20 第13章-8、9、10 结晶干燥离子交换.pptx

第1页：第八节结晶氨基酸、核苷酸、酶制剂、抗生

素制备纯物质的，具有高度选择性的，重要操作单元

第2页：一、结晶生成的原理

二、影响结晶生成的因素三、重结晶四、结晶器五、工业发酵中常用的结晶方法

第3页：一、结晶生成的原理

• 晶体许多性质相同的粒子（原子、离子、分子）在空间有规律地排列成格子状的固体。每个格子称为晶胞。规则的几何外形、固定的熔点、均匀性、各向异性、对称性。晶体与结晶水
• 晶体与过饱和率
• 过饱和率=过饱和液浓度÷饱和液浓度
• 是结晶的推动力
• 结晶
• 使溶质呈晶态从溶液中析出的过程，放热过程
• 三步全过程：形成过饱和溶液→形成晶核→晶体生长

第4页：介稳区需加入晶种才能形成晶体A →

B → C冷却-结晶A → D → E蒸发-结晶饱和曲线---------过饱和曲线不稳定区（过饱和区）介稳定区稳定区（不饱和区）

第5页：介稳区——晶体生长

• 不稳区——晶核形成
• v晶核形成>v晶体生长：晶体小，数目多
• v晶核形成<v晶体生长：晶体大，数目少
• 过程控制：长时间介稳区→大晶体

第6页：二、影响结晶生成的因素

• 1、过饱和率
• 2、粘度
• 3、温度
• 4、搅拌
• 5、冷却速度
• 6、pH值和等电点
• 7、晶种
• 8、晶浆浓度
• 9、循环速度
• 10、结晶系统的晶垢
• 11、共存杂质的影响
• 12、晶习修改剂

第7页：过饱和率

• 1.过饱和率
• 对成核速度的影响更大
• 较大时，导致晶体细小2.粘度
• 与晶体生长速度成反比3.温度
• 对晶体生长的影响更大
• 温度，过饱和率
• 较高温度结晶，晶体颗粒也较大4.搅拌
• 促进成核和扩散，提高晶体生长
• 使晶体长的大而均匀
• 搅拌速度不宜过大

第8页：冷却速度

• 5.冷却速度
• 迅速冷却→晶型细小、针状结构、晶簇晶格中含杂质
• 缓慢冷却+适度搅拌→晶体均匀生长6.pH值与等电点
• 等电点附近的pH，有利于晶体析出7.晶种
• 有利于控制晶粒数目、大小、均匀度
• 开始前加入，介稳区8.晶浆浓度
• 有利于结晶生产速度：单位体积结晶表面积大、晶体生长快
• 操作条件下允许范围的最大值

第9页：循环流速

• 9.循环流速
• 1.使过饱和度分布均匀；2、增大固液表面传质系数；3、提高换热效率；4、磨损破碎晶体
• 选无结晶磨损范围内的最大值10.晶体系统的晶垢
• 负面影响结晶效率
• 器壁光滑；提高流速并使均匀；外循环液为含晶种的过饱和液；夹套保温；晶垢铲除装置；喷淋溶剂除垢。11.共存杂质的影响
• 影响纯度
• 改变溶解度
• 改变晶习
• 进入晶格，影响结晶的理化性质及生物活性12.晶习修改剂
• 改变结晶行为：晶体外部形态、粒度分布、促进晶体生长速率。
• 表面的
• 进入晶格的

第10页：三、重结晶

• 目的：减少晶体中杂质含量。
• 当晶体不纯，混入了杂质时，需进行重新溶解后重结晶，以减杂。
• 简单形式的：把含杂质的晶体溶解在少量热的纯溶剂中，然后冷却至新的晶体生成。重复以上步骤，直至晶体纯度符合要求。

第11页：简单重结晶

分级重结晶

第12页：四、结晶器

• （工业结晶设备）
• 冷却式结晶器
• 蒸发式结晶器常压蒸发式结晶器真空蒸发式结晶器√
• 选取原则：目标产物的溶解度曲线。
• 溶解度随温度↑，显著↑冷却式
• 溶解度随温度↑，变化～蒸发式

第13页：（一）冷却式结晶器

1.冷却式搅拌槽结晶器：结构简单，造价低①夹套冷却式：易晶垢，适合小规模②外部循环冷却式：不易晶垢，效率高，连续性好③槽内蛇管冷却式夹套冷却式搅拌槽结晶器外部循环冷却式搅拌槽结晶器

第14页：Howard结晶器

2. Howard结晶器：夹套冷却主体结构锥形容积小小规模连续

第15页：（二）蒸发式结晶器

1、Krystal-Oslo结晶器结晶器蒸发室外部加热器常压具备结晶分级能力

第16页：DTB型结晶器

• 2、DTB型结晶器（draft tube & baffled crystallizer）
• 导流管，螺旋桨
• 钟罩型挡板
• 特点：内循环效率高，过饱和度均匀且较低。
• 晶浆密度可达30%~40%，生产强度高，粒度达600~1200mm。

第17页：DP结晶器

• 3、DP结晶器（double-propeller crystallizer）
• 内设两个同轴螺旋桨
• 一个在导流管内↑
• 一个在导流管与钟形挡板之间↓
• 优：搅拌循环好，功耗低，利于结晶的机械破碎。
• 缺：要求平衡性能好、精度高，制造复杂。

第18页：五、工业发酵常用的结晶方法

• 1、将热饱和溶液冷却，添加晶种结晶
• 适用于溶解度随温度降低而显著减小的发酵产品。
• 谷氨酸、柠檬酸
• 2、将部分溶媒蒸发结晶
• 适用于溶解度随温度变化不显著的发酵产品。灰黄霉素
• 直接添加有机溶剂、挥发性有机溶剂蒸发法、冷冻真空干燥法。
• 3、添加有机溶剂结晶
• 调节pH或添加有机溶剂生成新物质，结晶析出。土霉素调pH土霉素游离碱。青霉素青霉素钾盐

第19页：盐析结晶

• 4、盐析结晶
• 添加一种物质，使溶质的溶解度降低，形成过饱和溶液而结晶析出的方法。
• 此种物质：有机溶剂（能溶于溶液的）、能溶于溶液的物质。
• 卡那霉素+乙醇=析出普鲁卡因青霉素+食盐=析出
• 5、等电点结晶
• 调节pH使之接近等电点，从而使溶质结晶析出。
• 酶制剂、氨基酸、抗生素、、、

第20页：第九节干燥

提取的最后环节，目的是除水

第21页：一、干燥原理

• 干燥：潮湿的固体、半固体或浓缩液中的水分（或溶剂）蒸发的过程。
• 水分：表面水分-自由水分，不与物料结合，干燥最快毛细管水分-结合水分，固体极细孔的毛细管中，蒸发慢被膜所包围的水分–细胞质膜中，最难去除
• 常在低于沸点的条件下汽化。与蒸发不同
• 传热又传质

第22页：二、常用的干燥方法

• 以及干燥过程
• 1.对流加热干燥法（空气加热）
• 空气载热并导湿，应用广泛
• 气流干燥、沸腾干燥、喷雾干燥、喷雾沸腾造粒干燥
• 2.接触加热干燥法（加热面传热）
• 箱式干燥、真空干燥
• 3.冷冻升华干燥法
• 冷至冰点下，真空（27~267Pa），冰升华带走水。
• 生理活性的生物大分子、酶制剂、维生素以及抗生素。发酵产品温度降低，水分结晶以及部分冻结；升华；剩余水分蒸发。

第23页：三、影响干燥速度的因素①湿物料的性质和形

状②湿物料本身的温度③干燥介质的温度④物料的最初、最终和临界湿含量⑤干燥介质的湿度和流动情况⑥干燥介质与被干燥物料的接触⑦干燥器的类型

第24页：四、工业发酵中常用的干燥过程

• （一）、气流干燥（瞬间干燥、急骤干燥）利用热空气与粉末状或粒状的湿物料接触，使水分迅速汽化而获得干燥物料的方法。1~5秒。1.特点：
• 1）干燥强度大，干燥时间短
• 2）瞬时高温，对物料变质的影响小
• 3）设备简单，生产能力大旋风气流干燥器
• 4）可将干燥、粉碎、筛分、输送及包装合为一个工序。工艺环境卫生健康，提高产品质量&收率。
• 5）缺点：不适用于对干燥后的颗粒形态有要求的，以及非常粘稠的液体物料干燥工艺；热利用效率低

第25页：气流干燥器的类型

• 2.气流干燥器的类型
• 长管式：10~20m
• 短管式：4m
• 旋风气流干燥器
• 短管旋风气流干燥器

第26页：长管式气流干燥器流程1.过滤器2.空

气加热器3.鼓风机4.皮带轮5.螺旋分配器6.料斗7.气流干燥管8.缓冲管9.一级旋风分离器10.振筛11.二级旋风分离器12.湿式收集器13.排风机味精干燥耗钢材较多，传热系数较低，产品有磨损

第27页：短管式气流干燥流程①蒸汽加热器②电加

热器③旋风分离器④旋风分离器⑤鼓风机短管负压气流干燥流程降低了设备及厂房的高度，减少了设备材料的消耗，提高了产品质量及产量。

第28页：旋风式气流干燥流程1.鼓风机2.袋滤

器3.干料箱4.旋风分离器5.干料箱6.旋风分离器7.热电偶8.干燥室9.加热夹套10.热电偶11.空气过滤器12.空气加热器设备简单，占地面积小，干燥速度快时间短，降低劳动强度，提高产品质量和收率，但热利用效率低。四环素干燥

第29页：

第30页：（二）沸腾干燥

• 时间稍长，适用于颗粒物料的干燥，新型高效1.原理：
• 利用热的空气流体使孔板上得粉粒状物料呈流化沸腾状态，水分迅速汽化，达到干燥目的。
• 若使气流速度=颗粒沉降速度，脱水后颗粒可浮动，可经溢流排出成为终产品。这样可连续进料出料。
• 沸腾床：（气固、气液、液固、两相溶液）重量较小的一相以一定速度，自下而上，通过重量较小的相层，即形成悬浮床。
• 湍动混合，强化两相传质和传热。
• 传热系数大，压力降较低，干燥速度快，设备简单，易于自动化，产品质量好

第31页：沸腾干燥

• 2.沸腾干燥的特点：
• 适用于：30um~6mm颗粒物料的干燥，要求物料本身遇水结团现象不严重。
• 常作为气流干燥或喷雾干燥的后续强化步骤
• 优点：
• 1.可实现小设备大生产：传热效果好，热容量系数大，设备生产能力高。
• 2.干燥速度快，干燥时间短，对物料变质影响小。
• 3.温度分布均匀
• 4.干燥器内停留时间可调整。
• 缺点：
• 对颗粒大小的限制30um~6mm之间，混合物料干燥时，比重需接近。
• 不适用于物料湿度大，粘度高的情况。
• 易结块易结壁的物料最好不用
• 单级连续式沸腾干燥器，物料的设备内停留时间不均匀，造成干燥不彻底。

第32页：沸腾干燥设备的分类

• 3.沸腾干燥设备的分类
• 按处理的物料分：
• 粒状、膏状、悬浮液和溶液等具有流动性的物料
• 按设备结构和形式分：
• 单层沸腾干燥器、多层沸腾干燥器、卧式多室沸腾干燥器、喷动床干燥器、振动沸腾干燥器、脉动沸腾干燥器、喷雾沸腾造粒干燥器

第33页：单层沸腾干燥流程①鼓风机②加热器③螺

旋加料器④料斗⑤干燥室⑥旋风分离器⑦袋滤器⑧料斗⑨卸料管⑩星形卸料器结构简单，操作方便，生产能力大，风速较低，粉尘夹带较少，物料干燥可调节，干燥程度高，适用于大规模生产对于一些粒度分布较广并有一定粘性、难于流化的物料：可在沸腾床内加搅拌装置，以改善流化质量和避免物料局部堆积

第34页：喷雾沸腾造粒干燥流程①抽风机②旋风分

离器③沸腾干燥器④螺旋加料器⑤保温高位槽⑥喷雾器⑦鼓风机⑧加热器⑨卸料管葡萄糖干燥蒸发、结晶、干燥一步完成，缩减工艺、降低成本、提高效率

第35页：（三）喷雾干燥

• 适用于需干燥又不允许较高温度的情况。
• 1.原理：
• 利用不同的喷雾器，将悬浮液或粘滞的液体喷成雾状，使其在干燥室中与热空气接触，由于物料呈微粒状，比表面积大，蒸发面积大，微粒中水分急速蒸发，在几秒或几十秒内获得干燥，干燥后的粉末状固体沉降于干燥室底部，经卸料器排出，成为成品。

第36页：喷雾干燥

• 2、喷雾干燥的特点
• 1>.热质交换急剧，干燥速度快，产品质量高，过程迅速。15~30s
• 2>.产品为粉末状，可在接近无菌的情况下进行包装
• 3>.可通过改变喷雾干燥的工艺条件而改变产品的质量指标
• 4>.可连续进行，其干燥过程可实行机械化、连续化以及自动化，降低劳动强度。
• 5>.缺点：干燥强度下，干燥设备庞大，投资较大，热利用率低

第37页：分类 按喷雾方法不同

• 3.分类
• 按喷雾方法不同：
• 压力式
• 气流式
• 离心式
• 按干燥空气流和溶液微粒运动情况不同：
• 溶液微粒和气流顺流操作的干燥
• 逆流操作干燥
• 错流操作干燥
• 按干燥室内的压力不同：
• 常压喷雾干燥
• 真空喷雾干燥4.工业发酵中常用的喷雾干燥流程

第38页：压力喷雾干燥流程①过滤器②鼓风机③加

热器④喷雾器⑤干燥室⑥排风机⑦袋滤器⑧螺旋输送机

第39页：离心喷雾干燥流程1.泵2.贮料槽3

.排风机4.集尘器5.高位槽6.进料液位槽7.加热器8.鼓风机9.过滤器10.喷雾离心盘11.干燥塔12.出粉闸门13.旋风分离器A-淀粉酶干燥

第40页：气流喷雾干燥流程1.电加热器2.过滤

器3.瓷环4.棉花5.空气分配盘6.袋滤器7.回风管8.压头9.恒温无菌室10.瓶链霉素干燥

第41页：（四）冷冻升华干燥

• 原理：将湿物料在较低温度下冻结成固态，然后在高度真空下将其中水分不经液态而直接升华成气态的干燥过程。
• 特点：
• 1.对热敏性物质，不影响其生物活性及效价
• 2.物料干燥时形态保持完整
• 缺点：冷冻干燥速率较低；设备复杂，消耗动力大，操作要求高，增加成品成本。

第42页：冷冻升华干燥的设备A.冷冻部分B.真

• 空部分C.水汽去除部分
• 直接抽出法
• 冷凝法
• 使用化学吸水剂法
• 使用物理吸水剂法D.加热部分

第43页：（五）真空干燥

• 原理：在真空泵抽真空使系统形成负压的条件下，将固体或晶体等物料加热，使水分汽化除去，获得干燥成品。
• 特点：
• 负压下汽化，干燥温度远比常压干燥低
• 低温干燥，避免物料变性分解
• 可回收物料中挥发性的溶剂，减少物料氧化，从而保证和提高了产品质量

第44页：真空干燥的分类

• 间歇式
• 真空干燥箱
• 橱式真空干燥设备
• 隧道式真空干燥设备
• 连续式
• 滚筒式真空干燥器
• 转筒式真空干燥器
• 链带式真空干燥器

第45页：

第46页：第十节离子交换法

根据酸碱度、极性和分子大小的差异而予以分离的技术。应用：蛋白质、氨基酸、核酸、酶及抗生素其他：水处理，重金属回收

第47页：第十节 离子交换法

7

第48页：一、离子交换原理离子交换树脂一种不溶于酸

• 碱和有机溶剂的网状结构的功能高分子化合物，本身带有酸性或碱性的功能团。
• 具有三维空间立体结构的网络骨架
• 联接在骨架上的活性基团
• 活性基团所带的相反电荷的活性离子（可交换离子）
• 发酵液中的发酵产物多具有酸性或碱性功能团，以离子形式存在于发酵液中，可与树脂的活性离子基团相交换 8

第49页：吸附、吸收、穿透、扩散、离子交换、离

• 子亲和力
• 离子交换的过程
• 1.发酵液中的离子经吸附或扩散到树脂的表面
• 2.穿透树脂的表面，被吸收或扩散到树脂内部的活性中心
• 3.这些离子与树脂中的原有自由离子互相交换
• 4.交换出来的离子自树脂内部的活性中心扩散到树脂表面。 9

第50页：物理吸附

• 1.物理吸附
• 吸附剂：离子交换树脂
• 吸附质：目标的发酵产物
• 可吸附，可解吸
• 吸附质在吸附剂表面上的浓度大于在吸附剂内部的浓度。
• 放热 0

第51页：晶格理论

• 2.晶格理论
• 离子交换树脂，可视为离子型的晶格组成的晶体
• 水中的离子型晶体，其内部离子间引力削弱，可以与外部离子交换
• 两种以上的成分被交换吸附在离子交换树脂上，用洗脱剂洗脱时，其被洗脱的能力取决于各自洗脱反应的平衡常数。 1

第52页：双电层理论

• 3.双电层理论
• 双电层：可被电解质溶液润湿的固体表面，因吸附其中一种电荷（与自身电荷相反的电荷）的离子，形成双电层。
• 双电层厚度：稀溶液，厚，双电层大浓溶液，薄，双电层小双电层大小影响外部离子与内部离子的交换难度设法扩大双电层降低溶液浓度 2

第53页：膜理论

• 4.膜理论
• 膜：允许直径较小的分子离子透过，不允许直径较大的分子透过的物质。
• 离子交换树脂-------膜
• 具有输送的孔隙，容许小于此孔隙的物质进入，
• 选择性透过：离子 3

第54页：二、离子交换平衡

• 反离子即可交换离子：
• 作为离子交换树脂，在交联结构的高分子基体（骨架）上，以化学键结合着许多交换基团，这些交换基团由两部分组成：固定部分和活动部分。交换基团中的固定部分被束缚在高分子基体上，不能自由移动，所以称为固定离子；交换基团的活动部分则是与固定离子以离子键结合的符号相反的离子，称为反离子 4

第55页：对于离子交换反应

• bRU+aXbaRX +bUa
• 离子交换平衡常数
• 分配系数 5m1,反离子浓度为1时溶质X的分配系数

第56页：离子交换树脂的结构带有活性基团的网状

高分子聚合物骨架活性基团酚醛树脂聚乙烯树脂交联剂酸性基团碱性基团—SO3H—COOH—N+R3—NR2特殊基团三、离子交换剂的结构

第57页：四、离子交换剂的分类

• 1.阳离子交换剂：
• 强酸型：-R-SO3H
• 中强酸型：-PO3H2，-HPO2H
• 弱酸型：-COOH，-OH
• 2.阴离子交换剂：都含氨基
• 强碱型：-N+(CH3)3
• 弱碱型：-N(CH3)2,-NHCH3,-NH2
• 3.两性离子交换剂：同时含酸性基团和碱性基团
• 4.选择性离子交换剂：螯合型离子交换树脂
• 5.吸附树脂：脱色树脂，本身离子交换能力弱
• 6.电子交换树脂：可电子转移，能起氧化还原作用 7

第58页：五、离子交换树脂的理化性质

1.离子交换树脂的处理、再生及保存1.处理：干树脂浸泡2h减压抽气泡水洗去水加2MHCl搅拌4h去酸液水洗至中性4倍量NaOH搅拌4h，水洗至中性2.再生：使用过的离子交换树脂恢复原状。转型即可：使用时希望树脂上带有何种离子，就用带有该种离子的溶液充分浸泡。如用酸碱转型，必须水洗至中性。3.保存：短期：阴离子—1MHCl，阳离子—1MNaOH长期：洗至中性，以中性盐型保存。润湿态密封保存。 8

第59页：离子交换树脂的理化性能

• 2.离子交换树脂的理化性能：①颗粒度：在水中充分膨胀的颗粒直径
• 对树脂交换能力、树脂层中溶液流动分布均匀程度、溶液通过树脂层中的压力降以及交换和反冲时树脂的流失等都有影响。②含水量：树脂充分膨胀下测定，一般为40%-60%③密度：（g/ml）a)干真密度：干燥状态下树脂合成材料本身的密度树脂的干燥重/减去树脂内空隙的真体积b)湿真密度：充分膨胀后，颗粒本身的密度树脂湿重/树脂颗粒所占体积c)视密度：吸水膨胀后的堆积密度树脂湿重/树脂层的体积 9

第60页：④膨胀性

以溶胀率表示，交联度小、水合度大、交换基团的离解能力强，溶胀率大⑤耐磨损强度：一般为每年3%-7%⑥耐热性：过低影响机械性能，过高树脂交换基团分解。⑦交换容量：树脂交换能力的大小理论交换量：全交换量，单位重量或体积树脂中所含可交换离子的物质的量工作交换量：在一定操作条件下，离子交换树脂所能利用的交换容量。(同性)一般弱酸碱的比强酸碱的交换容量大，(同类)交联度小的离子交换树脂交换容量大。 02.离子交换树脂的理化性能

第61页：六、离子交换树脂的选择性1.晶体解离的难

易决定了组成晶体的离子间引力的大小。2.取代交换剂中离子的难易又取决于溶液中可交换离子的浓度。3.离子和树脂间的亲和力愈大，就愈容易被吸附4.低温和普温时，离子的化合价越高越易吸附5.pH值的影响： 1环境条件树脂类型环境条件树脂类型pH无限制强酸型碱性弱酸型pH无限制强碱性酸性弱碱型

第62页：七、影响离子交换速度

的主要因素1.树脂颗粒的大小:细小，单位体积的比表面积大，有利于离子交换。2.树脂的交联度：降低交联度能提高交换速度。3.溶液中离子浓度：一定范围内增加时能加快交换速度。4.温度：一定范围内能增大扩散系数，提高交换速度。5.离子的大小：离子小，交换速度快6.离子价：离子价小，吸附速度快7.树脂的强弱：强酸碱的交换速度＞弱酸碱8.树脂层装填的松紧度：疏松有利于扩散和交换速度提高。 2

第63页：八、离子交换操作方式

• 1.分批法
• 树脂与溶液共置一容器中
• 2.固定床法
• 树脂固定于柱中，溶液流过
• 阴阳离子交换树脂共置一柱中，称为混合床
• 3.流动床法 3

第64页：考试题型一．填空20二．选择12三．

判断10四．名词解释10五．问答35六．计算13