第八章 结晶与干燥

第八章结晶与干燥结晶•生物工业的最终产品形态有许多是以固体形态出现，固体产品有结晶和无定形两种状态•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，粒子排列无规则结晶常见的结晶和无定形产品•蔗糖、食盐、氨基酸、柠檬酸等都是结晶型。•淀粉、酶制剂、蛋白质和某些喷雾干燥获得的产品是无定型物质。结晶几种典型的晶体结构结晶结晶过程广泛应用于氨基酸、有机酸、抗生素、维生素、核酸等产品的精制。•特点：•(1)选择性高•(2)纯度高•(3)设备简单，操作方便•(4)影响因素多结晶的基本原理结晶•溶液的饱和与过饱和度•溶解度•饱和溶液•过饱和溶液结晶•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；•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；结晶结晶•稳定区和亚稳定区•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；•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；•加入晶核后，溶质在晶核周围聚集、排列，溶质浓度降低，并降至SS线；•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结晶•不稳定区•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）；–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，此时已形成大量的细小结晶，晶体质量差；•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。结晶•温度与溶解度的关系•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量的传递过程，它与体系温度的关系十分密切。•溶解度与温度的关系可以用饱和曲线和过饱和曲线表示。结晶影响溶液过饱和度的因素•饱和曲线是固定的•过饱和曲线受搅拌、搅拌强度、晶种、晶种大小和多少、冷却速度的快慢等因素的影响结晶结晶过程的实质•结晶是指溶质自动从过饱和溶液中析出，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晶格中这一过程与表面分子化学键力变化有关；因此，结晶过程是一个表面化学反应过程。结晶过程：结晶(1)过饱和溶液的形成(2)晶核生成(3)晶体的生长结晶晶体的形成•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，只有当溶质浓度超过饱和溶解度后，才可能有晶体析出。•首先形成晶核，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。结晶结晶的步骤•过饱和溶液的形成•晶核的形成•晶体生长其中，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力。结晶结晶与溶解度之间的关系•晶体产量取决于溶液与固体之间的溶解—析出平衡；–固体溶质加入未饱和溶液——溶解；–固体溶质加入饱和溶液——平衡（Vs=Vd）–固体溶质加入过饱和溶液——晶体析出过饱和溶液的形成方法结晶(1)冷却(2)溶剂蒸发(3)改变溶剂性质(4)化学反应产生低溶解度物质结晶过饱和溶液的形成•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）结晶部分溶剂蒸发法（等温结晶法）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、减压或常压蒸馏真空蒸发冷却法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、操作稳定结晶晶核的成核速度•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核的形成结晶(1)初级成核:过饱和溶液中的自发成核现象a均相成核：没有外来物体时自发产生晶核b非均相成核：在外来物体诱导下产生晶核(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•机理:附着在晶体表面的微小晶体受到剪切作用或碰撞而脱离晶体，形成新的晶核。结晶•成核速度的近似公式RTGkeB/maxB—成核速度ΔGmax—成核时临界吉布斯自由能K—常数nncckB)(Kn—晶核形成速度常数c—溶液中溶质的浓度C*—饱和溶液中溶质的浓度n—成核过程中的动力学指数结晶常用的工业起晶方法•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，溶质在晶种表面生长。•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。•晶种起晶法：将溶液蒸发后冷却至亚稳定区的较低浓度，加入一定量和一定大小的晶种，使溶质在晶种表面生长。该方法容易控制、所得晶体形状大小均较理想，是一种常用的工业起晶方法。结晶晶种控制•晶种起晶法中采用的晶种直径通常小于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结晶影响晶体生长速度的因素•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；结晶晶体纯度计算ipEE/β—分离因素Ep—结晶因素，晶体中P的量与其在滤液中的量的比值Ei—结晶因素，晶体中杂质的量与其在滤液中的量的比值结晶提高晶体质量的方法•晶体质量包括三个方面的内容：晶体大小、形状和纯度–影响晶体大小的因素：温度、晶核质量、搅拌等–影响晶体形状的因素：改变过饱和度、改变溶剂体系、杂质–影响晶体纯度的因素：母液中的杂质、结晶速度、晶体粒度及粒度分布结晶结晶晶体结块•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：–结晶理论：由于某些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；–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。结晶重结晶•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，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。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；结晶过程的预测与改善结晶•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杂质取代晶格分子•晶习：一定环境中，晶体的外部形态。•晶体大小分布：改变成核和生长速度，控制过饱和度进程•过滤速度：大晶体与窄的粒径分布过滤效果好干燥Drying干燥的基本概念•用热能加热物料，使物料中水分蒸发而干燥或者用冷冻法使水分结冰后升华而除去的单元操作；•通常是生物产品分离的最后一步；干燥过程的基本流程•新鲜空气过滤器鼓风机加热器排放引风机二次除尘一次除尘干燥器产品湿料物料内水分的种类•化学结合水水分与物料的离子型结合和结晶型分子结合（结晶水），结晶水的脱除必将引起晶体的崩溃；•物化结合水包括吸附、渗透和结构水分，其中吸附水分结合力最强；•机械结合水毛细管水、湿润水分、孔隙水份•其中，结合水（包括细胞含水、纤维束含水以及毛细管水）较难以除去；•而非结合水（物料表面的湿润水分和孔隙水份）较容易除去平衡水分和自由水分•平衡水分：当一种物料与一定温度及湿度的空气接触时，物料势必会放出或吸收一定量的水分，物料的含水量会趋于一定值。此时，物料的含水量称为该空气状态下的平衡水分。•平衡水分代表物料在一定空气状态下的干燥极限，即用热空气干燥法，平衡水分是不能去除的•自由水分在干燥过程中能够除去的水分，是物料中超出平衡水分的部分干燥过程分析•干燥曲线•在一恒定的干燥条件下（保持干燥介质的温度、湿度、流动速度不变、干燥介质大大过量），进行物料的干燥实验，将所得数据作图，以干燥时间为横坐标，物料湿含量和物料温度为纵坐标，可得干燥曲线。干燥曲线干燥过程的基本计算•水份蒸发量•湿基含水率（ω）：•干基含水率（χ）：%100湿物料的总质量湿物料中水分质量%100质量湿物料中绝对干物料的湿物料中水分质量X•干燥过程分为三个阶段：•Ⅰ物料预热阶段；•Ⅱ恒速干燥阶段；•Ⅲ降速阶段。干燥速率曲线•单位时间内，单位干燥面积蒸发的水分质量AdGdXvυ—干燥速率，Kg/h.m2G—绝干物料量，KgA—干燥面积，m2dx/dτ—干燥曲线斜率干燥速率曲线干燥设备的分类与选择原则•干燥设备的分类•目的便于根据物料特性，选择干燥器类型；便于进行干燥设备的工艺计算与结构设计。•按照热能供给湿物料的方式不同，干燥可分为：•导热干燥•辐射干燥•介电加热干燥•对流干燥•干燥设备选择原则–被干燥物料的性质：湿物料的物理特性、干物料的物理特性、腐蚀性、毒性、可燃性、粒子大小及磨损性；–物料的干燥特性：湿分的类型（结合水、非结合水）、初始和最终湿含量、允许的最高干燥温度、产品的色泽、光泽等；–粉尘及溶剂回收–安装的可行性气流干燥设备•干燥介质为热干空气•使用范围：含非结合水的粉末或颗粒物料的干燥；•优点：结构简单，传热系数大，干燥速度快喷雾干燥设备•采用雾化器，将料液分散成细小雾滴，在喷雾干燥器内直接进行干燥，并采用旋风分离器对干燥后的物料进行回收；•优点：传热表面积大，干燥时间短，适用于抗生素、酵母粉、酶制剂等热敏性物质的干燥；并可将蒸发、结晶、过滤、粉碎等过程集成于一次完成。•缺点是热效低、能耗大、设备体积过大流化床干燥设备•在流化床中加入湿的颗粒状物料，在流化床下部通入热空气，在一定流速下形成激烈的固体流态化状态。因此，又称沸腾床，是一种有效的干燥装置。•使用范围：由于物料在干燥器中停留时间过长，不适宜干燥一些热敏性物质，使用于干燥葡萄糖、味精、柠檬酸等稳定物料的干燥。红外干燥•以电磁波辐射作为热量来源，通常波长在0.75~1000微米波段；•热量高，温度变化幅度大，适用于稀薄的物料干燥微波干燥•利用微波产生的电磁能，从内部加热湿物料；•在交流电磁场的作用下，偶极离子会产生与电场方向变化相适应的振动，从而摩擦产热，使水分蒸发。冷冻干燥•使被干燥的液体在极低的温度下，冷冻成固体；然后，在低温、低压下利用水的升华性能，使冰升华汽化而除去，以达到干燥的目的；•冷冻干燥法适用于绝大多数生物产品的干燥和浓缩，可以最大限度地保证生物产品的活性。