生物工程下游技术结晶课件

Chapter 9结结 晶晶Crystallizationu9.1概述u9.2结晶的原理u9.3结晶的步骤与操作u9.4结晶的类型u9.5结晶的应用9.1 概述概述9.1.1结晶的概念结晶的概念u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u固体有结晶和无定形两种状态u结晶：析出速度慢，溶质分子有足够时间进行排列，粒子排列有规则u无定形固体：析出速度快，粒子排列无规则-沉析9.1.2 结晶操作的特点结晶操作的特点u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。u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。u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。溶液的饱和度与过饱和度溶液的饱和度与过饱和度u将一种溶质放入一种溶剂中，由于分子的热运动，必然发生两个过程：固体的溶解，即溶质分子扩散进入液体内部；物质的沉积，即溶质分子从液体中扩散到固体表面进行沉积。在一定的温度和压力下，当两扩散过程达到动态平衡时，达饱和溶液，溶质的溶解度(solubility)最大，称饱和浓度(saturated concentration)u饱和溶液：当溶液中溶质浓度等于该溶质在同等条件下的饱和溶解度时，该溶液称为饱和溶液；u过饱和溶液：溶质浓度超过饱和溶解度时，该溶液称之为过饱和溶液；u溶质只有在过饱和溶液中才能析出；u溶质溶解度与温度、溶质分散度（晶体大小）有关。9.2 结晶的原理结晶的原理 温度与溶解度的关系温度与溶解度的关系u由于物质在溶解时要吸收热量、结晶时要放出结晶热。因此，结晶也是一个质量与能量的传递过程，它与体系温度的关系十分密切。u溶解度与温度的关系可以用饱和曲线和过饱和曲线表示饱和曲线和过饱和曲线饱和曲线和过饱和曲线稳定区和亚稳定区稳定区和亚稳定区u在温度-溶解度关系图中，SS曲线下方为稳定区，在该区域任意一点溶液均是稳定的；u而在SS曲线和TT曲线之间的区域为亚稳定区，此刻如不采取一定的手段（如加入晶核），溶液可长时间保持稳定；u加入晶核后，溶质在晶核周围聚集、排列，溶质浓度降低，并降至SS线；u介于饱和溶解度曲线和过饱和溶解度曲线之间的区域，可以进一步划分刺激结晶区和养晶区不稳定区不稳定区u在TT曲线的上半部的区域称为不稳定区，在该区域任意一点溶液均能自发形成结晶，溶液中溶质浓度迅速降低至SS线（饱和）；u晶体生长速度快，晶体尚未长大，溶质浓度便降至饱和溶解度，此时已形成大量的细小结晶，晶体质量差；u因此，工业生产中通常采用加入晶种，并将溶质浓度控制在养晶区，以利于大而整齐的晶体形成。结晶过程的实质结晶过程的实质u结晶是指溶质自动从过饱和溶液中析出，形成新相的过程。u这一过程不仅包括溶质分子凝聚成固体，还包括这些分子有规律地排列在一定晶格中，这一过程与表面分子化学键力变化有关；u因此，结晶过程是一个表面化学反应过程表面化学反应过程。晶体的形成晶体的形成u形成新相（固体）需要一定的表面自由能。因此，溶液浓度达到饱和溶解度时，晶体尚不能析出，只有当溶质浓度超过饱和溶解度后，才可能有晶体析出。u首先形成晶核，由Kelvin公式，微小的晶核具有较大的溶解度。实质上，在饱和溶液中，晶核是处于一种形成溶解再形成的动态平衡之中，只有达到一定的过饱和度以后，晶核才能够稳定存在。影响溶液过饱和度的因素影响溶液过饱和度的因素u饱和曲线是固定的u不饱和曲线受搅拌、搅拌强度、晶种、晶种大小和多少、冷却速度的快慢等因素的影响结晶与溶解度之间的关系结晶与溶解度之间的关系u晶体产量取决于溶液与固体之间的溶解析出平衡；u固体溶质加入未饱和溶液溶解；u固体溶质加入饱和溶液平衡（Vs=Vd）u固体溶质加入过饱和溶液晶体析出凯尔文凯尔文（Kelvin）公式公式C2-小晶体的溶解度；C1-普通晶体的溶解度-晶体与溶液间的表面张力；-晶体密度2-小晶体的半径；1-普通晶体半径 R-气体常数；T-绝对温度9.3 结晶的步骤与操作结晶的步骤与操作u过饱和溶液的形成u晶核的形成u晶体生长u其中，溶液达到过饱和状态是结晶的前提；过饱和度是结晶的推动力。9.3.1 结晶的步骤结晶的步骤u热饱和溶液冷却（等溶剂结晶）适用于溶解度随温度升高而增加的体系；同时，溶解度随温度变化的幅度要适中；自然冷却、间壁冷却（冷却剂与溶液隔开）、直接接触冷却（在溶液中通入冷却剂）9.3.2 结晶的操作结晶的操作 1)过饱和溶液的形成过饱和溶液的形成 u部分溶剂蒸发法（等温结晶法）适用于溶解度随温度降低变化不大的体系，或随温度升高溶解度降低的体系；加压、减压或常压蒸馏u真空蒸发冷却法使溶剂在真空下迅速蒸发，并结合绝热冷却，是结合冷却和部分溶剂蒸发两种方法的一种结晶方法。设备简单、操作稳定u化学反应结晶加入反应剂产生新物质，当该新物质的溶解度超过饱和溶解度时，即有晶体析出；其方法的实质是利用化学反应，对待结晶的物质进行修饰，一方面可以调节其溶解特性，同时也可以进行适当的保护；盐析法盐析法u常用的沉淀剂：固体氯化钠、甲醇、乙醇、丙酮 2)晶核的形成晶核的形成u(1)初级成核:过饱和溶液中的自发成核现象 a 均相成核：没有外来表面的均相溶液中 b 非均相成核：外来表面的溶液中u(2)二次成核：向介稳态过饱和溶液中加入晶种，会有新晶核产生 机理:附着在晶体表面的微小晶体受到剪切作用，或碰撞而脱离晶体，形成新的晶核。u晶核的形成是一个新相产生的过程，需要消耗一定的能量才能形成固液界面；u结晶过程中，体系总的自由能变化分为两部分，即：表面过剩吉布斯自由能（Gs）和体积过剩吉布斯自由能（Gv）u晶核的形成必须满足：G=Gs+Gv0，阻碍晶核形成；Gv0临界半径与成核功临界半径与成核功u假定晶核形状为球形，半径为r，则Gv=4/3(r3 Gv)；若以代表液固界面的表面张力，则Gs=A=4 r2；u因此，在恒温、恒压条件下，形成一个半径为r的晶核，其总吉布斯自由能的变化为：G=4 r2(+(r/3)Gv)Gv形成单位体积晶体的吉布斯自由能变化临界半径（临界半径（rc）u临界晶核半径是指G为最大值时的晶核半径；ur0，晶核不能自动形成；urrc 时，Gv占优势，故G0，晶核可以自动形成，并可以稳定生长；临界成核功（临界成核功（G max）uG max相当于形成临界大小晶核时，外界需消耗的功。临界成核功仅相当于形成临界半径晶核时表面吉布斯自由能的1/3，亦即形成晶核时增加的G s中有2/3为G v的降低所抵消晶核的成核速度晶核的成核速度u定义：单位时间内在单位体积溶液中生成新核的数目。u是决定结晶产品粒度分布的首要动力学因素；u成核速度大：导致细小晶体生成u因此，需要避免过量晶核的产生成核速度的近似公式成核速度的近似公式B成核速度Gmax成核时临界吉布斯自由能K常数Kn晶核形成速度常数c溶液中溶质的浓度C*饱和溶液中溶质的浓度n成核过程中的动力学指数常用的工业起晶方法常用的工业起晶方法u自然起晶法：溶剂蒸发进入不稳定区形成晶核、当产生一定量的晶种后，加入稀溶液使溶液浓度降至亚稳定区，新的晶种不再产生，溶质在晶种表面生长。u刺激起晶法：将溶液蒸发至亚稳定区后，冷却，进入不稳定区，形成一定量的晶核，此时溶液的浓度会有所降低，进入并稳定在亚稳定的养晶区使晶体生长。u晶种起晶法：将溶液蒸发后冷却至亚稳定区的较低浓度，加入一定量和一定大小的晶种，使溶质在晶种表面生长。u该方法容易控制、所得晶体形状大小均较理想，是一种常用的工业起晶方法。晶种控制晶种控制u晶种起晶法中采用的晶种直径通常小于0.1mm；晶种加入量由实际的溶质附着量以及晶种和产品尺寸决定Ws，Wp晶种和产品的质量，kgLs，Lp晶种和产品的尺寸，mm3)晶体的生长晶体的生长u是以浓度差推动力的扩散传质和晶体表面反应（晶格排列）的两步串连过程u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；u根据以上扩散学说，溶质依靠分子扩散作用，穿过晶体表面的滞留层，到达晶体表面；此时扩散的推动力是液相主体的浓度与晶体表面浓度差；u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晶体生长的扩散学说及速度晶体生长的扩散学说及速度扩散方程扩散方程扩散过程表面反应过程 质量传递速度Kd扩散传质系数Kr表面反应速度常数C，Ci，C*分别为溶液主体浓度、溶液界面浓度、溶液饱和浓度u将以上二式合并，可以得到总的质量传递速度方程：其中u当Kr很大时，K近似等于Kd，结晶过程由扩散速度控制；u反之Kd很大，K近似等于Kr，结晶过程由表面反应速度控制；u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：影响晶体生长速度的因素影响晶体生长速度的因素u杂质：改变晶体和溶液之间界面的滞留层特性，影响溶质长入晶体、改变晶体外形、因杂质吸附导致的晶体生长缓慢；u搅拌：加速晶体生长、加速晶核的生成；u温度：促进表面化学反应速度的提高，增加结晶速度；晶体纯度计算晶体纯度计算分离因素Ep结晶因素，晶体中P的量与其在滤液中的量的比值Ei结晶因素，晶体中杂质的量与其在滤液中的量的比值晶体大小分布晶体大小分布u晶体群体密度u结晶过程中产生的晶体大小不是均一的。因此，需要引入群体密度的概念来加以描述：N单位体积中含有尺寸从0l的各种大小晶体的数目；连续结晶过程的晶群密度分布连续结晶过程的晶群密度分布u是分析连续结晶器操作过程的最佳近似法n晶群密度no l趋近于0时的晶群密度Q晶浆流出速率V结晶器有效装液容积晶体大小晶体大小Q晶浆流出速率V结晶器有效装液容积Gr晶体生长速度提高晶体质量的方法提高晶体质量的方法u晶体质量包括三个方面的内容：晶体大小、形状和纯度u影响晶体大小的因素：温度、晶核质量、搅拌等u影响晶体形状的因素：改变过饱和度、改变溶剂体系、杂质u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晶体结块晶体结块u晶体结块是一种导致结晶产品品质劣化的现象，导致晶体结块的主要原因有：（1）结晶理论：由于某些原因造成晶体表面溶解并重结晶，使晶粒之间在接触点上形成固体晶桥，呈现结块现象；（2）毛细管吸附理论：由于晶体间或晶体内的毛细管结构，水分在晶体内扩散，导致部分晶体的溶解和移动，为晶粒间晶桥的形成提供饱和溶液，导致晶体结块。重结晶重结晶u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。u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。重结晶的操作过程重结晶的操作过程u选择合适的溶剂；u将经过粗结晶的物质加入少量的热溶剂中，并使之溶解；u冷却使之再次结晶；u分离母液；u洗涤；结晶过程的预测与改善u产率：提高起始浓度，降低溶解度,u提高纯度u 杂质的存在原因：a 母液带入;b 杂质包埋;c 单晶中包含母液;d 杂质取代晶格分子u晶习：一定环境中，结晶的外部形态。u晶体大小分布：改变成核和生长速度，控制过饱和度进程u过滤速度：大晶体与窄的粒径分布过滤效果好u结垢：晶体沉积在容器中进行u多晶形现象9.4 结晶的类型u分类方法u分批结晶 步骤：(1)结晶器的清洁(2)加料到结晶器中(3)产生过饱和度(4)成核与晶体生长(5)晶体的排除 优点：a生产出指定纯度，粒度分布及晶形的产品 缺点：成本高，操作和产品质量稳定性差。连续结晶u特点：u(1)较好地使用劳动力u(2)设备寿命长u(3)多变的生产能力u(4)晶体粒度及分布可控u(5)较好的冷却与加热装置u(6)产品稳定并使损耗减少到最小结晶的应用结晶的应用u抗生素：抗生素：青霉素青霉素G钠盐和青钠盐和青霉素霉素G的普鲁卡因盐，脱致敏的普鲁卡因盐，脱致敏原的过程不能少。原的过程不能少。u氨基酸：氨基酸：味精等。味精等。结晶的应用结晶的应用u青霉素青霉素G的澄清发酵液的澄清发酵液pH=3.0）经乙酸丁酯萃取、水溶液（）经乙酸丁酯萃取、水溶液（pH值值约为约为7.0）反萃取和乙酸乙酯萃取后，向丁酯萃取液中加入醋酸钾）反萃取和乙酸乙酯萃取后，向丁酯萃取液中加入醋酸钾的乙醇溶液，即生成青霉素的乙醇溶液，即生成青霉素G钾盐。因青霉素钾盐。因青霉素G钾盐在乙酸丁酯钾盐在乙酸丁酯中溶解度很小，故从乙酸丁酯溶液中结晶析出。控制适当的操作中溶解度很小，故从乙酸丁酯溶液中结晶析出。控制适当的操作温度、搅拌速度以及青霉素温度、搅拌速度以及青霉素G的初始浓度，可得到粒度均匀，纯的初始浓度，可得到粒度均匀，纯度达度达90%以上的青霉素以上的青霉素G钾盐结晶。将青霉素钾盐结晶。将青霉素G钾盐溶于氢氧化钾盐溶于氢氧化钾溶液中，调节钾溶液中，调节pH值至中性，加无水乙醇，进行真空共沸蒸馏操值至中性，加无水乙醇，进行真空共沸蒸馏操作，可获得纯度更高的结晶产品。在上述操作中，用醋酸钠代替作，可获得纯度更高的结晶产品。在上述操作中，用醋酸钠代替醋酸钾，即可得到青霉素醋酸钾，即可得到青霉素G钠盐。钠盐。u另一种青霉素另一种青霉素G产品是青霉素产品是青霉素G的普鲁卡因盐，其在水中的溶解度的普鲁卡因盐，其在水中的溶解度较小，向青霉素较小，向青霉素G钾盐的磷酸缓冲液中加入盐酸普鲁卡因溶液，钾盐的磷酸缓冲液中加入盐酸普鲁卡因溶液，冷却至冷却至3-5，生成的普鲁卡因青霉素，生成的普鲁卡因青霉素G就可结晶析出。就可结晶析出。通过本章学习应掌握以下概念通过本章学习应掌握以下概念u什么是结晶过程？u结晶操作的特点有哪些？u凯尔文公式的内容？u了解饱和温度曲线和过饱和温度曲线的内容？u在何种条件下，溶液中才有晶体析出？u影响晶体形成的主要因素有哪些？u晶种的作用是什么？u过饱和溶液形成的方法有哪些？u何为晶体生长的扩散学说？其具体意义何在？u常用的工业起晶方法有哪些？u晶体纯度的计算方法？u影响晶体质量的因素有哪些？u何为重结晶？