第九章 其他结晶技术

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溶析结晶脱盐过程: 在溶析结晶温度下,反溶剂与水完全互溶,而在另一 温度下(如常温)反溶剂与水部分互溶、甚至完全不 互溶,可改变温度以产生液液分相来回收萃取剂。 2 个设备:即溶析结晶器和反溶剂再生器。


溶析结晶器在结晶温度下工作,加入的反溶剂与水互 溶,使盐形成晶体,而反溶剂携带大量水进入反溶剂 再生器,在再生温度下产生液液分相。将两液相分离, 除掉水。再生的反溶剂回到结晶器后可循环使用。
在某些场合聚集体的发生有明显的负面作用,因 此也构成溶析结晶的一个研究焦点。
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产生上述问题的原因在于溶析剂入口处的混合。 为改善混合状况,新型喷射进料装置已成功应用 于溶析结晶的工业生产中,主要有两种操作模式: 一是带外循环的喷射进料模式,另一种是直接喷 射进料模式,如图1 和图2 所示。 直接喷射模式形成的晶体结构缺陷较多;外循环 喷射模式提供的湍动强度大,晶体生长速率小, 成核多。
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⑶ 利用一定温度下各种异构体钠盐或镁盐等溶解 度的差异,通过盐析温度的控制,达到异构体分 离的目的。 综上所述,盐析在中间体工业生产中是较为重要 的操作工序。但盐析也同时带来了大量无机盐母 液,除一部分在生产中循环套用之外,大部分母 液还有待于进一步处理和综合利用。

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蛋白质的盐溶与盐析现象的解释

蛋白质是亲水胶体,带有羧基解离的负电荷和氨基 成盐的正电荷,其极性基团使分子间排斥,同时与 水分子形成水膜。这些因素使蛋白质形成溶于水的 溶胶状态。
当加入少量无机盐时,增加了蛋白质分子上的极性 基团,因而增大了在水中的溶解度,出现盐溶现象。 当盐浓度到一定程度时,一方面盐同大量水分子结 合,使蛋白质没有足够的水维持溶解状态,破坏了 水膜,容易沉淀出来。一方面加入的离子中和了蛋 白质的电荷,使相互聚集沉淀出来,出现盐析现象。
SO3H SO3Na OH
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(4)脱硫酸钙法

利用氢氧化钙中和,使生成的硫酸钙沉淀与可溶
性的磺酸钙分离,此法适于某些多磺酸。

此法操作复杂,三废多,且生成的大量石膏要妥 善处理等原因,故工业化受到限制。
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9.2 盐析法过程中的一些因素
1. 过饱和度的控制
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盐析现象图示
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2. 蛋白质盐析原理

蛋白质在高浓度盐的溶液中,随着盐浓度的逐渐增 加,由于蛋白质水化膜被破坏、溶解度下降而从溶 液中沉淀出来。 各种蛋白质的溶解度不同,因而可利用不同浓度的 盐溶液来沉淀分离各种蛋白质。 优点:简单、经济、较少变性。 缺点:分辨率不高,要除盐。
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(1)酸析法

依靠某些芳磺酸在一定浓度的稀硫酸中的溶解度
很小这个特性,而将磺化物料加水稀释,磺酸即 可析出。

例如4-硝基-2-氯-苯磺酸、4-硝基-2-甲基-苯磺酸, 1,5-蒽醌二磺酸等均可用此法分离。
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(2)直接盐析法

向稀释后的磺化物中直接加人食盐、氯化钾或
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SO3H OH HO3S G OH HO3S R SO3H OH
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(3)中和盐析法

利用芳磺酸在中和时生成的硫酸钠或其他无机盐, 而由于芳磺酸盐类在上述无机盐水溶液中的溶解度 大大小于在水中的溶解度,因而促使芳磺酸盐析出 来。

例如β-萘酚生产过程中的β-磺酸钠的盐析就用氢氧 化钠中和。
HO3S H2N
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NH2 SO3H
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⑵ 温差过大或冷却速度过快会发生温度的激荡,而 在局部区域产生高度的过饱和,引起过量的成核。 因此,盐析结晶应适当控制冷却速率和盐析前后温 度差。 通常将热溶液充分搅匀后,快速冷却到过饱和状态, 然后放慢冷却速率,结晶开始后,溶液温度由于结 晶热的放出而有所上升,此时则控制较慢的冷却速 度匀速降温,待大部分溶质在晶种表面上成长以后, 再增加冷却速率以达到最终温度,让溶液饱和度始 终处于介稳状态,从而控制产品结晶。
对溶质的溶解性差;
与溶解溶质的溶剂能够互溶。 常用的溶剂有乙醇、丙酮、甲醇、水等。 ⑵ 加料方式: 将反溶剂加入到溶液中,即正加法; 另一种是将溶液加入到反溶剂中,即反加法。
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(3)过饱和度控制

溶析结晶的过饱和度是通过溶析剂的加入产生的。

溶析结晶特别是间歇溶析结晶,溶析剂加入点处 的过饱和度很高,容易在瞬间产生大量初级晶核 并形成聚集体。这是溶析结晶有别于其它结晶方 式的一个显著特点。由于高过饱和度下快速的成 核与生长以及聚集体的形成,很容易大量包藏母 液,影响晶体产品的质量。

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球蛋白的选择性沉淀
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3. 影响盐析的因素
⑴ 无机盐的种类

盐析能力:半径小的高价离子在盐析时的作用较 强,阴离子的盐析效果比阳离子好,尤其以高价
阴离子更为明显。
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PO4 3->SO42->CH3COO->Cl->NO3->INH4+>K+>Na+>Li+ 盐析用盐要考虑几个因素:常用氯化钠、硫酸铵
主要内容
盐析法 溶析结晶法 反应结晶法
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9.1 盐析结晶 (一) 盐析在蛋白质提纯中的应用
1. 蛋白质在盐溶液中的特性 ⑴ 盐溶 蛋白质在纯水或低浓度盐溶液中,溶解度低, 若稍加一些无机盐则溶解度增加。 ⑵ 盐析 当加入的无机盐浓度继续增加,蛋白质溶解度 又反而减小,从而沉淀出来。

在搅拌中因磨损而产生的细晶,可通过适当提高盐析
温度重新溶解加以消除。
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3. 盐析温度对结晶的影响

⑴ 有机中间体一般均具正溶解度,温度对产品盐析影 响较大。通常高温有助于消除细晶,有助于产品溶解, 低温有助于溶质在晶面上长大(生成粗晶), 有助于产 品析出。 例如中间体DSD酸(4,4‘-二氨基二苯乙烯-2,2’二磺酸),盐析温度急冷至50℃时,溶液变浊开始析 出,再慢冷到25 ℃,析出量明显增加。

β
pH
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4. 蛋白质盐析方法

①分步盐析法:通过改变盐的浓度达到分离目的, 将盐的浓度准确地分步提高到各种蛋白质所需的 浓度。 一般情况下,加入沉淀剂,分子量大的首先沉淀 出来,随着沉淀剂用量的增加,各个大分子化合 物按分子量由大到小的顺序陆续沉淀出来。 ②重复盐析法 ③反抽提法: 一定的盐浓度下将目的蛋白夹带一 定量的杂蛋白一同沉淀。将沉淀用较低浓度盐溶 液平衡,溶解其中的杂蛋白。
硫酸钠等无机盐类,可使某些磺酸成盐析出; 也可利用其盐类在不同的无机盐溶液中的溶解 度不同的特性,而将他们的各种同分异构体分 离。

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Hale Waihona Puke Baidu
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由2-萘酚用20%发烟硫酸在约80℃二磺化制取G酸 (7-羟基-1,3-萘二磺酸 )时。向稀释的磺化物中先 加入KCl溶液,使G酸以钾盐形式析出,滤出G盐 后,再向滤液中加入NaCl溶液,即可获得其副产R 盐(钠盐,2-萘酚-3,6-二磺酸二钠盐)。用氯化钾、 氯化钠直接盐析时,有氯化氢气体放出,对设备腐 蚀性强,因此这种方法的应用受到一定的限制。

加盐过多,溶液密度高,析出速度快,晶细且易
形成晶簇,增加了洗涤等后道工序的操作难度, 同时带入过多无机盐杂质,影响产品纯度和使用 质量。

加盐量通常为溶液体积百分之几的比例。
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工业生产中:
盐析采取搅拌条件下长时间缓慢加盐或分步加盐 的方法,以防止在局部范围产生过饱和度的波动, 维持稳定的过饱和度; 料液稀释时通常用盐析母液,利用母液中已有的 产品细晶的诱导作用,晶核逐渐长大并诱导产生 新的晶核,使结晶过程持续不断,同时在接近饱 和状态时,一些极其微小的晶体将自动地溶解, 而已形成的一些较大晶体则自动地长大。
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⑵ 蛋白质种类的影响

不同的蛋白质分子,离子强度对蛋白质的溶解度 影响的程度不同,表现为斜率的不同。
拟球蛋白 0.50 血清白 蛋白
log S
0
碳氧肌 红蛋白
-0.50 碳氧血 红蛋白
-1.00 0 2
血纤维 蛋白原 4
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μ
6
8
10
8
⑶ 蛋白质浓度的影响

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3. 溶析结晶分离无机盐水溶液

加盐精馏、加盐萃取等盐效分离是分离有机溶剂与水 形成的共沸物、近沸物的有效方法。但得到高纯有机 溶剂的同时会产生浓盐水溶液,如何从中回收利用盐 是一个亟待解决的问题。 溶析结晶是回收浓盐水溶液中的无机盐的有效方法。 具有广阔的应用前景。 回收盐的通常方法是将盐水溶液蒸发得到盐的结晶。 但一些盐的结晶水与固体结合得比较牢固,需要很高 的温度才能完全除去结晶水,常压下难以实现。即使 能够实现,蒸发过程的能耗也非常大,而且不适用于 热稳定性差的盐。
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9.2 溶析结晶
1. 概念

溶析结晶:是利用被分离物质与溶剂分子间相互作用 力的差异,通过改变溶剂的性质来选择性地溶解杂质, 而使目标组分最大限度地从溶剂中晶析出来的过程。
过程特点:是溶质首先被溶解于一种溶剂中(主溶剂) 形成饱和溶液,然后通过添加另一种能与主溶剂完全 互溶而与溶质不互溶的第二溶剂(反溶剂),来显著 降低溶质的溶解度,使溶质晶析出来达到分离的目的。

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主溶剂的作用:是选择性的溶解杂质,以提高产
品的纯度;反溶剂的作用则是降低溶质溶解度,
形成过饱和溶液,提高收率。

利用溶析结晶可以生产超微细无定形药物,也可 以用来分离盐溶液,以降低能耗。
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2. 影响溶析结晶的因素

⑴ 反溶剂的选择:

② • • ① ②
pH6.6
1
0℃

0
25℃
2
3 μ
10
4
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⑸ pH的影响

当溶液的pH在蛋白质 等电点附近时,由于其 净电荷为零,在水中溶 解度减小,可以用来分 级沉淀蛋白质。 但等电点时析出的沉淀, 由于颗粒较细,难于过 滤,只能用离心机分离。
7 6 5 4 3 碳氧血红蛋白 2 1 0 3 4 5 6 7 8 卵清蛋白
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(二) 有机中间体生产中盐析过程的探讨
盐析方法

有机中间体含硫化合物中的磺酸及其盐类,大多 是固体,易溶于水,且没有特定的熔点,加热至 高温时易于分解。 这类产品在生产过程中,要想得到它,就不能采 用精馏、结晶等方法来实现; 要依靠酸析法、直接盐析法、中和盐析法、脱硫 酸钙法、萃取分离等方法来完成。

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2. 搅拌对盐析结晶的影响

结晶未开始时搅拌强度大,开始析出时搅拌强度适当 小些。生产中通常根据不同形式搅拌器,控制不同的
搅拌速度、时间来达到预期的搅拌效果。一般来说,
盐析时适当延长搅拌时间,可使盐析过程完成得较好。

直接法生产R盐,国内一些厂家只搅拌15-30min结束 盐析过程;德国拜耳公司搅拌15h,盐析收率能达到 67-68%,国内只达到45-50%。
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硫酸铵优点

溶解度大:每升水可溶解767克之多。在这一高溶 解度范围内,许多蛋白质和酶都可以被盐析沉淀 出来。 温度系数小:硫酸铵的溶解度受温度影响不大。 对于需要在低温条件下进行酶的纯化来说,应用 硫酸铵是有利的。
硫酸铵不易引起蛋白质变性,对于很多种酶还有 保护作用,且价格低廉,容易获得。

中间体的盐析过程大多通过测定溶液密度,直接控 制溶液过饱和度。 起始溶液密度一般较高,通常都需要用水稀释调整 到规定密度。 如果溶液密度低,需用密度高的溶液进行混配,否 则就必须在盐析时多加盐,以保证晶浆总体密度。



如间接法生产R盐是用R盐滤液盐析而得。
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盐析加盐过少,溶液密度低,盐析得率低;

蛋白质浓度提高,盐用量减少。
10 9 8 7 30g/L 3g/L
- dS dP
6 5 4 3 2 1 0 40 50 60 P 70 80
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⑷ 温度的影响
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log S
在无盐或稀盐溶液中, 大多数蛋白质溶解度是 随温度升高而增大的。 在高盐溶液中随温度升 高,溶解度减小。因此 在高温下,同浓度的蛋 白质所需的盐量小。
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