第八章第二节结晶分离

1、第八章 其他分离技术第二节 结晶分离 一、概述二、结晶的基本原理三、晶体形成的条件四、影响晶体生成的因素五、常用的结晶方法六、 结晶分离技术的应用一、 概述u结晶是固体物质以晶体状态从蒸气、溶液或熔融物中析出的过程。是一种获得固体产物的重要手段。u如：从海水中得到食盐晶体。结晶分离的特点结晶分离的特点（1）能从杂质含量相当多的溶液或多组分的熔融混合物中形成纯净的晶体。（2） 固体产品有特定的晶体结构和形态(如晶形、粒度分布等)。 （3）能量消耗少,操作温度低，对设备材质要求不高，三废排放少，有利于环境保护。 （4）结晶过程及其设备种类繁多。二. 结晶的基本原理（一）晶体的几个基本概念u晶体：是

2、许多性质相同的粒子在三维空间排列成规则格子状的固态物质，是由晶面构成的具点阵结构的多面体。石墨及其晶体结构石墨及其晶体结构5雪花的结晶体6牛胰岛素晶体图片牛胰岛素晶体图片7生殖细胞的蛋白质生殖细胞的蛋白质同质多晶现象: 有些物质具有不同的结晶形态,即同质多晶现象。u晶体与非晶体的区别:u 1、晶体具有方向性和多向差异性。u 2、晶体具有一定的对称性。u 3、晶体物质较纯。（二）（二）晶体的形成过程1. 达到过达到过饱和状态饱和状态2. 晶核的形晶核的形成成3.晶体的生长晶体的生长晶体从溶液中形成，不论是通过减少溶剂量晶体从溶液中形成，不论是通过减少溶剂量还是通过降低温度，首先须使其介质达到过还

3、是通过降低温度，首先须使其介质达到过饱和状态。饱和状态。当介质达到过饱和状态后，溶液中便产生细当介质达到过饱和状态后，溶液中便产生细小晶粒（称为晶核）。晶核的形成是晶体生小晶粒（称为晶核）。晶核的形成是晶体生长过程必不可少的核心。长过程必不可少的核心。在过饱和溶液中，溶质质点在过饱和度推动在过饱和溶液中，溶质质点在过饱和度推动力的作用下，向晶核或加入的晶种运动，并力的作用下，向晶核或加入的晶种运动，并在其表面有序堆积，使晶核或晶种不断长大在其表面有序堆积，使晶核或晶种不断长大形成晶体。形成晶体。u达到过饱和状态u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

4、溶质的饱和溶液。u一定温度、压力下，当溶液中溶质的浓度已超过该温度、压力下溶质的溶解度，而溶质仍不析出的现象叫过饱和现象，此时的溶液称为过饱和溶液。 只有过饱和度形成时才能发生结晶，而过饱和度是其推动力。如何得到如何得到过饱和溶液过饱和溶液？过饱和溶液浓度与溶解度之差称为过饱和溶液浓度与溶解度之差称为过饱和度过饱和度; ;当达到一定的过饱和度后，就开始当达到一定的过饱和度后，就开始析出晶核析出晶核; ;完完全全纯纯净净的的溶溶液液不受外界扰不受外界扰动和刺激动和刺激降降温温或或蒸蒸发发过过饱饱和和溶溶液液2. 晶核的形成u晶核: 过饱和溶液中新生成的微小晶体粒子，是晶体生长过程的核心。晶核的大

5、小粗估为数十纳米至几微米。u成核机理：一次成核和二次成核。（1）一次成核u一次成核：在没有晶体存在的条件下自发产生晶核的过程，是从纯液体或纯溶液中形成新的相。u一次成核速率较大，对过饱和度变化非常敏感，很难将其控制在一定的水平。除了超细粒子制造外，一般结晶过程都要尽量避免一次成核的发生。u一次成核分为非均相和均相一次成核。u均相一次成核：是在均相过饱和溶液中自发产生晶核的过程。u非均相一级成核：在非均相过饱和溶液中自发产生晶核的过程。实际上溶液中有外来固体物质颗粒，如大气中的灰尘或其他人为引入的固体粒子，这些外来杂质粒子对一次成核过程有诱导作用.非均相成核可在比均相成核更低的过饱和度下发生。（

6、2） 二次成核u二次成核：在已有晶体的条件下产生晶核的过程，即通过溶液中已有的晶化剂结晶成晶体而产生晶核。u二次成核的机理主要有流体剪应力成核和接触成核。u剪应力成核：当过饱和溶液以较大的流速流过正在生长中的晶体表面时，在流体边界层存在的剪应力能将一些附着于晶体之上的粒子扫落，而成为新的晶核。u接触成核：当晶体与其他固体物接触时所产生的晶体表面的碎粒。u在工业结晶器中，晶体与搅拌桨、器壁间的碰撞，以及晶体与晶体之间的碰撞都有可能发生接触成核。添加晶种诱导晶核形成通常方法: 现成的晶体现成的晶体, ,可将其研碎可将其研碎, ,加入少量的溶剂加入少量的溶剂, ,离心除去大颗粒离心除去大颗粒, ,再

7、稀释使之处于低饱和状态再稀释使之处于低饱和状态, ,这时悬浮液中具有许多小晶这时悬浮液中具有许多小晶核核, ,将其倒入到待结晶的溶液中将其倒入到待结晶的溶液中, ,经过轻轻搅拌后放置一段经过轻轻搅拌后放置一段时间即有结晶析出。时间即有结晶析出。 少量的待结晶液体进行蒸发，待产生晶体后再行加入少量的待结晶液体进行蒸发，待产生晶体后再行加入. . 挂线结晶养大法挂线结晶养大法投放晶种养大法投放晶种养大法3. 晶体的生长u晶体生长：物质在一定温度、压力、浓度、介质、pH等条件下由气相、液相、固相转化，形成特定维度尺寸晶体的过程。u晶体生长机理: 在过饱和溶液中已有晶体形成（加入晶种）后，以过饱和度为

8、推动力，溶质质点会继续一层层地在晶体表面有序排列，晶体将长大的过程。晶体生长过程（1）待结晶溶质借扩散作用穿过靠近晶体表面的静止液层，从溶液中转移至晶体表面。（2）到达晶体表面的溶质嵌入晶面，使晶体长大，同时放出结晶热。（3）放出来的结晶热传导至溶液中。 u各种有机酸、单糖、核苷酸、氨基酸、维生素、辅酶等分子量子较小，结构比较简单的物质，当其纯度达到一定程度后,一般都可以结晶成分子型或离子型的晶体。u而多糖、蛋白质、酶和核酸等成分,由于分子量大,结构复杂,分子不容易定向聚集,获得结晶就困难些。u分子支链较少而对称性好的大分子比支链多,对称性差的大分子容易结晶。一般来讲，分子越大越难结晶。三、晶

9、体形成的条件1. 溶质的性质 清华大学生命科学学院施一公教授研究组在清华大学生命科学学院施一公教授研究组在自然自然（Nature）在线发）在线发表题为表题为细菌能量耦合因子转运蛋白结构细菌能量耦合因子转运蛋白结构的研究论文，首次报道了能量耦的研究论文，首次报道了能量耦合因子转运蛋白复合物四聚体的晶体结构，并通过结构信息阐述了该蛋白复合因子转运蛋白复合物四聚体的晶体结构，并通过结构信息阐述了该蛋白复合物的工作的分子机制。合物的工作的分子机制。2. 溶质的纯度u 溶质要形成晶体,必须要有一定的纯度。这是结晶的必要条件之一。u杂质含量越低则溶质的纯度就越高,这样就有利于结晶的形成和生长。u杂质的存在

10、,有时会影响到结晶粒子在结晶面上的定向排列以致使结晶进行得很慢甚至无法进行。而有些杂质则会与结晶粒子形成络合物。3. 溶液的饱和度u能够形成晶体的物质,只有在一定的浓度时,才能形成晶体。这是因为: 结晶形成的最主要条件是在一定的浓度下结晶形成的最主要条件是在一定的浓度下, ,结晶粒子有足够的结晶粒子有足够的碰撞机会并按一定的速率定向地排列聚集才有晶体的形成。碰撞机会并按一定的速率定向地排列聚集才有晶体的形成。u溶液的浓度状态与结晶之间的关系是：l当溶液处于不饱和状态时当溶液处于不饱和状态时,溶质可溶解至饱和溶质可溶解至饱和,l当溶液处于饱和状态时当溶液处于饱和状态时,溶质不再溶解溶质不再溶解,

11、也不会有晶体析出也不会有晶体析出,l当溶液达到过饱和状态时当溶液达到过饱和状态时,这时会有溶质析出这时会有溶质析出,然后回到饱和状态。然后回到饱和状态。l晶体的形成就是在溶质的析出过程中实现的。晶体的形成就是在溶质的析出过程中实现的。 但溶质的析出不一定就能够形成晶体但溶质的析出不一定就能够形成晶体:当当溶质析出的速度与溶质粒子形成晶格的速度溶质析出的速度与溶质粒子形成晶格的速度一致时方能形成晶体。一致时方能形成晶体。l如果溶质粒子聚集析出的速度过快如果溶质粒子聚集析出的速度过快,只能得到无定形只能得到无定形的固体微粒。的固体微粒。l只有当溶液处于稍超过饱和状态时只有当溶液处于稍超过饱和状态时

12、,溶质的粒子有足溶质的粒子有足够的碰撞机会并按一定的速率定向地排列聚集而形成够的碰撞机会并按一定的速率定向地排列聚集而形成晶体晶体,形成晶体的速度又大于晶体溶解的速率形成晶体的速度又大于晶体溶解的速率,晶体便得晶体便得以形成和成长以形成和成长。4. 结晶溶液中溶剂的选择 (1)选择结晶溶剂的原则 a a、选用的结晶溶剂与结晶成分不能发生化学作用、选用的结晶溶剂与结晶成分不能发生化学作用, ,并并且要尽可能地不影响生物大分子的活性。且要尽可能地不影响生物大分子的活性。 b b、温度的变化使溶质的溶解度有较大的变化，这样就、温度的变化使溶质的溶解度有较大的变化，这样就较容易地获得结晶。较容易地获得

13、结晶。 c c、有利于利用溶解度的差异以及温度的影响把杂质分、有利于利用溶解度的差异以及温度的影响把杂质分离。离。 d d、操作方便、安全、回收及成本低。、操作方便、安全、回收及成本低。四、影响晶体生成的因素 (一)温度的影响 1、温度影响到溶质的溶解度:如触珠蛋白,在高盐浓度下需要稍高于室温的条件才能结晶,而血清蛋白则要求在较低的温度下结晶。需考虑到大分子生物活性,杂质的溶解程度等。2、温度影响晶体形态：温度会影响到晶体的形状、大小以及结晶的质量, 有些物质在不同的温度会形成不同的晶体。如柠檬酸在低于36.6时成为带一个水分子的柠檬酸结晶体,而在超过36.6时则变为无水的柠檬酸结晶体。 u(

14、二）pH值的影响u影响到溶质的溶解度u对大多数物质来说,结晶时所选用的pH值与沉淀时的pH值大致相同。u当对酶等生物活性大分子进行结晶时,应注意选用的pH值不要影响其生物活性。u(三)结晶时间的影响u结晶速度过快：是晶体的数量多而晶粒小,并且杂质多。u缓慢的结晶：较纯净的大粒晶体。u (四)搅拌的影响u适当的搅拌可增加晶体与结晶母液的接触机会,使晶体均匀生长,从而避免晶体下沉造成晶粒不均匀的现象。u搅拌速度过高,则会增加溶质的溶解,并造成晶体的损坏和影响到晶体的生长。五、常用的结晶方法1.蒸发浓缩结晶法减少溶剂，使溶液达到过饱和而实现结晶。减少溶剂，使溶液达到过饱和而实现结晶。此种结晶法在工业

15、上使用较多此种结晶法在工业上使用较多, ,精制食盐、砂糖、葡萄糖、味精制食盐、砂糖、葡萄糖、味精、柠檬酸等产品的结晶多采用此法。精、柠檬酸等产品的结晶多采用此法。2. 加沉淀剂结晶法 (1)盐析结晶法 (2)加有机溶剂法 直接加有机溶剂法直接加有机溶剂法 利用挥发性溶剂蒸发结晶法利用挥发性溶剂蒸发结晶法3. 等电点结晶法 乙酰DL色氨酸的重结晶:2.5kg乙酰-DL-色氨酸 加1.2-1.3升NaOH(5N)溶解 加50g活性碳脱色 过滤 取滤液用冰乙酸在10下调至pH3.0 缓慢搅拌至有大量结晶出现。4. 温差结晶法 此方法是利用溶液中各种溶质的结晶温度或熔点、凝固点的差异,通过控制溶液的不

16、同温度而将各溶质组分在不同的温度下分别结晶而加以分离。5. 结晶衍生物法u 某些物质尢其是生物体内的某些组分,在游离状态时难以结晶,可先转变成结晶衍生物,然后再利用其他方法复原。u例如有机酸可与钙、钾、钠生成盐类,还有某些生物碱及胺类可与有机酸、无机酸生成盐类,之后均能形成较好的结晶衍生物。u 木瓜蛋白酶与汞结合后形成汞-木瓜酶结晶衍生物,再通过透析法除去汞即可得到较纯的活性木瓜酶。6. 重结晶法u 当第一次结晶为粗结晶,杂质含量较多时,再行结晶,可得到较纯的产品,这就是重结晶。u 选用对结晶物比较难溶而对杂质较为易溶的溶剂和结晶条件。六、 结晶分离技术的应用 化肥工业：尿素、硝酸铵、氯化钾的化肥工业：尿素、硝酸铵、氯化钾的精制精制。 轻轻 工工 业：盐、糖、味精、氨基酸业：盐、糖、味精、氨基酸的的精制精制。 生物工业：青霉素、链霉素、抗生素、核酸生物