第十一章 結(jié)晶與成品干燥技術(shù)

第十一章結(jié)晶與成品干燥技術(shù)目錄結(jié)晶和重結(jié)晶技術(shù)生物成品濃縮與干燥技術(shù)412學(xué)習(xí)目標(biāo)知識(shí)要求能力要求熟練進(jìn)行結(jié)晶過程分析和選擇產(chǎn)品的干燥技術(shù)掌握結(jié)晶的過程及結(jié)晶的擴(kuò)散學(xué)說熟悉獲得飽和溶液的方法以及藥物的多晶型現(xiàn)象掌握生物藥品的濃縮和常用干燥技術(shù)了解結(jié)晶、噴霧干燥和冷凍干燥的影響因素第一節(jié)結(jié)晶和重結(jié)晶技術(shù)固態(tài)物質(zhì)分為晶型（包括假晶型）和無定形兩種形態(tài)，溶液中的溶質(zhì)在一定條件下，因分子有規(guī)則的排列而結(jié)合成晶體，晶體的化學(xué)成分均一，具有各種對(duì)稱的晶體，其特征為離子和分子在空間晶格的結(jié)點(diǎn)上呈規(guī)則的排列，而無定形則相反。第一節(jié)結(jié)晶和重結(jié)晶技術(shù)

通過改變?nèi)芤旱哪承l件，如溫度、pH、溶液中無機(jī)鹽組成及含量以及有機(jī)調(diào)節(jié)劑等，使溶質(zhì)以晶體析出的過程就是結(jié)晶（Crystalization）。同一種元素或化合物在不同條件下生成結(jié)構(gòu)、形態(tài)、物性完全不同的晶體的現(xiàn)象稱為多晶現(xiàn)象。第一節(jié)結(jié)晶和重結(jié)晶技術(shù)混合體系中對(duì)某一組分進(jìn)行結(jié)晶時(shí)，初析出的結(jié)晶可能或多或少吸附、夾雜或共沉淀一些雜質(zhì)，故有時(shí)需要反復(fù)結(jié)晶才能得到較純的產(chǎn)品，這種通過二次以上結(jié)晶作用精制獲得較純的結(jié)晶或單一晶體的過程叫做重結(jié)晶(或稱再結(jié)晶、復(fù)結(jié)晶)，晶體經(jīng)過過濾、洗滌，可以達(dá)到較高的純度。一、結(jié)晶過程分析（一）結(jié)晶的條件飽和溶液：在一定溫度和溶劑條件下，當(dāng)某一物質(zhì)在溶劑中的濃度等于溶質(zhì)在該溫度和溶劑條件下的溶解度。過飽和溶液：同等條件下，溶質(zhì)濃度超過飽和溶解度。結(jié)晶條件：過飽和溶液、減少溶解度的因素（溶劑、溫度、晶體大小、分散度）顆粒大小與溶解度之間的關(guān)系：c—顆粒半徑為r的溶質(zhì)的溶解度；c*—溶質(zhì)的正常溶解度；σ—固體顆粒和溶液間的界面張力?？梢?，當(dāng)r減少時(shí)，溶解度c就增大。一、結(jié)晶過程分析（二）結(jié)晶過程結(jié)晶過程是溶質(zhì)自動(dòng)從過飽和溶液中析出，形成新相的過程，包括溶質(zhì)分子凝聚成固體，以及這些分子有規(guī)律地排列在一定的晶格中。當(dāng)溶液濃度達(dá)到飽和濃度時(shí)，不析出晶體，當(dāng)濃度超過飽和濃度，達(dá)到一定的過飽和濃度時(shí)，才可能有晶體析出。最先析出的微小顆粒形成以后結(jié)晶的中心，稱為晶核。過飽和度（S）：S=C/C*

過飽和度通常用過飽和溶液的濃度c與飽和溶液濃度c*之比S來表示。晶核：最先析出的微小顆粒是以后結(jié)晶的中心過飽和溶液的形成晶核的形成晶體的生長(zhǎng)結(jié)晶過程溶液達(dá)到過飽和是結(jié)晶的前提，過飽和度是結(jié)晶的推動(dòng)力晶種：在穩(wěn)定區(qū)和不穩(wěn)定區(qū)之間，結(jié)晶不能自動(dòng)進(jìn)行。但如加入晶體，則能誘導(dǎo)產(chǎn)生結(jié)晶。這種加入的晶體稱為“晶種”。二、過飽和溶液的形成（二）結(jié)晶過程結(jié)晶過程是溶質(zhì)自動(dòng)從過飽和溶液中析出，形成新相的過程，包括溶質(zhì)分子凝聚成固體，以及這些分子有規(guī)律地排列在一定的晶格中。當(dāng)溶液濃度達(dá)到飽和濃度時(shí)，不析出晶體，當(dāng)濃度超過飽和濃度，達(dá)到一定的過飽和濃度時(shí)，才可能有晶體析出。最先析出的微小顆粒形成以后結(jié)晶的中心，稱為晶核。獲得過飽和溶液的方法冷卻熱飽和溶液法部分溶劑蒸發(fā)法真空蒸發(fā)冷卻法化學(xué)反應(yīng)結(jié)晶法鹽析法有機(jī)溶劑法二、過飽和溶液的形成（一）冷卻熱飽和溶液（等溶劑結(jié)晶法）物質(zhì)一般隨溫度升高其溶解度也升高，通過加溫使溶質(zhì)溶解，再通過降低溫度促使溶液在相對(duì)較低的溫度下形成過飽和溶液。冷卻熱飽和溶液適用于溶解度隨溫度降低而顯著減小的場(chǎng)合。該法基本不除去溶劑，而是使溶液冷卻降溫，也稱之為等溶劑結(jié)晶。冷卻方法：自然冷卻、間壁冷卻（冷卻劑與溶液隔開）、直接接觸冷卻（在溶液中通入冷卻劑）二、過飽和溶液的形成（二）部分溶劑蒸發(fā)法（等溫結(jié)晶法）部分溶劑蒸發(fā)法是借蒸發(fā)除去部分溶解劑的結(jié)晶方法，也稱等溫結(jié)晶法，它使溶液在加壓，常壓或減壓下加熱蒸發(fā)達(dá)到過飽和。主要適用于溶解度隨溫度的降低而變化不大的物系或隨溫度升高溶解度降低的物系。蒸發(fā)法結(jié)晶消耗熱能最多，加熱面結(jié)垢問題使操作遇到困難，一般不常采用。主要采取的方法有加壓、減壓或常壓蒸餾等。二、過飽和溶液的形成（三）真空蒸發(fā)冷卻法：使溶劑在真空下迅速蒸發(fā)，同時(shí)結(jié)合絕熱冷卻，是結(jié)合了冷卻和溶劑蒸發(fā)兩種效應(yīng)而達(dá)到過飽和度。該法設(shè)備簡(jiǎn)單，操作穩(wěn)定優(yōu)勢(shì)，最突出的特點(diǎn)是容器內(nèi)無換熱面，所以不存在晶垢的問題。（四）化學(xué)反應(yīng)結(jié)晶法：加入反應(yīng)劑或調(diào)節(jié)pH值使新物質(zhì)產(chǎn)生的方法，當(dāng)該新物質(zhì)的溶解度超過飽和溶解度時(shí)，就有結(jié)晶析出。實(shí)質(zhì)就是利用化學(xué)反應(yīng)，對(duì)需要結(jié)晶的物質(zhì)進(jìn)行修飾，一方面調(diào)節(jié)其溶解特性，同時(shí)也可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)。二、過飽和溶液的形成（五）鹽析法：向物系中加入某些物質(zhì)，從而使溶質(zhì)在溶劑中的溶解度降低而析出。常用沉淀劑為中性鹽，如硫酸銨、硫酸鈉等。（六）有機(jī)溶劑法：有機(jī)溶劑可降低溶液的介電常數(shù)，增加蛋白質(zhì)分子上不同電荷的引力，導(dǎo)致溶解度降低。有機(jī)溶劑與水作用能破壞蛋白質(zhì)的水化膜，使蛋白質(zhì)在一定濃度的有機(jī)溶劑中沉淀析出。常用的有機(jī)溶劑：乙醇和丙酮注意事項(xiàng)：宜在低溫下進(jìn)行，且在加入有機(jī)溶劑時(shí)注意攪拌均勻以免局部濃度過大。分離后的蛋白質(zhì)晶體應(yīng)立即用水或緩沖液溶解，以降低有機(jī)溶劑的濃度。二、過飽和溶液的形成1.純度純度是指所需要的組分在樣品總量中所占的比例(一船為質(zhì)量分?jǐn)?shù))。雜質(zhì)：影響溶質(zhì)長(zhǎng)入晶體、改變晶體外形、因雜質(zhì)吸附導(dǎo)致晶體生長(zhǎng)緩慢。蛋白質(zhì)和酶結(jié)晶所需純度不低于50％，總的趨勢(shì)是越純?cè)揭捉Y(jié)晶。三、結(jié)晶過程考慮因素2.濃度結(jié)晶液一定要有合適的濃度，溶液中的溶質(zhì)分子或離子間便有足夠的相碰機(jī)會(huì)，并按一定速率作定向排列聚合才能形成晶體。濃度太高到飽和狀態(tài)——V形成﹤V析出，粘度增大，共沉物增加，不利于結(jié)晶析出。濃度太低處于不飽和狀態(tài)——V形成﹤V溶解，得不到結(jié)晶。稍過飽和狀態(tài)——V形成稍大于V溶解能到晶體三、結(jié)晶過程考慮因素3.pH值pH值的變化可以改變?nèi)苜|(zhì)分子的帶電性質(zhì)，是影響溶質(zhì)分子溶解度的一個(gè)重要因素。在一般情況下，結(jié)晶液所選用的pH值與沉淀大致相同。蛋白質(zhì)、酶等生物大分子結(jié)晶的pH值多選在該分子的等電點(diǎn)附近。三、結(jié)晶過程考慮因素4.溫度冷卻速度——速度太快，易形成結(jié)晶微粒，甚至形成無定形沉淀。冷卻溫度——溫度太低，粘度增加，干擾分子定向排列，不利于結(jié)晶。生物大分子結(jié)晶通常在低溫或不太高的溫度下進(jìn)行。低溫不僅溶解度低，而且不易變性，并可避免細(xì)菌繁殖。在中性鹽溶液中結(jié)晶時(shí)，溫度可在0℃至室溫的范圍內(nèi)選擇。三、結(jié)晶過程考慮因素5.時(shí)間結(jié)晶的形成和生長(zhǎng)需要一定時(shí)問，不同的化合物，結(jié)晶時(shí)間長(zhǎng)短不同。蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子形成結(jié)晶常需要較長(zhǎng)時(shí)間，因此經(jīng)常需要放置。在生化產(chǎn)品制備中，時(shí)間不宜太長(zhǎng)，通常要求在幾小時(shí)之內(nèi)完成，以縮短生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率。6.晶種不易結(jié)晶的生化產(chǎn)品需加晶種。用玻璃棒摩擦容器壁也能促進(jìn)晶體折出。需晶種形成結(jié)晶的產(chǎn)品，收率不高。加入晶種能誘導(dǎo)結(jié)晶，還能控制晶體的形狀、大小和均勻度。三、結(jié)晶過程考慮因素晶體生長(zhǎng)的擴(kuò)散學(xué)說：（1）穿過靠近晶體表面的一個(gè)滯流層，從溶液中轉(zhuǎn)移到晶體的表面；（2）到達(dá)晶體表面的溶質(zhì)長(zhǎng)入晶面，使晶體增大，同時(shí)放出結(jié)晶熱；（3）結(jié)晶熱傳遞回到溶液中。溶質(zhì)依靠分子擴(kuò)散作用，穿過晶體表面的滯留層，到達(dá)晶體表面；此時(shí)擴(kuò)散的推動(dòng)力是液相主體的濃度與晶體表面濃度差；第二步溶質(zhì)長(zhǎng)入晶面，是表面化學(xué)反應(yīng)過程，此時(shí)反應(yīng)的推動(dòng)力是晶體表面濃度與飽和濃度的差值。三、結(jié)晶過程考慮因素7.晶體生長(zhǎng)速度根據(jù)擴(kuò)散學(xué)說，控制晶體生長(zhǎng)速度：（1）改變晶體和溶液之間界面的滯留層特性，影響溶質(zhì)長(zhǎng)入晶體、改變晶體外形以及因雜質(zhì)吸附導(dǎo)致的晶體生長(zhǎng)緩慢問題；（2）攪拌加速晶體生長(zhǎng)、加速晶核的生成；（3）升溫促進(jìn)表面化學(xué)反應(yīng)速度的提高，加快結(jié)晶速度。應(yīng)避免過量晶核的形成。三、結(jié)晶過程考慮因素不意味可以得到大的晶體8.晶體質(zhì)量控制（1）大小——控制結(jié)晶溫度、晶核質(zhì)量、攪拌速度（2）形狀——改變過飽和度、選擇適宜的溶劑體系、控制溶液中的雜質(zhì)種類、限量（3）純度——控制母液中的雜質(zhì)類型、限量、結(jié)晶速度、晶體粒度、粒度分布三、結(jié)晶過程考慮因素在晶體形成過程中有時(shí)會(huì)發(fā)生晶體結(jié)塊現(xiàn)象，從而導(dǎo)致結(jié)晶產(chǎn)品品質(zhì)劣化，主要原因有：（1）結(jié)晶理論：由于某些原因造成晶體表面溶解并重結(jié)晶，使晶粒之間在接觸點(diǎn)上形成固體晶橋，呈現(xiàn)結(jié)塊現(xiàn)象；（2）毛細(xì)管吸附理論：由于晶體間或晶體內(nèi)的毛細(xì)管結(jié)構(gòu)，水分在晶體內(nèi)擴(kuò)散，導(dǎo)致部分晶體的溶解和移動(dòng)，為晶粒間晶橋的形成提供飽和溶液，導(dǎo)致晶體結(jié)塊。三、結(jié)晶過程考慮因素（一）自然起晶法——溶劑蒸發(fā)進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)形成晶核、當(dāng)產(chǎn)生一定量的晶種后，加入稀溶液使溶液濃度降至亞穩(wěn)定區(qū)，新的晶種不再產(chǎn)生，溶質(zhì)在晶種表面生長(zhǎng)。（二）刺激起晶法——將溶液蒸發(fā)至亞穩(wěn)定區(qū)后，冷卻，進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)，形成一定量的晶核，此時(shí)溶液的濃度會(huì)有所降低，進(jìn)入并穩(wěn)定在亞穩(wěn)定的養(yǎng)晶區(qū)使晶體生長(zhǎng)。（三）晶種起晶法——將溶液蒸發(fā)后冷卻至亞穩(wěn)定區(qū)的較低濃度，加入一定量和一定大小的晶種（d﹤0.1mm），使溶質(zhì)在晶種表面生長(zhǎng)。該方法容易控制、所得晶體形狀大小均較理想，是一種常用工業(yè)起晶法。四、常用的工業(yè)起晶方法一、濃縮技術(shù)濃縮是從低濃度的溶液除去過多的水或溶劑變?yōu)楦邼舛鹊娜芤?。生化產(chǎn)品制備工藝中往往在提取后和結(jié)晶前進(jìn)行濃縮。加熱和減壓蒸發(fā)最常用。蒸發(fā)是溶液表面的水或溶劑分子獲得的動(dòng)能超過溶液內(nèi)分子間的吸引力以后，脫離液面進(jìn)入空間的過程。影響蒸發(fā)的因素有：(1)加熱使溶液溫度升高，分子動(dòng)能增加，蒸發(fā)加快。(2)加大蒸發(fā)面積可以增加蒸發(fā)量。(3)壓力與蒸發(fā)量成反比。（減壓蒸發(fā)）第二節(jié)生物成品濃縮與干燥技術(shù)在常壓下加熱使溶劑蒸發(fā)，最后溶液被濃縮。特點(diǎn)：方法簡(jiǎn)單，僅適于濃縮耐熱物質(zhì)及回收溶劑。裝置：（1）裝液容器與接受器間要安裝冷凝管使溶劑的蒸汽冷凝；（2）裝液量不宜超過裝液容器的1/2容積，以免沸騰時(shí)溶液霧滴被蒸汽帶走或溶液沖出裝液容器。（3）加熱前需加少量玻璃珠或碎磁片，使溶液不致過熱而暴沸，暴沸易使液體沖出。（4）在不能直接加熱的情況下，要選用適當(dāng)?shù)臒嵩。詼囟容^溶劑沸點(diǎn)高20～30℃為宜。(一)常壓蒸發(fā)減壓蒸發(fā)通常要在常溫或低溫下進(jìn)行．通過降低濃縮液液面的壓力，從而使沸點(diǎn)降低，加快蒸發(fā)。特點(diǎn)：適于濃縮受熱易變性的物質(zhì)，特別是蛋白質(zhì)、酶、核酸等生物大分子。操作：當(dāng)盛濃縮液的容器與真空泵相連而減壓時(shí)，溶液表面的蒸發(fā)速率將隨真空度的增高而增大，從而達(dá)到加速液體蒸發(fā)濃縮的目的。試驗(yàn)室常用減壓濃縮裝置為旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀。(二)減壓蒸發(fā)干燥(drying)是將潮濕的固體、膏狀物、濃縮液及液體中的水或溶劑除盡的過程。目的：提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性，使它符合規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，便