蒸發(fā)濃縮課件

第九章濃縮、結(jié)晶與干燥第九章濃縮、結(jié)晶與干燥1第一節(jié)濃縮第一節(jié)濃縮2濃縮的方法很多，除了大多數(shù)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(fā)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(yīng)視目的產(chǎn)物的熱穩(wěn)定性而定；對于熱穩(wěn)定性的目的產(chǎn)物可用常規(guī)的水浴常壓蒸發(fā)、減壓蒸發(fā)等；對于熱不穩(wěn)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(chǎn)常用的蒸發(fā)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(shù)純化的操作如吸附、沉淀、凝膠過濾等3一、蒸發(fā)濃縮蒸發(fā)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(fā)，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(fā)來解決。即讓溶液在蒸發(fā)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(nèi)就可得到汽化、濃縮。一、蒸發(fā)濃縮蒸發(fā)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(fā)器

1．升膜式蒸發(fā)器

2．降膜式蒸發(fā)器

3．升降膜式蒸發(fā)器

4．刮板式蒸發(fā)器

5．離心式薄膜蒸發(fā)器常用的膜式蒸發(fā)器

1．升膜式蒸發(fā)器

2．降膜式蒸發(fā)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?jīng)]有嚴(yán)格規(guī)定，用離子強(qiáng)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(qiáng)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(yōu)點濃縮倍數(shù)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(zhì)。缺點是濃縮液中帶有大量的鹽，必要的時候須進(jìn)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(zhì)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(fù)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(nèi)，袋外放置聚乙二醇，溶液內(nèi)水分向袋外轉(zhuǎn)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(nèi)，袋外放置聚乙二醇，溶液內(nèi)水分向袋外轉(zhuǎn)移9第二節(jié)結(jié)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(jié)晶濃度恰好等于溶質(zhì)的溶解度，即達(dá)到固、液相平衡時的溶液稱為該溶質(zhì)的飽和溶液。溶液的過飽和度與結(jié)晶的關(guān)系可用圖表示。第二節(jié)結(jié)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(fā)（3）真空蒸發(fā)冷卻法（4）化學(xué)反應(yīng)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(dāng)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(guī)則的晶體。當(dāng)晶核生成速度大大超過晶體生長速度時，則得到細(xì)小而又不規(guī)則的晶體。（三）晶體的生長13二、結(jié)晶的方法（一）結(jié)晶器的種類1、冷卻結(jié)晶器（1）釜式結(jié)晶器（2）Howard結(jié)晶器2、蒸發(fā)結(jié)晶器（1）Krystal-Oslo結(jié)晶器（2）DTB結(jié)晶器（3）DP結(jié)晶器二、結(jié)晶的方法（一）結(jié)晶器的種類14（二）提高晶體質(zhì)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(zhì)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(zhì)2、晶體形狀的控制163、晶體純度的控制（1）晶體洗滌（2）重結(jié)晶4、晶體結(jié)塊的控制3、晶體純度的控制17第三節(jié)干燥第三節(jié)干燥18一、原理（一）定義干燥是利用熱能除去目標(biāo)產(chǎn)物的濃縮懸浮液或結(jié)晶（沉淀）產(chǎn)品中濕分(水分或有機(jī)溶劑)的單元操作，通常是生物產(chǎn)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(jié)合水分和非結(jié)合水分結(jié)合水分包括物料細(xì)胞壁內(nèi)的水分、物料內(nèi)毛細(xì)管中的水分、及以結(jié)晶水的形態(tài)存在于固體物料之中的水分等。非結(jié)合水分包括機(jī)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(dá)到平衡狀態(tài)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(zhì)等熱敏性物質(zhì)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(kuò)散所控制；在降速干燥階段，過程速度由水分從物料內(nèi)部移動到表面的速度即內(nèi)擴(kuò)散所控制（三）干燥曲線和干燥速率曲線22二、方法及應(yīng)用工業(yè)用于燥設(shè)備種類很多，因此生物產(chǎn)物的干燥，應(yīng)依產(chǎn)物的性質(zhì)、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(shè)備。由于生物產(chǎn)物多為熱敏性物質(zhì)，干燥操作多在低壓(真空)、低溫下進(jìn)行。這里主要介紹生物產(chǎn)物干燥過程常用的干燥器。二、方法及應(yīng)用23升降膜式蒸發(fā)器降膜式蒸發(fā)器升膜式蒸發(fā)器1—蒸汽進(jìn)口；2—加熱管；3—料液進(jìn)口；4—冷凝水出口；5—下導(dǎo)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(fā)室；10—升膜管；11—降膜管升降膜式蒸發(fā)器降膜式蒸發(fā)器升膜式蒸發(fā)器1—蒸汽進(jìn)口；2—加熱24內(nèi)循環(huán)式釜式結(jié)晶器外循環(huán)式釜式結(jié)晶器內(nèi)循環(huán)式釜式結(jié)晶器外循環(huán)式釜式結(jié)晶器25Krystal-Oslo結(jié)晶器Howard結(jié)晶器A-閃蒸區(qū)入口；B-亞穩(wěn)區(qū)入口；C-床層區(qū)入口；D-循環(huán)流出口；E-結(jié)晶料液入口Krystal-Oslo結(jié)晶器Howard結(jié)晶器A-閃蒸區(qū)入26

DTB結(jié)晶器DP結(jié)晶器DTB結(jié)晶器DP結(jié)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(jié)塊的影響晶粒形狀對結(jié)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(jié)晶與干燥第九章濃縮、結(jié)晶與干燥33第一節(jié)濃縮第一節(jié)濃縮34濃縮的方法很多，除了大多數(shù)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(fā)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(yīng)視目的產(chǎn)物的熱穩(wěn)定性而定；對于熱穩(wěn)定性的目的產(chǎn)物可用常規(guī)的水浴常壓蒸發(fā)、減壓蒸發(fā)等；對于熱不穩(wěn)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(chǎn)常用的蒸發(fā)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(shù)純化的操作如吸附、沉淀、凝膠過濾等35一、蒸發(fā)濃縮蒸發(fā)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(fā)，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(fā)來解決。即讓溶液在蒸發(fā)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(nèi)就可得到汽化、濃縮。一、蒸發(fā)濃縮蒸發(fā)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(fā)器

1．升膜式蒸發(fā)器

2．降膜式蒸發(fā)器

3．升降膜式蒸發(fā)器

4．刮板式蒸發(fā)器

5．離心式薄膜蒸發(fā)器常用的膜式蒸發(fā)器

1．升膜式蒸發(fā)器

2．降膜式蒸發(fā)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?jīng)]有嚴(yán)格規(guī)定，用離子強(qiáng)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(qiáng)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(yōu)點濃縮倍數(shù)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(zhì)。缺點是濃縮液中帶有大量的鹽，必要的時候須進(jìn)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(zhì)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(fù)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(nèi)，袋外放置聚乙二醇，溶液內(nèi)水分向袋外轉(zhuǎn)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(nèi)，袋外放置聚乙二醇，溶液內(nèi)水分向袋外轉(zhuǎn)移41第二節(jié)結(jié)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(jié)晶濃度恰好等于溶質(zhì)的溶解度，即達(dá)到固、液相平衡時的溶液稱為該溶質(zhì)的飽和溶液。溶液的過飽和度與結(jié)晶的關(guān)系可用圖表示。第二節(jié)結(jié)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(fā)（3）真空蒸發(fā)冷卻法（4）化學(xué)反應(yīng)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(dāng)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(guī)則的晶體。當(dāng)晶核生成速度大大超過晶體生長速度時，則得到細(xì)小而又不規(guī)則的晶體。（三）晶體的生長45二、結(jié)晶的方法（一）結(jié)晶器的種類1、冷卻結(jié)晶器（1）釜式結(jié)晶器（2）Howard結(jié)晶器2、蒸發(fā)結(jié)晶器（1）Krystal-Oslo結(jié)晶器（2）DTB結(jié)晶器（3）DP結(jié)晶器二、結(jié)晶的方法（一）結(jié)晶器的種類46（二）提高晶體質(zhì)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(zhì)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(zhì)2、晶體形狀的控制483、晶體純度的控制（1）晶體洗滌（2）重結(jié)晶4、晶體結(jié)塊的控制3、晶體純度的控制49第三節(jié)干燥第三節(jié)干燥50一、原理（一）定義干燥是利用熱能除去目標(biāo)產(chǎn)物的濃縮懸浮液或結(jié)晶（沉淀）產(chǎn)品中濕分(水分或有機(jī)溶劑)的單元操作，通常是生物產(chǎn)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(jié)合水分和非結(jié)合水分結(jié)合水分包括物料細(xì)胞壁內(nèi)的水分、物料內(nèi)毛細(xì)管中的水分、及以結(jié)晶水的形態(tài)存在于固體物料之中的水分等。非結(jié)合水分包括機(jī)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(dá)到平衡狀態(tài)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(zhì)等熱敏性物質(zhì)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(kuò)散所控制；在降速干燥階段，過程速度由水分從物料內(nèi)部移動到表面的速度即內(nèi)擴(kuò)散所控制（三）干燥曲線和干燥速率曲線54二、方法及應(yīng)用工業(yè)用于燥設(shè)備種類很多，因此生物產(chǎn)物的干燥，應(yīng)依產(chǎn)物的性質(zhì)、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(shè)備。由于生物產(chǎn)物多為熱敏性物質(zhì)，干燥操作多在低壓(真空)、低溫下進(jìn)行。這里主要介紹生物產(chǎn)物干燥過程常用的干燥器。二、方法及應(yīng)用55升降膜式蒸發(fā)器降膜式蒸發(fā)器升膜式蒸發(fā)器1—蒸汽進(jìn)口；2—加熱管；3—料液進(jìn)口；4—冷凝水出口；5—下導(dǎo)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(fā)室；10—升膜管；11—降膜管升降膜式蒸發(fā)器降膜式蒸發(fā)器升膜式蒸發(fā)器1—蒸汽進(jìn)口；2—加熱56內(nèi)循環(huán)式釜式結(jié)晶器外循環(huán)式釜式結(jié)晶器內(nèi)循環(huán)式釜式結(jié)晶器外循環(huán)式釜式結(jié)晶器57Krystal-Oslo結(jié)晶器How