求和分離環(huán)境，保證分離目的物與主要雜質對樹脂的吸附力有足夠的差異。

當前22頁，總共50頁。一般來說，對強堿性產物宜選用弱酸性樹脂，用強酸性樹脂固然也能吸附，但解吸較困難。對弱堿性產物宜選用強酸性樹脂，若選用弱酸性樹脂則因弱酸、弱堿所成的鹽易水解故不易吸附。弱酸性產物宜用強堿性樹脂；強酸性產物宜用弱堿性樹脂。當前23頁，總共50頁。必須指出，用離子交換樹脂吸附酶等蛋白質是有困難的，因為酶在吸附、解吸過程中會失活。將樹脂骨架由憎水性改為親水性，如經過加工的纖維素所制得的離子交換劑，現(xiàn)已被用于提取酶。俄羅斯開發(fā)了一種以三嗪為骨架的羧基樹脂，可用來提取胞外酶。當前24頁，總共50頁。2、應注意選擇合適的操作條件，最重要的操作條件是交換時溶液的pH值。合適的pH值須滿足三個條件：（1）pH值應在產物的穩(wěn)定范圍內；（２）使產物能離子化；（３）使樹脂能解離。當前25頁，總共50頁。二、離子交換設備目前已出現(xiàn)的離子交換設備：按結構型式分為罐式、塔式、槽式等。按操作方式分為間歇式、周期式與連續(xù)式；根據(jù)兩相接觸方式的不同，又可分為固定床、移動床、流化床等。當前26頁，總共50頁。固定床設備它是現(xiàn)今應用得最多的離子交換設備。優(yōu)點：它具有設備結構簡單、操作管理方便、樹脂磨損少等優(yōu)點，弊端：存在設備管線復雜、閥門多、樹脂利用率相對較低等。當前27頁，總共50頁。（一）間歇式離子交換設備當前28頁，總共50頁。一般的離子交換罐為具有橢圓形封頭的圓筒形設備，其圓筒體的長和筒徑之比一般為2~3，也有高至5的。樹脂層高度約占圓筒高度的50~70%，須留有充分的空間，已備反沖時樹脂層的擴脹。在交換罐的上部有溶液分布裝置，以使含有被交換離子的溶液、解吸液或再生劑能在整個罐截面上均勻地通過樹脂層。當前29頁，總共50頁。圓筒體的底部與橢圓形底之間常裝有多孔板、篩網及濾布以支持樹脂層，或者用塊石英石或卵石直接鋪于罐底以支持樹脂層。罐頂應有人孔或者手孔，大型交換罐的人孔也可以裝在罐壁上，以便于裝卸樹脂。視鏡孔和孔燈可以在罐頂也可以在罐壁上。罐頂部的被吸附溶液、解吸液、軟水進口可合用一個進口管與罐頂相連，罐底的各種液體出口及反洗水進口和壓縮空氣進口也可合用一個總進出口。另外，罐頂上應有壓強表、排空口及反洗水出口。交換罐一般用鋼板制成，內壁襯橡膠。附屬管道一般為硬聚氯乙烯管，閥門可用聚氯乙烯、不銹鋼或橡皮膜閥門。常用的離子交換罐見圖10-1及圖10-2。當前30頁，總共50頁。1．反吸附離子交換罐當前31頁，總共50頁。在反吸附離子交換罐中，被交換的溶液由罐的下部導入，其流速和粘度以使樹脂在罐內呈沸騰狀態(tài)而不溢出罐外為宜，交換后的溶液則由罐頂?shù)某隹谝绯觥７次匠梢允∪ゾz過濾（如被交換的溶液為發(fā)酵液）這一工序外，還具有液固兩相接觸面大而且較均勻，操作時不產生短路、死角，以及流速大和生產周期短等優(yōu)點，因此解吸后所得的產品質量較高。但反吸附時樹脂的飽和度不及正吸附的高。此外罐內樹脂高度要比正吸附時低一點，以免樹脂外溢。當前32頁，總共50頁。2．固定床離子交換設備當前33頁，總共50頁。這種操作方式使用最廣，設備結構較為簡單，操作也很方便。離子交換樹脂的下部要用多孔陶土板、粗粒無煙煤、石英砂等作為支撐體。被處理的溶液從樹脂上方加入，經過分布管使液體均勻分布于整個樹脂的橫截面。加料可以是重力加料，也可以是壓力加料，后者要求設備密封。料液與再生劑可以從樹脂上方通過各自的管道和分布器分別進入交換器，樹脂支撐下方的分布管則便于水的逆洗。柱式離子交換器可用不銹鋼、硬塑料制作，常常用有襯里的碳鋼制造，管道、閥門一般均用塑料制成。固定床離子交換器的再生方式分成順流與逆流兩種。逆流再生有較好的效果，再生劑用量可減少；但要發(fā)生樹脂層的上浮。當前34頁，總共50頁。如將陽、陰兩種樹脂混合起來，則制成混合離子交換設備。將混合床用于抗生素等生物產品的精制，可避免采用單床時溶液變酸（通過陽離子柱時）及變堿（通過陰離子柱時）的現(xiàn)象，因而可減少目標產物的破壞。單床及混合床固定式離子交換裝置見圖10-4所示。當前35頁，總共50頁。另外，有一些離子交換器既可用于固定床的操作，也可用于流化床的操作。該裝置的示意圖見圖10-5，當前36頁，總共50頁。當前37頁，總共50頁。（三）連續(xù)式離子交換設備1．一般連續(xù)式離子交換設備固定床的離子交換操作中（指正吸附操作），交換僅限于在很短的交換帶中進行，因此樹脂利用率低，生產周期長。若采用連續(xù)逆流式操作則可避免上述缺點，且交換速度快，產品質量均勻，連續(xù)化生產便于自動化控制。但連續(xù)離子交換過程中的樹脂破損很大，設備及操作較復雜且不易控制。圖10-10和圖10-11為連續(xù)逆流離子交換設備的示意圖。當前38頁，總共50頁。當前39頁，總共50頁。第二節(jié)吸附過程原理及設備吸附(Adsorption)是利用適當?shù)奈絼谝欢ǖ牟僮鳁l件下，使有用目標產物或有害成分被吸附劑吸附，富集在吸附劑表面，然后再以適當?shù)南疵搫⑽降奈镔|從吸附劑上解吸下來，從而達到濃縮和提純的目的，這樣的過程稱為吸附操作。當物質從流體相（氣體或液體）濃縮到固體表面從而實現(xiàn)分離的過程稱為吸附作用。在表面上能發(fā)生吸附作用的固體微粒稱為吸附劑，而被吸附的物質稱為吸附質。當前40頁，總共50頁。按吸附劑對吸附質的吸附作用可分為三類，即物理吸附、化學吸附和交換吸附。分離過程中的吸附操作應用最廣的是物理吸附，化學吸附的應用較少，而交換吸附在生物工程的下游技術中應用越來越廣泛。當前41頁，總共50頁。物理吸附吸附劑和吸附質通過分子間范德華力而產生的吸附作用稱為物理吸附。物理吸附無選擇特異性，但隨著物系的不同，吸附量可相差很多。物理吸附不需要較高的活化能，在低溫條件下也可進行。物理吸附通常是可逆的，在吸附的同時，被吸附的分子由于熱運動離開固體表面而發(fā)生解吸。當前42頁，總共50頁。吸附操作廣泛應用于各種生產領域的分離過程，如除臭、脫色、去鹽、吸濕、防潮以及制備軟水、無鹽水等方面。固體吸附與生物工程關系密切，在原料液處理、除臭、目標產物的分離、精制等方面發(fā)揮著重要的作用。早期使用的吸附劑有高嶺土、氧化鋁、凝膠型離子交換樹脂、活性碳、分子篩等。近年來合成的大孔網狀聚合物吸附劑，與經典的活性炭吸附劑相比，有很多優(yōu)點，在各個領域得到了廣泛的應用。隨著新吸附劑的出現(xiàn)及應用技術的進步，吸附法已廣泛滲透到水處理、金屬冶煉、原子能科學技術、海洋資源開發(fā)、食品加工、醫(yī)藥衛(wèi)生和環(huán)境保護等領域。當前43頁，總共50頁。一、吸附過程與原理（一）吸附法基本概念固體吸附劑可分為非多孔和多孔性物質兩類。非多孔性固體具有很小的比表面積，如將固體物質粉碎成微粒，則可增大其比表面積。而多孔性固體由于其顆粒內存在著微孔，比表面可以很大。非多