（化学工程专业论文）谷氨酸调酸冷却结晶过程研究.pdf

中文摘要 本文主要研究了间歇等电谷氨酸结晶提取过程。在考虑二次成核和温度等因 素基础上，分析建立了该过程的结晶动力学模型，确定了谷氨酸调酸冷却结晶过 程的加酸方程，并在实验中进行了验证。 在研究过程中，主要做了以下工作： 1 - 实验测定了饱和状态下发酵液加酸量与p h 值之间的关系。通过对实验数 据进行线性最小二乘法拟台，得到如下p h 值与加酸量q 的函数关系式： p h = 一o 2 2 9 3 q + 5 2 4 8 0 对于同菌种的各批次发酵液，在饱和状态下加酸量与p h 值二者之间的 关系是固定的。 2 测定了谷氨酸生长速率数据和不同；o h 值、不同温度下发酵液中谷氨酸的 饱和浓度。实验测定的谷氨酸生长平均速率为6 2 1 x 1 0 一州肛。利用多面体寻 优法计算德到了谷氨酸浓度一温度_ p h 模拟曲面方程： c = ( 0 6 6 5 1 6 9 7 p h 2 4 9 0 2 3 8 8 p h + 95 7 7 9 1 ) e 。8 6 0 7 3 - 在实验基础上，分析研究了谷氨酸调酸冷却结晶过程的结晶动力学并推 导得到了该过程加酸速率方程的微分形式，利用r u n g e k u t t a 法求得了其数 值解，然后利用数值解拟合得到了加酸速率方程： q = is s s h 一13 8 9 4 t + 1 6 4 3 7 实验室小试验证表明，利用该方程指导加酸，可缩短加酸时间和提高产品质 量，实验所得谷氨酸含量达9 7 以上。 关键词：结晶动力学，加酸方程，谷氨酸 a b s t r a c t i nt h i st h e s i sb a t c hi s o e l e c t r i cg l u t a m i ca c i dc r y s t a l l i z a t i o np r o c e s si ss t u d i e di n o r d e rt oe s t a b l i s ht h ea c i dc o n t r o le q u a t i o no ft h ep r o c e s s 1 1 1t h e s t u d y , t h er e l a t i o nb e t w e e np h a n da c i dq u a n t i t y s a t u r a t i o nc o n c e n t r a t i o n s u n d e rd i f f e r e n t p h t e m p e r a t u r e s a n dt h e g r o w t h r a t eo fg l u t a m i ca c i da r e d e t e r m i n e db ye x p e r i m e n t sa tf i r s t t h e no nt h eb a s i so fm a t e r i a lb a l a n c ea n dh e a t b a l a n c e ，t h ec r y s t a l l i z a t i o nk i n e t i c so ft h ep r o c e s si ss t u d i e da n dt h ea c i dc o n t r o l e q u a t i o n o ft h e p r o c e s s i sd e d u c e db yu s i n gt h e t h e o r yo fp a r t i c l eb a l a n c ea n d s e c o n d a r yn u c l e a t i o n n u m e r i c s o l v e so ft h e e q u a t i o n a r e a c q u i r e dt h r o u g h t h e m e t h o d o f r u n g e k u t t a t h en u m e r i c s o l v e sa r et h e nf i t t e di n t oan e w e q u a t i o n w h i c h i st e s t e dt h r o u g ht e s t i n ge x p e r i m e n t s e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h er e l a t i o nb e t w e e np ha n dt h eq u a n t i t yo fa c i da d d e d u n d e rt h es a n l eb a c t e r i u mf e r m e n t si sf i x e d t h r o u g ht h el e a s ts q u a r ef i t t i n go ft h e e x p e r i m e n t a ld a t a ，t h ef o l l o w i n gf u n c t i o n i sa c q u i r e d ： p h = 一o 2 2 9 3 q + 5 2 4 8 0 g 1 u t a m i ca c i d c o n c e n t r a t i o n t e m p e r a t u r e p h s i m u l a t i o ns u r f a c e e q u a t i o n i s a c q u i r e dt h r o u g h t h e o p t i m i z a t i o n m e t h o do fp o l y h e d r o n t h e f o l l o w i n g i st h e a c q u i r e de q u a t i o n ： c = m 6 6 5 1 6 9 7 p h e 一49 0 2 3 8 8 p h + 95 7 7 9 1 ) e o o 1 f i n a l l y , t h r o u g ht h ed e d u c i n ga n ds o l v i n go f t h ec r y s t a l l i z a t i o nk i n e t i c sm o d e l ，t h e f i t t e da c i dc o n t r o le q u a t i o ni sa c q u i r e d ： q = i 1 8 5 3 t 2 一i 3 8 9 4 t + 1 6 4 3 7 u n d e rt h ei n s t r u c t i o no ft h i sf i t t e de q u a t i o ni nl a be x p e r i m e n t s ，p r o c e s sc y c l ei s s h o r t e n e d ，t h e c o n t e n to fg l u t m - n i ca c i da c q u i r e di sa b o v e9 7 a n dt h ep r o d u c t s q u a l i t y i sf a i r l yg o o d k e y w o r d s ：c r y s t a l l i z a t i o nk i n e t i c s ，a c i dc o n t r o le q u a t i o n ，g l u t a m i c a c i d 独创性声明 本人声明所旱交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究- _ r = 作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘盗叁堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位沦文作者签名 狭辱 签字f i 期：o 口。3年，月彳日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨叠盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编八有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交沦文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名导师签名： 多毛乞争 签字日期：文口63 年月“n 签字日期：扣p ；年f 月f 6 日 第一章前言 第章前言 谷氨酸( g l u t a m i ca c i d ，此处指l 一谷氯酸) 是味精的前体，两前我 国蘸糖工监已经达戮了瞧当躲溪摸露承乎，产量已经达到整器簧，残 为国民经济中不可忽视的经济增长点。近年来，谷氨酸发酵技术取得了 长足的进步，许多厂家产酸率已大于10 ，发酵液中杂质种类和古鬣均有 显著降低，但谷爨鹱后期提取糖制等技术遴步不缀蹦鼹。嚣前国内多数 味精厂家多采用润歇等电点法结鑫提取谷氨酸，操作蹋期长，经验依赖 性强，产品纯度低。连续生产工艺能够较好的解决上述问题，有条件的 大厂可以进行连续结晶提取工艺改造和建设，但对于我国众多规模不大 懿臻糖j 厂悉言，充分弱爱王冕雹没鍪对瘸歇等电工艺送行爨伲改逡煲为可 行。 国内在间歇等电点谷氨酸结晶提取研究方面做了大量工作，但对于该 加酸过程缝大多数研究婷壁在定性分毒斤的除段，缺乏怒量研究。天津大学 率先邀行了谷氨酸调酸结晶理论援垒的研究，建立了加酸方程，裁蠲其方耩指导 加酸可缩短调酸时间，提高生产效率和产品质爨。但该模型忽略了二次成核和温 度变化两个重要因豢，与实际生产存一定差距，因此有必要为该过程建立新的结 螽动力学模壁。 貉晶科学方筒，其经过数十年的发服，尤其是r a n d o l p ha d l a r s o nm a 提出糖数衡算理论以来，结晶科学在理论和实践方面都取得 了巨大戆遘步，鞭究人员建立了诸如冷却缭晶动力学模型、冷却降压结 晶动力学模型、冷却蒸发结晶动力学模蟹等结晶过程模型，而且工业结 晶也从小规模的间歇结晶逐步发展到了大规模的连续结晶。不仅传统工 业结鼎操作技术与设备在不断更新，而且新兴行业，如生物工程与生命 瓣学、謇孝辩工耍、壤亿裁裁逑、筢涿与环境、信怠与逶谖、毫孑抒蝗氇 都离不开新型的结晶技术。工业结晶作为跨世纪发黻的化工技术，将成 为2 1 世纪高新技术发展的基础手段之。近年来，熔融结晶提取高纯有 视物质、由反应沉淀缝晶制敬生物纯学物质( 包括医药) 、超微粒子及功 能晶体成为国际上结晶科学与技术研究发展的薪焦点。丽对，伴随着传 统化工产业日益成熟化，相对规模较小的间歇精细化工过程、生物化工 过程褥到殴益，泛的发展郡应用。各国研究人员对间歇过程研究也做了 大量的工俸，瀛欲过程饶讫从理论虱实蔑褥翻了遗一步麴发震。 本课题所研究的谷氨酸调酸结晶过稷属于溶液缩晶的范畴，同时又 第一章前言 是一个时变最优化问题。2 0 世纪9 0 年代以来，溶液结晶取得了较大的进 展：溶液结晶开始广泛的应用丁生物化学的分离过程，如味精、蛋白质 的分离与提取等。在连续和间歇结晶过程中广泛的应用了计算机辅助控 制与操作手段，对于间歇结晶过程借助c a c 实现最佳操作时间表，控制 结晶器内过饱和度水平，使结晶的成核与结垢问题减低到最少。对于连 续结晶则通过连续控制细晶消除，以缓解连续结晶过程固有的非稳定行 为一c s d 周期震荡问题，以稳定结晶主粒度。由于结晶过程是一个复杂的 传热、传质过程，兼之其它诸多因素的影响，结晶过程数学模型的建立 比较复杂。而本研究的对象谷氨酸调酸冷却结晶过程由于谷氨酸的生物 特性更趋于复杂，难于套用现成的模型，但是上述各种结晶动力学模型 的建立方法对本文的研究却有很大的借鉴作用。 本研究将主要对前面提到的谷氨酸调酸结晶理论模型进行改进，综合考虑二 次成核和温度等因素的影u 向，通过使用粒数衡算方程、物料衡算方程、 热量衡算方程和相关经验结晶动力学方程来联立求解建立数学模型，建 立谷氨酸调酸冷却结晶过程的加酸方程，并在实验中进行验证。 因此，对于本课题的研究可以加深对溶液结晶理论、间歇过程时变 最优化和生物下游技术( d o w n s t r e a mt e c h n o l o g y ) 的认识，同时对于改造 目前国内许多一家采用的间歇等电谷氨酸提取工艺可以提供一些新思 路。 第二章文献综述 第二鸾文献综述 本文所研究的谷氮酸调酸冷却结晶过程属于生物下游加工技术( d o w n s t r e a m t e c h n o l o g y ) ，涉及到谷氨酸上游豹生产帮下游麴缝鑫分璃，霹畦本过纛连涉及 时变嫩优化的问题。因此在本研究过程中着羹对这几个方砸作了文献调阅，具体 包括味精工业现状、谷氨酸的主臻性质、谷氨酸生产过程及提取工艺方法、工业 结晶璁论和结晶模粼、时变最优化技术、生物下游加工技术等。 2 1 我国味精工业的发展现状【1 3 踩精，郅l 一谷鬣酸镳( m o n o s o d i u ml - - g l u t a m a t e ，麓霹为鼯g ) ，为 无色至 白色的柱状结晶或囱色的结晶性粉末，属于斜方晶系，柱状八面体。由于谷氨酸 钠分子结构中含有不对称碳原子，因此具有旋光性，分为l 烈、d 型、l d 溅三种 光学黪梭体，在这三秘毙学异枣奄侮中只有l 答氨酸镶具有鼹曝。在动糖穆体中 存在的谷氨酸，用畿自质永解法和发酵法生产的谷氨酸铺郡是l 型，而稍化学合 成法生产的谷氨酸钠是等分子的d 型与l 型混合而成即d l 一谷氨酸钠，施光性抵 消，鲜味约等于同蘸量的l 一谷氮酸铺的一半。 1 8 6 6 年德蠢r t t h a u s o n 剩溺硫酸分解小凌中酶瑟麓蛋自瑷，最先分离密谷 氨酸，1 8 7 2 年h a s i w iz 等用酪鬣白也制得了谷氨酸，1 8 9 0 年w o l f f 利用球一酮 戊酸经溴化后合成d l 一谷氨酸，1 9 0 8 年| = ：1 本池阳菊苗在研究海带煮汁的鲜味时证 实芄鳋昧勃蒺鼙为l 一谷氨酸镳。1 9 0 9 年基本嘹之素公司率先整噻壤馋为褒瑟接 出。中国在1 9 2 3 年就产生了民族昧精工业，解放后尤其在二十世纪六十年代， 我国开始发酵法生产味精，经过几十年的发服，我国味精工业有了长足的避步。 产量方霹，1 9 9 9 每年产量达到6 3 万吨，年产万吨良上的企渡二十多家；技术水 平大滴度提高，缀彰企、监淀耪转纯糖9 8 以上，谷氨酸产酸率超过1 0 ，糖转谷 氨酸举超过5 8 ，谷氨酸提取率9 6 以上，咏精精制收率9 5 以上。尤其需要着 重指出的是我国的淀粉发酵生产工艺在世界上居于领先地位，该工艺所生产的味 囊痿豢优于、薅蜜凝耩囊生产豹曝糖。练含看来，我藿睬精王、翌产量上毫占整赛产 量的6 0 7 0 左右，足味精产麓大国，从技术水平上某戮指标已达到或接近国 际先进水平，从制造单位成本看菜些企业已接近国际水平，就全味精行业替与国 际先邀水平比较还育差距。 2 2 谷氨酸的主要性磺p j 第二章文献综述 味精足通过谷氨酸加碱( 通常为n a ! c 吼) 制得的，谷氨酸铺的分子结构式为： 冒亍r亍冒 壬壬0 一c 筝一s g e 一0 n a i 答氮酸楚徽生物发黪懿壹臻产物，嚣要将其扶成分复杂懿发黪渡( 豫谷氮黢 外，还含有代谢副产物、培养基成分的残留物质、有机色素、菌体、蛋白和胶体 物质等) 中提取出来方可用于下一步合成。谷氨酸分离提取效果的好坏( 收举、 纯度) 直接影稳到昧糖的质量帮产量，在研究谷氨黢绪晶兹有必豢对其的化物性 谷氨酸，即q 氨基戊二酸，2 - a m i n o p e n t a n e d i o i ca c i d 或者g l u t a m i c 墼、d i ，型三零孛。努子缭麴式为： 一嚣一雌c 手一o 删 nh | 谷氨酸具有一般氨撼酸的性质，可浴解于水，微溶或不溶于醇，不溶于乙醚。 答氨酸分予具有遗i 对豫懿碳原子，掰以具有旋光梭。它酶氨基在不对稔碳原予右 方的称为d 型( 或右旋毯) ，在不对称碳原予左方的称为l 型( 或左旋型) 。在渤 植物和微生物等生物机体中天然存在的都是l 型谷氨酸。i 。型谷氨酸是味精的前 谷氨羧菇白色结晶躐结晶性粉寒，萁通霉分为群鳖结晶帮爹鍪结鑫。一f 表对 两种晶型j 行了比较： 茎三兰茎堕笪堕 表2l 谷氨酸d 型结晶和p 型结品性质比较 t a b l e2 - l c o m p a r is o r o f , d zf o r ma n d f o r mg u t a m ca c i dc r y s t a l 谷氨酸在2 4 7 2 4 9 。c 分解，2 0 0 。c 开始升华，密度1 5 3 8 ( 2 0 4 ) ；不溶于 嚣蕊、氯彷、醚或考冷己羧，嚎敷酸，楚帮承溶滚黪蛹菹为3 。3 ，5 。谷鳋羧 在水中的溶解度般指在一定温度下德1 0 0 克水中所能溶解的谷氮酸最多克数。 谷氨酸在水中的溶解度随温度的下降。日本坂踊羲树等人对d 和口两种晶型的谷 羹e 酸滚勰瘦逡李亍测定，愆瓢下列谤箕公式： 口晶体在0 h 3 0 列，l o g s - - o 3 7 + 0 0 1 7 4 t公式( 2 - 1 ) 在3 0 - - 7 0 时，l o g s = 一0 3 2 8 + 0 0 1 5 3 t公式( 2 - 2 ) 疗晶体在0 7 0 。c 时，l o g s = - o 4 6 1 + 0 0 1 5 9 t公式( 2 - 3 ) 其中：s ：答氨酸溶瓣篷( g l o o g 承) t ：温度( ) 谷氨酸在水中的溶解度除与温度肖关，还与溶液的p h 值肖关，并且随p h 毽交纯，影稳缀大。这一点对于谷氨羧豹结晶提取宽为重要。 2 3 谷氨酸生产过程与分离提取方法 2 3 谷氨酸生产邋程 谷氨酸生产方法分为水解提取法、合成法和发酵法三大类，现在水解提取法 ( 蛋自屡承黪法秘孰甜菜废穗蜜巾撬敬法) 与合成法已经筹琢，发酵法具有琢瓣 第二章文献综述 来源广阔，单耗低，设备腐蚀小，生产成本低，经济效益高等优点，目前世界味 精生产厂商都采用此法生产味精。因此各国对发酵产酸工艺研究较多，达到了较 高的水t - ，目前国内家产酸率可达到1 0 以j t 。发酵法生产谷氨酸主要流程如 下： 空气 净化 淀粉或糖蜜n h 。 冷却分 l 一谷氨 和除铁脱色 晶分离干燥 m s g 图2 - 1发酵法味精生产过程流程图 f i g 2 - l s c h e m a t i cd i a g r a mo fm s gp r o d u c t i o np r o c e s s u s n g f e r m e n t i n gm e t h o d 由于谷氨酸是从发酵液中结晶分离提取得到的，因此有必要介绍一下发酵液 的主要成分和性质。 j f 常发酵液放罐时的p h 为6 8 7 2 ，温度在3 4 3 6 之间，呈乳白色或淡 黄色，有谷氨酸发酵的特殊气味。发酵液中主要成分如下： 谷氨酸( 7 1 3 ，含量视发酵水平而定) ： 湿菌体( 3 4 ) ； 乳酸、琥珀酸等有机酸( o 8 ) ； 酮酸( 0 0 6 左右) ： 残糖( ( ) 8 ) ： 核酸和核苛酸类物质、腺嘌呤化合物( 0 0 2 o 0 5 ) ； 第二章文献综述 尿嘧啶化合物( 0 0 l 0 0 3 ) ： 铵离子( o 6 o 8 ) ； 残留的阴阳离子、有机色素、残留的培养基、少量的谷氨酸类似物质： 其他氨基酸( 06 0 8 ) 。 谷氨酸发酵液中的苗体和其它胶体物质均以悬浮态存在，会对下游分离操作 产生不良影响，因此在进行分离提取前必须去除菌体。 232 谷氨酸分离方法 谷氨酸分离提取方法主要有等电点法、离子交换法、锌盐法、盐酸盐法、钙 盐法、电渗析法、溶剂萃取法等，工厂生产主要是等电点法和离子交换法相结合， 辅以其它方法。目前国内对谷氨酸等电结晶提取作了一些研究，在等电结晶的机 理、工艺参数等方面取得了一定的成果。要提高谷氨酸等电点法的产品收率，必 须对影响该过程的因素进行分析 4 1 。谷氨酸发酵都是间歇操作的，每批发酵液成 分也有区别，所以影响谷氨酸结晶的因素很多，主要包括： ( 1 ) 谷氨酸含量的影响。一般说来产酸水平越高，等电点的一次收率也相 应提高，但是高产酸率的发酵液等电分离时容易出现结晶，导致结晶不易沉淀， 分离困难，收率降低，谷氨酸质量差。 ( 2 ) 温度的影响。等电点调酸过程中，发酵液温度高于3 0 时，型结晶 增加，当温度低于3 0 。c ，p 型结晶减少。温度在2 0 v 以下时主要是d 型结晶析 出，温度越低析出d 型结晶纯度越高。 ( 3 ) 加酸速度与终点p h 控制。加酸的目的是调低发酵液的p h 值，最后使 其达到谷氨酸的等电点。在调酸过程中，加酸速度快慢对晶体粒度的大小影响很 大。要缓慢加酸，p 缓慢下降，不能回升，使谷氨酸的溶解度逐渐降低，晶核 一旦形成也不会过多。控制一定数量的晶核，经停酸育晶和养晶阶段，使其成长 壮大，析出大颗粒的口型结晶。通常开始加酸中和到p h = 4 8 5 0 ，这个过程可 较快，至育晶核后，加酸速度要缓慢，直至中和到等电点p h = 3 o 3 2 。如果在 这个过程中，加酸速度快，会造成局部过饱和，形成大量细微晶核，当等电点结 束时难于分离并影响收率。而等电点终点p h 只有准确达到，才能使谷氨酸溶解 度降到最低，一次收率才会提高。 此外谷氨酸发酵液中的杂质等也会谷氨酸晶型的形成有影响，进而影响产品 值量，要提高谷氨酸的收率和质量，必须解决以上问题。 2 ，4 溶液结晶过程基础理论 5 6 胴 在介绍有关理论之前，首先介绍一下一一个极为重要的结晶概念一晶体粒度 第二二章文献综逐 分布( c r y s t ms i z o d i s i r i b ul lo n ，c s d ) ，晶体的粒度分布是产品的一个重要 鼓质豢糖标，蠢：嗣弱产晶罔途誊癸求不嗣数产鹣鑫体茨粒震分蠢据标。鼓终粒痰 分布闷趱直接与晶体的成核速率和生长速率以及晶体在结晶器内的停溜时闻长 短有关。间接的则儿乎与结晶器所有的重要操作参数有关，如结晶温度、溶液的 过饱鞠度、悬浮滚的循环速率、揽事拳强度、晶体磨损、晶习改变与否等。r a n d o l p h 亵l a f s o n 褥狡数镛簿方法及粒数密溲豹概念惠瘸子工业结豁过程，褥以褥产蒹 的粒度分布与结晶器的结构参数及操作参数联系起来，成为工业结晶理论发展的 一个里程碑。应用粒数衡算方法研究晶体粒度分布问题的目标主要有两个：即根 据已有熬产鑫奠基体耪度势毒， 1 ) 可餐到特定物系在跨定撩侮条 譬下菇镰减孩 相生长速率等结晶动力学方面的知识，这种知识对结晶器的设计大有帮助 ( 2 ) 可指导结晶器的操作，帮助判断凝获得规定的产品粒度及粒度分布时，应采取哪 些措旗，鹰调节那些掇作参数。 晶体的粒数密艘定义为： d n 1 n l 一= n 。呻o a ld l 投撂粒数衡算矮论，对结器器遴行粒数缀簿可褥到下式： 累计量= 输入鳖一输出量+ 净生成量 数学表达式为： 垦+ 里型+ 垒。：鱼。+ f 器一d ) 公式( 2 - 4 ) 公式( 2 - 5 这是结晶过程通用的粒数衡算式，此式以晶浆体积为基准，即v 为晶浆体积，单 位为毫舞；n 为粒数密度，单位为个微米戆舞。该式适用于任意粒度范围， 其等号左边第一项。f 是晶体粒数密度随时问的变亿；第二颈a 盼7 中，g 为 晶体的线性生长速率，单位为微米分钟，这个项的意义就戆因生长而造成的晶 体粒数的变亿；第三项噬z 是瓣辩淀蔽毒臻瀚磊体粒蘩黪凌熬；等式右边第一 项”。是进料流股带入结晶器对晶体粒数的贡献：等式右边第二项中b 为新生 成鳃菇粒鼗；d 为淤失熬晶粒数。 在结晶过程中，晶体很少有机会被破碎为若干粒度较大的碎块( 特剐楚小晶 粒、潞和搅拌的情况下) ，所以粒数中新生成釉被消灭的粒子数可取为零，即b ：d 一0 。因碰撞两产，羔的为数众多的微小晶粒，归于成核现象，在结晶动力学中 予隧考虑。所以| _ 二战可篱化为： 第一二章文献综述 塑+ 里鳓+ 里。：堡。 a t8 lvv 公式( 2 - 6 ) 当结晶的进料为清液不含晶种时，即n ，为零时，则上式可简 l a j , j ： 一o n + 亟型+ 里。：0 西o lv 对于m s m p r 结晶器，由于是混合排料，晶体在器内的停留时间与液相在器内 的停留时间相同，故晶体的生长时f h j 即是在器内的停留时间f ，可认为等于有效 体积与出料流股体积速率之比，即： f = v q 于是进一步简化为： 宴+ 掣+ 一n ：0公式( 2 _ 7 ) &砚f 此式为m s m p r 结晶器的动态粒数衡算式。 当稳态时r = 0 ，有： d ( g n ) + 兰：0 公式( 2 8 ) d lr 此式为m s m p r 结晶器的稳态粒数衡算式。 而在实践中，为了设计一个结晶过程首先需要收集到以下基础信息后，方可 开始方案设计： 1 结晶系统的性质； 2 相平衡数据，其中包括介稳区数据； 3 结晶成核与成长动力学及特征； 4 结晶溶液流体力学数据及特征。 要想掌握工业结晶的技术与设计方法，首先必须掌握这几类基本数据。 2 5 工业结晶理论模型与发展【6 】【8 【9 【1 0 】【1 1 【1 2 25 1 间歇结晶过程理论模型及发展 间歇结晶是工业结晶中的一个重要方面，与连续结晶相比，它突出的优点是 便于对产品的粒度与纯度实现控制，可以生产出高纯度的产品；同时它还具有生 产的灵活性，利用同一系列的生产设备按照市场需要可以生产出多种产品。对于 那些高产值、低产量或者是生产过程复杂的有固相中问产物的或最终产物的精细 化工、生物化工、医药生产过程，按照经济法则分析，适合采用间歇或半连续结 晶技术。但作为批处理过程，它电存在着这类过程共同的缺点：生产操作的重复 第二章文献综述 性不佳，产品质量不稳定。针对这些问题，各国研究人员作了大量的工作，实践 证明，确定或搜索出间歇过程的最佳操作时间表并实现计算机辅助过程控制是克 服上述缺点的根本途径。所谓最佳操作时间表安排，即按指定的目标函数所确定 的最优的控制变量随时间变化的操作时间表。国外有关间歇结晶过程最佳操作时 间表安排的研究是起始于二十世纪七十年代m 【1 ”。下面对有关结晶理论模型和 方法进行简单介绍，同时也”t 对本研究理论模型的建立起参考指导作用。 间歇结晶过程控制晶体产品粒度分布的思想最早由g r i f f i t h s 于1 9 2 5 年提 出，自然冷却结晶过程山于结晶过程开始时冷却速率较大，过饱和度超出介稳区 导致大量成核，影响了最终产品的粒度及粒度分布。为此，g r i f f i t h s 建议在整 个结晶过程中使过饱和度维持在介稳区内某一值上，由于成核较少，产品的粒度 分布可以得到改善。 a y e r s t 和p h i l l i p s 研究了高氯酸铵溶液不加晶种的等速降温冷却间歇结 晶。其研究中测定了瞬时过饱和度及晶体成核速率，得到了最初过饱和度曲线的 峰值。此峰值的大小取决于结晶过程的冷却速率。g a r s i d e 等人通过研究得到了 硫酸钾溶液在流化床结晶器中等速降温冷却的数据，发现结晶产品的产量随晶种 表面积的增加而增大。 m u l l i na n dn y v i t 对程序冷却进行了研究，在整个冷却过程中将过饱和 度始终保持在介稳区内的一个适宜水平上，可避免初级成核现象，大大改善产品 的粒度分布( c s d ) ，建立了控制控制冷却曲线的方法，该方法适用于结晶过程生 长速率为定值，且控制过饱和度使成核速率为零即d n d t = 0 的假定条件下。 j o n e s 和m u l l i n 阐述了为什么要研究结晶的最优操作程序，是否存在最优 操作曲线及其解的形式如何等问题。对于间歇冷却结晶优化操作，可借助下面的 曲线借以说明。 簿二章文献综述 。 遐 襄 u h 嫠 * 酒 捌 2 3 辩逡t ，二患 时间t 图2 - g 间歇冷却结晶冷却曲线 张上图中，线l 代表不加控制的自然冷却曲线，线2 代液等速冷却曲线t 线 3 代袭蘧宣躲冷帮搽捧程序豹冷帮馥笺，静最傀操作藏线n 渔蚕可觅，巍然冷却 过程平刀始阶段，溶液韵过施和发急骠上葑，遮翎菜一峰溪瑟又急骤下酶，篌结晶 过程的过饱和度在随后相当长的一段时间内，维持在一个很低的水平。因此，既 有发生初级或核的蔻险又有生产髓力低下的闳题。等湿操作过程中，与照然冷却 过糕捐比萁遘锈军嚣凌戆连蓬较骶，下簿遣缓漫，餐也类戳予上述鸯然冷却操佟结 第二章文献综述 晶的缺点依然存在。若按适宜冷却程序操作，则在整个结晶过程中，过饱和度可 以始终维持在某一预期的恒定值，从而使操作得到实质性的改善。这也就是进行 最优操作研究的目的。 对于间歇冷却结晶的求解建立在d n i d t = 0 的基础上，根据此项假设可导出 粒数衡算式的三阶矩为： 掣：6 i o - z p ，k g 3 以3 。 由物料衡算有： 塑+ 丝：0 d f西 溶解度c 和温度t 的关系式： c = a + b t 三式联立可导出结晶温度随时问变化的最优方程： b y ( t o 一，) = k v p ，g 3 n t 3 + 3 k 。p ，g2 l ；n t2 + 3 k ，p 。眈，2 m 取 。：b v t 3 m ， z ：鱼 三。 其中：l ；：品种粒度：m ，：晶种质量；t ：时间 得中- - 巾= 等+ z 2 + z 一丝：z2 + 2 z + 1 如已知湿度和溶解度关系，即已知b ，则通过以上各个方程联立可确定冷却 操作程序t ( t ) 。 对于间歇蒸发结晶可采用类似的推导方法，得到其最优操作方程： c ( 一y ) = k v p 。g 3 n t3 + 3 k 。p ；g 2 l ；n t2 + 3 k ，p ，g l i n t 取巾= 丽v c2 面v c z ：旦 l 。 第二章文献综述 推得一d o ：z2 + 2 z + 1 d z 公式( 21 0 ) 以上二推到过程基于d n d t = 0 ，即忽略结晶过程的成核现象。但实际上在实 际工业结晶过程中， _ _ 1 于接触成核，剪切成核等成核因素的存在，二次成核不可 避免，这已经通过各困研究人员的大量工作得到了证明，因而d n d t = 0 的假设 与实际有明显偏差，因此在实际结晶过程数学模型建立时应当考虑实际存在的_ 二 次成核想象。曹品一i 存前人工作基础上，综合考虑包括二次成核在内的各种因素， 建立了间歇降压蒸发冷却结晶最优操作程序。其模型在综合考虑热量、质量和粒 数衡算基础上，最终推导出该过程温度随时间变化的最优方程： 1七，七g “) 0 s n 7 。 v ( t ) = t o 一二1 0 。2 卫t 4公式( 2 - 1 1 ) 4 a h + b h t o + b 该方程可用于满足其条件的各物系的间歇降压蒸发冷却结晶的控制，在 己知了该物系生氏动力学参数鲰i 及晶体的线性生长速率g 情况下，按该方程 控温，即可在最短时间内得到主粒度符合要求的产品。 l a r s o n 针对涮歇蒸发与冷却结晶过程的最佳操作时间表问题进行了分析， 7 0 n e s 讨论了程控结晶的数学模型，a j i n k y a 等侧重研究了优化策略问题，首次 将p o n t r y a g i n 极大值原理引用于间歇结晶的过程优化。j o n e s 较细致的研究了 间歇冷却结晶过程的动态模型和优化方案，他以晶种成长的最大粒度为目标函 数，应用p o n t r y a g i n 极大值原理求解出最佳冷却操作时间表。由于结晶过程是 一个复杂的多相传热与传质过程，机理模型不清楚，经验模型参数的不确定性， 给模拟和优化带来较大的困难，难于建立统一的模型。因而对于具体的结晶过程 需要具体分析，综合考虑各种因素来建立相对合理的系统数学模型。 25 2 结晶理论与技术研究新进展 近年来，国内外在结晶理论与技术研究方面有了较大的进步，结晶技术开发 应用的前沿课题是：i ) 熔融结晶新技术与设备的应用开发与应用推，一，熔融结晶 的传热传质机理与数学模型的研究，目的在于探索通用的设计模型；2 ) 沉淀结 晶过程的机理研究，结晶器最适宜的物理场的构造分析与设计、沉淀工艺与设备 的最佳化；3 ) 新型溶液结晶过程、设备的开发与计算机辅助控制的最佳化，结 晶器放大模型的继续开发，目的是降低成本与实现结晶颗粒设计的最佳化【1 “。 下面对近年来的结晶科学与技术的一些进展予以简单介绍。 首先在无机盐结晶过程研究方面，黄隐华等【l5 】运用粒数平衡方程，在m s m p r 结晶器中研究了氟硅酸钾( 钠) 在湿法磷酸中的结晶动力学，建立了成核速率一 晶体生长速率及成核速率一晶体生长速率一悬浮密度的动力学模型。卢红等【1 叫对 硫酸钾在氨介质中的结晶动力学进行了研究，可为浓氨介质中石膏转化制硫酸钾 筵二嚣文献综述 工艺中结晶器的设计与放大提供基础数据。此外青海赫湖研究所埘无机赫缩晶过 程也作了大撼的研究工作1 1 8 1 【1 9 】，a p o s t o l i s f 2 0 1 研究了无机磷酸盐离子对碳酸镪 沉淀臻燕) 鼹娶确。 在医药褶关化台物结晶研究寿瑟，辫瘫井帮育较多的研究。澄浓天津大学在 该方面做了大罱的工作i 1 【2 2 1 【2 3 】，在青瓣索、维生豢等物质的结鼎提取研究方懈 取得了较大的成果。荷兰稳粥，8 、b i 刚l d e r ”j 等大磷究了辑莫疆棒结晶形或过程， 疆莫西棒楚在漆液中通过s u s p e n s i o n t o s u s p e n s i o n 反应然焉麓鑫形残醵，嚣 这个过程爨到p h 值的影响；m b d i e n d e r 在物料榭算、电荷榭簿、反应物在p h 影响下的溶解度以及酶催化动力学基础上建立了数学模型，该模型可用来预测 磷篷霸溶液浓度蕊交讫趑努，对藏炎过翟送行伉讫。 在一”般结晶理论研究方面，德因盼a m e r s m a n n 2 5 1 对冷却蒸发结晶器移藤皮 结晶设备的设计和操作进行了进一步的研究，其研究指出平均晶体粒径l 。和晶 蟀粒度分蠢( c s d ) 主要决定于结翕动力学，比如戏绞翔晶体生长速率，并且这 些结晶动力学因素主要受过德霹度羧镂。霆筵，在结鑫蠢溺淀揉佟瓣主要霹拣就 是在满足结晶器在任何时候任何位露的产品都达桥的条件下，逸择并保持最优的 过饱和度。美国的v a i b h a vv 。k e l k a r - 和l ( am n g ” 在综合考虑反应动力学、结 海动力学、传藏过程慕磷上，荠旦充分运臻橱溪，建立了一个遇髑鍪黎反盎缭晶 器模型。m o n n i e r 2 7 j 1 2 8 冁础了通过使用麓燕法帮图像分柝技术实时溺定过镥帮凄 和粒度分布等参数，然靥在有关测燃渗数基础上确定间歇冷却结晶模型的方法， 实验验证袭骥其方法与实验结果笱台菠还是令人满意麴。i g o rv ，m e l i k h o v 梯引 研究了弓 超结晶嗣麓缝交纯有关要素，建立了援关懿模登方程，对予指导麓蹒器 长期运行和提高技术水平具有一定的指导意义。r a j e e vm o h a n 【30 】提出从热力学 角度考察过饱和度并犒熊与b c f 晶体，生长模型结合，从而获得个简化的、相容 筑方法来分褥磊蒋生长数禚帮获褥革鬻鼗蕊动力学镤型。 熔融铺晶是近年来的研究热点，各国研究人懿投入了大量的精力，在安辩参 数测定、始晶动力学横淤建立等诸多方面取得了诸多成果 3 1 - 3 6 1 。在溶液和熔融结 瑟过程物辩窝热量簧遴，渔歌反癍臻菇过程搂拟，结晶粒度分奄实游测量技术、 渡璃态材籽懿结鑫、沉淀结晶、声场帮磁场对结晶j 妻程戆嚣确等方谣零裹终进费 了大量的砸开究” 3 7 - 4 4 】，结晶理论与技术都有了长足的进步。 2 ，6 谷氢酸弦熬磺突进震 谷氨酸结晶方面的研究伴随着味精工业和结晶理论的发展而不断深入。器氨 羧魏结翁越于溶液结蕊，出于溶液缝端本身裁比较艇杂，丽藏乏签氢酸发酵滚酌 生镑蒋瞧，藏丽露答氮酸结器露研究瀑然取褥了缀大戆葳累，程莲缺乏系统鲍萋 第二章文献综述 化理论。近年来，研究人员对谷氨酸结晶的二次成核、结晶生长速率、连续结晶 动力学研究投入了较多精力。 目前在工业结晶晶体生长过程中，表面反应过程常常是晶体生长过程的控制 阶段，人们多采用二维成核模型解释晶体表面反应机理，郎螺旋位错生长和二维 成核生长。m k i t a m ut a ，t i s h i z u 4 5 1 研究指出，提出在相同过饱和度条件下， 口型晶体比型晶体具有更大的生长速度，在通过分析原有晶体生长模型b c f 模型基础j = = ，建市：了晶体生长速率模型一n a n 模型( n u c l e i a b o v e n u c l e i ) 。在该 模型中，几个品核同时仲展在同一晶面上，每个晶核都独自生长，直到它们互相 碰撞或者达到晶面边缘，其公式为： g = 肪5 拍e x p ( 一y 们 公式( 2 - 1 2 ) 其中： x ，y 为随系统而变的常数，可通过实验数据利用最小二乘法确定。 英国的g o r d o n 4 副等提出利用神经网络和光谱技术对问歇结晶器的粒度分布 进行实时测量，并测定了谷氨酸结晶的有关数掘。 华南理工大学张文会【47 】等研究指出谷氨酸二次成核速率随品种粒度和晶种 量的减少而减少，晶体生长速率随粒度减小而增大，结晶时采用粒度小的晶种可 以得到分布比较均匀的晶体。与添加粗谷氨酸品种的常规结晶法相比，添加微细 晶种的新型结晶法得到粒度更大更均匀的晶体，收率提高2 - 3 个百分点，结晶时 间和沉降时间都减少6 小时左右，高谷氨酸浓度下结晶时可完全得到口型晶体， 同时还研究得出了微细品种的最适添加量和添加时的最适p h 值。 清华大学的刘树中【4 8 1 对谷氨酸连续结晶动力学和连续结晶操作参数进行了 研究，测定了谷氨酸的溶解度和超溶解度曲线，建立了溶解度超溶解度数学模型， 还确定了连续结晶的成核动力学参数，探索确定了连续结晶的工艺操作参数。 天津大学【4 9 1 从二十世纪八十年代开始研究谷氨酸结晶过程，取得了一系列 的成果，确定了间歇谷氨酸结晶过程模型，在忽略二次成核、温度变化等因素的 基础匕，建立了最佳加酸速率方程： 沪暑f 巧而 公式( 2 - 1 3 ) 利用该方程指导加酸可缩短调酸时间，提高生产效率和产品质量。但该模型 忽略了二次成核和温度变化两个重要因素，与实际生产有一定差距，有待改进。 由于谷氨酸调酸结晶过程属于溶液反应结晶过程，结晶过程受多种因素的干 扰，如发酵液成分、菌种、操作温度、调酸速度及搅拌速度等等都有较显著的影 响，兼之本过程为间歇过程，因此，该结晶过程的随机性强，结晶过程的规律性 也难以掌握。对于间歇等电谷氨酸调酸结晶方面的研究文献较少，本研究借助问 第二蕈文献综述 歇结晶的有关理论，结合锌氨酸结晶的特性，对泼调酸结晶过程进行探索。通道 实验验证确定间歇等电点提取谷氨酸理论模型和加酸速率方程实际应用性和可 搽雩# 墼至，对冷却与谓酸双参数菇酾下酌缝鑫过程瓣邀行撬伍。 2 7 当前嫩物下游工业发展现状 5 0 由予谷氨羧提取羼予生澎下游翔王技术，因j l 艺有必要对嚣嚣奎秘下游热工技 术现状有所了解，以更好的指导本研究的开展。 一般生物产物的生产过程称为生物加工过程( b i o p r o c e s s ) ，包括优良生物 物种豹选育和生物反应( 鹣反应、微生物发酵、动攘物细胞培莠舔) 生产粗原料 酌过程及冀之后翡霞标产物的分离鳃纯过程，帮下游热工遥程( d o w n s t r e a m p r o c e s s jn g ) 。下游j j i - 1 ：过程包括目标产物的提取、浓缩、纯化及成品化等过獠。 下游加工过程f 勺重要性主要体现在生物产物的特殊性、复杂性和对生物产品要求 弱严穆性上，导蘩下漤撩王过程熬藏本往 圭占鏊令生物热工过程藏本豹丈部分。 因此，生物下游加工过程的质量往往决定整个生物加工过程的成般。设计合理的 下游加工过程可大大降低目标产品的生产成本，实现大规模商业化生产。生物威 应的产物一般是由细胞、游离的细胞辨代谢产物、细胞内代谢产物、残存底物及 惰性组分缀成的混合滚。，生物下游勰工过程所应嗣的分离纯住技术敬决于产物瓣 存在的位鼹( 细胞内或缁胞外) 及产物分子的大小、疏水性、电犄形式和溶解鹰 等。不仅如此，生物加工过程自身的规模和目标产物的商业价值也是选择分离纯 诧菝拳豹黧黉因素。蚕2 - 3 是透过绥魏培养生产生物蘩蒺静下淤趣工过程豹一 般流程。 第二章文献综述 i 【：钱ljf * 2 1 。：。 。竺a t n ；。j 。：! ! ! 一 j jf 4 1 “”“i 3 。1 ，离，。革。、超。、。；，。； l i 图2 3 细胞培养生产生物物质的下游加工过程的一般流程 f i g 2 - 3s c h e m a t i cd i a g r a m o fg e n e r a ld o w n s t r e a m p r o c e s su s i n gc e l l s c u l t i v a t i n gt op r o d u c eb i o l o g i cc o m p o u n d s 因此，对于生物下游加工过程必须根据所处理的对象性质，综合考虑各种因 素来决定分离方法和工艺过程。从最近的生物分离技术进展来看，生物分离技术 研究将有几个研究热点：提高分离过程的选择性；强化传质过程；生物分离过程 机理研究等。总之，生物下游加工技术是一门需要综合生物、化学、化学工程、 数学、计算机、材料学等诸多学科知识进行研究的边缘学科，随着相关基础学科 的进步与发展，该学科在今后也必将获得更大的进展1 5 “。 综e 可见，本研究的对象谷氨酸的提取属于生物下游加工过程，从