凝胶层析法的基本原理

1.凝胶层析法的基本原理？答：层析须在两相系统间进行。一相是固定相，需支持物，是固体或液体。另一相为流动相，是液体或气体。当流动相流经固定相时，被分离物质在两相间的分配，由平衡状态到失去平衡到又恢复平衡，即不断经历吸附和解吸的过程。2.凝胶层析法常用凝胶的种类和特点？聚丙烯酰胺凝胶是一种人工合成凝胶，是以丙烯酰胺为单位，由甲叉双丙烯酰胺交联成的，凝胶色谱法经干燥粉碎或加工成形制成粒状，控制交联剂的用量可制成各种型号的凝胶。交联剂越多，孔隙越小。聚丙烯酰胺凝胶的商品为生物胶－P（Bio-GelP），由日本tosoh的TSKGEL的pw系列，适合蛋白和多糖的纯化。交联葡聚糖凝胶⑴SephadexG交联葡聚糖的商品名为Sephadex，不同规格型号的葡聚糖用英文字母G表示，G后面的阿拉伯数为凝胶得水值的10倍。例如，G-25为每克凝胶膨胀时吸水2.5克，同样G-200克每克干胶吸水20克。交联葡聚糖凝胶的种类有G-10，G-15，G-25，G-50，G-75，G-100，G-150，和G-200。因此，“G”反映，凝胶的交联程度，膨胀程度及分部范围。⑵SephadexLH-20，是─SephadexG-25的羧丙基衍生物，能溶于水及亲脂溶剂，用于分离不溶于水的物质。琼脂糖凝胶商品名很多，常见的有，Sepharose（瑞典，pharmacia），凝胶色谱法Bio-Gel-A（美国Bio-Rad）等。琼脂糖凝胶是依靠糖链之间的次级链如氢键来维持网状结构，网状结构的疏密依靠琼脂糖的浓度。一般情况下，它的结构是稳定的，可以在许多条件下使用（如水，pH4-9范围内的盐溶液）。琼脂糖凝胶在40℃以上开始融化，也不能高压消毒，可用化学灭菌活处理。聚苯乙烯凝胶商品为Styrogel，具有大网孔结构，可用于分离分子量1600到40，000，000的生物大分子，适用于有机多聚物，分子量测定和脂溶性天然物的分级，凝胶机械强度好，洗脱剂可用甲基亚砜。3.不同性质的物料（热敏性、高粘度、易结垢或易析出晶体、发泡性、腐蚀性）如何蒸发浓缩设备？答：（一）循环型蒸发器特点：溶液在蒸发器中循环流动，因而可以提高传热效果。由于引起循环运动的原因不同。有分为自然循环型和强制循环型两类。自然循环：由于溶液受热程度不同产生密度差引起强制循环：用泵迫使溶液沿一定方向流动1.中央循环管式蒸发器中央循环管式蒸发器为最常见的蒸发器，其结构如图5-2所示，它主要由加热室、蒸发室、中央循环管和除沫器组成。蒸发器的加热器由垂直管束构成，管束中央有一根直径较大的管子，称为中央循环管，其截面积一般为管束总截面积的40%～100%。当加热蒸汽（介质）在管间冷凝放热时，由于加热管束内单位体积溶液的受热面积远大于中央循环管内溶液的受热面积，因此，管束中溶液的相图5-2中央循环管式蒸发器对汽化率就大于中央循环管的汽化率，所以管束中的气液混合物的密度远小于中央循环管内气液混合物的密度。这样造成了混合液在管束中向上，在中央循环管向下的自然循环流动。混合液的循环速度与密度差和管长有关。密度差越大，加热管越长，循环速度越大。但这类蒸发器受总高限制，通常加热管为1～2m，直径为25～75mm，长径比为20～40。优点：溶液循环好；传热效率高；结构紧凑、制造方便、操作可靠。缺点：循环速度低；溶液粘度大、沸点高；不易清洗。适于处理结垢不严重、腐蚀性小的溶液。2.悬筐式蒸发器悬筐式蒸发器是中央循环管蒸发器的改进。其加热室像个悬筐，悬挂在蒸发器壳体的下部，可由顶部取出，便于清洗与更换。加热介质由中央蒸汽管进入加热室，而在加热室外壁与蒸发器壳体的内壁之间有环隙通道，其作用类似于中央循环管。操作时，溶液沿环隙下降而沿加热管上升，形成自然循环。一般环隙截面积约为加热管总面积的100～150%，因而溶液循环速度较高(约为1～1.5m/s)。由于与蒸发器外壳接触的是温度较低的沸腾液体，故其热损失较小。3.外热式蒸发器如图5-4为常用的外热式蒸发器，其主要特点是采用了长加热管（管长与直径之比100~50Dl），且液体下降管（又称循环管），不再受热。这样有利于液体在器内的循环，循环速度可达1.5m/s。优点：降低了整个蒸发器的高度，便于清洗和更换；循环速度较高，使得对流传热系数提高；结垢程度小。适于处理易结垢、有晶体析出、处理量大的溶液。4.列文蒸发器结构特点：在特点是在加热室上部设置沸腾室，加热室中的溶液因受到附加液柱的作用，必须上升到沸腾室才开始沸腾，这样避免了溶液在加热管中结垢或析出晶体。优点：流动阻力小；循环速度高；传热效果好；加热管内不易堵塞。缺点：设备费高；厂房高，耗用金属多。5-3悬筐式蒸发器图5-4外热式蒸发器适于处理有晶体析出或易结垢的溶液。5.强制循环型蒸发器上述几种蒸发器均为自然循环型蒸发器，即靠加热管与循环管内溶液的密度差作为推动力，导致溶液的循环流动，因此循环速度一般较低，尤其在蒸发粘稠溶液（易结垢及有大量结晶析出）时就更低。为提高循环速度，可用循环泵进行强制循环，如图4-10所示。这种蒸发器的循环速度可达1.5～5m/s。其优点是，传热系数大，利于处理粘度较大、易结垢、易结晶的物料。但该蒸发器的动力消耗较大，每平方米传热面积消耗的功率约为0.4～0.8kW。（二）单程型蒸发器（膜式蒸发器）循环型蒸发器的共同特点蒸发器内料液的滞留量大，物料在高温下停留时间长，对热敏性物料不利。在单程型蒸发器中，物料一次通过加热面即可完成浓缩要求；离开加热管的溶液及时加以冷却，受热时间大为缩短，因此对热敏性物料特别适宜。1.升膜式蒸发器图5-7所示升膜式蒸发器，这种蒸发器的加热管束可长达3~10m。溶液由加热管底部进入，经一段距离的加热，汽化后，管内气泡逐渐增多，最终液体被上升的蒸汽拉成环状薄膜，沿管壁运动，汽液混合物由管口高速冲出。被浓缩的液体经汽液分离即排出蒸发器。此种蒸发器需要妥善地设计和操作，使加热管内上升的二次蒸汽具有较高的速度，从而获得较高传热系数，使溶液一次通过加热即达预定的浓缩要求。在常压下，管上端出口速度以保持20~50m/s为宜。适用于：蒸发量大（较稀的溶液），热敏性及易起泡的溶液。不适用于：高粘度，易结晶、结垢的溶液。2.降膜式蒸发器如图7-6所示降膜式蒸发器。料液由加热室顶部加入，经液体分布器分布后呈膜状向下流动。汽液混合物由加热管下端引出，经汽液分离即得完成液。为使溶液在加热管内壁形成均匀液膜，且不图5-7升膜式蒸发器图5-8降膜式蒸发器便二次蒸汽由管上端窜出，须良好地设计液体分布器。适用于：粘度大的物料不适用于：易结晶的物料，固形成均匀的液膜较难，K不高。（3）升-降膜式蒸发器蒸发器由升膜管束和降膜管束组合而成，蒸发器的底部封头内有一隔板，将加热管束分成两部分。溶液由升膜管束底部进入，流向顶部，然后从降膜管束流下，进入分离室，得到完成液。适于处理浓缩过程中粘度变化大的溶液、厂房有限制的场合。（4）刮板薄膜式蒸发器如图5-11所示。专为高粘度溶液的蒸发而设计。料液自顶部进入蒸发器后，在刮板的搅动下分布于加热管壁，并呈模式旋转向下流动。汽化的二次蒸汽在加热管上端无夹套部分被旋刮板分去液沫，然后由上部抽出并加以冷凝，浓缩液由蒸发器底部放出。特点：借外力强制料液呈膜状流动，可适应高粘度，易结晶、结垢的浓溶液蒸发缺点：结构复杂，制造要求高，加热面不大，且需要消耗一定的动力。（三）其它蒸发器1.直接加热蒸发器（浸没燃烧式）将一定比例的燃烧气与空气直接喷入溶液中，燃烧气的温度可高达1200～1800℃，由于气、液间的温度差大，且气体对溶液产生强烈的鼓泡作用，使水分迅速蒸发，蒸出的二次蒸汽与烟道气一同由顶部排出。优点：结构简单，不需要固定的传热面，热利用率高适于处理易结垢、易结晶或有腐蚀性的溶液。不适于处理不能被燃烧气污染及热敏性的溶液。2.螺旋管蒸发器在螺旋加热管中，要被蒸发的液体从顶部流向底部，同时，沸腾膜与蒸汽并流流动，由于加热管当然螺旋形状，在中等高度的设备中可以容纳很长的管子，经过很长的管道流动中产生的蒸汽对液膜施加一个很高的剪切力。为此，弯曲的螺旋管将引起二次流，二次流被施加在沿管轴的流动上，这此作用可促进湍流并强化高粘情况下的热传递。适用于达到高浓度和高粘度。为获得高的蒸发比，这类蒸发器在高温度差下和单程操作。4.简述强制循环蒸发浓缩和薄膜式蒸发浓缩过程的特点及适用范围？一、原理新型离心式薄膜蒸发器采用内置锥形旋转加热器，物料由输送管直接进入锥形加热器在离心力的推动下沿加热面向外侧延伸滚动并受热，在锥体顶部即完成整个蒸发过程，挥发出的轻组份经二次蒸气出口进入冷凝器回收，重组分由出料收集管输送进成品储罐，未达浓度要求的物料经循环泵再循环进入蒸发器进行二次蒸发。二、特点1、蒸发强度高物料在高速旋转的加热面上产生离心力，所产生的离心力可达重力的上百倍甚至几千倍，在如此大的离心力作用下，物料在加热面上形成的液膜厚度可达0.1mm,因此蒸发效果好，蒸发强度大，总传热系数可达4000-8000kal/m2.hrc.2、停留时间短：由于锥型加热面高速旋转产生如此大的离心力，物料迅速从锥体的小端流向外侧，整个加热蒸发的过程仅需1-2秒。3、蒸发温度低：新型离心式薄膜蒸发器是在真空状态下操作，且蒸发器内腔的空间足够大，因此真空度较一般的蒸发器高，所以可大大降低物料的沸点，在较低的温度下进行蒸发操作。4、操作弹性大：离心式薄膜蒸发器可以不同的转速来控制物料在加热面上的停留时间，使物料达到需要的浓度。其次可调节出料收集管的位置高度，也能起到稳定浓度的作用。5、有独特的发泡抑止效果：普通的蒸发器针对加热过程中易发泡的物料较难处理，一般采用除沫或泡沫积聚，有独特的发泡抑止功能。6、清洁高效：离心式薄膜蒸发器的结构简洁，死角少，无须刮板，有别于刮板式薄膜蒸发器，避免了刮板与加热面的摩擦,消除了刮板磨损产生的污染,易消毒杀菌,对制药行业不GMP要求的产品特别适用.7、清晰高效:离心适薄膜发器配有视镜观察孔,对物料浓缩过程及成膜情况一目了然,有另于其它的蒸发器/8、高效节能:由于离心式薄膜蒸发器的成膜情况好,因此蒸发强度大,热能利用率高,与传统的蒸发器相比,蒸发效率显著提高,热能利用率高,是一种高效节能的蒸发器.但离心式薄膜蒸发器也有限制性,如果在蒸发温度下物料的粘度超出200CP,不宜采用离心式薄膜蒸发器,由于周边配置较多,因此价格比一般的蒸发器高.三、适用范围:由于离心式薄膜蒸发器有以上明显的特点,只要物料的粘度不超过200CP,都能用离心式薄膜蒸发器完成蒸发过程,特别是对于热敏性要求极高的产品,和受热蒸发时发泡性强的物料,如抗生素发酵液,血液制品及蛋白水溶液等的蒸发,特别是对于热敏性要求极高的产品,和受热蒸发时发泡性强的物料,如抗生素发酵液,血液制品及蛋白水溶液等的蒸发,特别是针对蒸发过程中发泡性强的物料,其它形式的蒸发器不易解决,离心式薄膜蒸发器是较好的形式。5.等电点法提取谷氨酸的工艺流程？如何控制条件生产a-型结晶？