生物工程下游技术--结晶教学提纲

1、Chapter 9Chapter 9结结 晶晶CrystallizationCrystallizationu9.1概述u9.2结晶的原理(yunl)u9.3结晶的步骤与操作u9.4结晶的类型u9.5结晶的应用第一页，共53页。9.1 概述概述9.1.1结晶结晶(jijng)的概念的概念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(jn )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-沉析第二页，共53页。第

2、三页，共53页。第四页，共53页。第五页，共53页。9.1.2 结晶结晶(jijng)操作的特点操作的特点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(rngy)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。第六页，共53页。溶液溶液(rngy)的饱和度与过饱和度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(yt)内部；物质的沉积，即溶质分子从液体(yt)中扩散到

3、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 结晶结晶(jijng)的原理的原理第七页，共53页。 温度温度(wnd)与溶解度的关系与溶解度的关系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

4、量的传递(chund)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第八页，共53页。饱和饱和(boh)曲线和过饱和曲线和过饱和(boh)曲曲线线第九页，共53页。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(zhuwi)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第十页，共53页

5、。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(c sh)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。第十一页，共53页。结晶过程结晶过程(guchng)的实质的实质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(bjn)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

6、化学反应过程。第十二页，共53页。晶体晶体(jngt)的形成的形成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(rngzh)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。第十三页，共53页。影响溶液影响溶液(rngy)过饱和度的因素过饱和度的因素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(dxio)和多少、冷却速度的快慢等因素的影响第十四页，共53页。

7、结晶结晶(jijng)与溶解度之间的关系与溶解度之间的关系u晶体产量取决于溶液与固体(gt)之间的溶解析出平衡；u固体(gt)溶质加入未饱和溶液溶解；u固体(gt)溶质加入饱和溶液平衡（Vs=Vd）u固体(gt)溶质加入过饱和溶液晶体析出第十五页，共53页。凯尔文（凯尔文（Kelvin）公式）公式(gngsh)11(2ln1212rrRTMccC2-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(md)2-小晶体的半径； 1-普通晶体半径 R-气体常数； T-绝对温度第十六页，共53页。9.3 结晶结晶(jijng)的步骤与操作的步骤与操作u过饱和溶液的形成u晶核

8、的形成u晶体生长u其中，溶液达到(d do)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 结晶结晶(jijng)的步骤的步骤第十七页，共53页。u热饱和溶液冷却（等溶剂结晶）u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(shzhng)；u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 结晶结晶(jijng)的操作的操作 1)过饱和溶液的形成过饱和溶液的形成 第十八页，共53页。u部分溶剂蒸发法（等温结晶法）u适用于溶解度随温度降低变化不大的体系(tx)，或随温度升高溶解度降低的体系(tx)；u加压、减压或常压蒸馏第

9、十九页，共53页。u真空蒸发冷却法u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(b fen)溶剂蒸发两种方法的一种结晶方法。u设备简单、操作稳定第二十页，共53页。u化学反应结晶u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；u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(tngsh)也可以进行适当的保护；第二十一页，共53页。盐析盐析(yn x)法法u常用的沉淀剂：固体(gt)氯化钠、甲醇、乙醇、丙酮第二十二页，共53页。 2) 晶核的形成晶核的形成(xngchng)u(1) 初级成核:过饱和溶液中的自发(zf)成

10、核现象u a 均相成核：没有外来表面的均相溶液中u 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u 机理: 附着在晶体表面的微小晶体受到剪切作用，u 或碰撞而脱离晶体，形成新的晶核。第二十三页，共53页。第二十四页，共53页。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(nngling)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：uG= Gs+ Gv0，阻碍晶核形成； Gv0第二十五页，共53页。临界半径与成核功临界半径与成核功u假

11、定晶核形状(xngzhun)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：uG=4 r2(+(r/3) Gv)Gv形成单位(dnwi)体积晶体的吉布斯自由能变化第二十六页，共53页。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(wndng)生长；第二十七页，共53页。临界临界(ln ji)成核功（成核功（ G max）uG max相当于形成临界(ln

12、 ji)大小晶核时，外界需消耗的功。sGG31max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(zngji)的G s中有2/3为G v的降低所抵消第二十八页，共53页。晶核的成核速度晶核的成核速度(sd)u定义：单位时间内在单位体积溶液(rngy)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第二十九页，共53页。成核速度的近似成核速度的近似(jn s)公式公式RTGkeB/maxB成核速度Gmax成核时临界吉布斯自由(zyu)能K常数nncckB)(Kn晶核形成速度常数c溶液中溶质

13、的浓度(nngd)C*饱和溶液中溶质的浓度(nngd)n成核过程中的动力学指数第三十页，共53页。常用的工业常用的工业(gngy)起晶方法起晶方法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(biomin)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。第三十一页，共53页。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(ydng)量和一定(ydng)大小的晶种，使溶质在晶种表面生长。u该方法容易

14、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。第三十二页，共53页。晶种控制晶种控制(kngzh)u晶种起晶法中采用的晶种直径通常(tngchng)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)/(33pspsLLWW Ws，Wp晶种和产品的质量(zhling)，kgLs，Lp晶种和产品的尺寸，mm第三十三页，共53页。3) 晶体晶体(jngt)的生长的生长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(xu shu)u（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；u（2）到达晶体表面的

15、溶质长入晶面，使晶体增大，同时放出结晶热；u（3）结晶热传递回到溶液中；u根据以上扩散学说(xu shu)，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晶体生长的扩散学说(xu shu)及速度及速度第三十四页，共53页。扩散扩散(kusn)方程方程)(idccAkdtdm)(*ccAkdtdmir扩散(kusn)过程表面反应过程(guchng)dtdm 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

16、液主体浓度、溶液界面浓度、溶液饱和浓度第三十五页，共53页。u将以上二式合并，可以得到(d do)总的质量传递速度方程：*)(ccKAdtdmrdkkK111其中(qzhng)第三十六页，共53页。u当Kr很大时，K近似(jn s)等于Kd，结晶过程由扩散速度控制；u反之Kd很大，K近似(jn s)等于Kr，结晶过程由表面反应速度控制；第三十七页，共53页。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(binhu)，来衡量晶体体积的变化(binhu)，公式就可以简化为：Aml/6第三十八页，共53页。影响晶体生长速度影响晶体生长速度(sd)的

17、因素的因素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(jiobn)：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；第三十九页，共53页。晶体纯度晶体纯度(chnd)计算计算ipEE /分离因素(yn s)Ep结晶因素(yn s)，晶体中P的量与其在滤液中的量的比值Ei结晶因素(yn s)，晶体中杂质的量与其在滤液中的量的比值第四十页，共53页。晶体晶体(jngt)大小分布大小分布u晶体群体密度u结晶过程中产生的晶体大小不是(b shi)均一的。因此，需要引入群体密度的概念来加以描述：dldN

18、lNnl0limN单位体积中含有尺寸从0l的各种大小晶体(jngt)的数目；第四十一页，共53页。连续结晶连续结晶(jijng)过程的晶群密度分布过程的晶群密度分布u是分析(fnx)连续结晶器操作过程的最佳近似法)exp(0VGQlnnrn晶群密度(md)no l趋近于0时的晶群密度(md)Q晶浆流出速率V结晶器有效装液容积第四十二页，共53页。晶体晶体(jngt)大小大小QVGlrD/3Q晶浆流出速率(sl)V结晶器有效装液容积Gr晶体生长速度第四十三页，共53页。提高晶体提高晶体(jngt)质量的方法质量的方法u晶体质量包括三个方面(fngmin)的内容：u晶体大小、形状和纯度u影响晶体大

19、小的因素：u温度、晶核质量、搅拌等u影响晶体形状的因素：u改变过饱和度、改变溶剂体系、杂质u影响晶体纯度的因素：u母液中的杂质、结晶速度、晶体粒度及粒度分布第四十四页，共53页。晶体晶体(jngt)结块结块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：u（1）结晶理论：由于某些(mu xi)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；u（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。第四十五页，共53页。重结晶重结晶u经过一次粗结晶后，得到的

20、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(wnd)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。第四十六页，共53页。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(jnggu)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；第四十七页，共53页。结晶(jijng)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：u a 母液带入; b 杂质包埋; c 单晶中包含母液; u d 杂质取代晶格分子u晶习： 一定环境中

21、，结晶的外部形态。u晶体大小分布(fnb)：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(fnb)过滤效果好u结垢：晶体沉积在容器中进行u多晶形现象第四十八页，共53页。9.4 结晶(jijng)的类型u分类方法u分批结晶u 步骤：u (1) 结晶器的清洁u (2) 加料到结晶器中u (3) 产生过饱和度u (4) 成核与晶体生长u (5) 晶体的排除u 优点：a生产出指定纯度，粒度分布及晶形的产品u 缺点： 成本高， 操作(cozu)和产品质量稳定性差。第四十九页，共53页。连续(linx)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

22、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(zhungzh)u(6) 产品稳定并使损耗减少到最小第五十页，共53页。结晶结晶(jijng)的应用的应用u抗生素：青霉素抗生素：青霉素G钠盐和青霉钠盐和青霉素素G的普鲁卡因的普鲁卡因(p l k yn)盐，脱致敏原的过程不能少。盐，脱致敏原的过程不能少。u氨基酸：味精等。氨基酸：味精等。第五十一页，共53页。结晶结晶(jijng)的应用的应用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值约为值约为7.0）反）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，即生成青霉素霉素G钾盐