浓缩与干燥技术系列一

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。与水形成稳定的化合物（CaSO₄·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（P₂O₅）：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。