浓缩与干燥解析

第九章 浓缩与干燥
刘耀玺
❖ 细胞破碎之后，目标产物一般存在于溶液中。 大部分的发酵产物，如细胞碎片和其他固体 杂质，可通过沉淀、离心或其他各种分离手 段除去。产物回收的下一道工序是除去大量 的溶剂。溶剂除去之后，目标产物以液体或 固体形式存在。发酵工业一般为液态产品， 制药工业一般为固态产品。如果目的产物是 固态，溶剂去除后必须进行干燥。
图9-1 降膜蒸发器设备结构图
❖ （2）．减压蒸发浓缩
❖ 减压浓缩是根据降低液面压力使液体沸点降 低的原理来进行的。由于要减压抽真空，有时 也叫真空浓缩。为加快其浓缩往往伴随加热使 其蒸发更快。适用于一些不耐热的生化药物和 制品。
❖ 减压浓缩就是在减压或真空条件下进行的蒸发 过程，真空蒸发时冷凝器和蒸发器溶液面的操 作压强低于大气压，此时系统中的不凝性气体 必须用真空泵抽出。真空使蒸发器内溶液的沸 点降低，其装置如图9-2所示。
❖ 必须注意，浓缩溶液的pH应大于被浓缩物质的等电 点；否则，在浓缩胶表面产生阳离子交换，影响浓 缩物质的回收率。
❖ 3．吹干浓缩法
❖ 将蛋白质溶液装人透析袋内，放在电风扇下吹。 此法简单，但速度慢。另外，温度不能过高，最好 不要超过15℃。
❖ 浓缩胶是一种高分子网状结构的有机聚合物，具有 很强的吸水性能。每克干胶可吸水120-150 mL。它 能吸收低相对分子质量的物质，如水、葡萄糖、蔗 糖、无机盐等，适宜浓缩相对分子质量10000以上 的生物大分子物质。浓缩后，蛋白质的回收率可达 80%-90%。浓缩胶应用方便，直接加入被浓缩的溶 液中即可。
置常常按照加热、扩大液体表面积、低压等因素设计。
❖ 浓缩的主要目的是使得生物制品体积减少， 但不影响其营养成分。其目的主要有以下几 点：
❖ 1、作为结晶或干燥的与处理； ❖ 2、提高产品的质量； ❖ 3、减少产品的体积和重量； ❖ 4、增加产品的储藏时间。
二、生物分离常用的浓缩方法
1．蒸发浓缩 （1）定义：蒸发浓缩就是将溶液的温度提高到沸点，使溶 液中的溶剂蒸发。蒸发所需的时间和设备可有物质性质和所 需要的最终浓度决定。
图9-2 真空蒸发装置
❖ 采用减压或真空蒸发的优点：
❖ ①由于减压，沸点降低，加大了传热温度差，使蒸 发器的传热推动力增加，使过程强化；
❖ ②适用于热敏性溶液和不耐高温的溶液，即减少或 防止热敏性物质的分解。例如，中草药的浸出液在 常压下、100℃时沸腾，当减压到8.0×1049.3×104Pa时、在40-60℃沸腾，有利于防止有效 成分分解；
❖ 按操作的连续性可以分为：间歇式和连续式。
❖ （1）薄膜蒸发浓缩 即液体形成薄膜后蒸发， 变成浓溶液。成膜的液体有很大的气化面积， 热传导快，均匀，可避免药物受热时间过长。
直接用蒸气加热的薄膜浓缩器液体温度可 达60-80℃，适用于一些耐热的酶和小分子生 化药物的制备；对温度敏感及容易受薄膜切 力影响变性的核酸大分子及其他大分子不宜 使用；对某些黏度很大的、容易结晶析出的 生化药物也不宜使用。
❖ 最常用的吸收剂有聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷 酮、蔗糖、凝胶等。
❖ 使用凝胶时，先选择凝胶粒度，使其大小恰好让溶 剂及低分子物质能渗入凝胶内，而生化药物的分子 完全排除于凝胶之外。
❖ 具体操作：将洗净和干燥的凝胶直接投入待浓缩的 稀溶液中，凝胶亲水性强，在水中溶胀时，溶剂及 小分子被吸收到凝胶内，大的生化药物的分子留在 剩余的溶液中。离心或过滤除去凝胶颗粒，即得到 浓缩的生化药物溶液。凝胶溶胀时吸收水分及小分 子物质，可同时起到浓缩和分离纯化两种作用。对 生化药物的结构和生物活性都没有影响，是生物化 学和分子生物学日益广泛使用的浓缩和分离方法之 一。
❖ （2）分类 ❖ 根据蒸发面上的压力不同可分为：常压浓缩和真空浓缩；
❖ 根据加热蒸汽被利用的次数可分为：单效浓缩、双效浓缩和 多效浓缩；
❖ 按物料的流程分为：单程式和循环式；按物料的循环方式又 可分为：自然循环式和强制循环式；
❖ 按加热器的结构形式可分Байду номын сангаас：盘管式、中央循环式、升膜式、 降膜式、刮板式等多种；
❖ 通常通过提取、沉淀、结晶、蒸发和干燥来 去除溶剂从而得到最终的目的产物。
❖ 浓缩是低浓度溶液通过除去溶剂（包括水） 变为高浓度溶液的过程。常在提取后和结晶 前进行，有时也贯彻在整个生化制药过程中。
❖ 干燥是从湿的固体生化药物中除去水分或溶 剂而获得相对或绝对干燥制品的工艺过程。 通常包括原料药的干燥和制成的临床制剂的 干燥。
❖ 使用聚乙二醇等吸收剂时，先将含生化药物的溶液 装入半透膜的袋里，扎紧袋口，外加聚乙二醇覆盖， 袋内溶剂渗出即被聚乙二醇迅速吸去，聚乙二醇被 溶剂饱和后，可更换新的，直到浓缩至所需的浓度 为止。
❖ 例如，利用透析袋浓缩蛋白质溶液是应用最广的一 种方法。将要浓缩的蛋白质溶液放人透析袋（无透 析袋可用玻璃纸代替），结扎，把高分子（(600012000)聚合物如聚乙二醇（炭蜡）、聚乙烯毗咯、 烷酮等或蔗糖撒在透析袋外即可。也可将吸水剂配 成30%-40％浓度的溶液，将装有蛋白质溶液的透 析袋放入即可。吸水剂用过后，可放入温箱中烘干 或自然干燥后，仍可再用。
❖ ③可利用二次蒸气作为加热热源；
❖ ④蒸发器的热损失减少。
❖ 真空蒸发的缺点是随着溶液沸点降低使黏度增大， 对传热过程不利。另外，需要增设真空装置，并增 加了能量的消耗。
❖ 2．吸收浓缩 ❖ 吸收浓缩是通过吸收剂直接吸收除去溶液
中溶剂分子使溶液浓缩的方法。吸收剂与溶 液不起化学反应，对生化药物不起吸附作用， 容易与溶液分开。吸收剂除去溶剂后能重复 使用。
第一节 浓缩
❖ 一、基本原理与目的 ❖ 蒸发是溶液表面的溶剂分子获得的动能超过了溶液内溶
剂分子间的吸引力而脱离液面而逸向空间的过程。
❖ 液体在任何温度下都在蒸发。当溶液受热，溶剂分子动 能增加，蒸发过程加快；液体表面积越大，单位时间内 气化的分子越多，蒸发越快。
❖ 液面蒸气分子密度很小，经常处于不饱和的低压状态， 液相与气相的溶剂分子为了维持其分子密度的动态平衡 状态，溶液中的溶剂分子必然不断地气化逸向空间，以 维持其一定的饱和蒸气压力。根据此原理，蒸发浓缩装