第十一章-结晶与成品干燥技术..ppt

第十一章结晶与成品干燥技术 目录 结晶和重结晶技术 生物成品浓缩与干燥技术 4 1 2 学习目标 知识要求 能力要求 熟练进行结晶过程分析和选择产品的干燥技术 掌握结晶的过程及结晶的扩散学说 熟悉获得饱和溶液的方法以及药物的多晶型现象 掌握生物药品的浓缩和常用干燥技术 了解结晶 喷雾干燥和冷冻干燥的影响因素 第一节结晶和重结晶技术 固态物质分为晶型 包括假晶型 和无定形两种形态 溶液中的溶质在一定条件下 因分子有规则的排列而结合成晶体 晶体的化学成分均一 具有各种对称的晶体 其特征为离子和分子在空间晶格的结点上呈规则的排列 而无定形则相反 第一节结晶和重结晶技术 通过改变溶液的某些条件 如温度 pH 溶液中无机盐组成及含量以及有机调节剂等 使溶质以晶体析出的过程就是结晶 Crystalization 同一种元素或化合物在不同条件下生成结构 形态 物性完全不同的晶体的现象称为多晶现象 第一节结晶和重结晶技术 混合体系中对某一组分进行结晶时 初析出的结晶可能或多或少吸附 夹杂或共沉淀一些杂质 故有时需要反复结晶才能得到较纯的产品 这种通过二次以上结晶作用精制获得较纯的结晶或单一晶体的过程叫做重结晶 或称再结晶 复结晶 晶体经过过滤 洗涤 可以达到较高的纯度 一 结晶过程分析 一 结晶的条件饱和溶液 在一定温度和溶剂条件下 当某一物质在溶剂中的浓度等于溶质在该温度和溶剂条件下的溶解度 过饱和溶液 同等条件下 溶质浓度超过饱和溶解度 结晶条件 过饱和溶液 减少溶解度的因素 溶剂 温度 晶体大小 分散度 颗粒大小与溶解度之间的关系 c 颗粒半径为r的溶质的溶解度 c 溶质的正常溶解度 固体颗粒和溶液间的界面张力 可见 当r减少时 溶解度c就增大 一 结晶过程分析 二 结晶过程结晶过程是溶质自动从过饱和溶液中析出 形成新相的过程 包括溶质分子凝聚成固体 以及这些分子有规律地排列在一定的晶格中 当溶液浓度达到饱和浓度时 不析出晶体 当浓度超过饱和浓度 达到一定的过饱和浓度时 才可能有晶体析出 最先析出的微小颗粒形成以后结晶的中心 称为晶核 过饱和度 S S C C 过饱和度通常用过饱和溶液的浓度c与饱和溶液浓度c 之比S来表示 晶核 最先析出的微小颗粒是以后结晶的中心 过饱和溶液的形成 晶核的形成 晶体的生长 结晶过程 溶液达到过饱和是结晶的前提 过饱和度是结晶的推动力 晶种 在稳定区和不稳定区之间 结晶不能自动进行 但如加入晶体 则能诱导产生结晶 这种加入的晶体称为 晶种 二 过饱和溶液的形成 二 结晶过程结晶过程是溶质自动从过饱和溶液中析出 形成新相的过程 包括溶质分子凝聚成固体 以及这些分子有规律地排列在一定的晶格中 当溶液浓度达到饱和浓度时 不析出晶体 当浓度超过饱和浓度 达到一定的过饱和浓度时 才可能有晶体析出 最先析出的微小颗粒形成以后结晶的中心 称为晶核 获得过饱和溶液的方法 冷却热饱和溶液法 部分溶剂蒸发法 真空蒸发冷却法 化学反应结晶法 盐析法 有机溶剂法 二 过饱和溶液的形成 一 冷却热饱和溶液 等溶剂结晶法 物质一般随温度升高其溶解度也升高 通过加温使溶质溶解 再通过降低温度促使溶液在相对较低的温度下形成过饱和溶液 冷却热饱和溶液适用于溶解度随温度降低而显著减小的场合 该法基本不除去溶剂 而是使溶液冷却降温 也称之为等溶剂结晶 冷却方法 自然冷却 间壁冷却 冷却剂与溶液隔开 直接接触冷却 在溶液中通入冷却剂 二 过饱和溶液的形成 二 部分溶剂蒸发法 等温结晶法 部分溶剂蒸发法是借蒸发除去部分溶解剂的结晶方法 也称等温结晶法 它使溶液在加压 常压或减压下加热蒸发达到过饱和 主要适用于溶解度随温度的降低而变化不大的物系或随温度升高溶解度降低的物系 蒸发法结晶消耗热能最多 加热面结垢问题使操作遇到困难 一般不常采用 主要采取的方法有加压 减压或常压蒸馏等 二 过饱和溶液的形成 三 真空蒸发冷却法 使溶剂在真空下迅速蒸发 同时结合绝热冷却 是结合了冷却和溶剂蒸发两种效应而达到过饱和度 该法设备简单 操作稳定优势 最突出的特点是容器内无换热面 所以不存在晶垢的问题 四 化学反应结晶法 加入反应剂或调节pH值使新物质产生的方法 当该新物质的溶解度超过饱和溶解度时 就有结晶析出 实质就是利用化学反应 对需要结晶的物质进行修饰 一方面调节其溶解特性 同时也可以进行适当的保护 二 过饱和溶液的形成 五 盐析法 向物系中加入某些物质 从而使溶质在溶剂中的溶解度降低而析出 常用沉淀剂为中性盐 如硫酸铵 硫酸钠等 六 有机溶剂法 有机溶剂可降低溶液的介电常数 增加蛋白质分子上不同电荷的引力 导致溶解度降低 有机溶剂与水作用能破坏蛋白质的水化膜 使蛋白质在一定浓度的有机溶剂中沉淀析出 常用的有机溶剂 乙醇和丙酮注意事项 宜在低温下进行 且在加入有机溶剂时注意搅拌均匀以免局部浓度过大 分离后的蛋白质晶体应立即用水或缓冲液溶解 以降低有机溶剂的浓度 二 过饱和溶液的形成 1 纯度纯度是指所需要的组分在样品总量中所占的比例 一船为质量分数 杂质 影响溶质长入晶体 改变晶体外形 因杂质吸附导致晶体生长缓慢 蛋白质和酶结晶所需纯度不低于50 总的趋势是越纯越易结晶 三 结晶过程考虑因素 2 浓度结晶液一定要有合适的浓度 溶液中的溶质分子或离子间便有足够的相碰机会 并按一定速率作定向排列聚合才能形成晶体 浓度太高到饱和状态 V形成 V析出 粘度增大 共沉物增加 不利于结晶析出 浓度太低处于不饱和状态 V形成 V溶解 得不到结晶 稍过饱和状态 V形成稍大于V溶解能到晶体 三 结晶过程考虑因素 3 pH值pH值的变化可以改变溶质分子的带电性质 是影响溶质分子溶解度的一个重要因素 在一般情况下 结晶液所选用的pH值与沉淀大致相同 蛋白质 酶等生物大分子结晶的pH值多选在该分子的等电点附近 三 结晶过程考虑因素 4 温度冷却速度 速度太快 易形成结晶微粒 甚至形成无定形沉淀 冷却温度 温度太低 粘度增加 干扰分子定向排列 不利于结晶 生物大分子结晶通常在低温或不太高的温度下进行 低温不仅溶解度低 而且不易变性 并可避免细菌繁殖 在中性盐溶液中结晶时 温度可在0 至室温的范围内选择 三 结晶过程考虑因素 5 时间结晶的形成和生长需要一定时问 不同的化合物 结晶时间长短不同 蛋白质 核酸等生物大分子形成结晶常需要较长时间 因此经常需要放置 在生化产品制备中 时间不宜太长 通常要求在几小时之内完成 以缩短生产周期 提高生产效率 6 晶种不易结晶的生化产品需加晶种 用玻璃棒摩擦容器壁也能促进晶体折出 需晶种形成结晶的产品 收率不高 加入晶种能诱导结晶 还能控制晶体的形状 大小和均匀度 三 结晶过程考虑因素 晶体生长的扩散学说 1 穿过靠近晶体表面的一个滞流层 从溶液中转移到晶体的表面 2 到达晶体表面的溶质长入晶面 使晶体增大 同时放出结晶热 3 结晶热传递回到溶液中 溶质依靠分子扩散作用 穿过晶体表面的滞留层 到达晶体表面 此时扩散的推动力是液相主体的浓度与晶体表面浓度差 第二步溶质长入晶面 是表面化学反应过程 此时反应的推动力是晶体表面浓度与饱和浓度的差值 三 结晶过程考虑因素 7 晶体生长速度根据扩散学说 控制晶体生长速度 1 改变晶体和溶液之间界面的滞留层特性 影响溶质长入晶体 改变晶体外形以及因杂质吸附导致的晶体生长缓慢问题 2 搅拌加速晶体生长 加速晶核的生成 3 升温促进表面化学反应速度的提高 加快结晶速度 应避免过量晶核的形成 三 结晶过程考虑因素 不意味可以得到大的晶体 8 晶体质量控制 1 大小 控制结晶温度 晶核质量 搅拌速度 2 形状 改变过饱和度 选择适宜的溶剂体系 控制溶液中的杂质种类 限量 3 纯度 控制母液中的杂质类型 限量 结晶速度 晶体粒度 粒度分布 三 结晶过程考虑因素 在晶体形成过程中有时会发生晶体结块现象 从而导致结晶产品品质劣化 主要原因有 1 结晶理论 由于某些原因造成晶体表面溶解并重结晶 使晶粒之间在接触点上形成固体晶桥 呈现结块现象 2 毛细管吸附理论 由于晶体间或晶体内的毛细管结构 水分在晶体内扩散 导致部分晶体的溶解和移动 为晶粒间晶桥的形成提供饱和溶液 导致晶体结块 三 结晶过程考虑因素 一 自然起晶法 溶剂蒸发进入不稳定区形成晶核 当产生一定量的晶种后 加入稀溶液使溶液浓度降至亚稳定区 新的晶种不再产生 溶质在晶种表面生长 二 刺激起晶法 将溶液蒸发至亚稳定区后 冷却 进入不稳定区 形成一定量的晶核 此时溶液的浓度会有所降低 进入并稳定在亚稳定的养晶区使晶体生长 三 晶种起晶法 将溶液蒸发后冷却至亚稳定区的较低浓度 加入一定量和一定大小的晶种 d 0 1mm 使溶质在晶种表面生长 该方法容易控制 所得晶体形状大小均较理想 是一种常用工业起晶法 四 常用的工业起晶方法 一 浓缩技术浓缩是从低浓度的溶液除去过多的水或溶剂变为高浓度的溶液 生化产品制备工艺中往往在提取后和结晶前进行浓缩 加热和减压蒸发最常用 蒸发是溶液表面的水或溶剂分子获得的动能超过溶液内分子间的吸引力以后 脱离液面进入空间的过程 影响蒸发的因素有 1 加热使溶液温度升高 分子动能增加 蒸发加快 2 加大蒸发面积可以增加蒸发量 3 压力与蒸发量成反比 减压蒸发 第二节生物成品浓缩与干燥技术 在常压下加热使溶剂蒸发 最后溶液被浓缩 特点 方法简单 仅适于浓缩耐热物质及回收溶剂 装置 1 装液容器与接受器间要安装冷凝管使溶剂的蒸汽冷凝 2 装液量不宜超过装液容器的1 2容积 以免沸腾时溶液雾滴被蒸汽带走或溶液冲出装液容器 3 加热前需加少量玻璃珠或碎磁片 使溶液不致过热而暴沸 暴沸易使液体冲出 4 在不能直接加热的情况下 要选用适当的热浴 以温度较溶剂沸点高20 30 为宜 一 常压蒸发 减压蒸发通常要在常温或低温下进行 通过降低浓缩液液面的压力 从而使沸点降低 加快蒸发 特点 适于浓缩受热易变性的物质 特别是蛋白质 酶 核酸等生物大分子 操作 当盛浓缩液的容器与真空泵相连而减压时 溶液表面的蒸发速率将随真空度的增高而增大 从而达到加速液体蒸发浓缩的目的 试验室常用减压浓缩装置为旋转蒸发仪 二 减压蒸发 干燥 drying 是将潮湿的固体 膏状物 浓缩液及液体中的水或溶剂除尽的过程 目的 提高产品的稳定性 使它符合规定的标准 便于分析 研究 应用和保存 分类 按水聚集状态 直接移除液体 从液态开始干燥 升华按照供热的方式 接触式 加热表面 对流式 气体 辐射式 电磁波 二 干燥技术 常压吸收干燥是在密闭空间内用干燥剂吸收水或溶剂 关键是选用合适的干燥剂 按照脱水方式 干燥剂分为三类 能与水可逆地结合为水合物 无水氯化钙 无水硫酸钠 无水硫酸钙 固体氢氧化钾 或钠 2 能与水作用生成新的化合物 五氧化二磷 氧化钙3 能吸收微量的水和溶剂 沸石分子筛 一 常压吸收干燥 真空条件下 可以在较低的温度下对样品进行干燥 真空干燥装置可以自制 也可以购买商品化的真空干燥装置 实验室常用的玻璃材质的真空干燥器与普通玻璃干燥器区别不大 只是在顶部配备二通活塞可以与相应的抽真空装置连接 根据样品含溶剂情况 可以适当配备冷凝管 吸滤瓶及干燥塔装置 以对真空泵进行保护 干燥器内放有与样品所含溶剂产生吸附或反应的干燥剂 样品量少可用真空干燥器 样品量大可用真空干燥箱 二 真空干燥 气流干燥也称 瞬间干燥 使加热介质 空气 惰性气体 燃气或其它热气体 和待干燥固体颗粒直接接触 并使待干燥固体颗粒悬浮于流体中 因而两相接触面积大 强化了传热传质过程 广泛应用于散状物料的干燥单元操作 气流干燥操作过程中 固体颗粒在气流中高度分散呈悬浮状态 使气固两相之间的传热传质表面积大大增加 特点 热效率高 干燥时间短 处理量大 三 气流干燥 四 喷雾干燥 1 喷雾干燥原理 采用雾化器将原料液分散为雾滴 并用热气体干燥雾滴而获得产品的一种干燥方法 2 溶液的雾化3 喷雾干燥的优点 干燥时间短 特别适用于热敏性物料 操作灵活 可满足各种质量指标 简化工艺流程 4 喷雾干燥的缺点 T低于150 时 设备容积大 对气固混合物的分离要求较高 需两级除尘 热效率不高 将待干燥的制品冷冻成固态 然后将冻结的制品经真空升华逐渐脱水而留下干物质的过程称为冷冻干燥 冷冻干燥的制品是在低温高真空中制成的 制品因其中微小冰晶体的升华而呈现多孔结构 并保持原先冻结的体积 加水易溶 并能恢复原有的新鲜状态 生物活性不变 五 冷冻干燥 1 冷冻干燥的过程冷冻干燥由冷冻干燥机来完成 适用于生物大分子的浓缩和干燥 冷冻干燥的程序包括冻结 升华和再干燥 五 冷冻干燥 1 预冻阶段 将溶液中的自由水固化 使干燥后产品与干燥前有相同的形态 防止抽空干燥时起泡 浓缩 收缩和溶质移动等不可逆变化产生 减少因温度下降引起的物质可溶性降低和生命特性的变化 当溶质的量极少时 有时还需要加入骨架材料 如明胶 糊精 甘露醇等 2 升华干燥阶段 第一阶段干燥 将冻结后的产品置于密闭的真空容器中加热 其冰晶就会升华成水蒸气逸出而使产品脱水干燥 除去全部水分的90 左右 3 解析干燥阶段 第二阶段干燥 第一阶段结束后 在干燥物质的毛细管壁和极性基团上还有吸附水 未被冻结 其吸附能量高 因此 这种阶段产品的温度应足够地高 只要不烧毁产品和不造成产品过热而变性就可 同时此阶段中箱内必须是高真空 2 冻干过程的三个阶段 3 真空冷冻干燥设备 样品溶液 样品要溶于水 样品要预先脱盐 样品缓冲液在冷冻时pH有较大变化 必要时加pH稳定剂 样品溶液的浓度不要过稀装样品溶液的容器 培养皿盛样品溶液 液层不要太厚 以免冻干时间太长 耗电太多 也可使用安培瓶和