离子交换设备

第二节离子交换设备离子交换法离子交换法主要是基于一种合成的离子交换剂作为吸附剂，以吸附溶液中需要分离的离子。在提取过程中，生物制品从发酵液中吸附在离子交换树脂上，然后在适宜的条件下用洗脱剂将吸附物从树脂上洗脱下来，达到分离、浓缩、提纯的目的。特点树脂无毒性且可反复再生使用，少用或不用有机溶剂，因而成本低，设备简单，操作方便。离子交换法生产周期长，pH变化范围大，甚至影响成品质量。离子交换车间一、离子交换树脂的分类离子交换树脂是一种具有网状立体结构、且不溶于酸、碱和有机溶剂的固体高分子化合物。离子交换树脂的单元结构由两部分组成。一部分是不可移动且具有立体结构的网络骨架另一部分是可移动的活性离子。活性离子可在网络骨架和溶液间自由迁移。离子交换树脂的分类按树脂骨架的主要成分：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：共聚型树脂和缩聚型树脂按树脂骨架的物理结构：凝胶型树脂（亦称微孔树脂）、大网络树脂（亦称大孔树脂）及均孔树脂活性基团的电离程度：强酸性、弱酸性阳离子交换树脂、强碱性、弱碱性阴离子交换树脂二、离子交换树脂的理化性能1．颗粒度大多数商品树脂多制成球形，以提高机械强度和减少流体阻力，其直径在0.2～1.2mm（70～16目）之间。粒度过小，堆积密度大，容易产生阻塞。粒度过大，强度下降，装填量少，内扩散时间延长，不利于有机大分子的交换。2．交换容量交换容量是表征树脂交换能力的重要参数，其表示方法有质量交换容量（mmol/g干树脂）和体积交换容量（mmol/ml树脂）。工作交换容量：在一定的应用条件下树脂表现出来的交换量再生交换容量：树脂在指定的再生剂用量条件下再生后的交换容量。再生交换容量=（0.5~1.0）交换容量；工作交换容量=（0.3~0.9）再生交换容量。工作交换容量与再生交换容量之比称为离子交换树脂利用率。3．机械强度将离子交换树脂先经酸、碱溶液处理后，置于球磨机械振荡筛机中撞击、磨损，一定时间后取出过筛，以完好树脂的质量百分率来表示。商品树脂的机械强度通常规定在90％以上。4．膨胀度测定膨胀前后树脂的体积比，可得出膨胀度。在设计离子交换罐时，树脂的装填系数应以工艺过程中膨胀度最大时的树脂体积为上限参数，以免装量过度或设备利用率降低。5．含水量及密度含水量是指每克干树脂吸收水分的数量，一般是0.3～0.7g，高交联度的树脂含水量较低。密度常用湿堆积密度和湿真密度表示。交联度高，则堆积密度大。6．孔结构树脂的孔径大小差别很大，与合成方法、原料性质等密切相关。在合适的孔径基础上，选择比表面较大的树脂，有利于提高吸附量和交换速度。三、离子交换设备及计算根据离子交换的操作方式不同，可分为静态和动态交换设备两大类。静态设备为一带有搅拌器的反应罐，反应罐仅作静态交换用，交换后利用沉降、过滤或水力旋风将树脂分离，然后装入解吸罐（柱）中洗涤和解吸。动态交换设备按操作方式不同分间歇操作的固定床和连续操作的流动床两类。固定床有单床、多床、复床及混合床。（1）单床（2）复床（3）混合床离子交换设备单柱双柱串联根据溶液进入交换柱（罐）的方向又有正吸附和反吸附两种。连续流动床是指溶液及树脂以相反方向连续不断流入和离开交换设备，一般也有单床、多床之分。（一）离子交换设备的结构1．常用离子交换罐具有多孔支持板的离子交换罐l.视镜2.进料口3.手孔4.液体分布器5.树脂层6.多孔板7.尼龙布8.出液口具有块石支持层的离子交换罐l.进料口2.视镜3.液位计4.树脂层5.卵石层6.出液口离子交换罐交换罐多用钢板制成，内衬橡胶，以防酸碱腐蚀小型交换罐可用硬聚氯乙烯或有机玻璃制成，实验室用的交换柱多用玻璃筒制作。几个单床串联起来便成为多床设备，操作时溶液用泵压入第一罐，然后靠罐内空气压力依次压入下一罐。离子交换罐的附属管道一般用硬聚氯乙烯管、阀门可用塑料、不锈钢或橡皮隔膜阀。在阀门和交换罐之间常装一段玻璃短管，作观察用2．反吸附离子交换罐溶液由罐的下部以一定流速导入，使树脂在罐内呈沸腾状态，交换后的废液则从罐顶的出口溢出。特点：反吸附可以省去菌丝过滤，且液固两相接触充分，操作时不产生短路，死角。生产周期短，解吸后得到的生物产品质量高。反吸附时树脂的饱和度不及正吸附的高。罐内树脂层高度比正吸附时低，以防树脂外溢。反吸附离子交换罐l.被交换溶液进口2.淋洗水、解吸液及再生剂进口3.废液出口4、5.分布器6.淋洗水、解吸液及再生剂出口，反洗水进口扩口式离子交换器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.扩大沉降段8.回流管9.循环室10.液体出口管11.顶盖3．混合床交换罐混合床内的树脂是由阳、阴两种树脂混合而成，脱盐较完全。制备无盐水时，可将水中的阳、阴离子除去，而从树脂上交换出来的H+和OH－结合成水，可避免溶液中pH的变化而破坏生物产品。阳、阴离子交换树脂常以体积比1：1混合，制备无盐水时流速约25～30m/h。混合床制备无盐水的流程制药工业用反渗透加混合床生产纯水工艺流程图制药工业用反渗透加混合床生产纯水工艺流程图4．连续式离子交换设备采用连续离子交换设备操作，交换速度快，产品质量均匀、连续化生产、便于自动控制。这种操作过程中树脂破坏大，设备及操作较复杂且不易控制。目前在软水及无盐水的中间规模生产中有所采用。再生后的树脂由柱顶以一定速度加入，与柱底进入的溶液逆流接触，饱和树脂在柱底流出，废液则在柱顶流出。筛板式连续离子交换设备l.树脂计量管及加料口2.塔身3.漏斗形树脂下降管4.筛板5.饱和树脂受器6.虹吸管漩涡式连续离子交换设备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.虹吸管离子交换器（二）离子交换设备的计算离子交换过程的平衡和速度常因所处理的物料性质及操作条件不同而有很大差异。发酵液中还含有较多的杂质，操作时间及接触方式的限制，都影响树脂的交换容量。实际生产中，为避免生物产品的损失，常控制发酵液的上柱量不能达到饱和状态，一般控制树脂的吸附量仅为树脂总交换容量的70％左右。离子交换设备的设计应在实验的基础上进行，或根据小设备的实验结果进行放大。1．树脂用量和罐体积交换罐中树脂的吸附量为：Q1=Vq×106式中Q1——交换罐中树脂对生物产品的总吸附量，单位；V——树脂装填量，m3；q——单位体积树脂对生物产品的吸附量，单位/mL。溶液中的生物产品被树脂的吸附量为：Q2=V1(c1—c2)·106=Fτ(c1—c2)·106式中Q2——溶液中的生物产品被树脂的吸附量；V1——每批处理的溶液量，m3；F——溶液进入交换罐的流量，m3/h；τ——溶液通过交换罐的操作时间，h；c1——进口溶液中生物产品浓度，单位/mL；c2——出口溶液中生物产品浓度，单位/mL；且Q1=Q2所以干树脂重量为：式中m——交换罐中干树脂用量，kg；V2——每克干树脂相当于湿树脂的体积，mL（湿）/g（干）。11212()()VccFccVqq3210/mVV吸附、水洗、解吸或再生所需时间可由下式求得：式中τ——吸附、水洗、解吸或再生所需时间，hV’——吸附、水洗、解吸或再生所需溶液体积，m3；F——吸附、水洗、解吸或再生所需溶液流量，m3/h；f——吸附、水洗、解吸或再生的交换罐负荷，m3（溶液）/［m3（树脂）·h］；H——树脂床层高度，m；ω——吸附、水洗、解吸或再生时溶液的空塔流速，m3（溶液）/［m2（床面积）·h］。'''VVVHFVfV2．交换设备的放大交换设备的放大，通常根据交换罐的负荷或溶液在交换罐中的空塔流速相同的原则进行。(1)根据交换罐负荷相同的原则放大交换罐负荷是指单位时间单位湿树脂体积中所通过溶液的体积流量。以f[m3（溶液）/m3（湿树脂）·h]表示，或以1/h表示。此值的倒数为溶液与树脂的接触时间。保证大小设备的f值相同，即说明两者的接触时间相同。设qv1、qv2、V1、V2分别表示小设备和大设备的溶液体积流量及湿树脂体积，f1、f2表示交换罐负荷，则：且f1=f2则故大设备中树脂体积为：且qv1/qv2即为放大倍数，以m表示，则：V2=m·V1121122/,/vvfqVfqV1212//vvqqVV1221vvqVVq取大设备与小设备几何相似，即相同的高径比，由：且H1/D1=H2/D2则（D2/D1）3=V2/V1=F2/F1=m1故大设备的直径及高度为：按交换罐负荷相同的原则放大十分方便，且操作时间等条件完全与小设备相同。22111222,,44DHVDHV1/3211DmD2211DHHD（2）根据交换罐中溶液空塔流速相同的原则放大交换罐中溶液空塔流速即是单位时间单位树脂床截面积上所通过溶液的体积流量。以Q〔m3（溶液）/m2（床面积）·h〕表示，或以m/h表示。根据此法放大时，要维持大设备与小设备的树脂床高度相同，仅直径加大，以保证两者线速度相同，实际上也就是保证两者接触时间相同。若以v1、v2、A1、A2分别表示小设备和大设备的线速度和树脂床截面积。由且v1=v2则故D2=m1/2·D1且H2=H1所以121122/,/vvvqAvqA21221121//(/)vvqqAAmDD22224VDH交换设备的放大可以看出，两种放大方法所得树脂体积相同。采用前法放大后，树脂床层高度增加了，则解吸液浓度比较高，故一般采用前一种方法较好，但由于溶液的线速度相应增加，则流体阻力增大了。3．溶液通过床层的压力降式中Δp——溶液通过树脂床层时的压力降，Pa；μ——溶液粘度，Pa·s。；ε——床层空隙率；dP——树脂平均直径，m。232200(1)PHvpd反吸附时，溶液的压力降为：式中Hb——树脂成沸腾状时的高度，m；εb——树脂成沸腾状时的空隙率；ρs——树脂密度，kg/m3；ρ——溶液密度，kg/m3()(1)bsbpHg()(1)sHg反吸附时，树脂成沸腾状时溶液的最低（临界）流速为：反吸附时，溶液的最大流速（即树脂的自由沉降速度）为：0.941.820.060.880.00917Pscdv20()18Psdgv复习题1.根据离子交换操作方式的不同，可将离子交换设备分为哪几类？2.正吸附和反吸附离子交换罐各有何特点？3.连续离子交换设备的优缺点是什么？4.离子交换设备放大时，主要根据什么原则？