单元三1第二讲沉淀技术和结晶技术

笔记要点：1、有机溶剂沉淀法的方法原理2、等电点沉淀法的方法原理3、结晶的概念和基本原理4、饱和溶液与过饱和溶液的特点5、饱和曲线与过饱和曲线图的含义二、有机溶剂沉淀法1、概念

在含有溶质的水溶液中加入一定量亲水的有机溶剂，降低溶质的溶解度，使其沉淀析出。如：酶、蛋白质、核酸、多糖类生化物质的水溶液中加入乙醇、丙酮等水溶性的有机溶剂，它们的溶解度会显著降低，从溶液中沉淀出来。2、原理：（1）、加入有机溶剂使水溶液的介电常数减小，增加了两个相反电荷基团之间的吸引力。如酶、蛋白质、核酸等带电粒子之间的作用力，促进了蛋白质分子的聚集和沉淀。（2）、使水的极性减小，使两性电解质在溶液中的溶解度降低。（3）、易于聚集形成沉淀使蛋白质分子的溶剂化能力降低，有机溶剂的水合作用，降低了自由水的浓度，降低了亲水溶质表面水化层的厚度，降低了亲水性，导致脱水凝聚。有机溶剂引起蛋白质沉淀的另一种解释认为与盐析相似，有机溶剂与蛋白质争夺水化水，致使蛋白质脱除水化膜。3、常用的有机溶剂乙醇：沉析作用强，挥发性适中，无毒，广泛应用于药品生产中，如蛋白质、核酸、多糖等生物大分子的沉析；丙酮：介电常数小，沉淀能力强，用量省，但毒性大，应用范围不广；异丙醇、氯仿等。

溶剂选择原则：介电常数小，沉淀作用强；不与蛋白质反应，对生物分子的变性作用小；毒性小，挥发性适中；沉淀用溶剂一般需能与水无限混溶等。4、有机溶剂沉析的特点：（1）、操作必须在低温下进行，以减少蛋白质的变性。有机溶剂须预先冷却到-10℃∽-20℃；（2）、缓缓加入，防止溶液局部升温。中性盐会增加蛋白质在有机溶液中的溶解度，溶液中中性盐浓度越高，沉淀蛋白质所需有机溶剂浓度也越大。（3）、分辨率高；溶剂容易分离，并可回收使用；产品洁净；成本高。5、影响有机溶剂沉析的主要因素

三、等电点沉淀法1、概念

两性生化物质在等电点时，分子间排序电位降低，吸引力增大，相互聚集，发生沉淀。2、原理

蛋白质是两性电解质，当溶液pH值处于等电点时，分子表面净电荷为0，双电层和水化膜结构被破坏，由于分子间引力，形成蛋白质聚集体，产生沉淀。

由于在等电点附近，溶质仍然有一定的溶解度，等电点沉淀法往往不能获得高的回收率。分辨率较低、效果不理想，为了提高等电点法的沉淀能力，通常与盐析、有机溶剂沉淀法联合使用。

最大缺点：无机酸会引起较大的蛋白质不可逆变性的危险。沉淀技术的应用一、利用蛋白质沉淀大规模提纯白蛋白与免疫球蛋白的工艺二、柠檬酸的生产（标准沉淀法回收柠檬酸）柠檬酸生物技术是工业和学术界都感兴趣的领域，柠檬酸生产是发展工业生物技术并促使新老技术交接的驱动力之一。§2结晶技术【学习目标】

了解结晶的类型；

掌握结晶的基本原理；

理解结晶操作控制要点，能够找出提高晶体质量的方法;

熟悉典型生物物质的结晶工艺。如：盐和糖,世界的年生产能力超过1亿吨;

如：硝酸铵、氯化钾、尿素、磷酸胺等世界的年生产量超过了100万吨;在医药、染料、精细化工生产中,结晶态产品产量相对较低，但具有异常重要的地位以及高额的产值。在冶金工业、材料工业中,结晶亦是关键的单元操作。

在高新技术领域中,结晶操作的重要性与日俱增。例如生物技术中蛋白质的制造，催化剂行业中超细晶体的生产以及新材料工业中超纯物质的净化离不开结晶技术。化肥、味精、洗衣粉、速溶咖啡、青霉素、红霉素等产品的生产一般都包含有结晶过程。经过结晶后的产品,均有一定的外形,便于干燥、包装、运输、贮存等。1、什么是结晶？

指物质从液相(溶液或熔融体)或气相（蒸气）形成晶体的过程,是获得纯净固态物质的重要方法之一。相态变化过程。*：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。2、结晶形与无定形的区别（1）、构成单位——原子、分子或离子的排列方式不同。结晶形物质是三维有序规则排列的固体，而无定形物质是无规则排列的物质。（2）、晶体具有一定的溶化温度(熔点)和固定的几何形状，具有各向异性的现象，无定形物质不具备。（3）、不同的环境条件和控制条件，可以得到不同形状的晶体，甚至无定形物质。（4）、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。无定形固体析出速度快，粒子排列无规则。3、结晶过程特点(1)、能从杂质含量相当多的溶液或多组分的熔融混合物中,分离出高纯或超纯的晶体。(2)、对于同分异构体混合物，共沸物，热敏性物系等难分离的混合物系，适用于结晶分离。

(3)、结晶与精馏、吸收相比，能耗低，可在较低温度下进行,对设备材质要求较低，操作相对安全。一般无有毒或废气逸出,有利于环境保护。

(4)、结晶是多相、多组分的传热-传质过程，操作比较复杂,它涉及到表面反应过程,尚有晶体粒度及粒度分布问题，结晶过程和设备种类繁多。结晶的基本原理

结晶过程可分为溶液结晶、熔融结晶、升华和沉淀四类，溶液结晶和熔融结晶化学工业中最常采用的结晶技术。一、饱和与过饱和溶液的形成1、相平衡与溶解度

将一种可溶性固体溶质放入到某恒温溶剂中,由于分子的热运动,必然发生两个过程。（1）、固体的溶解

溶质分子扩散进入液体内部；开始向溶剂中加入固体溶质时，固体的溶解作用大于沉积作用，溶液为未饱和溶液。（2）、物质的沉积

溶质分子从液体中扩散到固体表面进行沉积。继续添加固体，一定时间后，这两种分子扩散过程达到动态平衡，即溶解作用和沉积作用达到动态平衡。

在给定温度条件下,与一种特定溶质达到平衡的溶液称为该物质的饱和溶液。

溶质与其溶液间的这种相平衡关系,通常可用溶质在溶剂中的溶解度来表示。表示在一定条件下,某种物质在一定溶剂中可以溶解的最大数量,一般常用100g溶剂中所能溶解溶质的量（克数）来表示。2、溶解度与温度

物质的溶解度与其化学性质、溶剂的性质及温度有关。大多数物质在一定溶剂中的溶解度主要随温度升高而显著增大，随压力的变化很小。有一些物质的溶解度随温度的变化不敏感，少数物质(如螺旋霉素)的溶解度随温度的升高而显著降低。

溶解度数据可用溶解度对温度所标绘的曲线来表示，通过实验确定。

溶解度曲线有三种类型：

第一类曲线比较陡,表明物质的溶解度随温度升高而明显增大,如：KNO3、A12(SO4)3等；

第二类曲线比较平坦,表明溶解度受温度的影响并不显著,如：NaCl、KClO4等；

第三类溶解度曲线有折点,表示物质的组成有所改变,如Na2SO4在305.2K以下为含10个结晶水的盐，曲线比较陡，305.2K时则转变成了无水盐,曲线转变为缓慢下降。3、溶液的过饱和与介稳区

溶液饱和时溶质不能析出，但溶质浓度超过该条件下的溶解度时,该溶液为“介稳状态”即过饱和溶液。遇到震动、搅拌、摩擦、加晶种甚至落入尘埃，都可使过饱和状态破坏立即析出结晶，直到溶液达到饱和状态，结晶过程才停止。如果没其他外界条件影响，过饱和溶液的浓度只有达到一定值时，会有溶质析出,开始形成新的固相,过饱和浓度和温度的关系可用过饱和曲线描述。AB线为饱和曲线；CD线为过饱和曲线,与溶解度曲线大致平行。AB曲线以下的区域为稳定区，溶液尚未达到饱和，没有结晶的可能。AB曲线以上是过饱和区；AB线和CD线之间——介稳区，不会自发地产生晶核,如果溶液中加入晶体,则能诱导结晶进行（晶种）;CD线以上是不稳区，自发地产生晶核。

初始状态为E的洁净溶液冷却至F点,溶液刚好达到饱和,但没有结晶析出;当由点F继续冷却至G点,溶液经过介稳区,虽已处于过饱和状态,但仍不能自发地产生晶核(不加晶种的情况下);当冷却超过G点进入不稳区后，溶液才能自发地产生晶核。

采用在恒温条件下蒸发溶剂的方法,使溶液达到过饱和,如图中EF`G`线。或采用冷却和蒸发溶剂相结合的方法使溶液达到过饱和,如图中曲线EF``G``线。4、过饱和曲线与溶解度曲线

溶解度曲线是恒定的，过饱和曲线的位置是不固定的。对于一定的系统，位置至少与3个因素有关：（1）产生过饱和度的速率。冷却或蒸发的速率越慢，晶种越小；（2）加晶种的情况；（3）机械搅拌的强度。

机械搅拌越激烈，则过饱和曲线越向溶解度曲线靠近。在生产中应尽量控制各种条件，使曲线AB和C'D'之间有一个比较宽的区域，便于结晶操作的控制。结晶过程和晶体的质量都与溶液的过饱和度有关，溶液的过饱和程度可用过饱和度S(％)来表示，即：

S=c/c`*100％

在结晶过程中,若将溶液的状态控制在介稳区内且过饱和度较低,则需经过较长的时间才能有少量的晶核产生,此时,需要加入晶种方可得到粒度大而均匀的结晶产品；将溶液状态控制在不稳区内且过饱和度较高，将有大量的晶核产生,可得到粒度很小的结晶产品。在实际生产中,结晶操作控制在哪个区域里，应由工艺要求来决定。5、过饱和溶液的制备(1)、将热饱和溶液冷却。适用于溶解度随温度降低而显著减小的场合，如硝酸钾、硝酸钠、硫酸镁等溶液。(2)