生物基本技术：浓缩与干燥技术

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1.浓缩技术
浓缩是从低浓度的溶液除去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。加热和减压蒸发是最常用的方法，一些分离提纯方法也能起浓缩作用。例如，离子交换法与吸附法使稀溶液通过离子交换柱或吸附柱，溶质被吸附以后，再用少量洗脱液浓洗脱、分部收集，能够使所需物质的浓度提高几倍以至几十倍。超滤法利用半透膜能够截留大分子的性质，很适于浓缩生物大分子。此外，加沉淀剂、溶剂萃取、亲和层析等方法也能达到浓缩目的。下面重点介绍蒸发浓缩。
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，脱离液面进人空间的过程。可以借助蒸发从溶液中除去水或溶剂使溶液被浓缩。下列因素会影响蒸发：(1)加热使溶液湿度升高，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。减压蒸发是比较理想的浓缩方法。减压能够在温度不高的条件下使蒸发量增加，从而减小加热对物质的损害。
(1)常压蒸发
在常压下加热使溶剂蒸发，最后溶液被浓缩。常压蒸发方法简单，但仅适于浓缩耐热物质及回收溶剂。装液容器与接受器之间要安装冷凝管使溶剂的蒸汽冷凝。装液容器需用圆底蒸馏瓶，装液量不宜超过蒸馏瓶的1／2容积，以免沸腾时溶液雾滴被蒸汽带走或溶液冲出蒸馏瓶。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，或使蒸馏瓶内压力陡增而致破裂。操作时，先接通冷却水，避免直接加热，要选用适当的热浴。热浴温度较溶剂沸点高20～30℃为宜，温度过高使蒸发速度太快，蒸馏瓶内的蒸汽压超过大气压以后易将瓶塞冲开，逸出大量蒸汽，甚至使蒸馏瓶炸裂。
(2)减压蒸发
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，加快蒸发此法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。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，其操作为：先将液体样品加入圆底烧瓶容器，瓶口部接到真空管上，瓶身置水浴加热；接通冷却水，打开真空泵，再打开电源使圆底烧瓶以一定速度旋转，样品在瓶壁形成一层液膜。开始时减压要缓慢，加热至一定温度后，溶剂即大量蒸发。如气泡过多，应立即打开阀门，降低真空度。

2.干燥技术
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。生化产品含水容易引起分解变性、影响质量。通过干燥可以提高产品的稳定性，使它符合规定的标准，便于分析、研究、应用和保存。
按照水分的原始聚集状态，干燥可分为液体直接被移除、从液态开始干燥和绕过液相从固态直接蒸发—升华三种方式。后两种一般都需要提供一定的能量。通常，按照供能特征即按照供热的方式，干燥分为接触式、对流式、辐射式干燥。
在接触干燥时，热通过加热表面(金属方板、辊子)传给需干燥的物料，这时水分被蒸发转入物料周围的空气中。在热对流干燥时，干燥过程必需的热量用气体干燥介质传送，它起热载体和介质的作用，将水分从物料上转入到周围介质中。在辐射干燥，即红外线干燥时，热从辐射源以电磁波形式传送，辐射源的温度通常在700℃以上。
总结起来，影响干燥的因素主要有：
(1)蒸发面积：蒸发面积大，有利于干燥，干燥效率与蒸发面积成正比。如果物料厚度增加，蒸发面积减小，难于干燥，由此会引起温度升高使部分物料结块、发霉变质。
(2)干燥速度：干燥速度应适当控制。干燥时，首先是表面蒸发，然后内部的水分子扩散至表面．继续蒸发。如果干燥速率过快，表面水分很快蒸发，就使得表面形成的固体微粒互相紧密粘结，甚至成壳，妨碍内部水分扩散至表面。
(3)温度：升温能使蒸发速率加快，蒸发量加大，有利于干燥。对不耐热的生化产品，干燥温度不宜高，冷冻干燥最适宜。
(4)湿度：物料所处空间的相对湿度越低，越有利于干燥。相对湿度如果达到饱和，则蒸发停止，无法进行干燥。
(5)压力：蒸发速率与压力成反比，减压能有效地加快蒸发速率。减压蒸发是生化产品干燥的最好方法之一。
常压吸收干燥
常压吸收干燥是在密闭空间内用干燥剂吸收水或溶剂。此法的关键是选用合适的干燥剂。按照脱水方式，干燥剂可分为三类：
(1)能与水可逆地结合为水合物。例如无水氯化钙、无水硫酸钠、无水硫酸钙、固体氢氧化钾(或钠)等。
无水硫酸钠：中性、吸水量大，但作用慢、效力差。在32℃以下吸水后形成Na2SO4·10H2O。
无水硫酸镁：中性、效力中等、作用快、吸水量较大，吸水后形成MgSO4·7H2O。
无水硫酸钙：作用快，效率高。与有机物不发生反应，而且不溶于有机溶剂。与水形成稳定的水
合物(2CaSO4.H2O)。
固体氢氧化钾(或钠)：可吸收水、氨等。KOH 吸收水能力比NaOH 大60-80倍。

2)能与水作用生成新的化合物。例如，五氧化二磷、氧化钙等。
五氧化二磷(P2()5)：吸水效力最高，作用非常快。
氧化钙(CaO)：碱性，吸水后成为不溶性氢氧化物。
(3)能吸收微量的水和溶剂。例如分子筛，常用的是沸石分子筛，应先用其他干燥剂吸水，再用分子筛进行干燥。
真空干燥
真空条件下，可以在较低的温度下对样品进行干燥。真空干燥装置包括真空干燥器、冷凝管及真空泵。干燥器顶部经活塞接通冷凝管。冷凝管的另一端顺序连接吸滤瓶、干燥塔和真空泵。蒸汽在冷凝管中凝聚后滴入吸滤瓶中。干燥器内放有干燥剂可以干燥和保存样品。样品量少可用真空干燥器，样品量大可用真空干燥箱。但被干燥物的量应适当，以免液体起泡溢出容器，造成损失和污染真空干燥箱。
气流干燥
气流干燥也称“瞬间干燥”，是固体流态化中液相输送在干燥方面的应用。该法是使加热介质(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。
气流干燥的特点：
(1)气固两相间传热传质的表面积大 。
固体颗粒在气流中高度分散呈悬浮状态，这样，使气固两相之间的传热传质表面积大大增加。由于采用较高气速(20～40m/s)，使得气固两相间的相对速度也较高，不仅使气固两相具有较大的传热面积，而且体积传热系数Ha 也相当高。
(2)热效率高、干燥时间短、处理量大。
气流干燥采用气固两相并流操作，这样可以使用高温的热介质进行干燥，且物料的湿含量愈大，干燥介质的温度可以愈高。
红外干燥
以电磁波进行传递能量的方式称为辐射。波长大约从0.1μm 至100μm 的电磁波谱，其中包括一部分紫外线、全部可见光与红外线，这些射线称为热射线，是由固体中的分子振动或晶格振动或固体中束缚电子的迁移而产生，它们的传播过程称为热辐射。
(1)红外线和远红外线干燥原理
红外线和远红外线干燥器是利用辐射传热干燥的一种方法。红外线或远红外线辐射器所产生的电磁波，以光的速度直线传播到达被干燥的物料，当红外线或远红外线的发射频率和被干燥物料中分子运动的固有频率(也即红外线或远红外线的发射波长和被干燥物料的吸收波长)相匹配时，引起物料中的分子强烈振动，在物料的内部发生激烈摩擦产生热而达到干燥的目的。
在红外线或远红外线干燥中，由于被干燥的物料中表面水分不断蒸发吸热，使物料表面温度降低，造成物料内部温度比表面温度高，这样使物料的热扩散方向是由内往外的。同时，由于物料内存在水分梯度而引起水分移动，总是由水分较多的内部向水分含量较小的外部进行湿扩散。所以，物料内部水分的湿扩散与热扩散方向是一致的，从而也就加速了水分内扩散的过程，也即加速了干燥的进程。
由于辐射线穿透物体的深度(透热深度)约等于波长，而远红外线比近红外线波长，也就是说用远红外线干燥比近红外线干燥好。特别是由于远红外线的发射频率与塑料、高分子、水等物质的分子固有频率相匹配，引起这些物质的分子激烈共振。这样，远红外线即能穿透到这些被加热干燥的物体内部，并且容易被这些物质所吸收，所以两者相比，远红外线干燥更好些。
(2)红外线和远红外线干燥特点
①干燥速度快、生产效率高、特别适用于大面积表层的加热干燥。
②设备小，建设费用低。特别是远红外线，烘道可缩短为原来的一半以上，因而建设费用低。若与微波干燥、高频干燥等相比，远红外加热干燥装置更简单、便宜。
③干燥质量好。由于涂层表面和内部的物质分子同时吸收远红外辐射，因此加热均匀，产品外观、机械性能等均有提高。
④建造简便，易于推广。远红外线或红外线辐射元件结构简单，烘道设计方便、便于施工安装。
微波干燥
(1)微波加热干燥原理
微波是频率在300兆赫到300千兆赫的电磁波(波长1米～1毫米)，具有较强的穿透性。物料介质由极性分子和非极性分子组成，在电磁场作用下，这些极性分子从随机分布状态转为依电场方向进行取向排列。微波发生器将微波辐射到干燥物料上，当微波射入物料内部时，促使水等极性分子随微波的频率作同步旋转，在微波电磁场作用下，这些取向运动以每秒数十亿次的频率不断变化，造成分子的剧烈运动与碰撞摩擦，从而产生热量，达到电能直接转化为介质内的热能。
可见，微波加热是介质材料自身损耗电场能量而发热。而不同介质材料的介质常数εr 和介质损耗角正切值tgδ 是不同的，故微波电磁场作用下的热效应也不一样。由极性分子所组织的物质，能较好地吸收微波能。水分子呈极强的极性，是吸收微波的最好介质，所以凡含水分子的物质必定吸收微波。另一类由非极性分子组成，它们基本上不吸收或很少吸收微波，这类物质有聚四氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚砜等、塑料制品和玻璃、陶瓷等，它们能透过微波，而不吸收微波。这类材料可作为微波加热用的容器或支承物，或做密封材料。
在微波电场中，介质吸收微波功率的大小P 正比于频率f、电场强度E 的平方、介电常数εr 和介质损耗正切值tgδ。
即

此外，在实际应用中会出现一种现象，就是有的加热透，有的加热不透，这就存在一个穿透能力和透射深度问题。穿透能力是电磁波穿入到介质内部的本领，电磁波从介质的表面进入并在其内部传播时，由于能量不断被吸收并转化为热能，它所携带的能量就随着深入介质表面的距离，以指数形式衰减。透射深度被定义为材料内部功率密度为表面能量密度的1/e 或36.8%处算起的深度D.
从上式可看出，微波的加热深度比红外加热大得多，因为微波的波长是红外波长的近千倍。红外
加热只是表面加热，微波是深入内部加热。
目前国内用于工业加热的常用频率为915兆赫和2450兆赫。 微波频率与功率的选择可根据被加热材料的形状、材质、含水率的不同而定。
(2)微波干燥的特点
①效率高、节约能源、加热均匀。微波具有穿透性，能穿透到牛肉干内部加热，做到里外同时加热，且只有被加热的牛肉干吸收微波能，所以电热效率高、加热均匀、热损失小。与常规电热干燥相比，一般可节电１/３~１/２。
②低温杀菌效果好，微波热效应、非热效应双重杀菌作用，与常规方法比，具有低温、快速的特点，能保持食品原有色、香、味，不破坏营养成份，同时具有膨化效果，产品口感佳。
③控制方便及时、生产不受气候条件影响，微波设备即开即用，没有热惯性，微波功率的大小、传输速度可连续平滑调节，可连续24小时生产。
④微波设备加热时本身没有热辐射，可改善劳动条件。微波泄漏量符合国家标准。设备结构紧凑、占地面积小。
喷雾干燥
(1)喷雾干燥原理
喷雾干燥是采用雾化器将原料液分散为雾滴，并用热气体(空气、氮气或过热水蒸气)干燥雾滴而获得产品的一种干燥方法。原料液可以是溶液、乳浊液、悬浮液，也可以是熔融液或膏糊液。干燥产品根据需要可制成粉状、颗粒状、空心球或团粒状。
溶液的喷雾干燥，是在瞬间完成的。为此，必须最大限度地增加其分散度，即增加单位体积溶液中的表面积，才能加速传热和传质过程。例如体积为1cm3的溶液，若将其分散成直径为10μm 的球形小液滴，分散前后相比，表面积增大1290倍，从而大大地增加了蒸发表面，缩短了干燥时间。因此液体的雾化、将料液分散为雾滴的雾化器是喷雾干燥的关键部件。
目前常用的有3种雾化器：
①气流式雾化器 采用压缩空气或蒸汽以很高的速度(>300m/s)从喷嘴喷出，靠气液两相间的速度差所产生的摩擦力，使料液分裂为雾滴。
②压力式雾化器 用高压泵使液体获得高压，高压液体通过喷嘴时，将压力能转变为动能而高速喷出时分散为雾滴。
③旋转式雾化器 料液在高速转盘(圆周速度90~160m/s)中受离心力作用从盘边缘甩出而雾化。
(2)喷雾干燥流程喷雾干燥的典型流程，如图2－15(a)、(b)所示，包括空气加热系统、原料液供给系统、干燥系统、气固分离系统以及控制系统。
3)喷雾干燥具有的优点：
①由于雾滴群的表面积很大，物料所需的干燥时间很短(以秒计)。
②在高温气流中，表面润湿的物料温度不超过干燥介质的湿球温度，由于迅速干燥，最终的产品温度也不高。因此，喷雾干燥特别适用于热敏性物料。
③根据喷雾干燥操作上的灵活性，可以满足各种产品的质量指标，例如粒度分布、产品形状、产品性质(不含粉尘、流动性、润湿性、速溶性)、产品的色、香、味、生物活性以及最终产品的湿含量。
④简化工艺流程。在干燥塔内可直接将溶液制成粉末产品。此外，喷雾干燥容易实现机械化、自动化，减轻粉尘飞扬，改善劳动环境。
(5)喷雾干燥具有的缺点：
①当空气温度低于150℃时，容积传热系数较低，所用设备容积大。
②对气固混合物的分离要求较高，一般需两级除尘。
③热效率不高，一般顺流塔型为30％~50％，逆流塔型为50％~75％
冷冻干燥
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，微小冰晶体的升华呈现多孔结构，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。由于冷冻干燥有上述优点，所以适合于对热敏感，易吸湿，易氧化，易变性的制品(如蛋白质、酶、核酸、抗菌素、激素等)，广泛应用于科研和生产。
冷冻干燥的过程是由冷冻干燥机来完成，冷冻干燥机是生化与分子生物学实验室必备的仪器之一，因为大多数生物大分子分离纯化后的最终产品多数是水溶液，要从水溶液中得到固体产品，最好的办法就是冷冻干燥，因为生物大分子容易失活，通常不能使用加热蒸发浓缩的方法。
冷冻干燥的程序包括冻结、升华和再干燥。冰冻干燥的原理可用溶剂的三相点相图来说明，OA 是固液曲线；OB 是汽液曲线；OC 是固汽曲线；O 是三相点。当温度在三相点O 以下，将压力降至OC 线以下，溶剂(通常是水)就可以由固相直接升华为汽相。例如，冰在－40℃时其上方的蒸汽压为0.1毫米汞柱(mmHg)，在-60℃时其上方的蒸汽压为0.01毫米汞柱(mmHg)。固态的冰升华为水蒸汽时要吸收大量的热，1克0℃的冰变成0℃的蒸汽需吸热580千卡，所以升华时又可以使固态的冰进一步降温，空气潮湿时可以看见装有固态冰的容器外壁上结有霜。
冰冻干燥得到的生物大分子固体样品有突出的优点：①由于是由冰冻状态直接升华为汽态，所以样品不起泡，不暴沸；②得到的干粉样品不粘壁，易取出；③冻干后的样品是疏松的粉末，易溶于水。冻干燥机的国产品牌近年来发展很快。如北京的军事医学科学院生产的小型、中型和大型工业用冻干机，已可以取代昂贵的进口产品。在实验室中还可以自己组装小型简易的冻干干燥器。①准备一个较大的玻璃真空干燥器，将样品置于小培养皿中速冻后放入干燥器内，器内已事先用两个小培养皿分别盛有KOH(或NaOH)和 P2O5，干燥器通过一个两端塞上棉花其中装满P2O5的干燥管与真空泵相连，抽真空后，经过5～10小时就可以得到冷冻干燥的样品；②将样品溶液置于一个圆底烧瓶瓶内，将烧瓶浸入干冰—乙醇低温浴(-60℃)中，样品即被速冻成冰块，将烧瓶标准磨口通过磨口管与一个冷阱相连，冷阱内放有干冰—乙醇混合液，冷阱的另一个出口管与真空泵相连，抽真空时汽化的水汽就冻结在冷阱的内壁上，抽真空数小时后即可在烧瓶中得到冻干的样品。此简易装置也可用于冻干含有少量乙醇、甲醇、丙酮等常用有机溶剂的样品，可重复以下的操作除去这些有机溶剂：样品速冻→抽真空至恒定→使样品升温至室温挥发有机溶剂→再速冻样品，如此反复多次，以除尽有机溶剂，否则样品不易冻干，且泵前应装有保护真空泵的缓冲液，以吸收水和有机溶剂。
冷冻干燥操作虽然十分简单，但却须注意以下事项：
(1)样品溶液
①样品要溶于水，不含有机溶剂，否则会造成冰点降低，冷冻的样品容易融化，因而减压时会起大量泡沫，使样品变性、污染和损失。同时若含有有机溶剂，被抽入真空泵后溶于真空泵油，使其可达真空度降低而必须换油。
②样品要预先脱盐，不可使盐浓度过高，否则冰冻后易融化，影响样品活性，而且不易冻干。
③样品缓冲液在冷冻时pH 可能会有较大变化，例如pH 7.0的磷酸盐缓冲液在冷冻时，磷酸氢二钠比磷酸二氢钠先冻结，因而使溶液pH 下降而接近3.5，使某些对低pH 敏感的酶变性失活，此时需加入pH 稳定剂，如糖类和钙离子等。
④样品溶液的浓度不要过稀，例如蛋白质的浓度不低于15 mg/mL 为宜。同批冻干的样品液浓度不宜相差太大，以免冻干的时间相差过大。
(2)装样品溶液的容器
①最好用各种尺寸的培养皿盛样品溶液，液层不要太厚，以免冻干时间太长，耗电太多。也可以使用安培瓶和青霉素瓶。用烧杯时液层厚度不要超过2 cm，否则烧杯易冻裂。
②冻干稀溶液时会得到很轻的绒毛状固体样品，容易飞散而损失和造成污染，因而要用刺了孔的薄膜或吸水纸包住杯口，刺的孔不要过小过少，否则会影响冻干速度。
(3)溶液冷冻
如有条件，尽可能用干冰—乙醇低温浴速冻，如能将盛有样品溶液的容器边冻边旋转形成很薄的冰冻层，则可以大大加快冻干的速度。
(4)冻干
①样品全部冻干前，不要轻易摇动，以防水蒸汽冲散冻干的样品粉末。
②样品冻干达到较高真空度时，容器外部有时会结霜，若外霜消失，则说明样品已冻干，或是
仅剩样品中心的小冰块，再稍加延长冻干时间即可。
③冻干后要及时取出样品，以免样品在室温下停留时间过长而失活。
④停真空泵时要先放气，以免泵油倒灌。放气时要缓慢，以免气流冲散样品干粉。
⑤样品冻干后要及时密封冷藏，以防受潮。
⑥真空泵要经常检查油面和油色，油面过低和油色发黑，则需换油，通常半年或一季度至少要
换一次油。