離子交換法進行青霉素鉀鹽鈉鹽的轉(zhuǎn)化

項目6離子交換法進行青霉素鉀鹽鈉鹽的轉(zhuǎn)化任務(wù)6.1熟悉現(xiàn)場離子交換裝置工藝流程1任務(wù)6.2搜集離子交換相關(guān)知識和技術(shù)資料2任務(wù)6.3企業(yè)生產(chǎn)操作規(guī)程及解讀3知識拓展——離子交換技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展4主要內(nèi)容任務(wù)6.2搜集離子交換相關(guān)知識和技術(shù)資料離子交換分離法定義

利用離子交換劑與溶液中的離子發(fā)生交換反應(yīng)進行分離的方法。特點

優(yōu)點：分離效率高，設(shè)備簡單，操作不復(fù)雜，樹脂又具有再生能力，可反復(fù)使用，應(yīng)用廣泛。缺點：分離周期長，耗時過多。1805年英國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了土壤中Ca2+和NH4+的交換現(xiàn)象；1876年Lemberg揭示了離子交換的可逆性和化學(xué)計量關(guān)系；1935年人工合成了離子交換樹脂；1940年應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)；1951年我國開始合成樹脂。發(fā)展史離子交換劑：具有離子交換能力的所有物質(zhì)，通常指固體離子交換劑，固體離子交換劑又稱為吸著離子交換劑。無機離子交換劑：

由天然的(粘土、沸石類礦物)和合成的(合成沸石、分子篩、水合金屬氧化物、多價金屬酸性鹽類、雜多酸鹽等)化合物構(gòu)成。有機離子交換劑：人工合成的帶有離子交換功能團的高分子聚合物．其中應(yīng)用最為廣泛的是離子交換樹脂。一、離子交換分類二、離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)性能和作用

固體球形顆粒，多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；不溶于水；具有離子交換特性的有機高分子聚電解質(zhì)。1.結(jié)構(gòu)

(一)組成

離子交換樹脂母體(骨架)活性基團固定離子可交換離子苯乙烯(單體)+二乙烯苯(交聯(lián)劑)母體共聚H2SO4功能基反應(yīng)R—SO3H固定離子可交換離子母體圖中以波形線條代表樹脂的骨架，活性基團磺酸基（—SO3H）。

聚苯乙烯型磺酸基陽離子交換樹脂離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)-網(wǎng)絡(luò)骨架強酸性（001-099）弱酸性（100-199）強堿性（200-299)弱堿性（300-399）X后面交聯(lián)度（對凝膠型離子交換樹脂）對大孔型離子交換樹脂，在型號的前面加“Ｄ”表示。離子交換樹脂命名分類代號和骨架代號代號分類名稱骨架名稱0強酸性苯乙烯系1弱酸性丙烯酸系2強堿性酚醛系3弱堿性環(huán)氧系4螯合性乙烯哌啶系5兩性脲醛系6氧化還原氯乙烯系●●●×●離子交換樹脂命名

Ｄ●●●交聯(lián)度數(shù)值順序號骨架代號分類代號分類代號順序號骨架代號大孔型代號００１×７001×7－交聯(lián)度為7%的苯乙烯系凝膠型強酸性陽離子交換樹脂Ｄ315大孔型丙烯酸弱堿性陰離子交換樹脂大孔型凝膠型按選擇性按結(jié)構(gòu)離子交換樹脂凝膠型等孔型孔大、均勻，抗有機污染能力強?？讖綖?0—100nm，溶脹度小，交換速度高，抗污染能力強。孔徑5nm，溶脹度較大，水溶脹后呈凝膠狀。大孔型離子交換樹脂陽離子交換樹脂陰離子交換樹脂弱堿性陰離子交換樹脂R—NH3OH強堿性陰離子交換樹脂RNOH弱酸性陽離子交換樹脂R—COOH強酸性陽離子交換樹脂R—SO3H樹脂分類強酸性苯乙烯型陽離子交換樹脂三、樹脂的理化性質(zhì)（1）外型（2）粒度顏色：白、黃、黑和褐色。形狀：大多為球形。大?。和ǔＳ脴渲谒信蛎浐笸ㄟ^篩的大小表示。樹脂顆粒在溶脹狀態(tài)下直徑的大小即為其粒度。商品樹脂的粒度一般為16～70目（1.19～0.2mm）特殊規(guī)格為200～325目（0.074～0.044mm）制藥生產(chǎn)一般選用粒度為16～60目占90%以上的球形樹脂粒度越小，交換速度越快，但流體阻力也會增加。吸水后體積增大的現(xiàn)象。溶脹程度用溶脹率表示：溶脹的原因

水?dāng)U散到樹脂交聯(lián)網(wǎng)孔發(fā)生溶脹；

活性基團離解形成水合離子。

影響因素

樹脂交聯(lián)度：交聯(lián)度越大，溶脹率越低。

活性基團：離解程度越大，溶脹率越大；

可交換離子：水合半徑越大，溶脹率越高。(3)溶脹性（4）含水量每克干樹脂吸收水分的質(zhì)量稱為含水量，一般為0.3～0.7g。樹脂的交聯(lián)度愈高，含水量愈低。干燥的樹脂易破碎，故商品樹脂常以濕態(tài)密封包裝。干樹脂初次使用前應(yīng)用鹽水浸潤后，再用水逐步稀釋以防止暴脹破碎。干真密度：干燥狀態(tài)下，樹脂材料本身具有的密度。

濕真密度：在水中充分溶脹后濕樹脂本身的密度。

表觀密度：樹脂在水中充分溶脹后的堆積密度(視密度)。

單位均為mg/L.

一般情況下，陽離子樹脂比陰離子樹脂的真密度大；凝膠樹脂比相應(yīng)的大孔樹脂表觀密度大。(5)密度(6)交聯(lián)度交聯(lián)度為樹脂合成時交聯(lián)劑的用量，一般7%~10%。交聯(lián)度越高，孔隙度越低，密度越大，對半徑較大的離子和水合離子擴散速度越低，交換量越小。

在水中浸泡，形變小，較穩(wěn)定。單位體積濕樹脂(容量表示法)或單位重量干樹脂(重量表示法)可發(fā)生交換的活性基團數(shù)量。

容量表示法EV：mmol/ml、mol/l。

重量表示法EW

：mmol/g、mol/kg。EV=EW×[濕比重×(1-含水率)]

全交換容量：單位體積或重量樹脂中含可交換基團的總數(shù)。工作交換容量：在動態(tài)工作條件下，當(dāng)出水水質(zhì)達到交換終點時，樹脂層達到的平均交換容量。(7)交換容量交換容量/工作交換容量/再生交換容量的關(guān)系再生交換容量：由于樹脂失效后要經(jīng)再生方能重新使用，在指定的再生劑用量條件下的交換容量稱再生交換容量，三者之間的關(guān)系：工作交換容量<總交換容量再生交換容量＝0.5~1.0(上次工作交換容量)下次工作交換容量＝0.3~0.9(再生交換容量)（8）穩(wěn)定性不同類型的樹脂，其化學(xué)穩(wěn)定性有一定的差異。一般陽樹脂比陰樹脂的化學(xué)穩(wěn)定性更好，陰樹脂中弱堿性樹脂最差；干燥的樹脂受熱易降解破壞。強酸、強堿的鹽型比游離酸（堿）型穩(wěn)定，聚苯乙烯型比酚醛樹脂型穩(wěn)定，陽樹脂比陰樹脂穩(wěn)定。（9）機械強度膨脹度大，交聯(lián)度小的樹脂強度差具有強酸性的活潑基團：SO3H特性：淡黃色球狀顆粒；化學(xué)穩(wěn)定性好，耐磨性好；在酸性、堿性和中性介質(zhì)中都可使用；交換反應(yīng)速度快；無機、有機陰離子均可交換。四、離子交換樹脂的功能特性（1）強酸性陽離子交換樹脂離子交換劑的交換反應(yīng)陽離子交換反應(yīng)：Resin-SO3H+Na+=Resin-SO3Na+H+

Resin-SO3Na+H+=Resin-SO3H+Na+陰離子交換反應(yīng)：Resin-N(CH3)+

3OHˉ+Clˉ=N(CH3)+3Clˉ+OHˉResin-N(CH3)

+3Clˉ+OHˉ=N(CH3)+3OHˉ+Clˉ●陽離子交換劑只與陽離子交換，陰離子交換劑只與陰離子交換。（1）強酸性陽離子交換樹脂中和反應(yīng)：R-SO3H+NaOH→R-SO3Na+H2O中性鹽分解反應(yīng)：R-SO3H+NaClR-SO3Na+HCl復(fù)分解反應(yīng)：R-SO3Na+KClR-SO3K+NaCl強酸型樹脂與H+結(jié)合力弱，因此再生成氫型比較困難，故耗酸量較大，一般為該樹脂交換容量的3～5倍。（1）強酸性陽離子交換樹脂（2）弱酸性陽離子交換樹脂具有弱酸性的活潑基團：羧基(-COOH)、酚基(一OH)特性交換能力受酸度的影響較大中和反應(yīng)：R-COOH+NaOHR-COONa+H2O復(fù)分解反應(yīng)：R-COONa+KClR-COOK+NaCl與強酸樹脂不同，弱酸樹脂和H+結(jié)合力很強，所以容易再生成氫型且耗酸量少。（2）弱酸性陽離子交換樹脂具有強堿性的活潑基團：-CH2N(CH3)3+Cl-特性淡黃色的球狀顆粒；對強酸根和弱酸根都能交換；對酸堿氧化劑及某些有機溶劑都比較穩(wěn)定；在酸性、堿性溶液中都能使用，交換容量不受溶液中pH值影響。（3）強堿性陰離子交換樹脂中和反應(yīng)：R－N+(CH3)3OH-+HCl——→R－N(CH3)3Cl+H2O中性鹽分解反應(yīng)：R－N+(CH3)3OH-+NaClR－N(CH3)3Cl+NaOH復(fù)分解反應(yīng)：R－N(CH3)3Cl+NaBrR－N(CH3)3Br+NaCl這類樹脂的氯型較羥型更穩(wěn)定，耐熱性更好，故商品大多數(shù)是氯型。由于強堿性樹脂與OH-結(jié)合力較弱，再生時耗堿量較大。（3）強堿性陰離子交換樹脂具有弱堿性的活潑基團：-CH2NH3+Cl--CH2NH2(CH3)+Cl--CH2NH(CH3)2+Cl-此類樹脂的交換能力受酸度的影響較大。大孔弱堿性苯乙烯型陰離子交換樹脂

（4）弱堿性陰離子交換樹脂中和反應(yīng)：R-NH3OH+HCl——→R-NH3Cl+H2O復(fù)分解反應(yīng)：R-(NH3Cl)2+Na2SO4——→R-(NH3)2SO4+2NaCl弱堿性基團與OH-結(jié)合力很強，所以易再生為羥型，且耗堿量少。（4）弱堿性陰離子交換樹脂

性能陽離子交換樹脂陰離子交換樹脂強酸性弱酸性強堿性

弱堿性活性基團磺酸羧酸季銨

胺pH對交換能力的影響

無在酸性中交換能力很小

無在堿性溶液中交換能力很小鹽的穩(wěn)定性

穩(wěn)定洗滌要水解

穩(wěn)定洗滌時要水解再生需過量的強酸很容易需要過量的強堿再生容易，可用碳酸鈉或氨交換速度快慢(除非離子化后)快慢(除非離子化后)5四類樹脂的特性比較5.選擇性系數(shù)某氫型陽離子交換樹脂，與溶液中陽離子發(fā)生交換反應(yīng)，即：nR-H+Mn+=Rn-M+nH+交換達到平衡：[M]r、[H]r—平衡時，Mn+、H+在樹脂相中濃度（mmol/g)[M]s、[H]s—平衡時，Mn+、H+在水溶液中濃度（mmol/mL)

在一定條件下，平衡常數(shù)K值的大小表示樹脂對Mn+的吸附能力的強弱，即樹脂對離子親和力的大小。表示樹脂對Mn+的親和力大于樹脂對H+的親和力；即Mn+比較牢固的結(jié)合在樹脂上。表示樹脂對Mn+的親和力小于樹脂對H+的親和力；即H+比較牢固的結(jié)合在樹脂上。樹脂對Mn+和H+的親和力相同。

若溶液中各種離子的濃度相同，則親和力大的離子先被交換上去，親和力小的后被交換上去。

若選用適宜的洗提液洗脫時，則后被交換上去的離子先洗脫下來，從而使各種離子彼此分離。三、離子交換工藝及控制1.離子交換工藝過程2.離子交換過程的控制1.離子交換過程和速度（一）離子交換過程

1.A+

自溶液擴散到樹脂表面

2.A+

從樹脂表面擴散到樹脂內(nèi)部的活性中心

3.A+

與RB在活性中心進行交換

4.B+自樹脂內(nèi)部活性中心擴散到樹脂表面

5.B+

自樹脂表面擴散到溶液

1、5：外部擴散

2、4：內(nèi)部擴散

3：化學(xué)交換反應(yīng)控制V步驟1.離子交換過程和速度影響交換速度的因素：

1.顆粒大小5.離子大小

2.樹脂交聯(lián)度6.攪拌速度

3.溫度7.溶液濃度

4.離子的化合價1.離子交換過程和速度離子交換反應(yīng)過程

abcd圖4-2離子交換、洗脫示意圖a．交換前；b．A+、B+取代H+而被交換；c．加堿后，A+被首先洗脫；d．提高堿濃度，B+被洗出；H+—樹脂上的平衡離子；A+、B+—待分離離子開始吸附洗脫洗脫結(jié)束再生①②④⑤③解吸劑-----++-------離子交換原理離子交換操作步驟1樹脂的選擇2樹脂預(yù)處理3交換操作條件的選擇4離子交換吸附5洗脫6再生1樹脂的選擇1）樹脂的類型

強堿物質(zhì)

選弱酸樹脂

∵洗脫容易弱堿物質(zhì)

選強酸樹脂，不能用弱酸樹脂

∵弱酸樹脂所成的鹽易水解，吸附困難。中等堿性物質(zhì)

強/弱酸樹脂都可以，根據(jù)交換容量選擇。堿性物質(zhì)，“＋”——選酸性陽樹脂，骨架“－”酸性物質(zhì)相反。2）樹脂可交換離子的形式弱酸和弱堿樹脂采用鹽型強酸和強堿樹脂根據(jù)用途可任意使用對于在酸性、堿性條件下不穩(wěn)定的藥物，不宜選用氫型或羥型樹脂。1樹脂的選擇3）交聯(lián)度藥物的分子較大，選擇交聯(lián)度較低的樹脂，以便于吸附。交聯(lián)度過小，影響樹脂的選擇性，機械強度較差，易造成破碎流失。選擇交聯(lián)度的原則：在不影響交換容量的條件下，盡量提高交聯(lián)度。1樹脂的選擇2樹脂預(yù)處理1)物理處理：水洗、過篩，去雜，以獲得粒度均勻的樹脂顆粒；2)化學(xué)處理陽離子樹脂酸—堿—酸陰離子樹脂堿—酸—堿最后以去離子水或緩沖液平衡3)轉(zhuǎn)型

一般經(jīng)過研磨、溶脹、洗滌等步驟。樹脂的處理研磨、過篩

使粒度符合要求浸泡使其充分溶脹凈化減少雜質(zhì)（1）交換pH值選擇時應(yīng)考慮：①在藥物穩(wěn)定的pH范圍內(nèi)；②使藥物能離子化；③使樹脂能離子化。對弱酸性和弱堿性樹脂，應(yīng)采用鈉型或氯型。強酸性和強堿性樹脂，可以采用任何型式。3樹脂操作條件選擇（2）洗滌洗滌的目的是將樹脂上吸附的廢液及夾帶的雜質(zhì)除去；常用的洗滌劑有軟化水、無鹽水、稀酸、稀堿、鹽類溶液或其它絡(luò)合劑等。3樹脂操作條件選擇4離子交換吸附溶液中待交換離子與樹脂上的活性離子發(fā)生交換反應(yīng)的過程使盡可能多的待交換離子吸附到樹脂上，同時保證其選擇性5洗脫離子交換完成后，將樹脂吸附的物質(zhì)重新轉(zhuǎn)入溶液的方法洗脫條件選擇原則

（1）與吸附條件相反

（2）緩沖液

（3）緩和酸堿

（4）有機溶劑

洗脫一般采取梯度淋洗：先采用洗脫能力弱的溶液，使易洗脫組分流出，然后依次使用洗脫能力更強的溶液，洗脫較難洗脫的組分?？梢酝ㄟ^（1）改變?nèi)芤簆H值（2）改變?nèi)芤弘x子強度5洗脫對強酸性樹脂一般選擇氨水、甲醇及甲醇緩沖液等作洗脫劑；弱酸性樹脂用稀硫酸、鹽酸等作洗脫劑；強堿樹脂用鹽酸-甲醇、醋酸等作洗脫劑。被交換的物質(zhì)用酸、堿洗不下來，或遇酸、堿易破壞，可以用鹽溶液作洗脫劑，還可以用有機溶劑作洗脫劑。5洗脫吸附在酸性條件下進行，洗脫應(yīng)在堿性下進行；吸附在堿性下進行，洗脫應(yīng)在酸性下進行。可選用氨水等較緩和的洗脫劑，也可選用緩沖溶液。若單靠pH變化洗脫不下來，可以試用有機溶劑，原則是能和水混溶，并且對抗生素溶解度較大。5洗脫條件樹脂使用過程被某些物質(zhì)污染，致使交換容量下降，用一般洗滌方法不能使其復(fù)原。樹脂中毒樹脂中毒后，需在一定階段予以處理，以恢復(fù)交換能力，即中毒樹脂的再生處理復(fù)活化學(xué)中毒：與樹脂交換基團起化學(xué)作用的雜質(zhì)引起的中毒。物理中毒：某些物質(zhì)沉淀在樹脂內(nèi)部的空隙中。樹脂中毒(1)再生的目的使用過的樹脂恢復(fù)到原狀的過程稱為樹脂的再生.以適當(dāng)濃度的酸溶液處理已變?yōu)镸型的強酸性陽離子交換樹脂，使其恢復(fù)到H型。交換使用過的陰離子樹脂以適當(dāng)濃度的堿溶液處理，可從Cl型轉(zhuǎn)為OH型。6樹脂再生（2）再生劑再生劑的種類

強酸性陽樹脂：用HCl、H2SO4、N