Ионный обмен

Ионообменный метод основан на способности специальных сорбентов — ионообменных смол — сорбировать биологически активные вещества, имеющие ионную природу (т. е. являющиеся кис­лотой, основанием или солью), благодаря эквивалентному обмену между ионами вещества, нахо­дящегося в растворе, и ионами сорбента (рис.

Ионообменные смолы, или иониты, представляют собой синтетические высокомолекулярные органические вещества, практически нерастворимые в воде. Они содержат обменные ионы, один из которых связан с твердым носителем и называется фиксированным, или анкерным ионом. С ним электростатически связан противоположно заряженный ион, называемый подвижным ионом, или противоионом. По этому подвижному иону ионообменные смолы подразделяются на катионообменники и анионообменники. Существуют также амфотерные иониты, обладающие свойствами тех и других.

Основной характеристикой обменной способности ионита является полная обменная емкость (ПОЕ). Она определяется как число обменных групп в мг-эквивалентах, приходящееся на 1 г ионита.

Наиболее прост для реализации статический способ ионного обмена. В аппарат с мешалкой загружают ионит и обрабатываемый раствор. Затем при перемешивании ионит суспендируется и дается время, достаточное для установления равновесия. Далее раствор сливают или фильтру­ют (если гранулы ионита слишком мелкие). Раствор отделяют для повторного использования. Ионит же возвращают в аппарат, заливают элюентом, т. е. водным раствором, часто с изме­ненным значением pH или с добавлением противоиона (иона хлора). Происходит обратный про­цесс (десорбция, элюция) — противоион сорбируется в ионите, а сорбированное ранее вещество переходит в элюент. При этом продукт освобождается от примесей, которые не сорбируются и уходят с исходным раствором. Однократная сорбция—десорбция имеет недостаток: при этом сорбент не полностью поглощает растворенное вещество и не полностью переходит в элюент.

Чаще же в промышленности используют динамический способ. В этом способе ионит загружа­ется в аппарат и обрабатываемый раствор непрерывно протекает через слой ионита. Назвать этот процесс полностью непрерывным нельзя, так как ионит загружается и выгружается периодичес­ки, поэтому процесс нестационарный.

Аппарат с загруженным ионитом называете ной. Возможны два варианта таких «фильтров»: закрытый (напорный) и от­крытый (безнапорный).

Напорная колонна заполнена , гранулами ионита. Жидкость подается под напором свер­ху. У днища внутри аппарата устанавливает­ся колпачковый фильтр с прорезями 0,2- 0,3 мм, через которые проходит жидкость, но задерживаются гранулы ионита.

Недостатком такой простой конструкции является неподвижность слоя ионитов, ко­торый сжат давлением нагнетаемой жидкос­ти. Происходит слипание частиц ионита, образование каналов и застойных зон. В ре­зультате довольно большая часть ионита не участвует в процессе ионообмена, возможно также инфицирование застойных участков посторонней микрофлорой.

В безнапорную колонну (рис. 33) раствор подается в него снизу через специальный слой зернистого материала. Скорость потока в ап­парате выбирается таким образом, чтобы слой ионита находился во взвешенном состоянии.

Чтобы при этом не происходило выноса гра­нул ионита, верхняя часть колонны выпол­нена расширенной. В этой части колонны ско-

I ионитовым фильтром, или ионообменной колон-

Рис. 32. Схема ионного обмена, происходящего при адсорбции отрицательно заряженного белка на ионообменнике. Семь положительно заряженных ионов, ассоциированных с белком, вытесняются вместе с семью отрицательно заряженными ионами из ионообменника (по данным Р. Скоутгса)

Рис. 33. Схема «открытого фильтра»

1 — колпачковый фильтр; 2 — слой зернистого материала; 3 — слой ионита; 4 — корпус; кольцевой карман; 6— экран для задержания гранул ионита; 7 — патрубок сообщения с атмосферой;

8 — переливной патрубок; I — исходный раствор;

II — отработанный раствор

рость потока снижается, что способствует оседанию гранул. Вывод отработанного ра­створа из колонны снабжен системой улавливания гранул ионита (за счет изме­нения направления потока).

В обоих случаях после насыщения слоя ионита (определяемого по повыше­нию концентрации растворенного вещес­тва в отработанном растворе) раствор направляется на другую колонну, затем на третью, четвертую и т. д.

Обычно существует батарея ионооб­менных колонн, работающих в различных режимах. На отключенной колонне снача­ла проводят вытеснение рабочего раствора обессоленной водой, затем промывают ионит раствором антисептика.

Далее осуществляется процесс извле­чения полезного вещества из сорбента — элюция. Элюат (чистый раствор, содержа­щий десорбированное вещество) поступа­ет на дальнейшие стадии концентрирова­ния; Элюция прекращается после сниже­ния концентрации в выходном потоке до предельного уровня. После элюции про­водится процесс регенерации ионита, Для этого через слой ионита пропускают раствор противо­иона, который сорбируется на ионите, занимая там свое «законное место».

Поскольку в рассмотренной схеме слой ионита остается неподвижным, приходится иметь бата­реи аппаратов, постепенно переключая их на тот или иной режим работы.

Обычно количество элюата меньше, чем количество исходного раствора, что позволяет наря­ду с очисткой вещества от примесей проводить частичное концентрирование раствора.

Главное же в этом методе — это отделение продукта от примесей, «грязи». Способность ионо­обменных смол сорбировать именно целевой продукт называется селективностью.

При помощи ионитов с очень высокой селективностью делались попытки выделения раство­ренного компонента (например, антибиотиков) прямо из культуральной жидкости, содержащей биомассу микроорганизмов. Хотя при этом исключается стадия фильтрации, это не всегда хоро­шо — остатки среды и микроорганизмы забивают поры ионита, способствуют обрастанию его гранул.

Ионообменным способом выделяют многие антибиотики, аминокислоты, ферменты.

Несколько слов о самих ионообменных смолах. Есть много типов ионитов, имеющих раз­меры гранул от 300 мкм до 2 мм и более. При этом очень важен их равномерный дисперсный состав (чтобы не было уноса).

В качестве матриц в смолах используют:

• полистирол (поливинилбензол);

• полиакрилат, полиметакрилат;

• полиамин;

• целлюлозу, декстран и др.

В качестве функциональных групп применяются:

• карбоксильные;

• сульфоновые;

• первичные — четвертичные аминогруппы.

Среди преимуществ метода следует назвать:

• простота аппаратурного оформления;

• многократное использование ионообменных смол;

• возможность полной механизации и автоматизации процесса;

• протекание процесса в водных растворах, без использования вредных органических рас­творителей.

К недостаткам метода относятся следующие особенности:

• нельзя использовать для извлечения неполярных веществ;

• селективность метода не всегда достаточна для разделения смеси веществ;

• наличие твердой фазы затрудняет возможность использования противотока для создания равномерной движущей силы процесса;

• довольно велико гидравлическое сопротивление колонн при малых размерах гранул ионита.

Использование твердофазных ионитов связано с одним противоречием. С одной стороны, для быстрой сорбции следует снижать размер гранул. С другой стороны, это технологически неудобно: создается большое гидравлическое сопротивление, увеличивается возможность уноса ионитов, затрудняется отделение гранул от раствора.

Часть этих недостатков исключается при использовании жидких ионообменников, представля­ющих собой амины или органические кислоты или алкилфосфаты с молекулярной массой 250-500.

В этих случаях ионный обмен протекает быстро, а для его аппаратурного оформления использу­ются аппараты для экстракции жидкость—жидкость. Собственно говоря, и сам процесс очень напоминает экстракцию, хотя в обмене участвуют ионы, а не молекулы.

3.7.2.