4-1 結晶技術

1、單元1 結晶技術,,模塊四,1 結晶原理 2 結晶的生長 3 結晶操作及其應用,前面學習了沉淀，沉淀出現(xiàn)的前提：結晶出現(xiàn)的前提呢？結晶和沉淀有什么區(qū)別，為什么有時出現(xiàn)沉淀，有時出現(xiàn)結晶？,結晶是從液相或氣相生成形狀一定、有規(guī)則排列的晶體的現(xiàn)象.是形成新相的過程。這一過程包括溶質分子凝聚成固體, 分子有規(guī)律地排列在一定的晶格中這種有規(guī)律的排列與表面分子化學鍵力的變化有關,因此結晶過程也是一個表面化學反應的

2、過程。熱質傳遞過程,一 結晶,1. 結晶,幾種典型的晶體結構,晶體結構特征：幾何外形、規(guī)則排列,2. 沉淀與結晶的比較,條件：沉淀和結晶都是水溶液中含量高于溶解度時產(chǎn)生的 .過程：將溶劑中的物質析出產(chǎn)生 結晶和沉淀都是是分子分離純化的一種手段,相同,不同,純度不同：沉淀的純度遠低于結晶，是一種初級分離技術。但多步沉淀操作也可制備高純度的目標產(chǎn)物。結構不同：沉淀是無規(guī)則排列的無定形粒子速度不同：結晶和沉淀相比應當是一個緩慢的過

3、程，必須有適合的晶核應用廣泛性：沉淀廣泛應用于蛋白質等生物產(chǎn)物的分離，蛋白質沉淀是不定形顆粒，不是結晶。,名詞,晶漿：在結晶器中結晶出來的晶體和剩余的溶液(或熔液)所構成的混懸物。母液：去除懸浮液中的晶體后剩下的溶液(或熔液)。,結晶過程中，含有雜質的母液(或熔液)會以表面粘附和晶間包藏的方式夾帶在固體產(chǎn)品中。,晶習： 一定環(huán)境中，結晶的外部形態(tài)。,3. 結晶操作的特點,多數(shù)情況下，只有同類分子或離子才能排列成晶體，因此結晶過程有良

4、好的選擇性。通過結晶，溶液中大部分的雜質會留在母液中，再通過過濾、洗滌 or再結晶，可以得到純度較高的晶體。易于和不結晶物質分開結晶過程具有成本低、設備簡單、操作方便，廣泛應用于氨基酸、有機酸、抗生素、維生素、核酸等產(chǎn)品的精制。,飽和溶液：在一定溫度下，向一定量溶劑里加入某種溶質，當溶質不能繼續(xù)溶解時，所得的溶液叫做這種溶質的飽和溶液過飽和溶液：溶質濃度超過飽和溶解度時，該溶液稱之為過飽和溶液；溶質只有在過飽和溶液中才能析出；

5、,二 結晶的基本原理,幾種物質在水中的溶解度曲線,溶液的過飽和與超溶解度曲線,溶解度曲線,過飽和曲線,,穩(wěn)定區(qū)不可能結晶,,介穩(wěn)區(qū)不會自發(fā)地產(chǎn)生晶核。,不穩(wěn)區(qū)能自發(fā)產(chǎn)生晶核 。,結晶的T～C關系圖,圖中S—S線為飽和溶解度曲線,在此曲線以下的區(qū)域為不飽和區(qū),稱為穩(wěn)定區(qū)。T—T線為過飽和溶解度曲線,在此曲線以上的區(qū)域稱為不穩(wěn)定區(qū)。而介于S—S線和T—T線之間的區(qū)域稱為亞穩(wěn)區(qū)。,穩(wěn)定區(qū)內的任一點溶液都是穩(wěn)定的,不管采用什么措施都不會有結晶析

6、出。亞穩(wěn)區(qū)內的任一點,如不采取措施,溶液也可以長時間保持穩(wěn)定,若加入晶種,溶質就會在晶種上長大,溶液的濃度隨之下降到S—S線。亞穩(wěn)區(qū)中各部分的穩(wěn)定性并不一樣,接近S—S線的區(qū)域較穩(wěn)定,而接近T—T線的區(qū)域極易受刺激而結晶。因此有人提出將亞穩(wěn)區(qū)再一分為二,上半部為刺激結晶區(qū),下半部為養(yǎng)晶區(qū)。,,穩(wěn)定區(qū)： 不飽和區(qū)第一介穩(wěn)區(qū)：加入晶種結晶會生長，但不產(chǎn) 新晶核，養(yǎng)晶區(qū)第二介穩(wěn)區(qū)：加入晶種結晶會生長，同時有 新晶核產(chǎn)

7、生，刺激結晶區(qū)不穩(wěn)區(qū)：瞬時出現(xiàn)大量微小晶核，發(fā)生晶核 泛濫,曲線提示,結晶過程應盡量控制在介穩(wěn)區(qū)內進行，以得到平均粒度較大的結晶產(chǎn)品，避免產(chǎn)生過多晶核而影響最終產(chǎn)品的粒度。工業(yè)生產(chǎn)中通常采用加入晶種，并將溶質濃度控制在養(yǎng)晶區(qū)，以利于大而整齊的晶體形成。,結晶是從均一的溶液中析出固相晶體的過程,通常包含三個步驟:過飽和溶液的形成,晶核的生成晶體的成長。,三 結晶的步驟,其中，溶液達到過飽和狀態(tài)是結晶的前提；過飽和度是結

8、晶的推動力。,1　過飽和溶液的形成,形成過飽和溶液及結晶方法等溶劑結晶，冷卻結晶（熱飽和溶液冷卻）等溫結晶法，蒸發(fā)結晶 （部分溶劑蒸發(fā)法）化學反應結晶真空蒸發(fā)冷卻法鹽析結晶（卡那霉素）,過飽和度：同一溫度下，過飽和溶液與飽和溶液的濃度差。溶液的過飽和度是結晶過程的推動力。,熱飽和溶液冷卻（等溶劑結晶）,適用于溶解度隨溫度升高而增加的體系；同時，溶解度隨溫度變化的幅度要適中；自然冷卻、間壁冷卻（冷卻劑與溶液隔開）、直接接觸冷

9、卻（在溶液中通入冷卻劑）紅霉素,適用于溶解度隨溫度降低變化不大的體系，或隨溫度升高溶解度降低的體系；加壓、減壓或常壓蒸餾灰黃霉素,部分溶劑蒸發(fā)法（等溫結晶法）,加入反應劑產(chǎn)生新物質，當該新物質的溶解度超過飽和溶解度時，即有晶體析出；其方法的實質是利用化學反應，對待結晶的物質進行修飾，一方面可以調節(jié)其溶解特性，同時也可以進行適當?shù)谋Ｗo；（青霉素）,化學反應結晶,使溶劑在真空下迅速蒸發(fā)，并結合絕熱冷卻，是結合冷卻和部分溶劑蒸發(fā)

10、兩種方法的一種結晶方法。設備簡單、操作穩(wěn)定,真空蒸發(fā)冷卻法,當能量在某一瞬間、某一區(qū)域由于布朗運動暫時達到較高值時會析出微小的顆粒,即結晶中心稱為晶核。晶核不斷生成并繼續(xù)成長為晶體。一般自動成核的機會較少,常需借助外來因素促進生成晶核,如機械振動、攪拌等。,2. 晶核的生成,起晶方法,自然起晶刺激起晶晶種起晶,初級成核—過飽和溶液中自發(fā)成核（1）均相成核，指無固相存在。（2）非均相成核，指當有固體異物存在而促進成核。二次

11、成核—向界穩(wěn)態(tài)過飽和溶液中加入晶種，會有新晶核產(chǎn)生（1）剪切力成核，一個變n個（2）接觸成核，兩個變一個,初級成核和二級成核,晶核的成核速度,定義：單位時間內在單位體積溶液中生成新核的數(shù)目。是決定結晶產(chǎn)品粒度分布的首要動力學因素；成核速度大：導致細小晶體生成因此，需要避免過量晶核的產(chǎn)生,晶體成長速度大大超過晶核生成速度,過飽和度主要用來使晶體成長, 得到粗大而有規(guī)則晶體;反之過飽和度主要用來生成新的晶核,則所得到的晶體顆粒參

12、差不齊,晶體細小,甚至呈無定形。在工業(yè)生產(chǎn)中,通常都希望得到顆粒粗大而均勻的晶體,可以使后續(xù)的過濾、洗滌和干燥操作比較方便,同時產(chǎn)品質量也可提高。,3.　晶體的成長,四 晶體生長速度的影響因素,雜質：改變晶體和溶液之間界面的滯留層特性，影響溶質長入晶體、改變晶體外形、因雜質吸附導致的晶體生長緩慢；攪拌：加速晶體生長、加速晶核的生成；溫度：促進表面化學反應速度的提高，增加結晶速度；溶液濃度：濃度始終在介穩(wěn)區(qū)，育晶區(qū),晶體生長速度

13、的影響因素,晶體質量包括大小、形狀、純度,五 影響晶體質量的因素,影響晶體大小的因素溶液的過飽和度、溫度、攪拌速度等。過飽和度增加,所得晶體細小。溫度的影響比較復雜,當溶液快速冷卻時,達到過飽和度較高,所得晶體也較細,而緩慢冷卻常得到粗大顆粒。攪拌能促使成核和加速擴散,提高晶核成長的速度,但超過一定范圍后,效果就不顯著。相反攪拌越快,晶體越細。,同種物質用不同方法結晶時，得到的晶體形狀可以完全不同。 從不同溶劑中結晶得到

14、不同的外形。 改變結晶溫度，也會改變晶體外形。,影響晶體形狀的因素,晶體常包含母液、塵埃和氣泡。形成晶簇通過晶體的洗滌，除去母液不同的溶劑進行結晶對不同物質潔凈程度不同改善方法：用適當?shù)娜軇?，對固體進行洗滌，重結晶,晶體純度的影響因素,經(jīng)過一次粗結晶后，得到的晶體通常會含有一定量的雜質。此時工業(yè)上常常需要采用重結晶的方式進行精制。重結晶是利用雜質和結晶物質在不同溶劑和不同溫度下的溶解度不同，將晶體用合適的溶劑再次結晶，

15、以獲得高純度的晶體的操作。,六、 重結晶,重結晶的操作過程,選擇合適的溶劑；將經(jīng)過粗結晶的物質加入少量的熱溶劑中，并使之溶解；冷卻使之再次結晶；分離母液；洗滌；,將維生素B12粗品結晶溶解于少量蒸餾水中,濾去不溶雜質,加入水溶液體積8～10倍的丙酮至呈現(xiàn)混濁為止,冷卻靜置兩天,可得純度較高的產(chǎn)品。為提高紅霉素堿純度, 將紅霉素粗堿溶于1:7(W/V)的丙酮中, 過濾,加入該體積1.5～2倍的蒸餾水, 室溫下靜置過夜, 制得紅霉

16、素精制品。,重結晶舉例,青霉素鉀鹽的結晶：為了獲得長針形、純度較高的晶體,采用共沸結晶的方法。青霉素鉀鹽在乙酸丁酯中的溶解度很小,但在水中的溶解度很大, 在結晶過程中盡量將乙酸丁酯中夾帶的水分除去。乙酸丁酯和水能形成共沸物, 真空下將其共沸物蒸出, 減少丁酯中的水分，利于結晶。,七 結晶在分離中的應用,抗生素生產(chǎn)中最常用的結晶設備是帶攪拌的結晶罐,罐體上附有夾套,以便根據(jù)工藝需要改變罐內溫度。在制備晶核或需要獲得微粒晶體時,常采用高轉

17、速(1000～30000轉/分),在一般結晶過程,則采用低轉速(50～500轉/分)。,,,結晶,真空濃縮結晶鍋主要用于味精結晶,冷卻盤式結晶器,八 結晶過程的預測與改善,,提高產(chǎn)率：提高起始濃度，降低溶解度,提高純度雜質的存在原因： a 母液帶入; b 雜質包埋; c 單晶中包含母液; d 雜質取代晶格分子改善晶體大小分布：改變成核和生長速度，控制過飽和度進程控制過濾速度：大晶體與窄的粒徑分布過濾效果好避免結垢：晶體

18、沉積在容器中,九 工業(yè)結晶方法及設備,不移除溶劑的結晶法亦稱冷卻結晶法。適用于溶解度隨溫度降低而顯著下降的物系。移除部分溶劑的結晶法又分為蒸發(fā)結晶法和真空冷卻結晶法。適用于溶解度隨溫度變化不大的物系。 鹽析結晶法（改變溶質溶解度結晶法）是通過物系中加入某些物質達到降低溶質溶解度的目的，從而使溶質結晶析出的方法。,二、常用結晶設備,不移除溶劑的結晶器——冷卻式結晶器1、攪拌式結晶器在敞槽或結晶釜中安裝攪拌器，使結晶器內溫度

19、比較均勻，晶體雖小但粒度較均勻，可縮短冷卻周期，提高生產(chǎn)能力。按照料液循環(huán)形式分為內循環(huán)式和外循環(huán)式。,1-電動機； 2-進料口； 3-冷卻夾套；4-擋板； 5-減速器； 6-攪拌軸； 7-攪拌器,2、長槽攪拌式連續(xù)結晶器,主體是一敞口或閉式的長槽，底部半圓形。槽外裝有水夾套，槽內則裝有長螺距低速螺帶攪拌器。全槽常由2～3個單元組成。工作原理：熱而濃的溶液由結晶器的一端進入，并沿槽流動，夾套中的冷卻水與之作逆流流動

20、。由于冷卻作用，若控制得當，溶液在進口處附近即開始產(chǎn)生晶核，這些晶核隨著溶液流動而成長為晶體，最后由槽的另一端流出。,1—結晶槽；2—水槽（冷卻水夾套）3—攪拌器；4，5—接管,特點結構較簡單，節(jié)省地面和材料，可以連續(xù)操作，生產(chǎn)能力大，體力勞動少；產(chǎn)生的晶體粒度均勻，大小可調節(jié)。適用于葡萄糖、谷氨酸鈉等衛(wèi)生條件較高、產(chǎn)量較大的結晶。,直接接觸冷卻結晶器,特點：冷卻劑與晶漿直接接觸，避免冷卻表面結垢及結垢導致的換熱器效率下降。常用

21、的冷卻介質：惰性的液態(tài)烴類，如乙烯、氟里昂等。類型：釜式、回轉式、濕壁塔式,回轉式直接接觸冷卻結晶器,結構：如圖所示。它的主體是一回轉圓筒，略呈傾斜，筒內裝有擋板。其他部件有電動機、減速器、風機、連續(xù)離心機、排氣筒等。工作原理：待結晶的溶液與冷空氣在筒內逆向流過，在筒內擋板作用下升舉并淋灑于冷空氣中，以擴展冷卻表面，從而降溫結晶，冷卻后的晶漿在離心機作用下分離出晶體。,移除部分溶劑的結晶器,1、真空冷卻結晶器工作原理：真空冷卻結晶