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

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。

升降膜式蒸发器降膜式蒸发器升膜式蒸发器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

内循环式釜式结晶器 外循环式釜式结晶器

Krystal-Oslo 结晶器Howard 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

干燥曲线 干燥速率曲线

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

晶粒形状对结块的影响

饱和曲线与过饱和曲线