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。生物工业中最常用的交换剂为离子交换树脂，广泛用于提取氨基酸、有机酸、抗生素等小分子生物制品。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。

离子交换法的特点是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。目前已成为生物制品提纯分离的主要方法之一。但离子交换法也有生产周期长，PH变化范围大，甚至影响成品质量等缺点。此外，离子交换树脂法还广泛用于脱色、硬水软化及制备无盐水等。

一、离子交换树脂及其分离原理

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，当树脂处在溶液中时，其上的活性离子可与溶液中的同性离子产生交换过程。这种交换是等当量进行的。如果树脂释放的是活性阳离子，它就能和溶液中的阳离子发生交换，称阳离子交换树脂；如果释放的是活性阴离子，它就能交换溶液中的阴离子，称阴离子交换树脂。

(一)离子交换树脂的分类

离子交换树脂通常有4种分类方法，一是按树脂骨架的主要成分将树脂分为聚苯乙烯型树脂，聚丙烯酸型树脂、酚-醛型树脂等；二是按聚合的化学反应分为共聚型树脂和缩聚型树脂；三是按树脂骨架的物理结构分为凝胶型树脂(亦称微孔树脂)、大网络树脂(亦称大孔树脂)及均孔树脂。由于活性基团的电离程度决定了树脂酸性或碱性的强弱，所以又将树脂分为强酸性、弱酸性阳离子交换树脂、强碱性、弱碱性阴离子交换树脂。活性基团决定着树脂的主要交换性能。

强酸性阳离子交换树脂

这类树脂的活性基团有磺酸基团(-SO₃H)和次甲基磺酸基团(-CH₂SO₃H)。它们都是强酸性基团，电离程度大且不受溶液pH变化的影响，在pH1～14范围内均能进行离子交换反应，以磺酸型树脂与NaCl作用为例，交换反应为：

RSO₃H＋NaCl=RSO₃Na＋HCI

此外，以磷酸基团-PO(OH)₂和次磷酸基团-PO(OH)作为活性基团的树脂具有中等强度的酸性。最多的为732#

弱酸性阳离子交换树脂

这类树脂的活性基团有羧基-COOH，酚羟基-OH等，它们的电离程度小，交换性能受溶液pH的影响很大，其交换能力随溶液pH的增加而提高。在酸性溶液中，这类树脂几乎不发生交换反应、对于羧基树脂，应该在pH>7的溶液中操作，而对于酚羟基树脂，应使溶液的pH＞9。

和强酸树脂不同，弱酸树脂和氢离子结合能力很强，故再生成氢型较容易，耗酸量少。

强碱性阴离子交换树脂

这类树脂有两种，一种含三甲胺基称为强碱I型，另一种含二甲基-b羟基-乙基胺基团，为强碱型。和强酸离子交换相似，活性基团电离程度较强且不受pH变化的影响，在pH1～14范围内均可使用。这类树脂成氯型时较羟型稳定，耐热性也较好，因此，商品大多以氯型出售。I型的碱性比对Ⅱ型强，但再生较困难，Ⅱ型树脂的稳定性较差。典型的交换反应为

RN(CH₃)₃CI＋NaOH—→RN(CH₃)₃OH+NaCl

弱碱性阴离子交换树脂

这类树脂的活性基团有伯胺基团-NH₂、仲胺基=NH、叔胺基≡N和吡啶基等。与弱酸阳离子树脂一样，交换能力受溶液pH的影响很大，pH越小交换能力越强。故在pH<7的溶液中使用。这类树脂和OH^-结合能力较强，再生成羟型较容易，耗碱量少。

二）离子交换树脂的理化性能

选择离子交换树脂时，除具有良好的化学稳定性外，其理化性能有：颗粒度、交换容量、机械强度、膨胀度、含水量、密度、孔结构等。

1．颗粒度

除因合成方法限制或因特殊用途而制成无定形、膜状、棒状、粉末状外，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），后一种可直观地反映出设备的生产能力、收率和设计投资。除交换容量外，还有工作交换容量（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）。一般情况下三者的关系为：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

干树脂浸在水溶液或有机溶剂中时，活性离子因热运动可在树脂空隙的一定距离内运动，同时由于存在着渗透压使外部水分渗入内部促使树脂空隙扩大而体积膨胀。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。由于干树脂易破碎，商品树脂均以湿态密封包装。干燥树脂初次使用前，应先用盐水浸润后，再用水逐步稀释以防暴胀破碎。

密度常用湿堆积密度和湿真密度表示，湿堆积密度的值一般为600～850kg／m³，阳树脂偏上限，阴树脂靠下限。交联度高，则堆积密度大。湿真密度的值一般为1100～1400kg／m³，活性基因愈多，其值愈大。应用混合床或叠床工艺时，应尽量选取湿真密度差值较大的两种树脂，以利分层和再生。

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、孔径大小对离子交换树脂选择性的影响很大，对吸附有机大分子尤为重要。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。

图2 离子交换过程　

（三）离子交换机理及选择性

l．交换机理

利用阳离子交换树脂从谷氨酸发酵液中分离谷氨酸是选择性吸附。将发酵液中残糖及其聚合物、色素、蛋白质等非离子杂质得以分离，经洗脱浓缩，在等电条件下获取谷氨酸。

发酵液中谷氨酸在通过阳离子交换柱时，先向树脂表面扩散，再穿过树脂表面向树脂内部扩散，谷氨酸中的一NH₃⁺”与树脂交换基团一SO₃^-H⁺的H⁺进行交换，交换下来的H⁺从树脂内部向表面扩散，由于H⁺扩散到溶液中，所以发酵液流经交换柱的流出液；其pH会下降。

2．离子交换速度方程

当外扩散控制时，可推得离子交换速度方程为：

ln（1-F）=-K·t

式中 K—外扩散速度常数，K=3D_e/(r₀ δ г)；

D_e—液相中的扩散系数；

r₀—树脂颗粒半径；

г—吸附常数，达到平衡时，固相浓度与液相浓度之比。稀溶液中，г为一定值；F—时间为t时，树脂的饱和度，即树脂上的吸附量与平衡吸附量之比。

3．影响交换速度的因素

减小颗粒无论对内扩散控制或外扩散控制都有利于交换速度的提高，交联度越低、树脂越易膨胀，则树脂内部的扩散就越容易。所以当内扩散控制时，降低树脂交联度，可提高交换速度；温度高时，扩散系数大，则交换速度快；离子在树脂中扩散时，离子与树脂骨架间存在库仑引力。离子化合价越高，这种引力越大，则扩散速度就愈小；另外，小离子的扩散速率比较快，而大分子由于和树脂骨架碰撞，使骨架变形，则扩散速度慢。工业上可利用大分子和小分子在某种树脂上的交换速度不同而达到分离的目的，这种树脂称为分子筛。

4．离子交换的选择性

当溶液中同时存在着很多种离子时，树脂则对离子有选择吸附作用。一般来说，离子和树脂间亲和力越大，就越容易吸附，对无机离子而言，离子水合半径越小，这种亲和力越大，也就容易被吸附，这是因为离子在水溶液中都要和水分子发生水合作用形成水化离子；在常温下的稀溶液中，离子交换的选择性与化合价呈现明显的规律性：离子的化合价越高，就越容易被吸附；离子交换反应受溶液的pH影响很大。对强酸、强碱树脂来说，任何pH下都可进行交换反应，而弱酸、弱碱树脂的交换反应则分别在偏碱性、偏酸性或中性溶液中进行，对凝胶型树脂来说，交联度大，结构紧密，膨胀度小，促进吸附量增加；相反，交联度小，结构松弛，膨胀度大，吸附量减小；另外，离子交换反应是在树脂颗粒内外部的活性基上进行的，因此要求树脂有一定的孔道，以便离子的进出反应；离子交换树脂在水和非水体系中的行为是不同的。有机溶剂的存在会使树脂脱水收缩，结构紧密，降低吸附有机离子的能力，而相对提高吸附无机离子的能力。可见，有机溶剂的存在不利于有机离子的吸附。利用这个特性，常在洗涤剂中加适当有机溶剂以洗脱有机物质。

(1) 吸附顺序

用强酸性离子交换树脂（732＃）提取谷氨酸时，发酵液或等电母液中同时存在的阳离子有Na⁺ 、NH₄⁺、K⁺ 、Ca²⁺、Mg²⁺、腺瞟吟、氨基酸等。按树脂对这些离子吸引力和亲和力大小，其吸附顺序是：

金属离子——NH₄⁺ ——氨基酸——有机色素

(2) 氨基酸交换顺序

氨基酸与阳离子树脂进行交换时，其等电点的pH值越大，交换势越高，其交换顺序为：

     精氨酸＞赖氨酸＞丙氨酸＞亮氨酸
   pI： 10.8         9.7         6.0       5.98

(3) 金属阳离子和氨基酸的交换顺序

发酵液或等电母液中的阳离子交换势顺序为：

Ca²⁺＞Mg²⁺＞K⁺＞NH₄⁺＞Na⁺＞腺膘吟＞丙氨酸＞亮氨酸＞谷氨酸＞天门冬氨酸

上述离子都会影响阳离子树脂对谷氨酸的吸附，尤其是当发酵液或母液中NH₄⁺含量高，NH₄⁺的交换势大于谷氨酸，而分子又小于亮氨酸，它对谷氨酸的交换影响更大。在洗脱时，先下来是谷氨酸，后是NH₄⁺，金属离子最后被洗下，以达分离目的。

二、离子交换设备

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。这种设备目前较少采用，生产中多采用动态离子交换罐或交换柱。

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（单柱或单罐操作）见图3A、多床（多柱或多罐串联）见图3B、复床（阳柱、阴柱）及混合床（阳、阴树脂混合在一个柱或罐中）。根据溶液进入交换柱（罐）的方向又有正吸附（溶液在柱中至上而下流动）和反吸附（溶液至下而上流过）两种。连续流动床是指溶液及树脂以相反方向均连续不断流入和离开交换设备，一般也有单床、多床之分。

图4是一个最常见的离子交换柱，单击此图可以观看离子交换柱的AUTO CAD图。