4-1 結(jié)晶技術(shù)

1、單元1 結(jié)晶技術(shù),,模塊四,1 結(jié)晶原理 2 結(jié)晶的生長 3 結(jié)晶操作及其應(yīng)用,前面學(xué)習(xí)了沉淀，沉淀出現(xiàn)的前提：結(jié)晶出現(xiàn)的前提呢？結(jié)晶和沉淀有什么區(qū)別，為什么有時(shí)出現(xiàn)沉淀，有時(shí)出現(xiàn)結(jié)晶？,結(jié)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(zhì)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(xué)鍵力的變化有關(guān),因此結(jié)晶過程也是一個(gè)表面化學(xué)反應(yīng)的

2、過程。熱質(zhì)傳遞過程,一 結(jié)晶,1. 結(jié)晶,幾種典型的晶體結(jié)構(gòu),晶體結(jié)構(gòu)特征：幾何外形、規(guī)則排列,2. 沉淀與結(jié)晶的比較,條件：沉淀和結(jié)晶都是水溶液中含量高于溶解度時(shí)產(chǎn)生的 .過程：將溶劑中的物質(zhì)析出產(chǎn)生 結(jié)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(yuǎn)低于結(jié)晶，是一種初級分離技術(shù)。但多步沉淀操作也可制備高純度的目標(biāo)產(chǎn)物。結(jié)構(gòu)不同：沉淀是無規(guī)則排列的無定形粒子速度不同：結(jié)晶和沉淀相比應(yīng)當(dāng)是一個(gè)緩慢的過

3、程，必須有適合的晶核應(yīng)用廣泛性：沉淀廣泛應(yīng)用于蛋白質(zhì)等生物產(chǎn)物的分離，蛋白質(zhì)沉淀是不定形顆粒，不是結(jié)晶。,名詞,晶漿：在結(jié)晶器中結(jié)晶出來的晶體和剩余的溶液(或熔液)所構(gòu)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(jié)晶過程中，含有雜質(zhì)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(xí)： 一定環(huán)境中，結(jié)晶的外部形態(tài)。,3. 結(jié)晶操作的特點(diǎn),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(jié)晶過程有良

4、好的選擇性。通過結(jié)晶，溶液中大部分的雜質(zhì)會留在母液中，再通過過濾、洗滌 or再結(jié)晶，可以得到純度較高的晶體。易于和不結(jié)晶物質(zhì)分開結(jié)晶過程具有成本低、設(shè)備簡單、操作方便，廣泛應(yīng)用于氨基酸、有機(jī)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(zhì)，當(dāng)溶質(zhì)不能繼續(xù)溶解時(shí)，所得的溶液叫做這種溶質(zhì)的飽和溶液過飽和溶液：溶質(zhì)濃度超過飽和溶解度時(shí)，該溶液稱之為過飽和溶液；溶質(zhì)只有在過飽和溶液中才能析出；

5、,二 結(jié)晶的基本原理,幾種物質(zhì)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(jié)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(jié)晶的T～C關(guān)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?yàn)椴伙柡蛥^(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(nèi)的任一點(diǎn)溶液都是穩(wěn)定的,不管采用什么措施都不會有結(jié)晶析

6、出。亞穩(wěn)區(qū)內(nèi)的任一點(diǎn),如不采取措施,溶液也可以長時(shí)間保持穩(wěn)定,若加入晶種,溶質(zhì)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(jié)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(jié)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(jié)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(jié)晶會生長，同時(shí)有 新晶核產(chǎn)

7、生，刺激結(jié)晶區(qū)不穩(wěn)區(qū)：瞬時(shí)出現(xiàn)大量微小晶核，發(fā)生晶核 泛濫,曲線提示,結(jié)晶過程應(yīng)盡量控制在介穩(wěn)區(qū)內(nèi)進(jìn)行，以得到平均粒度較大的結(jié)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(zhì)濃度控制在養(yǎng)晶區(qū)，以利于大而整齊的晶體形成。,結(jié)晶是從均一的溶液中析出固相晶體的過程,通常包含三個(gè)步驟:過飽和溶液的形成,晶核的生成晶體的成長。,三 結(jié)晶的步驟,其中，溶液達(dá)到過飽和狀態(tài)是結(jié)晶的前提；過飽和度是結(jié)

8、晶的推動力。,1　過飽和溶液的形成,形成過飽和溶液及結(jié)晶方法等溶劑結(jié)晶，冷卻結(jié)晶（熱飽和溶液冷卻）等溫結(jié)晶法，蒸發(fā)結(jié)晶 （部分溶劑蒸發(fā)法）化學(xué)反應(yīng)結(jié)晶真空蒸發(fā)冷卻法鹽析結(jié)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(jié)晶過程的推動力。,熱飽和溶液冷卻（等溶劑結(jié)晶）,適用于溶解度隨溫度升高而增加的體系；同時(shí)，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(jié)晶法）,加入反應(yīng)劑產(chǎn)生新物質(zhì)，當(dāng)該新物質(zhì)的溶解度超過飽和溶解度時(shí)，即有晶體析出；其方法的實(shí)質(zhì)是利用化學(xué)反應(yīng)，對待結(jié)晶的物質(zhì)進(jìn)行修飾，一方面可以調(diào)節(jié)其溶解特性，同時(shí)也可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)；（青霉素）,化學(xué)反應(yīng)結(jié)晶,使溶劑在真空下迅速蒸發(fā)，并結(jié)合絕熱冷卻，是結(jié)合冷卻和部分溶劑蒸發(fā)

10、兩種方法的一種結(jié)晶方法。設(shè)備簡單、操作穩(wěn)定,真空蒸發(fā)冷卻法,當(dāng)能量在某一瞬間、某一區(qū)域由于布朗運(yùn)動暫時(shí)達(dá)到較高值時(shí)會析出微小的顆粒,即結(jié)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(jī)會較少,常需借助外來因素促進(jìn)生成晶核,如機(jī)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(dāng)有固體異物存在而促進(jìn)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(gè)變n個(gè)（2）接觸成核，兩個(gè)變一個(gè),初級成核和二級成核,晶核的成核速度,定義：單位時(shí)間內(nèi)在單位體積溶液中生成新核的數(shù)目。是決定結(jié)晶產(chǎn)品粒度分布的首要?jiǎng)恿W(xué)因素；成核速度大：導(dǎo)致細(xì)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(xì)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(shí)產(chǎn)品質(zhì)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(zhì)：改變晶體和溶液之間界面的滯留層特性，影響溶質(zhì)長入晶體、改變晶體外形、因雜質(zhì)吸附導(dǎo)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(jìn)表面化學(xué)反應(yīng)速度的提高，增加結(jié)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(zhì)量包括大小、形狀、純度,五 影響晶體質(zhì)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(xì)小。溫度的影響比較復(fù)雜,當(dāng)溶液快速冷卻時(shí),達(dá)到過飽和度較高,所得晶體也較細(xì),而緩慢冷卻常得到粗大顆粒。攪拌能促使成核和加速擴(kuò)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(xì)。,同種物質(zhì)用不同方法結(jié)晶時(shí)，得到的晶體形狀可以完全不同。 從不同溶劑中結(jié)晶得到

14、不同的外形。 改變結(jié)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(jìn)行結(jié)晶對不同物質(zhì)潔凈程度不同改善方法：用適當(dāng)?shù)娜軇?，對固體進(jìn)行洗滌，重結(jié)晶,晶體純度的影響因素,經(jīng)過一次粗結(jié)晶后，得到的晶體通常會含有一定量的雜質(zhì)。此時(shí)工業(yè)上常常需要采用重結(jié)晶的方式進(jìn)行精制。重結(jié)晶是利用雜質(zhì)和結(jié)晶物質(zhì)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(jié)晶，

15、以獲得高純度的晶體的操作。,六、 重結(jié)晶,重結(jié)晶的操作過程,選擇合適的溶劑；將經(jīng)過粗結(jié)晶的物質(zhì)加入少量的熱溶劑中，并使之溶解；冷卻使之再次結(jié)晶；分離母液；洗滌；,將維生素B12粗品結(jié)晶溶解于少量蒸餾水中,濾去不溶雜質(zhì),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(jié)晶舉例,青霉素鉀鹽的結(jié)晶：為了獲得長針形、純度較高的晶體,采用共沸結(jié)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(jié)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(jié)晶。,七 結(jié)晶在分離中的應(yīng)用,抗生素生產(chǎn)中最常用的結(jié)晶設(shè)備是帶攪拌的結(jié)晶罐,罐體上附有夾套,以便根據(jù)工藝需要改變罐內(nèi)溫度。在制備晶核或需要獲得微粒晶體時(shí),常采用高轉(zhuǎn)

17、速(1000～30000轉(zhuǎn)/分),在一般結(jié)晶過程,則采用低轉(zhuǎn)速(50～500轉(zhuǎn)/分)。,,,結(jié)晶,真空濃縮結(jié)晶鍋主要用于味精結(jié)晶,冷卻盤式結(jié)晶器,八 結(jié)晶過程的預(yù)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(zhì)的存在原因： a 母液帶入; b 雜質(zhì)包埋; c 單晶中包含母液; d 雜質(zhì)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(jìn)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(jié)垢：晶體

18、沉積在容器中,九 工業(yè)結(jié)晶方法及設(shè)備,不移除溶劑的結(jié)晶法亦稱冷卻結(jié)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(jié)晶法又分為蒸發(fā)結(jié)晶法和真空冷卻結(jié)晶法。適用于溶解度隨溫度變化不大的物系。 鹽析結(jié)晶法（改變?nèi)苜|(zhì)溶解度結(jié)晶法）是通過物系中加入某些物質(zhì)達(dá)到降低溶質(zhì)溶解度的目的，從而使溶質(zhì)結(jié)晶析出的方法。,二、常用結(jié)晶設(shè)備,不移除溶劑的結(jié)晶器——冷卻式結(jié)晶器1、攪拌式結(jié)晶器在敞槽或結(jié)晶釜中安裝攪拌器，使結(jié)晶器內(nèi)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(nèi)循環(huán)式和外循環(huán)式。,1-電動機(jī)； 2-進(jìn)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(jié)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(nèi)則裝有長螺距低速螺帶攪拌器。全槽常由2～3個(gè)單元組成。工作原理：熱而濃的溶液由結(jié)晶器的一端進(jìn)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(dāng)，溶液在進(jìn)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(jié)晶槽；2—水槽（冷卻水夾套）3—攪拌器；4，5—接管,特點(diǎn)結(jié)構(gòu)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(diào)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(jié)晶。,直接接觸冷卻結(jié)晶器,特點(diǎn)：冷卻劑與晶漿直接接觸，避免冷卻表面結(jié)垢及結(jié)垢導(dǎo)致的換熱器效率下降。常用

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