1、单元1结晶技术,模块四,1 结晶原理 2 结晶的生长 3 结晶操作及其应用,前面学习了沉淀，沉淀出现的前提： 结晶出现的前提呢？ 结晶和沉淀有什么区别，为什么有时出现沉淀，有时出现结晶？,结晶是从液相或气相生成形状一定、有规则排列的晶体的现象.是形成新相的过程。 这一过程包括 溶质分子凝聚成固体, 分子有规律地排列在一定的晶格中 这种有规律的排列与表面分子化学键力的变化有关,因此结晶过程也是一个表面化学反应的过程。热质传递过程,一 结晶,1. 结晶,几种典型的晶体结构,晶体结构特征：几何外形、规则排列,2. 沉淀与结晶的比较,条件：沉淀和结晶都是水溶液中含量高于溶解度时产生的 . 过程：将溶剂
2、中的物质析出产生 结晶和沉淀都是是分子分离纯化的一种手段,相同,不同,纯度不同：沉淀的纯度远低于结晶，是一种初级分离技术。但多步沉淀操作也可制备高纯度的目标产物。 结构不同：沉淀是无规则排列的无定形粒子 速度不同：结晶和沉淀相比应当是一个缓慢的过程，必须有适合的晶核 应用广泛性：沉淀广泛应用于蛋白质等生物产物的分离，蛋白质沉淀是不定形颗粒，不是结晶。,名词,晶浆：在结晶器中结晶出来的晶体和剩余的溶液(或熔液)所构成的混悬物。 母液：去除悬浮液中的晶体后剩下的溶液(或熔液)。,结晶过程中，含有杂质的母液(或熔液)会以表面粘附和晶间包藏的方式夹带在固体产品中。,晶习： 一定环境中，结晶的外部形态。
3、,3. 结晶操作的特点,多数情况下，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 or再结晶，可以得到纯度较高的晶体。 易于和不结晶物质分开 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。,饱和溶液：在一定温度下，向一定量溶剂里加入某种溶质，当溶质不能继续溶解时，所得的溶液叫做这种溶质的饱和溶液 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； 溶质只有在过饱和溶液中才能析出；,二 结晶的基本原理,几种物质在水中的溶解度曲线,溶液的过饱和与超溶解度曲
4、线,溶解度曲线,过饱和曲线,稳定区不可能结晶,介稳区不会自发地产生晶核。,不稳区能自发产生晶核 。,结晶的TC关系图,图中SS线为饱和溶解度曲线,在此曲线以下的区域为不饱和区,称为稳定区。TT线为过饱和溶解度曲线,在此曲线以上的区域称为不稳定区。而介于SS线和TT线之间的区域称为亚稳区。,稳定区内的任一点溶液都是稳定的,不管采用什么措施都不会有结晶析出。 亚稳区内的任一点,如不采取措施,溶液也可以长时间保持稳定,若加入晶种,溶质就会在晶种上长大,溶液的浓度随之下降到SS线。 亚稳区中各部分的稳定性并不一样,接近SS线的区域较稳定,而接近TT线的区域极易受刺激而结晶。 因此有人提出将亚稳区再一分
5、为二,上半部为刺激结晶区,下半部为养晶区。,稳定区： 不饱和区 第一介稳区：加入晶种结晶会生长，但不产新晶核，养晶区 第二介稳区：加入晶种结晶会生长，同时有新晶核产生，刺激结晶区 不稳区：瞬时出现大量微小晶核，发生晶核泛滥,曲线提示,结晶过程应尽量控制在介稳区内进行，以得到平均粒度较大的结晶产品，避免产生过多晶核而影响最终产品的粒度。 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。,结晶是从均一的溶液中析出固相晶体的过程,通常包含三个步骤: 过饱和溶液的形成, 晶核的生成 晶体的成长。,三 结晶的步骤,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
6、力。,1 过饱和溶液的形成,形成过饱和溶液及结晶方法 等溶剂结晶，冷却结晶（热饱和溶液冷却） 等温结晶法，蒸发结晶 （部分溶剂蒸发法） 化学反应结晶 真空蒸发冷却法 盐析结晶（卡那霉素）,过饱和度：同一温度下，过饱和溶液与饱和溶液的浓度差。溶液的过饱和度是结晶过程的推动力。,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） 红霉素,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 灰黄霉素,部分溶剂蒸发法（等温结晶法）,加入反应
7、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； （青霉素）,化学反应结晶,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,真空蒸发冷却法,当能量在某一瞬间、某一区域由于布朗运动暂时达到较高值时会析出微小的颗粒,即结晶中心称为晶核。晶核不断生成并继续成长为晶体。 一般自动成核的机会较少,常需借助外来因素促进生成晶核,如机械振动、搅拌等。,2. 晶核的生成,起晶方法,自然起晶 刺激起晶 晶种起晶,初级成核过饱和溶液中自
8、发成核 （1）均相成核，指无固相存在。 （2）非均相成核，指当有固体异物存在而促进成核。 二次成核向界稳态过饱和溶液中加入晶种，会有新晶核产生 （1）剪切力成核，一个变n个 （2）接触成核，两个变一个,初级成核和二级成核,晶核的成核速度,定义：单位时间内在单位体积溶液中生成新核的数目。 是决定结晶产品粒度分布的首要动力学因素； 成核速度大：导致细小晶体生成 因此，需要避免过量晶核的产生,晶体成长速度大大超过晶核生成速度,过饱和度主要用来使晶体成长, 得到粗大而有规则晶体; 反之过饱和度主要用来生成新的晶核,则所得到的晶体颗粒参差不齐,晶体细小,甚至呈无定形。 在工业生产中,通常都希望得到颗粒粗
9、大而均匀的晶体,可以使后续的过滤、洗涤和干燥操作比较方便,同时产品质量也可提高。,3. 晶体的成长,四 晶体生长速度的影响因素,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； 搅拌：加速晶体生长、加速晶核的生成； 温度：促进表面化学反应速度的提高，增加结晶速度； 溶液浓度：浓度始终在介稳区，育晶区,晶体生长速度的影响因素,晶体质量包括大小、形状、纯度,五 影响晶体质量的因素,影响晶体大小的因素 溶液的过饱和度、温度、搅拌速度等。 过饱和度增加,所得晶体细小。 温度的影响比较复杂,当溶液快速冷却时,达到过饱和度较高,所得晶体也较细,而缓慢
10、冷却常得到粗大颗粒。 搅拌能促使成核和加速扩散,提高晶核成长的速度,但超过一定范围后,效果就不显著。相反搅拌越快,晶体越细。,同种物质用不同方法结晶时，得到的晶体形状可以完全不同。从不同溶剂中结晶得到不同的外形。改变结晶温度，也会改变晶体外形。,影响晶体形状的因素,晶体常包含母液、尘埃和气泡。 形成晶簇 通过晶体的洗涤，除去母液 不同的溶剂进行结晶对不同物质洁净程度不同 改善方法：用适当的溶剂，对固体进行洗涤，重结晶,晶体纯度的影响因素,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
11、，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。,六、 重结晶,重结晶的操作过程,选择合适的溶剂； 将经过粗结晶的物质加入少量的热溶剂中，并使之溶解； 冷却使之再次结晶； 分离母液； 洗涤；,将维生素B12粗品结晶溶解于少量蒸馏水中,滤去不溶杂质,加入水溶液体积810倍的丙酮至呈现混浊为止,冷却静置两天,可得纯度较高的产品。 为提高红霉素碱纯度, 将红霉素粗碱溶于1:7(W/V)的丙酮中, 过滤,加入该体积1.52倍的蒸馏水, 室温下静置过夜, 制得红霉素精制品。,重结晶举例,青霉素钾盐的结晶：为了获得长针形、纯度较高的晶体,采用共沸结晶的方法。 青霉素钾盐在乙酸丁酯中的溶解度很小,但
12、在水中的溶解度很大, 在结晶过程中尽量将乙酸丁酯中夹带的水分除去。乙酸丁酯和水能形成共沸物, 真空下将其共沸物蒸出, 减少丁酯中的水分，利于结晶。,七 结晶在分离中的应用,抗生素生产中最常用的结晶设备是带搅拌的结晶罐,罐体上附有夹套,以便根据工艺需要改变罐内温度。在制备晶核或需要获得微粒晶体时,常采用高转速(100030000转/分),在一般结晶过程,则采用低转速(50500转/分)。,结晶,真空浓缩结晶锅主要用于味精结晶,冷却盘式结晶器,八 结晶过程的预测与改善,提高产率：提高起始浓度，降低溶解度, 提高纯度 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
13、晶格分子 改善晶体大小分布：改变成核和生长速度，控制过饱和度进程 控制过滤速度：大晶体与窄的粒径分布过滤效果好 避免结垢：晶体沉积在容器中,九 工业结晶方法及设备,不移除溶剂的结晶法 亦称冷却结晶法。适用于溶解度随温度降低而显著下降的物系。 移除部分溶剂的结晶法 又分为蒸发结晶法和真空冷却结晶法。适用于溶解度随温度变化不大的物系。 盐析结晶法（改变溶质溶解度结晶法） 是通过物系中加入某些物质达到降低溶质溶解度的目的，从而使溶质结晶析出的方法。,二、常用结晶设备,不移除溶剂的结晶器冷却式结晶器 1、搅拌式结晶器 在敞槽或结晶釜中安装搅拌器，使结晶器内温度比较均匀，晶体虽小但粒度较均匀，可缩短冷却
14、周期，提高生产能力。 按照料液循环形式分为内循环式和外循环式。,1-电动机； 2-进料口； 3-冷却夹套；4-挡板； 5-减速器； 6-搅拌轴； 7-搅拌器,2、长槽搅拌式连续结晶器,主体是一敞口或闭式的长槽，底部半圆形。槽外装有水夹套，槽内则装有长螺距低速螺带搅拌器。全槽常由23个单元组成。 工作原理：热而浓的溶液由结晶器的一端进入，并沿槽流动，夹套中的冷却水与之作逆流流动。由于冷却作用，若控制得当，溶液在进口处附近即开始产生晶核，这些晶核随着溶液流动而成长为晶体，最后由槽的另一端流出。,1结晶槽；2水槽（冷却水夹套） 3搅拌器；4，5接管,特点 结构较简单，节省地面和材料，可以连续操作，生
15、产能力大，体力劳动少；产生的晶体粒度均匀，大小可调节。 适用于葡萄糖、谷氨酸钠等卫生条件较高、产量较大的结晶。,直接接触冷却结晶器,特点：冷却剂与晶浆直接接触，避免冷却表面结垢及结垢导致的换热器效率下降。 常用的冷却介质：惰性的液态烃类，如乙烯、氟里昂等。 类型：釜式、回转式、湿壁塔式,回转式直接接触冷却结晶器,结构：如图所示。它的主体是一回转圆筒，略呈倾斜，筒内装有挡板。其他部件有电动机、减速器、风机、连续离心机、排气筒等。 工作原理：待结晶的溶液与冷空气在筒内逆向流过，在筒内挡板作用下升举并淋洒于冷空气中，以扩展冷却表面，从而降温结晶，冷却后的晶浆在离心机作用下分离出晶体。,移除部分溶剂的结晶器,1、真空冷却结晶器 工作原理：真空冷却结晶器是将热的饱和溶液加入一与外界绝热的结晶器中，由于器内维持高真空，故其内部滞留的溶液的沸点低于加入溶液的温度。这样，当溶液进入结晶器后，经绝热闪蒸过程冷却到与器内压力相对应的平衡温度。,连续式真空结晶器 结构：如图。主要包括蒸发锅、冷凝器、循环管、进料循环泵、出料泵、蒸汽喷射泵等。 特点： 优点：构造简单，生产能力大，操作控制较容易。 缺点：必须使用蒸汽，冷凝耗水量较大，操作费用和能耗较高。,
