第九章濃縮、結晶與干燥第九章濃縮、結晶與干燥1第一節濃縮第一節濃縮2濃縮的方法很多，除了大多數純化的操作如吸附、沉淀、凝膠過濾等包含了濃縮作用，還有蒸發濃縮、凝膠吸水濃縮、聚乙二醇吸水濃縮、冷凍干燥、離子交換法等也可用于生物制品溶液的濃縮。濃縮方法的選擇應視目的產物的熱穩定性而定；對于熱穩定性的目的產物可用常規的水浴常壓蒸發、減壓蒸發等；對于熱不穩定的生物大分子通常采用冷凍濃縮、葡聚糖凝膠濃縮、聚乙二醇濃縮、超濾濃縮等方法。下面主要介紹生產常用的蒸發濃縮、離子交換濃縮、凝膠吸水濃縮等方法。濃縮的方法很多，除了大多數純化的操作如吸附、沉淀、凝膠過濾等3一、蒸發濃縮蒸發濃縮是通過加熱或減壓的方法使溶液沸騰，部分溶劑汽化蒸發，溶液得以濃縮的過程。為了縮短受熱時間而不影響所要求的濃縮量，通常采用真空膜式蒸發來解決。即讓溶液在蒸發器的表面以很薄的液層流過，濃縮液很快離開熱表面，溶液在短時間內就可得到汽化、濃縮。一、蒸發濃縮蒸發濃縮是通過加熱或減壓的方法使溶液沸騰，部分溶4常用的膜式蒸發器

1．升膜式蒸發器

2．降膜式蒸發器

3．升降膜式蒸發器

4．刮板式蒸發器

5．離心式薄膜蒸發器常用的膜式蒸發器

1．升膜式蒸發器

2．降膜式蒸發器

3．升5二、離子交換濃縮（一）離子交換濃縮原理與離子交換層析相同。濃縮用的離子交換柱比層析用的柱短而且粗，柱的長度與直徑沒有嚴格規定，用離子強度小于0.1mol／L的緩沖液平衡以后開始上樣，樣品體積不受限制，但離子強度要接近于開始所用的緩沖液。二、離子交換濃縮（一）離子交換濃縮原理6（二）常用于濃縮的離子交換劑有二乙基氨基乙基-葡聚糖A-50、二乙基（2-羥丙基）季氨基-葡聚糖A-50等（三）離子交換濃縮法的優點濃縮倍數高，回收率高，不影響生物大分子活性，同時還能去掉一些雜質。缺點是濃縮液中帶有大量的鹽，必要的時候須進一步處理（二）常用于濃縮的離子交換劑7三、吸水濃縮1、葡聚糖凝膠濃縮由于葡聚糖凝膠具有吸收水及小分子質量化合物的性能，因此，在生物大分子稀溶液中加入溶液量1／5、干燥的葡聚糖凝膠G-25，緩慢攪拌30min，葡聚糖凝膠將溶液中的水吸去，再用離心或過濾的方法除去凝膠，使溶液得到濃縮，反復操作可使溶液體積縮小至1／10。葡聚糖凝膠洗凈后用乙醇脫水，干燥后可再利用。此方法簡單易行，且活力不受影響，但一部分樣液會被凝膠吸附造成損失。三、吸水濃縮1、葡聚糖凝膠濃縮82、聚乙二醇濃縮將稀溶液置于透析袋內，袋外放置聚乙二醇，溶液內水分向袋外轉移，溶液即濃縮了幾十倍。除聚乙二醇外，也可用聚乙烯吡咯烷酮、蔗糖等作吸收劑。將稀溶液置于透析袋內，袋外放置聚乙二醇，溶液內水分向袋外轉移9第二節結晶一、原理與過程（一）過飽和溶液的形成1、溶液的過飽和與結晶濃度恰好等于溶質的溶解度，即達到固、液相平衡時的溶液稱為該溶質的飽和溶液。溶液的過飽和度與結晶的關系可用圖表示。第二節結晶一、原理與過程102、過飽和溶液的制備（1）熱飽和溶液冷卻（2）部分溶劑蒸發（3）真空蒸發冷卻法（4）化學反應法（5）鹽析法2、過飽和溶液的制備11（二）晶核的生成1、自然起晶法2、刺激起晶法3、晶種起晶法（二）晶核的生成12（三）晶體的生長當晶體生長速度大大超過晶核生成速度時，則得到粗大而有規則的晶體。當晶核生成速度大大超過晶體生長速度時，則得到細小而又不規則的晶體。（三）晶體的生長13二、結晶的方法（一）結晶器的種類1、冷卻結晶器（1）釜式結晶器（2）Howard結晶器2、蒸發結晶器（1）Krystal-Oslo結晶器（2）DTB結晶器（3）DP結晶器二、結晶的方法（一）結晶器的種類14（二）提高晶體質量的方法1、晶體大小的控制（1）過飽和度（2）溫度（3）攪拌（4）晶種（二）提高晶體質量的方法152、晶體形狀的控制（1）過飽和度（2）選擇不同的溶劑（3）雜質2、晶體形狀的控制163、晶體純度的控制（1）晶體洗滌（2）重結晶4、晶體結塊的控制3、晶體純度的控制17第三節干燥第三節干燥18一、原理（一）定義干燥是利用熱能除去目標產物的濃縮懸浮液或結晶（沉淀）產品中濕分(水分或有機溶劑)的單元操作，通常是生物產物成品化前的最后下游加工過程。一、原理（一）定義19（二）物料所含水分的種類1、結合水分和非結合水分結合水分包括物料細胞壁內的水分、物料內毛細管中的水分、及以結晶水的形態存在于固體物料之中的水分等。非結合水分包括機械地附著于固體表面的水分，如物料表面的吸附水分、較大孔隙中的水分等。（二）物料所含水分的種類202、平衡水分和自由水分平衡水分：物料中的水分與一定溫度、相對濕度的不飽和濕空氣達到平衡狀態時，物料所含水分稱為該空氣條件下物料的平衡水分。自由水分：在干燥過程中能除去的水分，是物料中超出平衡水分的那一部分水分。2、平衡水分和自由水分21（三）干燥曲線和干燥速率曲線臨界點后物料溫度升高，操作時需注意酶、蛋白質等熱敏性物質的變性。在恒速干燥階段，干燥速度由水的表面汽化速度即外擴散所控制；在降速干燥階段，過程速度由水分從物料內部移動到表面的速度即內擴散所控制（三）干燥曲線和干燥速率曲線22二、方法及應用工業用于燥設備種類很多，因此生物產物的干燥，應依產物的性質、存在形式(溶液或固體)和含水量而采用各種不同的干燥方式和干燥設備。由于生物產物多為熱敏性物質，干燥操作多在低壓(真空)、低溫下進行。這里主要介紹生物產物干燥過程常用的干燥器。二、方法及應用23升降膜式蒸發器降膜式蒸發器升膜式蒸發器1—蒸汽進口；2—加熱管；3—料液進口；4—冷凝水出口；5—下導管；6—濃縮液出口；7—分離器；8—二次蒸汽出口（接真空裝置）；9—蒸發室；10—升膜管；11—降膜管升降膜式蒸發器降膜式蒸發器升膜式蒸發器1—蒸汽進口；2—加熱24內循環式釜式結晶器外循環式釜式結晶器內循環式釜式結晶器外循環式釜式結晶器25Krystal-Oslo結晶器Howard結晶器A-閃蒸區入口；B-亞穩區入口；C-床層區入口；D-循環流出口；E-結晶料液入口Krystal-Oslo結晶器Howard結晶器A-閃蒸區入26

DTB結晶器DP結晶器DTB結晶器DP結晶器27盤架干燥器冷凍干燥器盤架干燥器冷凍干燥器28干燥曲線干燥速率曲線干燥曲線干燥速率曲線29

過飽和度與成核速率、晶體生長速度和最終晶體平均半徑的影響過飽和度與成核速率、晶體生長速度和最終晶體平均半徑的影響30晶粒形狀對結塊的影響晶粒形狀對結塊的影響31飽和曲線與過飽和曲線飽和曲線與過飽和曲線32第九章濃縮、結晶與干燥第九章濃縮、結晶與干燥33第一節濃縮第一節濃縮34濃縮的方法很多，除了大多數純化的操作如吸附、沉淀、凝膠過濾等包含了濃縮作用，還有蒸發濃縮、凝膠吸水濃縮、聚乙二醇吸水濃縮、冷凍干燥、離子交換法等也可用于生物制品溶液的濃縮。濃縮方法的選擇應視目的產物的熱穩定性而定；對于熱穩定性的目的產物可用常規的水浴常壓蒸發、減壓蒸發等；對于熱不穩定的生物大分子通常采用冷凍濃縮、葡聚糖凝膠濃縮、聚乙二醇濃縮、超濾濃縮等方法。下面主要介紹生產常用的蒸發濃縮、離子交換濃縮、凝膠吸水濃縮等方法。濃縮的方法很多，除了大多數純化的操作如吸附、沉淀、凝膠過濾等35一、蒸發濃縮蒸發濃縮是通過加熱或減壓的方法使溶液沸騰，部分溶劑汽化蒸發，溶液得以濃縮的過程。為了縮短受熱時間而不影響所要求的濃縮量，通常采用真空膜式蒸發來解決。即讓溶液在蒸發器的表面以很薄的液層流過，濃縮液很快離開熱表面，溶液在短時間內就可得到汽化、濃縮。一、蒸發濃縮蒸發濃縮是通過加熱或減壓的方法使溶液沸騰，部分溶36常用的膜式蒸發器

1．升膜式蒸發器

2．降膜式蒸發器

3．升降膜式蒸發器

4．刮板式蒸發器

5．離心式薄膜蒸發器常用的膜式蒸發器

1．升膜式蒸發器

2．降膜式蒸發器

3．升37二、離子交換濃縮（一）離子交換濃縮原理與離子交換層析相同。濃縮用的離子交換柱比層析用的柱短而且粗，柱的長度與直徑沒有嚴格規定，用離子強度小于0.1mol／L的緩沖液平衡以后開始上樣，樣品體積不受限制，但離子強度要接近于開始所用的緩沖液。二、離子交換濃縮（一）離子交換濃縮原理38（二）常用于濃縮的離子交換劑有二乙基氨基乙基-葡聚糖A-50、二乙基（2-羥丙基）季氨基-葡聚糖A-50等（三）離子交換濃縮法的優點濃縮倍數高，回收率高，不影響生物大分子活性，同時還能去掉一些雜質。缺點是濃縮液中帶有大量的鹽，必要的時候須進一步處理（二）常用于濃縮的離子交換劑39三、吸水濃縮1、葡聚糖凝膠濃縮由于葡聚糖凝膠具有吸收水及小分子質量化合物的性能，因此，在生物大分子稀溶液中加入溶液量1／5、干燥的葡聚糖凝膠G-25，緩慢攪拌30min，葡聚糖凝膠將溶液中的水吸去，再用離心或過濾的方法除去凝膠，使溶液得到濃縮，反復操作可使溶液體積縮小至1／10。葡聚糖凝膠洗凈后用乙醇脫水，干燥后可再利用。此方法簡單易行，且活力不受影響，但一部分樣液會被凝膠吸附造成損失。三、吸水濃縮1、葡聚糖凝膠濃縮402、聚乙二醇濃縮將稀溶液置于透析袋內，袋外放置聚乙二醇，溶液內水分向袋外轉移，溶液即濃縮了幾十倍。除聚乙二醇外，也可用聚乙烯吡咯烷酮、蔗糖等作吸收劑。將稀溶液置于透析袋內，袋外放置聚乙二醇，溶液內水分向袋外轉移41第二節結晶一、原理與過程（一）過飽和溶液的形成1、溶液的過飽和與結晶濃度恰好等于溶質的溶解度，即達到固、液相平衡時的溶液稱為該溶質的飽和溶液。溶液的過飽和度與結晶的關系可用圖表示。第二節結晶一、原理與過程422、過飽和溶液的制備（1）熱飽和溶液冷卻（2）部分溶劑蒸發（3）真空蒸發冷卻法（4）化學反應法（5）鹽析法2、過飽和溶液的制備43（二）晶核的生成1、自然起晶法2、刺激起晶法3、晶種起晶法（二）晶核的生成44（三）晶體的生長當晶體生長速度大大超過晶核生成速度時，則得到粗大而有規則的晶體。當晶核生成速度大大超過晶體生長速度時，則得到細小而又不規則的晶體。（三）晶體的生長45二、結晶的方法（一）結晶器的種類1、冷卻結晶器（1）釜式結晶器（2）Howard結晶器2、蒸發結晶器（1）Krystal-Oslo結晶器（2）DTB結晶器（3）DP結晶器二、結晶的方法（一）結晶器的種類46（二）提高晶體質量的方法1、晶體大小的控制（1）過飽和度（2）溫度（3）攪拌（4）晶種（二）提高晶體質量的方法472、晶體形狀的控制（1）過飽和度（2）選擇不同的溶劑（3）雜質2、晶體形狀的控制483、晶體純度的控制（1）晶體洗滌（2）重結晶4、晶體結塊的控制3、晶體純度的控制49第三節干燥第三節干燥50一、原理（一）定義干燥是利用熱能除去目標產物的濃縮懸浮液或結晶（沉淀）產品中濕分(水分或有機溶劑)的單元操作，通常是生物產物成品化前的最后下游加工過程。一、原理（一）定義51（二）物料所含水分的種類1、結合水分和非結合水分結合水分包括物料細胞壁內的水分、物料內毛細管中的水分、及以結晶水的形態存在于固體物料之中的水分等。非結合水分包括機械地附著于固體表面的水分，如物料表面的吸附水分、較大孔隙中的水分等。（二）物料所含水分的種類522、平衡水分和自由水分平衡水分：物料中的水分與一定溫度、相對濕度的不飽和濕空氣達到平衡狀態時，物料所含水分稱為該空氣條件下物料的平衡水分。自由水分：在干燥過程中能除去的水分，是物料中超出平衡水分的那一部分水分。2、平衡水分和自由水分53（三）干燥曲線和干燥速率曲線臨界點后物料溫度升高，操作時需注意酶、蛋白質等熱敏性物質的變性。在恒速干燥階段，干燥速度由水的表面汽化速度即外擴散所控制；在降速干燥階段，過程速度由水分從物料內部移動到表面的速度即內擴散所控制（三）干燥曲線和干燥速率曲線54二、方法及應用工業用于燥設備種類很多，因此生物產物的干燥，應依產物的性質、存在形式(溶液或固體)和含水量而采用各種不同的干燥方式和干燥設備。由于生物產物多為熱敏性物質，干燥操作多在低壓(真空)、低溫下進行。這里主要介紹生物產物干燥過程常用的干燥器。二、方法及應用55升降膜式蒸發器降膜式蒸發器升膜式蒸發器1—蒸汽進口；2—加熱管；3—料液進口；4—冷凝水出口；5—下導管；6—濃縮液出口；7—分離器；8—二次蒸汽出口（接真空裝置）；9—蒸發室；10—升膜管；11—降膜管升降膜式蒸發器降膜式蒸發器升膜式蒸發器1—蒸汽進口；2—加熱56內循環式釜式結晶器外循環式釜式結晶器內循環式釜式結晶器外循環式釜式結晶器57Krystal-Oslo結晶器How