第七章结晶PPT课件

1、 生物产品的浓度极稀，经过前面介绍的方法，可把它们的浓度、纯度逐步提高，对某些产品，经过前阶段的提取、提纯后，已能满足要求; 但对很多生物产品，如药和生化试剂，要求极高的纯度，因此，仅经过前阶段的分离和提纯，还不能满足对产品质量的要求，需对它们再作进一步的精制、加工，这就是结晶和干燥。 第七章 结晶 第一节 结晶的基本理论 结晶与沉淀相像，但结晶产生的颗粒具有规则的形状和大小，而沉淀则得到无定型的固体物。1.1 基本概念晶体：溶液中的溶质在一定条件下，因分子有规则的排列而结合成晶体，晶体的化学成分均一，具有各种对称的晶体，其特征为离子和分子在空间晶格的结点上呈规则的排列。结晶:固体物质以晶体状

2、态从蒸汽、沉淀、溶液或熔融物中析出的过程。结晶过程的特点： 只有同类分子或离子才能排列成晶体，因此结晶过程有良好的选择性。 通过结晶，溶液中大部分的杂质会留在母液中，再通过过滤、洗涤，可以得到纯度较高的晶体。 结晶过程具有成本低、设备简单、操作方便，广泛应用于氨基酸、有机酸、抗生素、维生素、核酸等产品的精制。 结晶操作必须考虑饱和度、结晶提纯度、晶核形成、单晶体生长4个问题。1. 饱和度 饱和度是溶质处于热力学稳定态时的最大浓度，是相平衡的结果。结晶在达相平衡时候，固态晶体相的化学势与周围溶液相的化学势相等。 溶液中含有的溶质量，比饱和的时候更多，这种溶液称为过饱和溶液，它在热力学上是不稳定的

3、。但是如果不去扰动它，任其保持平静状态，则它可以在一个相当长的时间内保持过饱和状态而不变。这种状态称为介稳状态。 过饱和状态可划分为三个不同的区域。这就是介稳区、中间区和不稳定区：S-S:溶解度曲线T-T(T-T):超溶解度曲线中间区中间区介介 在介稳区，溶质浓度虽然超过饱和浓度。但这时溶质只在现有晶体的表面上沉积，而不形成新的晶核。在中间区既有原有晶体的生长，同时也有少量新晶核出现。不稳定区，新晶核迅速地从澄清的溶液中形成。与饱和溶液不同的是，这三个区不仅仅决定于平衡自身，而且还受到搅拌等条件的影响。工业结晶操作均在介稳区内进行。2.结晶的提纯度结晶的提纯度，又称分配率。 EA= 对杂质B,

4、 分离因数: 越大，分离杂质越有效。3. 晶核形成 晶核的形成机理：初级成核、二次成核 初级成核：在没有晶体存在的条件下（不稳定区）自发产生晶核的过程。 非均相成核：在已有晶体存在的条件下（介稳区）自发产生晶核的过程。 各种成核机理的相对重要性，决定于结晶过程的目的。例如对研究工作而言，均相成核是主要的。而在工业结晶过程中，常使用非均相成核，非均相成核既可以用于小规模的结晶操作，也可以用于大规模的结晶生产。 晶核的形成速率，可用下列经验公式描述(c-c*)代表溶液的过饱和程度。过饱和程度越大，成核速率越快，因而在不稳定区，晶核生长迅速。 4. 单晶体生长 晶体的生长，取决于它的生长机理。晶体生

5、长过程是由两个串联的过程组成。这就是溶质首先从溶液主体扩散至晶体表面，这是一个扩散过程；接着溶质在晶体表面上沉积、生长，这是一个表面反应过程。1.2 结晶的生长 晶体生长的扩散学说 （1）溶质通过扩散作用穿过靠近晶体表面的一个滞流层，从溶液中转移到晶体的表面； （2）到达晶体表面的溶质长入晶面，使晶体增大，同时放出结晶热； （3）结晶热传递回到溶液中； 根据以上扩散学说，溶质依靠分子扩散作用，穿过晶体表面的滞流层，到达晶体表面；此时扩散的推动力是液相主体浓度与晶体表面浓度差； 而第二步溶质长入晶面，则是表面化学反应过程，此时反应的推动力是晶体表面浓度与饱和浓度的差值扩散过程： 表面反应过程：

6、将以上二式合并，可以得到总的质量传递速度方程： 其中 当kr很大时，K近似等于kd，结晶过程由扩散速度控制；反之kd很大，K近似等于kr，结晶过程由表面反应速度控制； 为了简化方程的应用，可以假定晶体在各个方向的生长速率相同，这样就可以任意选择某一方向矢量的变化，来衡量晶体体积的变化，公式就可以简化为： 第二节 结晶操作和结晶器2.1 结晶操作 结晶操作是在饱和溶液中形成新相的过程,涉及固液相平衡,影响结晶操作和产品质量的因素很多. 1.过饱和度 增大溶液过饱和度可提高成核速率和生长速率。但过于饱和又会出现如下问题：合成速率过快,产生大量微小晶体, 结晶难以长大；结晶生长速率过快,容易在晶体表

7、面产生液泡,影响结晶质量;结晶器容易产生晶垢，给操作带来困难； 因此，注意以最大过饱和度为限，在不易产生晶垢的过饱和度下进行。2. 温度 结晶操作温度一般控制在较小的温度范围内。操作温度变化不宜过快，否则，影响产品的质量。3. 搅拌与混合 增大搅拌速度可提高成核和生长速率，但搅拌速度过快会造成晶体的剪切破碎，影响结晶产品质量。为获得较好的混合状态，同时避免结晶的破碎，可采用气提式混合方式，或利用直径或叶片较大的搅拌桨，降低桨的转速。4. 溶剂与pH值 操作采用的溶剂和pH值应使目标溶质的溶解度较低，以提高收率。 5. 晶种 工业结晶的晶种分两种情况： 1)通过蒸发或降温使溶液的过饱和度进入不稳

8、定区，自发形成一定数量核后，稀释溶液使过饱和度降至介稳区。这部分晶核即成为结晶的晶种； 2)向处于介稳区的过饱和溶液中添加事先准备好的颗粒均匀的晶种。生物产物的结晶操作主要采用第二种方法。 6. 晶浆浓度 晶浆浓度越高，单位体积结晶器中表面积越大，即固液接触比表面积越大，结晶生长速率越快，有利于提高结晶生产速度。但是浓度过高时，悬浮液的流动性差，混合操作困难。因此晶浆浓度在操作条件允许的范围内取最大值。 除此之外，还有循环流速、晶垢、共存杂质、晶形修改剂的影响。提高晶体质量的方法 晶体质量包括三个方面的内容： 晶体大小、形状和纯度 影响晶体大小的因素： 温度、晶核质量、搅拌等 影响晶体形状的因

9、素： 改变过饱和度、改变溶剂体系、杂质 影响晶体纯度的因素： 母液中的杂质、结晶速度、晶体粒度及粒度分布 2.2 结晶器 工业结晶设备分冷却式、蒸发式两种。1)冷却结晶器 常用的冷却结晶器有夹套冷却式，外部循环冷却式和槽内蛇管冷却式。搅拌槽结晶器结构简单，设备造价低。夹套冷却结晶器的冷却比表面积小，结晶速度低，不适于大规模操作。由于结晶温度低，结晶器壁易形成晶垢，影响传热效率。2)蒸发结晶器 1Krystal-Oslo结晶器 蒸发结晶器由结晶器主体、蒸发室和外部加热器构成。 2. DTB型结晶器 内设导流管和钟罩型挡板，导流管内又设有螺旋桨，驱动流体向上流动第三节 重结晶 经过一次粗结晶后，得到的晶体通常会含有一定量的杂质。此时工业上常常需要采用重结晶的方式进行精制。重结晶是利用杂质和结晶物质在不同溶剂和不同温度下的溶解度不同，将晶体用合适的溶剂再次结晶，以获得高纯度的晶体的操作。 最简单的重结晶操作，就是把含杂质的晶体，溶解在少量热的纯溶剂中，然后冷却至新的结