第九章浓缩、结晶与干燥

第九章浓缩、结晶与干燥

第一节浓缩

浓缩的方法很多，除了大多数纯化的操作如吸附、沉淀、凝胶过滤等包含了浓缩作用，还有蒸发浓缩、凝胶吸水浓缩、聚乙二醇吸水浓缩、冷冻干燥、离子交换法等也可用于生物制品溶液的浓缩。浓缩的方法很多，除了大多数纯化的操作如吸附、沉淀、凝胶过滤等包含了浓缩作用，还有蒸发浓缩、凝胶吸水浓缩、聚乙二醇吸水浓缩、冷冻干燥、离子交换法等也可用于生物制品溶液的浓缩。浓缩方法的选择应视目的产物的热稳定性而定；对于热稳定性的目的产物可用常规的水浴常压蒸发、减压蒸发等；对于热不稳定的生物大分子通常采用冷冻浓缩、葡聚糖凝胶浓缩、聚乙二醇浓缩、超滤浓缩等方法。下面主要介绍生产常用的蒸发浓缩、离子交换浓缩、凝胶吸水浓缩等方法。

一、蒸发浓缩 • 蒸发浓缩是通过加热或减压的方法使溶液沸腾，部分溶剂汽化蒸发，溶液得以浓缩的过程。为了缩短受热时间而不影响所要求的浓缩量，通常采用真空膜式蒸发来解决。即让溶液在蒸发器的表面以很薄的液层流过，浓缩液很快离开热表面，溶液在短时间内就可得到汽化、浓缩。

常用的膜式蒸发器1．升膜式蒸发器2．降膜式蒸发器3．升降膜式蒸发器4．刮板式蒸发器5．离心式薄膜蒸发器常用的膜式蒸发器1．升膜式蒸发器2．降膜式蒸发器3．升降膜式蒸发器4．刮板式蒸发器5．离心式薄膜蒸发器

二、离子交换浓缩 （一）离子交换浓缩原理与离子交换层析相同。浓缩用的离子交换柱比层析用的柱短而且粗，柱的长度与直径没有严格规定，用离子强度小于0.1mol／L的缓冲液平衡以后开始上样，样品体积不受限制，但离子强度要接近于开始所用的缓冲液。

（二）常用于浓缩的离子交换剂 有二乙基氨基乙基-葡聚糖A-50、二乙基（2-羟丙基）季氨基-葡聚糖A-50等（三）离子交换浓缩法的优点浓缩倍数高，回收率高，不影响生物大分子活性，同时还能去掉一些杂质。缺点是浓缩液中带有大量的盐，必要的时候须进一步处理

三、吸水浓缩 • 1、葡聚糖凝胶浓缩由于葡聚糖凝胶具有吸收水及小分子质量化合物的性能，因此，在生物大分子稀溶液中加入溶液量1／5、干燥的葡聚糖凝胶G-25，缓慢搅拌30min，葡聚糖凝胶将溶液中的水吸去，再用离心或过滤的方法除去凝胶，使溶液得到浓缩，反复操作可使溶液体积缩小至1／10。葡聚糖凝胶洗净后用乙醇脱水，干燥后可再利用。此方法简单易行，且活力不受影响，但一部分样液会被凝胶吸附造成损失。

2、聚乙二醇浓缩 将稀溶液置于透析袋内，袋外放置聚乙二醇，溶液内水分向袋外转移，溶液即浓缩了几十倍。除聚乙二醇外，也可用聚乙烯吡咯烷酮、蔗糖等作吸收剂。

第二节结晶 • 一、原理与过程（一）过饱和溶液的形成 1、溶液的过饱和与结晶浓度恰好等于溶质的溶解度，即达到固、液相平衡时的溶液称为该溶质的饱和溶液。溶液的过饱和度与结晶的关系可用图表示。

2、过饱和溶液的制备 （1）热饱和溶液冷却（2）部分溶剂蒸发（3）真空蒸发冷却法（4）化学反应法（5）盐析法

（二）晶核的生成 • 1、自然起晶法 • 2、刺激起晶法 • 3、晶种起晶法

（三）晶体的生长 • 当晶体生长速度大大超过晶核生成速度时，则得到粗大而有规则的晶体。当晶核生成速度大大超过晶体生长速度时，则得到细小而又不规则的晶体。

二、结晶的方法 • （一）结晶器的种类 1、冷却结晶器（1）釜式结晶器（2）Howard结晶器 2、蒸发结晶器（1）Krystal-Oslo结晶器（2）DTB结晶器（3）DP结晶器

（二）提高晶体质量的方法 1、晶体大小的控制（1）过饱和度（2）温度（3）搅拌（4）晶种

2、晶体形状的控制 （1）过饱和度（2）选择不同的溶剂（3）杂质

3、晶体纯度的控制 （1）晶体洗涤（2）重结晶 4、晶体结块的控制

第三节干燥

一、原理 （一）定义干燥是利用热能除去目标产物的浓缩悬浮液或结晶（沉淀）产品中湿分(水分或有机溶剂)的单元操作，通常是生物产物成品化前的最后下游加工过程。

（二）物料所含水分的种类 1、结合水分和非结合水分结合水分包括物料细胞壁内的水分、物料内毛细管中的水分、及以结晶水的形态存在于固体物料之中的水分等。非结合水分包括机械地附着于固体表面的水分，如物料表面的吸附水分、较大孔隙中的水分等。

2、平衡水分和自由水分 平衡水分：物料中的水分与一定温度、相对湿度的不饱和湿空气达到平衡状态时，物料所含水分称为该空气条件下物料的平衡水分。自由水分：在干燥过程中能除去的水分，是物料中超出平衡水分的那一部分水分。

（三）干燥曲线和干燥速率曲线 临界点后物料温度升高，操作时需注意酶、蛋白质等热敏性物质的变性。在恒速干燥阶段，干燥速度由水的表面汽化速度即外扩散所控制；在降速干燥阶段，过程速度由水分从物料内部移动到表面的速度即内扩散所控制

二、方法及应用 • 工业用于燥设备种类很多，因此生物产物的干燥，应依产物的性质、存在形式(溶液或固体)和含水量而采用各种不同的干燥方式和干燥设备。由于生物产物多为热敏性物质，干燥操作多在低压(真空)、低温下进行。这里主要介绍生物产物干燥过程常用的干燥器。

升膜式蒸发器 降膜式蒸发器 1—蒸汽进口；2—加热管；3—料液进口；4—冷凝水出口；5—下导管；6—浓缩液出口；7—分离器；8—二次蒸汽出口（接真空装置）；9—蒸发室；10—升膜管；11—降膜管升降膜式蒸发器

内循环式釜式结晶器 外循环式釜式结晶器

Howard结晶器 Krystal-Oslo结晶器 A-闪蒸区入口；B-亚稳区入口；C-床层区入口；D-循环流出口；E-结晶料液入口

DTB结晶器 DP结晶器

盘架干燥器 冷冻干燥器

干燥速率曲线 干燥曲线

过饱和度与成核速率、晶体生长速度和最终晶体平均半径的影响过饱和度与成核速率、晶体生长速度和最终晶体平均半径的影响

晶粒形状对结块的影响

饱和曲线与过饱和曲线

第九章 浓缩、结晶与干燥