结晶设备的认知与操作-结晶的概述

结晶结晶设备的类型4）结晶设备的类型结晶设备一般按改变溶液浓度的方法分为移除部分溶剂结晶器、不移除溶剂结晶器及其他结晶器。移除部分溶剂的结晶器主要是借助于一部分溶剂在沸点时的蒸发或在低于沸点时的汽化而达到溶液的过饱和析出结晶的设备，适用于溶解度随温度的降低变化不大的物质的结晶。不移除溶剂的结晶器则是采用冷却降温的方法使溶液达到过饱和而结晶（自然结晶或晶种结晶）的，并不断降温，以维持溶液一定的过饱和度进行育晶。此类设备用于温度对溶解度影响比较大的物质的结晶。结晶设备按操作方式不同，可分为间歇式结晶设备和连续式结晶设备两种。间歇式结晶设备结构比较简单，结晶质量好，结晶收率高，操作控制比较方便，但设备利用率较低，操作劳动强度大。连续式结晶设备结构比较复杂，所得的晶体颗粒较细小，操作控制比较困难，消耗动力大，但设备利用率高，生产能力大。结晶设备通常都装有搅拌器，搅拌作用会使晶体颗粒保持悬浮和均匀分布于溶液中，同时又能提高溶质质点的扩散速度，以加速晶体长大。结晶设备的选择（1）结晶设备的选择选择结晶设备时，要全面考虑许多因素，例如：所处理物系的性质，希望晶体产品的粒度及粒度分布范围，生产能力的大小，设备费和操作费等。问题比较复杂，没有简单的规则可循，在很大程度上要凭实际经验。下述一般性原则供选择结晶器时参考。物系的溶解度与温度之间的关系是选择结晶器时首先要考虑的重要因素。要结晶的溶质不外乎两大类：第一类是温度降低时溶质的溶解度下降幅度大；第二类是温度降低时溶质的溶解度下降幅度很小或者具有一个逆溶解度。对于第一类溶质，可选用冷却式结晶器或真空式结晶器；对于第二类溶质通常采用蒸发式结晶器，对某些具体物质也可用盐析式结晶器。结晶产品的形状、粒度及粒度范围对结晶器的选择有重要影响。要想生产颗粒较大而且均匀的晶体，可选用具有粒度分级作用的或产品分级排出的混合型的结晶器。这类结晶器生产的晶体也便于后处理，即过滤、洗涤、干燥等后续操作比较容易，最后获得的结晶产品也较纯。但值得指出，人们对晶体产品的粒度要求曾发生过急剧的变化。很早以前，人们曾错误地认为粒度小的晶体要纯净些，所以要求产品有尽可能小的粒度。后来，人们又转而认为结晶产品粒度越大越好，把粒度大小视为产品质量等级的标志。大粒度的晶体产品虽然确有质量高、外观好、容易与母液分离、洗涤方便等许多优点，但是生产这种大粒度的产品要显著地增大设备投资及生产成本，而用户往往不愿为这种产品付出高昂的代价。此外，在有些情况下，粒度较大的产品由于溶解速度较慢，对用户反而不便。所以现代的趋势是采取一种折中的办法，即生产具有适宜粒度的晶体产品，使它的粒度足以保证产品的质量（包括纯度及储存、运输等性能），同时又能用尺寸不过大的设备，以预期的速率生产出来。既然不需刻意追求粗大颗粒的晶体产品．所以某些结晶器（例如敞槽式、摇篮式及长槽搅拌式）现已渐被淘汰。

由于粒度分级型结晶器仅能适用于为数不多的物系，且能够连续运行的时间也较短，所以在大多数情况下，它已为某种型式的带有搅拌的晶浆内循环结晶器所取代。因此，就目前的趋势来看，DTB、DP及Messo型结晶器有其广阔的前途。

费用和占地面积也是需要考虑的重要因素。一般说来，连续操作的结晶器要比分批操作的经济些，产率大时尤其是这样。如果生产速率大于1t／d，用连续操作较好。蒸发式和真空式结晶器需要相当大的顶部空间，但在同样产量下，它们的占地面积要比冷却槽式结晶器小得多。有些较简单的冷却式结晶器，尤其是敞槽式的，造价比较便宜，但冷却式机械结晶器（例如长槽搅拌式）的造价却相当高，它们的维修费用也相当可观。另一方面，机械结晶器不需要昂贵的产生真空的设备。冷却式结晶器的另一缺点是它们的传热表面与溶液接触的一面往往有晶体聚结成晶疤（据试验，被冷却溶液与传热表面之间的温度差应大约在8℃以内，以防止大量晶疤的结成），与冷却水接触的一面又容易有水垢沉淀，其结果是既降低冷却效率又增加除疤除垢的麻烦。这类问题在蒸发式结晶器中也会遇到。至于真空式结晶器，它们没有换热表面，所以没有这类问题，但它们不适用于沸点升高得很多的溶液，例如烧碱溶液的结晶。结晶结晶原理结晶是制备纯物质的有效方法，在发酵工业生产中，结晶作为分离、精制的一种手段，主要用于抗生素、氨基酸、有机酸等小分子的纯化生产中，而蛋白质、核酸等大分子的结晶技术，近年来发展也很快。1）结晶原理结晶是溶质呈晶态从液相或气相等均相中析出的过程。晶体是内部结构中的质点（原子、离子、分子）作规律排列的固态物体。如果生长环境好，则可形成有规则的多面体外形，称为结晶多面体。从溶液中结晶出的晶体具有均匀性，即晶体中每一宏观质点的物理性质和化学组成都相同（因内部晶格相同）。正因为如此，才保证了工业生产的晶体产品具有高纯度。结晶过程取决于固体与其溶液之间的平衡关系。通常以溶质的溶解度作为该溶质饱和浓度的量度。如果溶液中的溶质已经超过溶解度，达到过饱和状态，超过饱和点的溶质迟早要从溶液中结晶出来。所以，要使溶质从溶液中结晶出来，须首先使溶液达到过饱和状态，即必须设法产生一定的过饱和度作为推动力。图17.1-1饱和曲线和过饱和曲线曲线AB、CD将图分为稳定区、介稳区和不稳区。稳定区的溶液尚未饱和，没有结晶的可能。介稳区内，也不会自发产生晶核，但如已有晶核，则晶核长大而吸收溶质直至浓度回落到饱和线上。不稳区内能自发产生晶核。如E点是溶液的原始未饱和状态，EH是冷却结晶线，F点是饱和点，不能结晶，因为缺乏结晶推动力一—过饱和度，穿过介稳区，到达G点时，自发产生晶核，越深入不稳区（如H点），自发产生的晶核也越多，为恒温蒸发过程，为冷却蒸发过程。要完成结晶过程，其前提条件是形成过饱和溶液，过饱和度是结晶的推动力。（17.1-1）式中—过饱和度；

—过饱和溶液的浓度；

—饱和溶液的浓度。溶质从溶液中结晶出来，要经过两个步骤：①首先是产生晶核；②晶核在良好的环境中长大。

过饱和度的大小会影响晶核的形成速度和晶体的长大速度，这两个速度又影响最终晶体产品的粒度和晶体粒度分布（即晶体质量）。因此，适当控制溶液的过饱和度，可以帮助控制结晶操作。结晶影响结晶的因素及工业发酵中常用的结晶方法2）影响结晶的因素①过饱和度。过饱和度是结晶过程的推动力，是产生结晶产品的先决条件；②晶种。投放晶种，维持在介稳区结晶，可获得大颗粒结晶；③温度。温度不同，则溶液的饱和度不同；④冷却（蒸发）速度。结晶过程的冷却速度不宜太快；⑤杂质。有杂质存在，则产生的晶形不同；⑥搅拌。发酵工业中常遇到高黏度溶液的结晶，通过搅拌，可以促进晶核成长。3）工业发酵中常用的结晶方法（1）将热饱和溶液冷却，添加晶种结晶将接有晶种的热饱和溶液缓慢冷却，控制温度，使系统始终处于介稳区。此法适用于溶解度随温度降低而显著减小的发酵产品的结晶。例如谷氨酸、柠檬酸等发酵产品的结晶。（2）蒸发结晶蒸发结晶是使溶液在常压（沸点温度下）或减压（低于正常沸点）下蒸发，使部分溶剂气化，从而获得过饱和溶液。此法主要适用于溶解度随温度的降低而变化不显著的发酵产品的结晶。如灰黄霉索的丙酮萃取液真空浓缩除丙酮后即可得结晶析出。蒸发结晶的特点是：①消耗的热能最多；②加热面的结垢问题也会使操作遇到困难。（4）等电点结晶等电点结晶是调节溶液的pH接近等电点，使溶质结晶析出。等电点结晶设备的形式与冷却结晶设备较相似，区别在于等电点结晶时溶液比较稀薄；要使晶种悬浮，要求搅拌比较激烈；同时要选用耐腐蚀材料，以防加酸调整pH的腐蚀作用；传热面多采用冷却排管。此法广泛应用于酶制剂、氨基酸及抗生素等发酵产品的结晶提纯。例如溶菌酶的结晶是将5％溶菌酶水溶液，加入适量的NaCI，然后以NaOH将pH调至9.5～10.0，在4℃冷冻8h，溶菌酶即结晶析出。（5）盐析结晶此法是添加一种物质于溶液中，以使