大學(xué)課件 生物工程設(shè)備 離子交換分離原理及設(shè)備

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1、第 二 節(jié) 離 子 交 換 分 離 原 理 及 設(shè) 備 離 子 交 換 樹 脂 及 其 分 離 原 理 離 子 交 換 樹 脂 的 分 類 及 合 成 離 子 交 換 樹 脂 的 理 化 性 能 離 子 交 換 機(jī) 理 及 選 擇 性 離 子 交 換 裝 置 及 再 生 離 子 交 換 設(shè) 備 及 計 算 離 子 交 換 設(shè) 備 的 結(jié) 構(gòu) 離 子 交 換 設(shè) 備 的 計 算 離 子 交 換 樹 脂 的 分 類 按 樹 脂 骨 架 的 主 要 成 分 分 為 聚 苯 乙 烯 型 樹 脂 、 聚 丙烯 酸 型 樹 脂 、 酚 -醛 型 樹 脂 等 ； 按 聚 合 的 化 學(xué) 反 應(yīng) 分 為 共

2、聚 型 樹 脂 和 縮 聚 型 樹 脂 ； 按 樹 脂 骨 架 的 物 理 結(jié) 構(gòu) 分 為 凝 膠 型 樹 脂 (微 孔 樹 脂 )、大 網(wǎng) 絡(luò) 樹 脂 (大 孔 樹 脂 )及 均 孔 樹 脂 ； 按 樹 脂 的 酸 堿 性 分 為 強(qiáng) 酸 性 、 弱 酸 性 陽 離 子 交 換 樹脂 和 強(qiáng) 堿 性 、 弱 堿 性 陰 離 子 交 換 樹 脂 。 幾 類 樹 脂 性 能 的 比 較 類 型性 能 陽 離 子 交 換 樹 脂 陰 離 子 交 換 樹 脂強(qiáng) 酸 性 弱 酸 性 強(qiáng) 酸 性 弱 酸 性活 性 基 團(tuán) 磺 酸 羧 酸 季 胺 伯 胺 、 仲 胺pH 的 影 響 無 酸 性 交 換 力

3、 小 無 堿 性 交 換 力 小鹽 的 穩(wěn) 定 性 穩(wěn) 定 洗 滌 時 水 解 穩(wěn) 定 洗 滌 時 水 解再 生 劑 用 量 3 5倍 1.5 2倍 3 5倍 1.2 2倍交 換 速 率 快 慢 快 慢 離 子 交 換 樹 脂 的 理 化 性 能 顆 粒 度 ： 大 多 數(shù) 為 球 形 ， 直 徑 0.2 1.2mm； 交 換 容 量 ： 表 示 方 法 有 質(zhì) 量 交 換 容 量 (mmol/g樹脂 )和 體 積 交 換 容 量 (mmol/mL樹 脂 )； 此 外 還 有 工 作交 換 容 量 和 再 生 交 換 容 量 ； 機(jī) 械 強(qiáng) 度 膨 脹 度 含 水 量 及 密 度 ： 含 水

4、量 一 般 是 0.3 0.7g/g干 樹 脂 )；濕 堆 積 密 度 和 濕 真 密 度 一 般 為 600 850kg/m 2和 11001400kg/m2； 孔 結(jié) 構(gòu) 離 子 交 換 機(jī) 理 及 選 擇 性 離 子 交 換 機(jī) 理B + A+ BRARBA薄 膜 離 子 交 換 過 程 包 括 5步 ：1. A+自 溶 液 擴(kuò) 散 到 樹 脂 表 面 ；2. A+從 樹 脂 表 面 擴(kuò) 散 到 樹 脂內(nèi) 部 的 活 性 中 心 ；3. A+在 活 性 中 心 發(fā) 生 交 換 反應(yīng) ；4. 解 吸 離 子 B+自 樹 脂 內(nèi) 部 的活 性 中 心 擴(kuò) 散 到 樹 脂 表 面 ；5. B+

5、從 樹 脂 表 面 擴(kuò) 散 到 溶 液 ； Sampleapplicationand wash ElutionEquilibration Regeneration- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -+ + + + + + + + + + + + anionexchangerbead- - - 離 子 交 換 機(jī) 理 及 選 擇 性 離 子 交 換 機(jī) 理 離 子 交 換 機(jī) 理 及 選 擇 性 離 子 交 換 過 程 的 選 擇 性 離 子 的 水 化 半 徑 離 子 的 化 合 價 溶 液 的 酸 堿 度 交 聯(lián) 度

6、、 膨 脹 度 和 分 子 篩 樹 脂 與 交 換 離 子 之 間 的 輔 助 力 有 機(jī) 溶 劑 的 影 響 離 子 交 換 裝 置 及 再 生料 液 處 理 液 單 床 式 料 液 處 理 液 多 床 式 料 液 處 理 液 復(fù) 床 式 料 液 處 理 液 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 料 液 再 生 液處 理 液 廢 液逆 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 廢 液再 生 液料 液

7、再 生 液處 理 液對 流 再 生 離 子 交 換 裝 置 及 再 生再 生 操 作交 換 反 洗 再 生 水 洗 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 離 子 交 換 裝 置 及 再 生再 生 操 作 混 合 床 再 生 的 操 作 過 程 具有多孔支持板的離子交換罐 圓 筒 體 的 高 徑 比 一 般 為2 3， 樹 脂 層 高 度 約 為 圓筒 高 度 的 50 70 。1-視 鏡 2-進(jìn) 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

8、的離子交換罐 1-進(jìn) 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(jìn) 口 淋 洗 水 、 解 吸 液 及 再 生 劑 進(jìn) 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(jìn) 口反吸附離子交換罐 擴(kuò)口式離子交換器 混合床交換罐制備無機(jī)鹽的流程 篩板式連續(xù)離子交換設(shè)備 漩渦式連續(xù)離子交換設(shè)備 離 子 交 換 設(shè) 備 的 計 算 罐 體 積 yVVt 罐 體 積 Vt：罐 高 徑 比 一 般 取 H i/D=2 3。 交 換 設(shè) 備 的 放 大1.根 據(jù) 交 換 罐 負(fù) 荷 相 同 的

9、 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 ；3.溶 液 通 過 床 層 的 壓 力 降 離 子 交 換 的 應(yīng) 用 及 特 點 應(yīng) 用 1.氨 基 酸 2.有 機(jī) 酸 3.抗 生 素 4.生 物 酶 特 點 1.樹 脂 無 毒 且 可 反 復(fù) 使 用 2.少 用 或 不 用 有 機(jī) 溶 劑 3.成 本 低 4.設(shè) 備 簡 單 5.操 作 方 便 吸 附 分 離 原 理 及 設(shè) 備 吸 附 分 離 機(jī) 理 吸 附 法 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

10、在 固 定 吸 附 劑 的 內(nèi) 外 表面 上 ， 再 以 適 當(dāng) 的 解 吸 劑 將 產(chǎn) 物 從 吸 附 劑 上 解 吸 下 來 ，從 而 達(dá) 到 分 離 濃 縮 的 目 的 。 吸 附 分 離 原 理 及 設(shè) 備 吸 附 劑 的 選 擇 吸 附 劑 按 其 化 學(xué) 結(jié) 構(gòu) 可 分 為 兩 大 類 ： 一 類 是 有 機(jī)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(jī) 吸 附 劑 ， 如 白 土 、 氧 化 鋁 、硅 膠 、 硅 藻 土 等 。 吸 附 操 作 及 設(shè) 備1.攪 拌 罐 內(nèi) 的 吸 附

11、操 作2.固 定 床 吸 附 色 譜 分 離 原 理 及 設(shè) 備 色 譜 分 離 原 理 色 譜 分 離 操 作 條 件 色 譜 分 離 設(shè) 備 Column Chromatography 實 驗 室 規(guī) 模 空 柱 裝 柱 示 范 錄 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 b

12、ecause 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 stickc)Excess of Na+ ions is

13、 addedd)+ve proteins are elutedCould have used change in pH to elute the proteins 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 c

14、olumn binds glutathione-S-transferase on target 工業(yè)規(guī)模的色譜分離流程 色譜分離設(shè)備 玻 璃 色 譜 分 離 柱 色譜分離設(shè)備 帶 熱 夾 套 分 離 柱 反 轉(zhuǎn) 式 分 離 柱 KTAexplorer KTApurifier KTAFPLC色 譜 分 離 設(shè) 備 色 譜 分 離 設(shè) 備 實 驗 室 層 析 和 大 規(guī) 模 層 析 的 分 別分 辨 率 越 多 峰 越 好 要 求 純 度種 類 提 高 分 辨 率純 度定 性 增 加 增 加 樣 品 量 產(chǎn) 量 (生 產(chǎn) 力 ) (峰 越 少 越 好 ) 上 樣 速 度 不 注 重 最 大 樣 品

15、 處 理 速 度次 /h 生 產(chǎn) 力 =g/ml 膠 /h 線 性 放 大固 定 以 下 條 件 ：1. 相 同 線 行 流 速2. 相 同 緩 沖 液3. 相 同 填 料4. 相 同 柱 高5. 相 同 樣 品 濃 度 和 pH6. 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 例放 大 ：1. 柱 直 徑2. 體 積 流 速3. 上 樣 體 積 2.01.0 0 0 1 2 3 4 5 6(column volumes) A 280 nm 2.01.0 0 0 1 2 3 4 5 6(column volumes) A 280 nm

16、 Column: 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-propanol Flow rate: 150 cm/h a) 2 ml/minb) 785 ml/minGradient: 20-70% B,

17、 5 column volumes 切 實 可 行 的 可 放 大 性KTA explorer10 BioProcess23.6-ml column 9.4-litre column 切 實 可 行 的 可 放 大 性 大 型 層 析 柱 多 種 大 小 ,材 料 可 供選 擇 ,柱 床 體 積 高 達(dá)千 多 升 也 可 以 訂 做 經(jīng) 濟(jì) 型 INdEX 和 層 疊 柱 制 藥 用 BPG 和CHROMAFLOW 柱 極 高 標(biāo) 準(zhǔn) 的 BPSS 柱 專 為 SOURCE 填 料設(shè) 計 的 FineLINE 柱 CHROMAFLOW 自 動 裝 卸 層 析 柱 裝 卸 柱 到 清 洗 都 無 需打 開 柱 頭 安 全 ,重 復(fù) 性 高 節(jié) 省 人 力 Chromaflow 自 動 裝 卸 填 料 生 產(chǎn) 柱 示 范 錄 像 STREAMLINE 擴(kuò) 張 柱 床 吸 附 技 術(shù) 配 合 STREAMLINE填 料 和 層 析 柱 使 用 粗 樣 無 需 離 心 ， 過 濾 ， 直 接 上 柱 層 析 法 回 收 率 高 ， 選 擇 性 多 ， 可 自 動 化 取 代 離 心 和 超 濾 設(shè) 備 離 子 交 換 分 離 原 理 及 設(shè) 備 吸 附 分 離 原 理 及 設(shè) 備 色 譜 分 離 原 理 及 設(shè) 備小 結(jié)