《其他结晶技术》PPT课件.ppt

2020 3 23 1 第九章其他结晶技术 李爱军教授河北科技大学2011 09 2020 3 23 2 盐析法溶析结晶法反应结晶法 主要内容 2020 3 23 3 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 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 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 9 1盐析结晶 2020 3 23 4 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 2020 3 23 5 盐析现象图示 2020 3 23 6 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 球蛋白的选择性沉淀 2020 3 23 7 3 影响盐析的因素 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 PO43 SO42 CH3COO Cl NO3 I NH4 K Na Li 盐析用盐要考虑几个因素 常用氯化钠 硫酸铵 无机盐的种类 2020 3 23 8 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 2020 3 23 9 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 2020 3 23 10 蛋白质浓度的影响 蛋白质浓度提高 盐用量减少 2020 3 23 11 温度的影响 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 2020 3 23 12 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 2020 3 23 13 4 蛋白质盐析方法 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 重复盐析法 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 2020 3 23 14 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 2020 3 23 15 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 2020 3 23 16 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 2020 3 23 17 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 2020 3 23 18 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 萘酚生产过程中的 磺酸钠的盐析就用氢氧化钠中和 2020 3 23 19 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 2020 3 23 20 9 2盐析法过程中的一些因素 1 过饱和度的控制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 2020 3 23 21 盐析加盐过少 溶液密度低 盐析得率低 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 2020 3 23 22 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 2020 3 23 23 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 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 2 搅拌对盐析结晶的影响 2020 3 23 24 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 3 盐析温度对结晶的影响 2020 3 23 25 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 2020 3 23 26 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 2020 3 23 27 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 2020 3 23 28 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 2020 3 23 29 2 影响溶析结晶的因素 反溶剂的选择 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 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 2020 3 23 30 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 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 2020 3 23 31 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 2020 3 23 32 2020 3 23 33 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 2020 3 23 34 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 2020 3 23 35 2020 3 23 36 反溶剂选择 与水有高临界互溶温度 即在常温下与水部分互溶 而在某个较高温度下与水完全互溶 在较高温度下进行结晶操作 在低温下再生反溶剂 另一种是与水有低临界互溶温度的反溶剂 如在常温下与水部分互溶 而在某个较低温度下与水完全互溶 在较低温度下进行结晶 在常温下再生反溶剂 溶析结晶脱盐的反溶剂必须具备以下基本条件 在盐结晶温度下反溶剂的亲水性要强 且大大降低盐在水中的溶解度 再生温度下反溶剂具有较强的憎水性 2020 3 23 37 用来提纯分离有机中间体和制备纳米颗粒药物 原理 将药物溶于易溶溶剂中 以不能溶解药物的溶剂为反溶剂 且两种溶剂互溶 将溶液与反溶剂迅速混合形成高的过饱和度 药物颗粒瞬间结晶出来 反溶剂沉淀法制备纳微药物颗粒的影响因素 溶剂与反溶剂体系的选取 溶剂与反溶剂的体积比 药物溶液的浓度 体系温度等 溶剂与反溶剂体系的选取需要遵循以下原则 药物在溶剂中的溶解度尽可能大 而在反溶剂中几乎不溶 或溶解度很小 溶剂与反溶剂互溶或部分互溶 且溶剂和反溶剂是无毒或低毒的 4 溶析结晶分离有机物 2020 3 23 38 优点 该方法制备纳米药物时 得到的粉体颗粒粒度小 粒度分布比较均匀 设备投资小 有很好的应用前景 缺点 可互溶的溶剂 反溶剂体系比较难选 特别是对于某些在水中和有机溶剂中溶解度都很小或都很大的药物 此外 该技术还会产生大量的溶剂与反溶剂的混合体系 需要回收设备对溶剂和反溶剂进行回收 这将增加生产成本 2020 3 23 39 溶析结晶法分离提纯对二氯苯的研究 溶析结晶法从邻对位二氯苯混合物中分离提纯对二氯苯的新工艺 选用乙醇作为主溶剂 水作为析出剂 测定了物系的溶解度关系 研究了溶剂配比 结晶温度 投料比等工艺操作条件对产品收率和纯度的影响 实验证明 在温度为5 10 溶剂体积比 水 乙醇 为0 25 0 35的条件下 采用溶析结晶法可从对二氯苯含量为77 85 的原料中 分离出纯度为99 7 以上的对二氯苯产品 收率可达75 90 2020 3 23 40 2020 3 23 41 例 有机溶剂沉淀法制备无定形头孢唑肟酯 溶剂为水溶性的DMF 2020 3 23 42 反应结束的后处理中 文献报道的方法一般为加水终止反应 用乙酸乙酯或二氯甲烷等溶剂提取 将提取后的溶剂干燥浓缩得到油状物粗品 柱层析进行纯化 得到的精品 产品损失比较大 难用于工业化生产 反应结束后将反应液倾入大量水中 等固体完全析出后抽滤 得到白色固体真空干燥 粗品纯度可到80 以上 进一步纯化含量可达90 以上 满足头孢菌素原料药的要求 收率达到70 以上 该处理方法简单 价廉 适合于工业化大生产 2020 3 23 43 9 3反应结晶法 反应结晶法 利用药物的独特分子结构 通过快速的反应 形成高的过饱和度 从而生成不溶的沉淀产物 实用的快速反应 1 氨基化合物与羧基化合物进行的酸碱中和反应 2 醛与胺形成亚胺的反应 醛与肼形成腙的反应 3 有些反应很慢 随着反应的进行 结晶随时出来 也属于反应结晶 工艺适用于纳微药物颗粒的制备 作为中间体 由于颗粒较细 有时很难固液分离 2020 3 23 44 用药物的水溶性盐与酸或碱溶液反应制备水难溶性药物 在有机溶剂中与酸或碱反应制备以盐形式存在的水溶性药物 药物先与酸 或碱 反应生成盐 然后生成的盐再与碱 或酸 反应结晶生成药物 此类药物通常不溶于大多数水溶液或有机溶剂 但可以盐的形式溶于碱性或酸性溶液的酸性或碱性药物 2020 3 23 45 例1反应结晶法制备阿奇霉素药物超微粉体 利用阿奇霉素在酸性条件下溶解 中性或碱性条件下析出的特点 通过反应沉淀法制备无定型阿奇霉素超微粉体 此过程未添加任何表面活性剂 工艺简单 成本低 有望实现工业放大生产 取