生物工程下游技术--结晶

Chapter9结晶Crystallization9.1概述9.2结晶的原理9.3结晶的步骤与操作9.4结晶的类型9.5结晶的应用9.1概述9.1.1结晶的概念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的结点上呈规则的排列固体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-沉析9.1.2结晶操作的特点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。通过结晶，溶液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。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。溶液的饱和度与过饱和度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内部；物质的沉积，即溶质分子从液体中扩散到固体表面进行沉积。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(saturatedconcentration)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；溶质溶解度与温度、溶质分散度（晶体大小）有关。9.2结晶的原理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饱和曲线和过饱和曲线稳定区和亚稳定区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。这一过程不仅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；因此，结晶过程是一个表面化学反应过程。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，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。影响溶液过饱和度的因素饱和曲线是固定的不饱和曲线受搅拌、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——晶体析出凯尔文（Kelvin）公式)11(2ln1212rrRTMccC2---小晶体的溶解度；C1---普通晶体的溶解度σ---晶体与溶液间的表面张力；ρ---晶体密度γ2---小晶体的半径；γ1---普通晶体半径R---气体常数；T---绝对温度9.3结晶的步骤与操作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。9.3.1结晶的步骤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）9.3.2结晶的操作1)过饱和溶液的形成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化学反应结晶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；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，同时也可以进行适当的保护；盐析法常用的沉淀剂：固体氯化钠、甲醇、乙醇、丙酮2)晶核的形成(1)初级成核:过饱和溶液中的自发成核现象a均相成核：没有外来表面的均相溶液中b非均相成核：外来表面的溶液中(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。晶核的形成是一个新相产生的过程，需要消耗一定的能量才能形成固液界面；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（ΔGs）和体积过剩吉布斯自由能（ΔGv）晶核的形成必须满足：ΔG=ΔGs+ΔGv0通常ΔGs0，阻碍晶核形成；ΔGv0临界半径与成核功假定晶核形状为球形，半径为r，则ΔGv=4/3(πr3ΔGv)；若以σ代表液固界面的表面张力，则ΔGs=σΔA=4πr2σ；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：ΔG=4πr2(σ+(r/3)ΔGv)ΔGv—形成单位体积晶体的吉布斯自由能变化临界半径（rc）临界晶核半径是指ΔG为最大值时的晶核半径；rrc时，ΔGs占优势，故ΔG0，晶核不能自动形成；rrc时，ΔGv占优势，故ΔG0，晶核可以自动形成，并可以稳定生长；临界成核功（ΔGmax）ΔGmax相当于形成临界大小晶核时，外界需消耗的功。sGG31max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的ΔGs中有2/3为ΔGv的降低所抵消晶核的成核速度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。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)/(33pspsLLWWWs，Wp—晶种和产品的质量，kgLs，Lp—晶种和产品的尺寸，mm3)晶体的生长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晶体生长的扩散学说（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；（2）到达晶体表面的溶质长入晶面，使晶体增大，同时放出结晶热；（3）结晶热传递回到溶液中；根据以上扩散学说，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；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及速度扩散方程)(idccAkdtdm)(*ccAkdtdmir扩散过程表面反应过程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*—分别为溶液主体浓度、溶液界面浓度、溶液饱和浓度将以上二式合并，可以得到总的质量传递速度方程：*)(ccKAdtdmrdkkK111其中当Kr很大时，K近似等于Kd，结晶过程由扩散速度控制；反之Kd很大，K近似等于Kr，结晶过程由表面反应速度控制；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，来衡量晶体体积的变化，公式就可以简化为：Aml/6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；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晶体大小分布晶体群体密度结晶过程中产生的晶体大小不是均一的。因此，需要引入群体密度的概念来加以描述：dldNlNnl0limN—单位体积中含有尺寸从0~l的各种大小晶体的数目；连续结晶过程的晶群密度分布是分析连续结晶器操作过程的最佳近似法)exp(0VGQlnnrn—晶群密度no—l趋近于0时的晶群密度Q—晶浆流出速率V—结晶器有效装液容积晶体大小QVGlrD/3Q—晶浆流出速率V—结晶器有效装液容积Gr—晶体生长速度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：（1）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；（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。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。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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，结晶的外部形态。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结垢：晶体沉积在容器中进行多晶形现象9.4结晶的类型分类方法分批结晶步骤：(1)结晶器的清洁(2)加料到结晶器中(3)产生过饱和度(4)成核与晶体生长(5)晶体的排除优点：a生产出指定纯度，粒度分布及晶形的产品缺点：成本高，操作和产品质量稳定性差。连续结晶特点：(1)较好地使用劳动力(2)设备寿命长(3)多变的生产能力(4)晶体粒度及分布可控(5)较好的冷却与加热装置(6)产品稳定并使损耗减少到最小结晶的应用抗生素：青霉素G钠盐和青霉素G的普鲁卡因盐，脱致敏原的过程不能少。氨基酸：