第八章 結(jié)晶與干燥

1、第八章第八章 一、飽和和過飽和溶液的形成一、飽和和過飽和溶液的形成 結(jié)晶過程中的相平衡主要是指溶液中固相與液相濃度之 間的關(guān)系，此平衡關(guān)系可用固體在溶液中的溶解度來(lái)表示。 將一種可溶性固體溶質(zhì)加入某恒溫溶劑如（水）中，會(huì)發(fā)生 兩個(gè)可逆的過程：固體的溶解，即溶質(zhì)分子擴(kuò)散進(jìn)入液體 內(nèi)部；物質(zhì)的沉積，即溶質(zhì)分子從液體中擴(kuò)散到固體表面 進(jìn)行沉積。剛開始向溶劑中加入固體溶質(zhì)時(shí)，固體的溶解作 用大于沉積作用，此時(shí)溶液為未飽和溶液，若添加固體則固 體溶解。繼續(xù)添加固體，至溶解作用和沉積作用達(dá)到動(dòng)態(tài)平 衡，此時(shí)溶液稱為該溶質(zhì)在該溫度下的飽和溶液。此時(shí)，溶 液溶質(zhì)的濃度稱為此溶質(zhì)在該溫度下的溶解度溶解度或飽和濃

2、度。 一般常用100g溶劑中所能溶解溶質(zhì)的克數(shù)來(lái)表示。 當(dāng)壓力一定時(shí)，溶解度 是溫度的函數(shù)，用溫度-濃 度圖來(lái)表示，就是一條飽和 曲線（見圖9-1曲線AB）。 大多數(shù)物質(zhì)的溶解度隨溫度 升高而顯著增大，也有一些 物質(zhì)的溶解度對(duì)溫度的變化 不敏感，少數(shù)物質(zhì)（如螺旋 霉素）的溶解度隨溫度的升 高而顯著降低。此外，溶劑 的組成（如有機(jī)溶劑與水的 比例、其他組分、pH和離子 強(qiáng)度等）對(duì)溶解度也有顯著 的影響。 實(shí)際工作中，可以制備一個(gè)含有比飽和溶液更多溶質(zhì)的 溶液，這樣的溶液稱為過飽和溶液。過飽和狀態(tài)下的溶液是 不穩(wěn)定的，也可稱為“介穩(wěn)狀態(tài)”；一旦遇到震動(dòng)、攪拌、 摩擦、加晶種甚至落入塵埃，都可能使過

3、飽和狀態(tài)破壞而立 即析出結(jié)晶，直到溶液達(dá)到飽和狀態(tài)后，結(jié)晶過程才停止。 如果沒有其它外界條件的影響，過飽和溶液的濃度只有達(dá)到 一定值時(shí)，才會(huì)有結(jié)晶析出。有結(jié)晶析出時(shí)的過飽和濃度和 溫度的關(guān)系可以用過飽和曲線表示（如圖9-1曲線CD）。過飽 和曲線，即無(wú)晶種無(wú)攪拌時(shí)自發(fā)產(chǎn)生晶核的濃度曲線。飽和 曲線AB和過飽和曲線CD大致平行。兩條曲線把濃度-溫度圖分 為三個(gè)區(qū)域，相應(yīng)的溶液也處于三種狀態(tài)。 （1）穩(wěn)定區(qū) 又稱不飽和區(qū)，為AB曲線以下的區(qū)域。此 區(qū)溶液尚未飽和，沒有結(jié)晶的可能。 （2）介穩(wěn)區(qū)或亞穩(wěn)區(qū) 為AB曲線與CD曲線之間的區(qū)域。 在此區(qū)內(nèi)，如果不采取措施，溶液可以長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定，如 遇到某種

4、刺激，則會(huì)有結(jié)晶析出。另外，此區(qū)不會(huì)自發(fā)產(chǎn)生 晶核，但如已有晶核，則晶核長(zhǎng)大而吸收溶質(zhì)，直至濃度回 落到飽和線上。介穩(wěn)區(qū)又細(xì)分為兩個(gè)區(qū)，第一個(gè)分區(qū)稱第一 介穩(wěn)區(qū)或第一過飽和區(qū)，位于平衡濃度曲線與超溶解度曲線 （標(biāo)識(shí)溶液過飽和而能被誘導(dǎo)產(chǎn)生晶核的極限濃度曲線 CD）之間，在此區(qū)域內(nèi)不會(huì)自發(fā)成核，當(dāng)加入結(jié)晶顆粒 時(shí)，結(jié)晶會(huì)生長(zhǎng)，但不會(huì)產(chǎn)生新核，加入的結(jié)晶顆粒稱為晶 種。 第二個(gè)分區(qū)稱第二介穩(wěn)區(qū)或第二飽和區(qū)。位于超溶解度曲 線和過飽和曲線之間，在此區(qū)域內(nèi)不會(huì)自發(fā)成核，但極易受刺 激（如加入晶種）而結(jié)晶（主要是二次成核），在結(jié)晶生長(zhǎng)的 同時(shí)會(huì)有新核生成。因此，習(xí)慣上也將第一介穩(wěn)區(qū)稱為養(yǎng)晶區(qū)， 第二介穩(wěn)

5、區(qū)稱為刺激結(jié)晶區(qū)。 （3）不穩(wěn)定區(qū) 為CD曲線以上的區(qū)域。是自發(fā)成核區(qū)域， 溶液不穩(wěn)定，瞬間出現(xiàn)大量微小晶核，發(fā)生晶核泛濫。如E點(diǎn)是 溶液原始的未飽和狀態(tài)，EH是冷卻線，F(xiàn)位點(diǎn)是飽和點(diǎn)，不能結(jié) 晶，因?yàn)槿鄙俳Y(jié)晶的推動(dòng)力-過飽和度。穿過介穩(wěn)區(qū)到達(dá)G位點(diǎn) 時(shí)，自發(fā)產(chǎn)生晶核，越深入不穩(wěn)區(qū)，自發(fā)產(chǎn)生的晶核越多。 EF G為恒溫蒸發(fā)過程， EG為冷卻蒸發(fā)過程，當(dāng)?shù)竭_(dá)G G G時(shí)結(jié)晶才能自動(dòng)進(jìn)行。不穩(wěn)定區(qū)的溶液都是過飽和 溶液。 在上述三個(gè)區(qū)域中，穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，溶液處于不飽和狀態(tài)， 沒有結(jié)晶；不穩(wěn)區(qū)內(nèi)，晶核形成的速度較大，因此產(chǎn)生的結(jié) 晶量大，晶粒小，質(zhì)量難以控制；介穩(wěn)區(qū)內(nèi)，晶核的形成速 率較慢，生產(chǎn)中常采用

6、加入晶種的方法，并把溶液濃度控制 在介穩(wěn)區(qū)內(nèi)的養(yǎng)晶區(qū)，即AB線與C D線區(qū)域內(nèi)，讓晶體逐漸 長(zhǎng)大。 過飽和曲線與溶解度曲線不同，溶解度曲線是恒定的， 而過飽和曲線的位置不是固定的。對(duì)于一定的系統(tǒng)，它的位 置至少與三個(gè)因素有關(guān)：產(chǎn)生過飽和度的速度（冷卻和蒸 發(fā)速度）；加晶種的情況；機(jī)械攪拌的強(qiáng)度。冷卻或蒸 發(fā)的速度越慢，晶種越小，機(jī)械攪拌越激烈，則過飽和曲線 越向溶解度曲線靠近。在生產(chǎn)中應(yīng)盡量控制各種條件，使曲 線AB和C D之間有一個(gè)比較寬的區(qū)域，便于結(jié)晶操作的控制。 結(jié)晶過程和晶體的質(zhì)量都與溶液的過飽和度有關(guān)，溶 液的過飽和程度可用過飽和度S（%）來(lái)表示，即： （9-1） 式中 C過飽和溶液

7、的濃度，g溶質(zhì)/100g溶劑； C 飽和溶液的濃度，g溶質(zhì)/100g溶劑。 結(jié)晶的首要條件是產(chǎn)生過飽和，采用何種途徑產(chǎn)生過 飽和會(huì)對(duì)目標(biāo)產(chǎn)品的規(guī)格產(chǎn)生重要影響，制備過飽和溶液 一般有四種方法。 %100 C C （1 1）將熱飽和溶液冷卻）將熱飽和溶液冷卻 冷卻法的結(jié)晶過程中基本上不 去除溶劑，而是使溶液冷卻降溫，成為過飽和溶液，如圖9- 1中直線EFG所代表的過程。此法適用于溶解度隨溫度降低而 顯著減小的場(chǎng)合。例如冷卻L-脯氨酸的濃縮液至4左右， 放置4小時(shí)，L-脯氨酸就會(huì)大量結(jié)晶析出。反之，如果溶解 度隨溫度升高而降低，則采用升溫結(jié)晶法。例如將紅霉素的 緩沖提取液調(diào)整pH至9.810.2,

8、再加溫至4555,紅霉 素堿即析出。根據(jù)冷卻的方法不同，可分為自然冷卻、強(qiáng)制 冷卻和直接冷卻。在生產(chǎn)中運(yùn)用較多的是強(qiáng)制冷卻，其冷卻 過程易于控制，冷卻速率快。 （2 2）將部分溶劑蒸發(fā)）將部分溶劑蒸發(fā) 此種方法也稱等溫結(jié)晶，是借 蒸發(fā)除去部分溶劑，而使溶液達(dá)到過飽和的方法。加壓、 常壓或減壓條件下，通過加熱使溶劑氣化一部分而達(dá)到過 飽和，如圖9-1中直線EFG所表示的過程。適用于溶解度 隨溫度變化不大的場(chǎng)合。例如真空濃縮赤霉素的醋酸乙酯 萃取液，除去部分醋酸乙酯后，赤霉素即結(jié)晶析出。蒸發(fā) 法的不足之處在于能耗較高，加熱面容易結(jié)垢。生產(chǎn)上常 采用多效蒸發(fā)，以提高熱能利用率。 如果結(jié)晶產(chǎn)物是熱敏性

9、物質(zhì)，則可采用真空蒸發(fā)法。此 法適用于溶解度隨溫度變化介于蒸發(fā)和冷卻之間的熱敏性物 質(zhì)結(jié)晶分離過程。真空的產(chǎn)生常采用多級(jí)蒸汽噴射泵及熱力 壓縮機(jī)，操作壓力一般可低至30mmHg（絕壓），也有低至 3mmHg（絕壓），但能量消耗較高。真空蒸發(fā)冷卻法的優(yōu)點(diǎn) 是主體設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作穩(wěn)定，器內(nèi)無(wú)換熱面，因而不存 在晶垢的影響，且操作溫度低，可用于熱敏性藥物的結(jié)晶分 離。 （3 3）化學(xué)反應(yīng)結(jié)晶）化學(xué)反應(yīng)結(jié)晶 通過加入反應(yīng)劑或調(diào)節(jié)pH，使體系 發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)可溶性更低的物質(zhì)，當(dāng)其濃度超過其 溶解度時(shí)，就有結(jié)晶析出。例如紅霉素醋酸丁酯提取液中加 入硫氰酸鹽并調(diào)節(jié)溶液pH為5左右，可生成紅霉素硫氰酸

10、鹽 結(jié)晶析出。 （4 4）鹽析反應(yīng)結(jié)晶）鹽析反應(yīng)結(jié)晶 加入一種物質(zhì)（另一種溶劑或另一 種溶質(zhì)）于溶液中，使溶質(zhì)的溶解度降低，形成過飽和溶液 而結(jié)晶析出的辦法，稱為鹽析反應(yīng)結(jié)晶。加入的溶劑必須能 和原溶劑互溶，例如利用卡那霉素易溶于水，不溶于乙醇的 性質(zhì)，在卡那霉素脫色的水溶液中，加入95%乙醇，加入量 為脫色液的60%80%，攪拌6小時(shí)，卡那霉素硫酸鹽即成結(jié) 晶析出。如普魯卡因青霉素結(jié)晶時(shí)，加入一定量的食鹽，可 以使結(jié)晶體容易析出。 工業(yè)上，除單獨(dú)使用上述四種方法外，還常將以上幾種 方法結(jié)合使用。例如，制霉菌素的乙醇提取液真空濃縮10倍 冷至5，放置2小時(shí)，即可得到制霉菌素結(jié)晶，就是采用第 一

11、種和第二種方法結(jié)合使用。而將青霉素鉀鹽溶于緩沖液中， 冷至35，滴加鹽酸普魯卡因，得到普魯卡因青霉素結(jié) 晶，則是采用第一、三種方法結(jié)合使用。 二、成核二、成核 1 1成核的方式成核的方式 溶質(zhì)從溶液中結(jié)晶出來(lái)，要經(jīng)過兩個(gè)步驟：晶核的形成 和晶體的生成。溶質(zhì)在溶液中成核現(xiàn)象在結(jié)晶過程中占有重 要的地位。晶核的產(chǎn)生,根據(jù)成核機(jī)理的不同,分為兩種方式： 初級(jí)成核和二次成核,其中初級(jí)成核又分為均相成核和非均 相成核。 （1 1）初級(jí)成核）初級(jí)成核 初級(jí)成核現(xiàn)象是過飽和溶液中的自發(fā)成 核現(xiàn)象。其發(fā)生的機(jī)理是坯種及溶質(zhì)分子相互碰撞的結(jié)果。 根據(jù)溶液中有、無(wú)自生或外來(lái)的微粒又劃分為初級(jí)均相成核 和初級(jí)非均相

12、成核兩類。 初級(jí)均相成核初級(jí)均相成核是指溶液在不含外來(lái)物體時(shí)自發(fā)產(chǎn)生晶核 的現(xiàn)象。此種現(xiàn)象只有溶液進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)才能發(fā)生。而溶液 表面因蒸發(fā)的關(guān)系其濃度一般超過主體濃度。在表面首先形 成晶體，這些晶體能誘發(fā)主體溶液在到達(dá)過飽和曲線之前就 發(fā)生結(jié)晶析出，形成大量微小結(jié)晶，產(chǎn)品質(zhì)量難于控制，并 且結(jié)晶的過濾或離心操困難。因此，初級(jí)均相成核在工業(yè)十 分罕見，也不受歡迎，但其有助于我們了解其他類型成核現(xiàn) 象。 晶核可以由溶質(zhì)的原子，分子離子形成，因這些粒子在 溶液中作快速運(yùn)動(dòng),可統(tǒng)稱為運(yùn)動(dòng)單元，結(jié)合在一起的運(yùn)動(dòng) 單元稱為結(jié)合體。這種結(jié)合可以為是可逆的鏈?zhǔn)交瘜W(xué)反應(yīng)， 如下表示： A1+A1 A2 A2+A

13、1 A3 A3+A1 A4 Am-1+A1 Am 結(jié)合體從A1到Am逐漸增大。當(dāng)m值增大到某種極限，結(jié) 合體可稱之為晶坯。晶坯長(zhǎng)大成為晶核，其m值均為數(shù)百。 因而可以認(rèn)為晶體的生長(zhǎng)經(jīng)歷了以下步驟： 運(yùn)動(dòng)單元 結(jié)合體 晶坯 晶核 晶體 初級(jí)非均相成核初級(jí)非均相成核是指由于灰塵的污染,發(fā)酵液中的菌體, 溶液中其它不溶性固體顆粒的誘導(dǎo)而生成晶核的現(xiàn)象,稱為 初級(jí)非均相成核。 由于實(shí)際的操作中難以控制溶液的過飽和度，使晶核的 生成速率恰好適應(yīng)結(jié)晶過程的需要。因此，在工業(yè)中，一般 不以初級(jí)成核做為成核的標(biāo)準(zhǔn)。 （2 2）二次成核）二次成核 向介穩(wěn)區(qū)（不能發(fā)生初級(jí)成核）過飽和 度較小的溶液中加入晶種，就會(huì)

14、有新的晶核產(chǎn)生。我們把這 種成核現(xiàn)象稱為二次成核。工業(yè)上的結(jié)晶操作均在有晶種的 存在下進(jìn)行。因此，工業(yè)結(jié)晶的成核現(xiàn)象通常為二次成核二次成核。 在二次成核中有兩種起決定作用的機(jī)理：液體剪切力成核液體剪切力成核和 接觸成核接觸成核。其中又以接觸成核占主導(dǎo)地位。 當(dāng)飽和溶液以較大速度流過已成核的晶體表面時(shí)，在流 體邊界層上的剪切力會(huì)將一些附著在晶體上的粒子掃落，小 的溶解，大的則作為晶核繼續(xù)生長(zhǎng)長(zhǎng)大。這種成核現(xiàn)象稱為 剪切力成核剪切力成核。由于只有粒度大于臨界粒度的晶粒才能生長(zhǎng)， 故這種機(jī)理的重要性在工業(yè)上有限。 接觸成核接觸成核是指新生成的晶核是已有的晶體顆粒，在結(jié)晶 器中與其它固體接觸碰撞時(shí)產(chǎn)生

15、的較大的晶體表層的碎粒。 在工業(yè)的結(jié)晶過程中，接觸成核有以下3種方式，其中 又以第一種方式為主： 晶體與攪拌器螺旋槳或葉輪之間的碰撞； 晶體與晶體的碰撞； 晶體與結(jié)晶器壁間的碰撞。 2 2影響成核的因素影響成核的因素 （1）晶體粒度的影響 同一溫度下，小粒子較大粒子 具有更大表面能，這一差別使得微小晶體的溶解度高于粒度 大的晶體。如果溶液中大小晶粒同時(shí)存在,則微小晶粒溶解 而大晶粒生長(zhǎng),直至小晶粒完全消失。因此存在一個(gè)臨界粒 度值。晶體的粒度只有大于此臨界值，才能成為可以繼續(xù)長(zhǎng) 大的穩(wěn)定的晶核。 （2）過飽和度S 過飽和度S是晶核產(chǎn)生和晶核長(zhǎng)大的一 個(gè)推動(dòng)力。過飽和度S和產(chǎn)生的晶粒數(shù)N有如下關(guān)

16、系: 無(wú)機(jī)物 NS 有機(jī)物 N1/lnS 需指出無(wú)論哪一類晶體，晶核的生成量與晶體生長(zhǎng)速率 成正比。 （3）晶種的影響 晶種可以是同種物質(zhì)或相同晶型的物 質(zhì)，有時(shí)惰性的無(wú)定形物質(zhì)也可以作為結(jié)晶的中心，誘導(dǎo)產(chǎn) 生晶核。如非均相成核中，菌體、塵埃的影響。 （4）溫度的影響 當(dāng)溫度升高時(shí)，成核 的速度升高。一般當(dāng)溫度 升高時(shí)，過飽和度降低。 因此，溫度對(duì)成核速度的 影響要以T與S相互消長(zhǎng)速 度決定。依實(shí)驗(yàn)，一般的 成核速度隨溫度上升達(dá)到 最大值后，溫度再升高， 成核的速度反而下降。 （5）碰撞能量E的影響 在二次成核中，碰撞的能量E越 大產(chǎn)生的晶粒數(shù)越多。 （6）螺旋漿的影響 螺旋漿對(duì)接觸成核的影響

17、最大，主 要體現(xiàn)在它的轉(zhuǎn)速和槳葉端速度上。為了避免產(chǎn)生過量的晶 核，螺旋槳總是在適宜的低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。發(fā)酵產(chǎn)品結(jié)晶器的 攪拌器轉(zhuǎn)速一般在（2050）r/min之間，有的甚至在 10r/min下。 三、晶體生長(zhǎng)三、晶體生長(zhǎng) 晶核一旦形成，立即開始長(zhǎng)成晶體，與此同時(shí)新的晶核 也在不斷的形成。晶體大小決定于晶體生長(zhǎng)的速度和晶核形晶體大小決定于晶體生長(zhǎng)的速度和晶核形 成的速度之間的對(duì)比關(guān)系成的速度之間的對(duì)比關(guān)系。如晶核形成速度大大超過其生長(zhǎng) 速度，則過飽和度主要用來(lái)生成新的晶核，因而得到細(xì)小的 晶體，甚至呈無(wú)定形狀態(tài)；反之，如果晶體生長(zhǎng)速度大于成 核速度，則得到粗大的晶體。 晶體的生長(zhǎng)是以濃度差為推動(dòng)力

18、的擴(kuò)散傳質(zhì)和晶體表面 反應(yīng)（晶格排列）所組成，晶體表面附近的溶質(zhì)濃度分布如 圖9-3所示。 在晶體表面與溶液主體之間始終存在著一層邊界層，即 在晶體表面和溶液之間存在著濃度推動(dòng)力。為（C-Ci），其 中C是液相主體濃度，而Ci是晶體表面溶質(zhì)濃度。由于濃度梯 度的結(jié)果，待結(jié)晶的溶質(zhì)粒子借擴(kuò)散穿過邊界層到達(dá)晶體表 面，這是一個(gè)擴(kuò)散傳質(zhì)過程。到達(dá)晶體表面的粒子在推動(dòng)力 （Ci-Cs）的作用下，在適當(dāng)?shù)木Ц裎恢瞄L(zhǎng)入晶面，使晶體增 大，同時(shí)放出結(jié)晶熱，結(jié)晶熱以熱傳導(dǎo)的方式釋放到溶液中。 其中Cs為飽和濃度。 在工業(yè)上，通常希望得到顆粒粗大而均勻的晶體，使以 后的過濾、洗滌、干燥操作較為方便，同時(shí)也可以提

19、高產(chǎn)品 的質(zhì)量。 影響晶體大小的因素主要有過飽和度、溫度、攪拌速度 和雜質(zhì)等。 過飽和度過飽和度過大時(shí)，成核和生長(zhǎng)的速率過快，結(jié)晶熱必須 以較快的方式放出，以適應(yīng)快速成核和迅速長(zhǎng)大的需要。因 表面越大，放熱越快，所以容易形成片狀，針狀，樹狀比表 面積大的晶簇，這種結(jié)晶或晶簇易包裹母液，因而結(jié)晶質(zhì)量 大幅度的下降。 溶液快速冷卻溶液快速冷卻時(shí)，達(dá)到的過飽和程度較高，所得到的晶體 較細(xì)小，緩慢冷卻時(shí)常得到較粗大的顆粒。因溫度對(duì)晶體生長(zhǎng) 速度的影響要大于成核速度，所以在較低溫度下晶核的形成速 度大于晶體的生長(zhǎng)速度，形成的晶體較細(xì)小。 攪拌攪拌能促使成核和加速擴(kuò)散，提高晶體的生長(zhǎng)速度，但超 過一定范圍

20、后，效果就會(huì)降低，攪拌越劇烈，晶體越細(xì)。加入 晶體能控制結(jié)晶的形狀，大小和均勻度，因此要求晶種首先要 有一定的形狀，大小而且比較均勻。 綜上所述，要想獲得比較粗大而均勻的晶體，一般溫綜上所述，要想獲得比較粗大而均勻的晶體，一般溫 度不宜太低，攪拌不宜太快，并要控制好晶核生成速度大度不宜太低，攪拌不宜太快，并要控制好晶核生成速度大 大小于晶體成長(zhǎng)速度，最好將溶液控制在介穩(wěn)區(qū)內(nèi)結(jié)晶。大小于晶體成長(zhǎng)速度，最好將溶液控制在介穩(wěn)區(qū)內(nèi)結(jié)晶。 使較長(zhǎng)時(shí)間里只有一定量的晶核生成，而使原有的晶核不使較長(zhǎng)時(shí)間里只有一定量的晶核生成，而使原有的晶核不 斷成長(zhǎng)為晶體。斷成長(zhǎng)為晶體。 四、產(chǎn)品后處理四、產(chǎn)品后處理 為得

21、到合乎質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的晶體產(chǎn)品，結(jié)晶后的產(chǎn)品還需經(jīng) 過固液分離、晶體的洗滌或重結(jié)晶、干燥等一系列操作，其 中晶體的分離與洗滌對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響很大。 （1 1）分離和洗滌）分離和洗滌 晶體的分離操作多采用真空過濾和離 心過濾。一般情況下，從離心機(jī)分離出來(lái)的晶體含有510% 的母液，但對(duì)于粒度不均的細(xì)小晶體，即便用離心分離法， 所分出的晶體有時(shí)還含有50%的母液。 母液是指分離了結(jié)晶晶體后剩余的溶液。 吸藏吸藏是指母液吸附于晶體表面，因母液中含有大量雜質(zhì)， 如果晶體生長(zhǎng)過快，雜質(zhì)甚至?xí)萑刖w。 當(dāng)結(jié)晶速率過大時(shí)，常發(fā)生若干顆晶體聚結(jié)成為“晶簇” 的現(xiàn)象。此時(shí)易將母液等雜質(zhì)包藏包藏在內(nèi)。 母液在晶體表面

22、的吸藏和母液在晶簇中的包藏都會(huì)影響 到晶體的純度。前者可通過洗滌的方法除去，后者只能通過 重結(jié)晶的方法去除母液和雜質(zhì)。 洗滌的關(guān)鍵是洗滌劑的確定和洗滌方法的選擇。如果晶 體在原溶劑中的溶解度很高，可采用一種對(duì)晶體不易溶解的 液體作為洗滌劑，此液體應(yīng)能與母液中的原溶劑互溶。例如， 從甲醇中結(jié)晶出來(lái)的物質(zhì)可用水來(lái)洗滌；從水中結(jié)晶出來(lái)的 物質(zhì)可用甲醇來(lái)洗滌。這種“雙溶劑”法的缺點(diǎn)是需要溶劑 回收設(shè)備。 （2 2）晶體結(jié)塊及防止）晶體結(jié)塊及防止 關(guān)于晶體結(jié)塊的理論，目前公認(rèn) 的有結(jié)晶理論和毛細(xì)管吸附理論。 結(jié)晶理論結(jié)晶理論 由于物理或化學(xué)原因，使晶體表面溶解并 重結(jié)晶，于是在晶粒之間相互接觸點(diǎn)上形成晶

23、橋而粘結(jié)在一 起。 物理原因是與物質(zhì)吸濕性密切相關(guān)，所謂吸濕性指不同 的物質(zhì)從空氣中吸收水分的性質(zhì)。如果晶體是水溶性的，當(dāng) 其從空氣中吸收水分后，在晶粒表面形成飽和溶液。當(dāng)空氣 濕度降低時(shí)，飽和溶液蒸發(fā)，在晶粒相互接觸點(diǎn)上形成晶橋 而粘連在一起。 結(jié)塊的化學(xué)原因是由于晶體產(chǎn)品中雜質(zhì)的存在，使晶粒 表面在接觸中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或與空氣中的O2、CO2等發(fā)生化學(xué) 反應(yīng)，反應(yīng)物因溶解度降低而析出，導(dǎo)致晶體結(jié)塊。如果溫 度高可增大化學(xué)反應(yīng)速度，使結(jié)塊速度加快。 毛細(xì)管吸附理論毛細(xì)管吸附理論 由于細(xì)小晶粒間毛細(xì)管吸附力的存 在，使毛細(xì)管彎月面上的飽和蒸汽壓低于外部的飽和蒸汽壓， 這就為水蒸汽在晶粒間擴(kuò)散造成

24、條件，使晶體易于潮解，最 后結(jié)塊。 影響結(jié)塊因素：包括外部和晶體自身因素。 外部因素主要是空氣濕度及溫度。 晶體自身因素包括晶體的性質(zhì)，化學(xué)組成，粒度和粒度 分布等。粒度不均勻的晶體，晶粒相互接觸點(diǎn)較多，因而易 結(jié)塊；均勻整齊的粒狀晶體，結(jié)塊傾向較小，即使發(fā)生結(jié)塊， 由于晶塊結(jié)構(gòu)疏松，單位體積的接觸點(diǎn)少，結(jié)塊易弄碎，所 以晶體粒度應(yīng)力求均勻一致。 為了防止晶體結(jié)塊可采用如下方法： 加入惰性型防結(jié)塊劑：這類防結(jié)塊劑大多是不溶于水 的固體細(xì)微粒子，甚至是氣溶膠，要求它們具備良好的覆蓋 能力。工業(yè)上采用的物料有滑石粉、硅藻土、高嶺土、硅石 粉、白堊、硅酸鈣、水合硅石等。 加入表面活性劑型防結(jié)塊劑：在

25、結(jié)晶過程中向溶液中 可入少量表面活性物質(zhì)，可較好地防止晶體結(jié)塊?？墒褂帽?面活性劑有：硫酸烷基酯、脂肪酸、乳酸、脂肪胺，十五烷 基磺酰氯等。 惰性型與表面活性劑型防結(jié)塊劑聯(lián)合使用。 一、結(jié)晶分類一、結(jié)晶分類 按照結(jié)晶操作過程的連續(xù)性程度不同把結(jié)晶方法分為分 批結(jié)晶和連續(xù)結(jié)晶。而依結(jié)晶操作過程的重復(fù)性又可把結(jié)晶 分為一次結(jié)晶、重結(jié)晶和分級(jí)結(jié)晶。一次結(jié)晶又分為冷卻結(jié) 晶、蒸發(fā)結(jié)晶、真空結(jié)晶、反應(yīng)和鹽析結(jié)晶。一次結(jié)晶在前 面已有論述，本節(jié)主要講述分批結(jié)晶、連續(xù)結(jié)晶、重結(jié)晶和 分級(jí)結(jié)晶。 二、分批結(jié)晶二、分批結(jié)晶 分批結(jié)晶操作的原理是選用合適的結(jié)晶設(shè)備，用孤立的 方式，在全過程中進(jìn)行特殊的操作，并且這

26、個(gè)操作僅僅間接 的與前面和后面的操作有關(guān)。結(jié)晶器的容積可以是100ml的燒 杯，也可以是幾百噸的結(jié)晶罐。其設(shè)備簡(jiǎn)單、操作人員的技 術(shù)要求不苛刻，我國(guó)發(fā)酵產(chǎn)品的結(jié)晶過程目前仍以分批操作 為主。 在結(jié)晶過程中，為了獲得粒度較為均勻的產(chǎn)品，必須控 制晶體的生長(zhǎng)，防止不需要的晶核生成。工業(yè)結(jié)晶操作通常 在有晶種存在的第一介穩(wěn)區(qū)內(nèi)的進(jìn)行。隨著結(jié)晶的進(jìn)行，晶 體不斷增多，溶質(zhì)濃度不斷下降。因此，我們必須采用冷卻 降溫或蒸發(fā)濃縮的方法，維持一定的過飽和度，使其控制在 介穩(wěn)區(qū)內(nèi)。冷卻或蒸發(fā)速度必須與結(jié)晶的生長(zhǎng)速率相協(xié)調(diào)。 分批結(jié)晶過程是分步進(jìn)行的，各步之間相互獨(dú)立。一般 情況下，分批結(jié)晶操作過程包括：結(jié)晶器的

27、清洗；將物 料加入結(jié)晶器中；用適當(dāng)?shù)姆椒óa(chǎn)生過飽和；成核和晶 體生長(zhǎng)；晶體的排出。其中、是結(jié)晶過程控制的核心， 其控制方法和操作條件對(duì)結(jié)晶過程影響很大。 下面以加入晶種進(jìn)行分批冷卻結(jié)晶為主進(jìn)行說明： 圖9-4a加晶種，迅速冷卻。隨溫度的降低，溶液進(jìn)入介穩(wěn)區(qū)，晶種 開始長(zhǎng)大。由于有溶質(zhì)結(jié)晶出來(lái)，在介穩(wěn)區(qū)內(nèi)溶液的濃度有所下降。又 因冷卻速度快，溶液狀態(tài)很快到達(dá)過飽和曲線，于是產(chǎn)生大量細(xì)小的晶 核。 圖9-4b加晶種，緩慢冷卻。溶液中有晶種存在，并且降溫速率得到 一定控制，使其和結(jié)晶的生長(zhǎng)速率相協(xié)調(diào)，操作過程中過飽和濃度差C 基本保持不變。這種方法可以產(chǎn)生預(yù)定粒度的，合乎質(zhì)量要求的均勻晶 體。 圖圖

28、9-4 加有晶種時(shí)降溫速度對(duì)結(jié)晶的影響加有晶種時(shí)降溫速度對(duì)結(jié)晶的影響 總的來(lái)說，分批結(jié)晶操作最主要的優(yōu)點(diǎn)是能生產(chǎn)出指 定純度，粒度分布及晶形合格的產(chǎn)品。缺點(diǎn)是操作成本較 高，操作和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性差。 三、連續(xù)結(jié)晶三、連續(xù)結(jié)晶 當(dāng)結(jié)晶的生產(chǎn)規(guī)模達(dá)到一定水平后，為了降低費(fèi)用， 縮短生產(chǎn)周期，則必須采用連續(xù)結(jié)晶。在連續(xù)結(jié)晶的操作 過程中，單位時(shí)間內(nèi)生成晶核的數(shù)目是相同的，并且在理 想的條件下，它與單位時(shí)間內(nèi)從結(jié)晶器中排出的晶體數(shù)是 相等的。 在連續(xù)結(jié)晶過程中，料液不斷地被送入結(jié)晶器中，首先 用一定方法形成過飽和溶液，然后在結(jié)晶室內(nèi)同時(shí)發(fā)生晶核 形成過程和晶體生長(zhǎng)過程，其中晶核形成速率較難控制，使

29、晶核數(shù)量較多，晶體大小不一，需采用分級(jí)排料的方法，取 出合乎質(zhì)量要求的晶粒。為了保證晶漿濃度、提高收率，常 將母液循環(huán)使用。因此，在連續(xù)結(jié)晶的操作中往往要采用 “分級(jí)排料”、“清母液溢流”、“細(xì)晶消除”等技術(shù)，以 維護(hù)連續(xù)結(jié)晶設(shè)備的穩(wěn)定操作、高生產(chǎn)能力和低操作費(fèi)用， 從而使連續(xù)結(jié)晶設(shè)備結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。下面介紹連續(xù)結(jié)晶工藝 過程中特有的操作。 （1 1）分級(jí)排料分級(jí)排料 這種操作方法常被混合懸浮型連續(xù)結(jié)晶 器所采用，以實(shí)現(xiàn)對(duì)晶體粒度分布的調(diào)節(jié)。含有晶體的混合 液從結(jié)晶器中流出前，先使其流過一個(gè)分級(jí)排料器，它可將 大小不同的晶粒分離，其中小于某一產(chǎn)品分級(jí)粒度的晶體被 送回結(jié)晶器繼續(xù)長(zhǎng)大，達(dá)到產(chǎn)品分級(jí)

30、粒度的晶體作為產(chǎn)品排 出系統(tǒng)，因此分級(jí)排料裝置是控制顆粒大小和粒度分布的關(guān) 鍵。 （2 2）清母液溢流）清母液溢流 清母液溢流是調(diào)節(jié)結(jié)晶器內(nèi)晶漿密 度的主要手段。從澄清區(qū)溢流出來(lái)的母液中，總是含有一些 小于某一粒度的細(xì)小晶粒，所以實(shí)際生產(chǎn)中并不存在真正的 清母液，為了避免流失過多的固相產(chǎn)品組分，一般將溢流出 的帶細(xì)晶的母液先經(jīng)旋液分離器或濕篩分離，然后將含較少 細(xì)晶的液流排出結(jié)晶系統(tǒng)，含較多細(xì)晶的液流經(jīng)細(xì)晶消除后 循環(huán)使用。 （3 3）細(xì)晶消除細(xì)晶消除 在工業(yè)結(jié)晶過程中，由于成核速率難以 控制，使晶體數(shù)量過多，平均粒度過小，粒度分布過寬，而 且還會(huì)使結(jié)晶收率降低。因此，在連續(xù)結(jié)晶操作中常采用

31、“細(xì)晶消除”的方法，以減少晶體數(shù)量，達(dá)到提高晶體平均 粒度，控制粒度分布，提高結(jié)晶收率的目的。常用的細(xì)晶消 除方法是根據(jù)淘析原理，在結(jié)晶器內(nèi)部或下部建立一個(gè)澄清 區(qū)，晶漿在此區(qū)域內(nèi)以很低的速度上流，由于粒度大小不同 的晶體具有不同的沉降速度，當(dāng)晶粒的沉降速度大于晶漿上 流速度時(shí)，晶粒就會(huì)沉降下來(lái)，故較大的晶粒沉降下來(lái)，回 到結(jié)晶器的主體部分，重新參與晶漿循環(huán)而繼續(xù)長(zhǎng)大，最后 排出結(jié)晶器進(jìn)入分級(jí)排料器。而較小晶粒則隨流體上流從澄 清區(qū)溢流而出，進(jìn)入細(xì)晶消除系統(tǒng)，采用加熱或稀釋的方法 使細(xì)小晶粒溶解，然后經(jīng)循環(huán)泵重新回到結(jié)晶器中?！凹?xì)晶 消除”有效地減少了晶核數(shù)量，從而提高了結(jié)晶產(chǎn)品的質(zhì)量 和收率

32、。 連續(xù)結(jié)晶的缺點(diǎn)：在器壁和換熱面上容易產(chǎn)生晶垢， 并不斷積累使后期操作條件和產(chǎn)品質(zhì)量逐漸惡化，清理的機(jī) 會(huì)少于分批操作；設(shè)備復(fù)雜，操作控制比分批結(jié)晶困難， 要求嚴(yán)格；和操作良好的分批操作相比，產(chǎn)品平均粒度小。 四、重結(jié)晶四、重結(jié)晶 結(jié)晶時(shí)，溶液中溶質(zhì)因其溶解度與雜質(zhì)的溶解度不同， 溶質(zhì)結(jié)晶而雜質(zhì)留在溶液中，因而相互分離。或兩者的溶解 度雖然相差不大，但晶格不同，而相互分離（有些場(chǎng)合下可 能出現(xiàn)混晶現(xiàn)象）。所以結(jié)晶出來(lái)的晶體通常是非常純凈的， 但在實(shí)際中會(huì)因?yàn)槲兀鼗蚬步Y(jié)晶，而難免有雜質(zhì)夾帶 其中。因此需要重結(jié)晶，重結(jié)晶常能降低雜質(zhì)的濃度，提高 產(chǎn)品的純度。 用少量的純熱溶劑溶解不純的晶體

33、，然后冷卻得到新的 晶體，后者的純度高于前者，但收率下降。經(jīng)過不斷重復(fù)這 一操作，直到新晶體達(dá)到所要求的純度為止。 簡(jiǎn)單重結(jié)晶過程見圖9- 5。其中S為新鮮溶劑；L代 表母液；AB為初始晶體。隨 著重結(jié)晶操作的進(jìn)行，晶體 的純度由X1提高到X2、X3； 母液的純度由L1提高到L2、 L3。 在任何情況下，雜質(zhì)的 含量過多都是不利的（雜質(zhì) 太多還會(huì)影響結(jié)晶速度，甚 至妨礙結(jié)晶的生成）。一般 重結(jié)晶只適用于純化雜質(zhì)含 量在5以下的固體混合物。 AB X1 S L1 S X2 S X3 L3 L2 圖9-5 重結(jié)晶 進(jìn)行重結(jié)晶時(shí)，選擇理想的溶劑是一個(gè)關(guān)鍵，按“相 似相溶”的原理，所選溶劑必須具備如下

34、條件：不與被提 純物質(zhì)起化學(xué)反應(yīng)；在較高溫度時(shí)能溶解多量的被提純物 質(zhì)；而在室溫或更低溫度時(shí)，只能溶解很少量的該種物質(zhì)； 對(duì)雜質(zhì)的溶解非常大或者非常小,前一種情況是使雜質(zhì)留 在母液中不隨被提純物晶體一同析出；后一種情況是使雜質(zhì) 在熱過濾時(shí)被濾去；容易揮發(fā)（溶劑的沸點(diǎn)較低），易與 結(jié)晶分離除去；能給出較好的晶體；無(wú)毒或毒性很小， 便于操作；價(jià)廉易得。 五、分級(jí)重結(jié)晶五、分級(jí)重結(jié)晶 為了更好的利用母液需采用分級(jí)重結(jié)晶。分級(jí)重結(jié)晶的 過程如圖9-6所示。 圖9-6 分級(jí)重結(jié)晶 其中AB表示初始混合物，A 為不易溶的溶質(zhì)，B為較易 溶的物質(zhì)。AB混合物溶解于少量熱溶劑中，冷卻得到晶體X1 和母液L1，

35、將晶體X1從母液L1中分離出來(lái)后，再溶解于少量 熱的新鮮溶劑中，同樣得到新晶體X2和母液L2。母液L1進(jìn)一 步被濃縮得到結(jié)晶X3和母液L3，將晶體X3溶解于熱的母液L2中， 從這個(gè)新形成的溶液中結(jié)晶得到另一種晶體X5和母液L5，母 液L3被濃縮得到晶體X6和液體L6。如此,經(jīng)過每一步,晶體的 純度逐步向圖的右邊提高，而雜質(zhì)則向圖的左邊遷移。結(jié)果 溶解度小的產(chǎn)品A在圖的右邊得到濃縮，溶解度大的雜質(zhì)(或 另一種產(chǎn)品)B則在圖的左邊被濃縮。溶解度處于兩者之間的 溶質(zhì)富集于圖的中央部分。 在結(jié)晶的過程中，影響其操作和產(chǎn)品質(zhì)量的因素很 多。目前的結(jié)晶過程理論還不能完全考慮各種因素，定 量描述結(jié)晶現(xiàn)象。針

36、對(duì)某種特殊的物質(zhì)，需要通過充分 實(shí)驗(yàn)確定合適的結(jié)晶操作條件。在滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求的 前提下，最大限度的提高生產(chǎn)效率，降低成本。因此在 操作時(shí)應(yīng)考慮如下因素： 一、過飽和度一、過飽和度 溶液的過飽和度是結(jié)晶過程的推動(dòng)力，因此在較高的過 飽和度下進(jìn)行結(jié)晶，可提高結(jié)晶速率和收率。但是在工業(yè)生 產(chǎn)實(shí)際中，當(dāng)過飽和度（推動(dòng)力）增大時(shí)，溶液黏度增高， 雜質(zhì)含量也增大，可能會(huì)出現(xiàn)如下問題：成核速率過快， 使晶體細(xì)?。唤Y(jié)晶生長(zhǎng)速率過快，容易在晶體表面產(chǎn)生液 泡，影響結(jié)晶質(zhì)量；結(jié)晶器壁易產(chǎn)生晶垢，給結(jié)晶操作帶 來(lái)困難；產(chǎn)品純度降低。因此，過飽和度與結(jié)晶速率、成 核速率、晶體生長(zhǎng)速率及結(jié)晶產(chǎn)品質(zhì)量之間存在著一定的關(guān)

37、 系，應(yīng)根據(jù)具體產(chǎn)品的質(zhì)量要求，確定最適宜的過飽和度。 二、溫度二、溫度 許多物質(zhì)在不同的溫度下結(jié)晶，其生成的晶形和晶體大小會(huì) 發(fā)生變化，而且溫度對(duì)溶解度的影響也較大，可直接影響結(jié)晶收 率。因此，結(jié)晶操作一般控制較低的溫度和較小的溫度范圍。如 生物大分子的結(jié)晶，一般選擇在較低溫度條件下進(jìn)行，以保證生 物物質(zhì)的活性，還可以抑制細(xì)菌的繁殖。但溫度較低時(shí)，溶液的 黏度增大，可能會(huì)使結(jié)晶速率變慢，因此應(yīng)控制適宜的結(jié)晶溫度。 利用冷卻法進(jìn)行結(jié)晶時(shí)，要控制降溫速度。如果降溫速度過快， 溶液很快達(dá)到較高的過飽和度，則結(jié)晶產(chǎn)品細(xì)?。蝗艚禍厮俣染?慢，則結(jié)晶產(chǎn)品粒度大。 三、晶漿濃度三、晶漿濃度 結(jié)晶完成后，含

38、有晶粒的混合液稱為晶漿，結(jié)晶操作一 般要求晶漿具有較高的濃度，有利于溶液中溶質(zhì)分子間的相 互碰撞聚集，以獲得較高的結(jié)晶速率和結(jié)晶收率。但當(dāng)晶漿 濃度增高時(shí)，相應(yīng)雜質(zhì)的濃度及溶液黏度也增大，懸浮液的 流動(dòng)性降低，反而不利于結(jié)晶析出；也可能造成晶體細(xì)小， 使結(jié)晶產(chǎn)品純度較差，甚至形成無(wú)定形沉淀；因此，晶漿濃 度應(yīng)在保證晶體質(zhì)量的前提下盡可能取較大值。對(duì)于生物大 分子，通常選擇3%5%的晶漿濃度比較適宜，而對(duì)于小分子 物質(zhì)（如氨基酸類）則需要較高的晶漿濃度。 四、流速四、流速 流速對(duì)結(jié)晶操作的影響主要有以下幾個(gè)方面：較 高的流速有利于過飽和度分布均勻，使結(jié)晶成核速率和 生長(zhǎng)速率分布均勻；提高流速有利

39、于提高熱交換效率， 抑制晶垢的產(chǎn)生；流速過高會(huì)造成晶體的磨損破碎。 五、結(jié)晶時(shí)間五、結(jié)晶時(shí)間 結(jié)晶時(shí)間包括過飽和溶液的形成時(shí)間、晶核的形成時(shí)間 和晶體的生長(zhǎng)時(shí)間。過飽和溶液的形成時(shí)間與其方法有關(guān)， 時(shí)間長(zhǎng)短不同。晶核的形成時(shí)間一般較短，而晶體的生長(zhǎng)時(shí) 間一般較長(zhǎng)。在生長(zhǎng)過程中，晶體不僅逐漸長(zhǎng)大，而且還可 達(dá)到整晶和養(yǎng)晶的目的。結(jié)晶時(shí)間一般要根據(jù)產(chǎn)品的性質(zhì)、 晶體質(zhì)量的要求來(lái)選擇和控制。 對(duì)于小分子物質(zhì)，如果在適合的條件下，幾小時(shí)或幾分 鐘內(nèi)便可析出結(jié)晶；對(duì)于蛋白質(zhì)等生物大分子物質(zhì)，由于分 子量大，立體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其結(jié)晶過程比小分子物質(zhì)要困難得 多。這是由于生物大分子在進(jìn)行分子的有序排列時(shí)，需要消

40、 耗較多的能量，使晶核的生成及晶體的生長(zhǎng)都很慢，而且為 防止溶質(zhì)分子來(lái)不及形成晶核而以無(wú)定形沉淀形式析出的現(xiàn) 象發(fā)生，結(jié)晶過程必須緩慢進(jìn)行。生產(chǎn)中主要控制過飽和溶 液的形成時(shí)間，防止形成的晶核數(shù)量過多而造成晶粒過小。 六、溶劑與六、溶劑與pHpH 結(jié)晶操作選用的溶劑與pH，都應(yīng)使目標(biāo)產(chǎn)物的溶解 度較低，以提高結(jié)晶的收率。另外，溶劑的種類和pH對(duì) 晶形也有影響，如普魯卡因青霉素在水溶液中的結(jié)晶為 方形晶體，而在醋酸丁酯中的結(jié)晶為長(zhǎng)棒形。因此，需 通過實(shí)驗(yàn)確定溶劑的種類和結(jié)晶操作的pH，以保證結(jié)晶 產(chǎn)品質(zhì)量和較高的收率。 七、晶種七、晶種 加晶種進(jìn)行結(jié)晶是控制結(jié)晶過程、提高結(jié)晶速率、保證 產(chǎn)品質(zhì)量

41、的重要方法之一。工業(yè)上晶種的引入有兩種方法： 一種是通過蒸發(fā)或降溫等方法，使溶液的過飽和狀態(tài)達(dá)到不 穩(wěn)定區(qū)，自發(fā)成核一定數(shù)量后，迅速降低溶液濃度（如稀釋 法）至介穩(wěn)區(qū)，這部分自發(fā)成核的晶核作為晶種；另一種是 向處于介穩(wěn)區(qū)的過飽和溶液中直接添加細(xì)小均勻晶種。工業(yè) 生產(chǎn)中主要采用第二種加晶種的方法。 八、攪拌與混合八、攪拌與混合 增大攪拌速度，可提高成核速率，同時(shí)攪拌也有利于溶 質(zhì)的擴(kuò)散而加速晶體生長(zhǎng)；但攪拌速率過快會(huì)造成晶體的剪 切破碎，影響結(jié)晶產(chǎn)品質(zhì)量。工業(yè)生產(chǎn)中，為獲得較好的混 合狀態(tài)，同時(shí)避免晶體的破碎，一般通過大量的試驗(yàn)，選擇 攪拌槳的形式，確定適宜的攪拌速度，以獲得需要的晶體。 攪拌速

42、率在整個(gè)結(jié)晶過程中可以是不變的，也可以根據(jù)不同 階段選擇不同的攪拌速度。也有采用直徑及葉片較大的攪拌 槳，降低轉(zhuǎn)速，以獲得較好的混合效果；也有采用氣體混合 方式，以防止晶體破碎。 九、結(jié)晶系統(tǒng)的晶垢九、結(jié)晶系統(tǒng)的晶垢 結(jié)晶操作中常會(huì)在結(jié)晶器壁等處產(chǎn)生晶垢，嚴(yán)重影響 結(jié)晶過程的效率。一般可采用如下一些方法防止或消除晶 垢的產(chǎn)生：器壁內(nèi)表面采用有機(jī)涂料，盡量保持壁面光 滑；提高流體流速，消除低流速區(qū)；為防止因散熱而 使壁面附近溫度降低而造成的過飽和度過高，可以采用夾 套保溫的辦法；晶垢消除，對(duì)于以產(chǎn)生的晶垢可以通過 晶垢鏟除裝置，或用溶劑溶解進(jìn)行消除。 一、青霉素一、青霉素G G鹽的結(jié)晶工藝鹽的結(jié)

43、晶工藝 青霉素G的澄清發(fā)酵液（pH3.0）經(jīng)乙酸丁酯萃取，水溶 液（pH7.0）反萃取和乙酸丁酯二次萃取后，向丁酯萃取液 中加入醋酸鉀的乙醇溶液，即生成青霉素G鉀鹽。因青霉素 G鉀鹽在乙酸丁酯中溶解度很小，故從乙酸丁酯溶液中結(jié)晶 析出，控制適當(dāng)?shù)牟僮鳒囟?、攪拌速度以及青霉素G的初始 濃度，可得到粒度均勻，純度達(dá)90%以上的青霉素G鉀鹽結(jié) 晶。將青霉素G鉀鹽溶于氫氧化鉀溶液中，調(diào)節(jié)pH至中性， 加入無(wú)水乙醇，進(jìn)行真空共沸蒸餾操作，可獲得純度更高的 結(jié)晶產(chǎn)品。在上述操作中，醋酸鈉代替醋酸鉀，即可獲得青 霉素G鈉鹽。 二、四環(huán)素堿的結(jié)晶工藝二、四環(huán)素堿的結(jié)晶工藝 四環(huán)素堿的結(jié)晶工藝流程如下： 四環(huán)素

44、發(fā)酵液經(jīng)過預(yù)處理后，即可在酸性濾液中用堿 化劑調(diào)節(jié)pH至等電點(diǎn)，使四環(huán)素直接從濾液中沉淀結(jié)晶出 來(lái)。在結(jié)晶過程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： （1）堿化劑的選擇 堿化劑一般采用氫氧化鈉、氫氧化 銨、碳酸鈉、亞硫酸鈉等。目前生產(chǎn)上多采用氨水(內(nèi)含2 3NaHS03或Na2CO3及尿素等)作為堿化劑，這樣既能 節(jié)約成本，又能起到抗氧脫色作用，效果較好。 （2）pH的控制 四環(huán)素的等電點(diǎn)為pH=5.4，若pH控制在接 近等電點(diǎn)時(shí)，沉淀結(jié)晶雖較完全些，收率亦高，但此時(shí)會(huì)有大 量雜質(zhì)（主要是蛋白質(zhì)類雜質(zhì)的等電點(diǎn)與四環(huán)素等電點(diǎn)的pH相 近）同時(shí)沉淀析出，影響產(chǎn)品的質(zhì)量和色澤；若pH控制得較低 一些，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量雖有

45、好處（即上述蛋白質(zhì)等雜質(zhì)不同時(shí) 析出，而殘留在母液中），但沉淀結(jié)晶不夠完全，收率要低些， 影響產(chǎn)量。因此，在選擇沉淀結(jié)晶的pH時(shí)，就必須同時(shí)考慮到 產(chǎn)量、質(zhì)量的關(guān)系。根據(jù)在pH4.57.5之間，四環(huán)素游離堿在 水中的溶解度幾乎不變的特性，在正常情況下，工藝上控制pH 在4.8左右。若發(fā)現(xiàn)結(jié)晶質(zhì)量較差時(shí)，pH可控制得稍低些，以利 于改善結(jié)晶質(zhì)量，但不能低于4.5，否則收率低，影響產(chǎn)量。 （3）其它條件的控制 為使四環(huán)素高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)，所得晶 體均勻，粒度大，易分離，便于過濾和洗滌等操作，除了 嚴(yán)格控制pH條件外，加堿化劑的速度、濾液質(zhì)量、結(jié)晶溫 度、時(shí)間和攪拌轉(zhuǎn)速等條件也必須加以控制。 第五節(jié)第五節(jié)

46、干燥干燥 一、基本原理一、基本原理 干燥是指通過氣化而使?jié)裎锪现兴殖サ姆椒ǜ稍锸侵竿ㄟ^氣化而使?jié)裎锪现兴殖サ姆椒?。?料的干燥程度與物料中水分的存在狀態(tài)有關(guān)。濕物料中水 分與物料的結(jié)合有如下三種方式： （1）化學(xué)結(jié)合水 如晶體中的結(jié)晶水，這種水分不能 用干燥方法去除?；瘜W(xué)結(jié)合水的解離不應(yīng)視為干燥過程。 （2）物化結(jié)合水 如吸附水分、滲透水分和結(jié)構(gòu)水分。 其中以吸附水分與物料的結(jié)合力最強(qiáng)。 （3）機(jī)械結(jié)合水 如毛細(xì)管水分，孔隙中水分和表面 潤(rùn)濕水分。其中以潤(rùn)濕水分與物料的結(jié)合力最弱。 物料中水分與物料的結(jié)合力愈強(qiáng)，水分的活度即愈小， 水分也就愈難除去。反之，如結(jié)合力較小，則較易除去。 第

47、五節(jié)第五節(jié) 干燥干燥 因此，又可以根據(jù)水分除去的難易，將水分大體分為 非結(jié)合水分和結(jié)合水分。 （1）非結(jié)合水 存在于物料的表面或物料間隙的水分， 此種水分與物料的結(jié)合力為機(jī)械力。屬于非結(jié)合水分的有 上述機(jī)械結(jié)合水中的表面潤(rùn)濕水分和孔隙中的水分，結(jié)合 較弱，易用一般方法除去。 （2）結(jié)合水 存于細(xì)胞及毛細(xì)臂中的水分，主要是指 物化結(jié)合的水分及機(jī)械結(jié)合中的毛細(xì)管水分，由于結(jié)合力 使結(jié)合水所產(chǎn)生的蒸汽壓低于同溫度下純水所產(chǎn)生的蒸汽 壓，所以降低了水氣向空氣擴(kuò)散的傳質(zhì)推動(dòng)力。此水分與 物料的結(jié)合力為物理化學(xué)的結(jié)合力，由于結(jié)合力較強(qiáng)，水 分較難從物料中除去。 第五節(jié)第五節(jié) 干燥干燥 當(dāng)濕物料與濕空氣接觸

48、時(shí)，如空氣中的水蒸汽分壓低 于濕物料的平衡水蒸汽壓，則濕物料中的水分將汽化，物 料被干燥，這一過程進(jìn)行到濕物料的含水量降低到其水蒸 汽壓等于空氣中的水蒸汽分壓為止，這時(shí)濕物料的含水量 稱為平衡水含量平衡水含量。濕物料中高于平衡水含量的水稱為自由 水含量?？梢姡杂伤渴怯米杂伤渴怯枚囟群蜐穸鹊目諝飧啥囟群蜐穸鹊目諝飧?燥濕物料時(shí)，可以從濕物料除去的水分的最大量燥濕物料時(shí)，可以從濕物料除去的水分的最大量。平衡水 分的數(shù)值不僅與物料的性質(zhì)有關(guān)還受空氣濕度的影響。濕 空氣的相對(duì)濕度愈大，或溫度愈低，則平衡水分的數(shù)值愈 大。 由此可見，在一定條件下，無(wú)限制地延長(zhǎng)干燥時(shí)間也在一定條件下，無(wú)限制

49、地延長(zhǎng)干燥時(shí)間也 不能改變物料的濕度不能改變物料的濕度。此外，干燥的物料應(yīng)密封保存，否 則物料將吸收濕空氣中的水分，使平衡水分的數(shù)值增大。 第五節(jié)第五節(jié) 干燥干燥 1.1.干燥速率干燥速率 干燥速率U是指單位時(shí)間內(nèi)被干燥物料所能汽化的水分 量，受以下幾方面因素的影響： （1）物料的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和形狀物料的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和形狀 物料的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)不 同，物料與水分的結(jié)合方式以及結(jié)合水與非結(jié)合水的界線 也不同，因此其干燥速率也不同。物料的形狀、大小以及 堆置方式不僅影響干燥面積，而且影響干燥速率。 （2）物料的濕度和溫度物料的濕度和溫度 物料中水分的活度與濕度有 關(guān)，因而影響干燥速度。而物料溫度與物料中水

50、分的蒸汽 壓有關(guān)，并且也與水分的擴(kuò)散系數(shù)有關(guān)，一般溫度愈高， 則干燥速度愈大。 第五節(jié)第五節(jié) 干燥干燥 （3）干燥介質(zhì)的溫度和濕度干燥介質(zhì)的溫度和濕度 干燥介質(zhì)的溫度越高，濕度 越低，干燥速度越大。但干燥介質(zhì)的溫度過高，最初干燥速率 過快會(huì)損壞物料。 （4）干燥操作條件干燥操作條件 主要是干燥介質(zhì)與物料的接觸方式， 以及干燥介質(zhì)與物料的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向和流動(dòng)狀況。 介質(zhì)的流動(dòng)速度介質(zhì)的流動(dòng)速度影響干燥過程的對(duì)流傳熱和對(duì)流傳質(zhì)，一 般介質(zhì)流動(dòng)速度愈大，干燥速度愈大，特別是在干燥的初期。 介質(zhì)與物料的接觸狀況，主要是指流動(dòng)方向。流動(dòng)方向流動(dòng)方向與物料 汽化表面垂直時(shí)，干燥速度最快，平行時(shí)最差。凡是對(duì)介

51、質(zhì)流 動(dòng)造成較強(qiáng)烈的湍動(dòng)，使氣固邊界層變薄的因素，均可提高 干燥速度。例如塊狀或粒狀物料堆成一層一層地、或在半懸浮 或懸浮狀態(tài)下干燥時(shí)，均可提高干燥速度。 第五節(jié)第五節(jié) 干燥干燥 （5）干燥器的結(jié)構(gòu)型式干燥器的結(jié)構(gòu)型式 烘箱、烘房等因?yàn)槲锪咸?于靜態(tài)，物料暴露面小，水蒸汽散失慢，干燥效率差， 干燥速率慢。沸騰干燥器、噴霧干燥器屬流化操作，被 干燥物料在動(dòng)態(tài)情況下，粉粒彼此分開，不停的跳動(dòng)， 與干燥介質(zhì)接觸面大，干燥效率高，干燥的速率大。 需要指出，由于影響干燥的因素很多，所以物料的 干燥速度與濕度的關(guān)系必須通過具體的實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定。 第五節(jié)第五節(jié) 干燥干燥 2.2.干燥過程干燥過程 干燥過程是指水

52、分從濕物料內(nèi)部借擴(kuò)散作用到達(dá)表面，干燥過程是指水分從濕物料內(nèi)部借擴(kuò)散作用到達(dá)表面， 并從物料表面受熱氣化的過程。帶走氣化水分的氣體叫干并從物料表面受熱氣化的過程。帶走氣化水分的氣體叫干 燥介質(zhì)燥介質(zhì)，通常為空氣。大多數(shù)情況下干燥介質(zhì)除帶走水蒸 汽外，還供給水分汽化所需要的能量。 干燥過程可分為預(yù)熱階段、恒速階段、降速階段和平干燥過程可分為預(yù)熱階段、恒速階段、降速階段和平 衡階段。衡階段。 第五節(jié)第五節(jié) 干燥干燥 （1 1）預(yù)熱階段）預(yù)熱階段 當(dāng)濕物料與干燥介質(zhì)接觸時(shí)，干燥介 質(zhì)首先將熱量傳給濕物料，使?jié)裎锪霞捌渌鶐臏囟壬?高，由于受熱水分開始汽化，干燥速度由零增加到最大值。 濕物料中的水分

53、則因汽化而減少。此階段僅占全過程的5 左右，其特點(diǎn)是干燥速度由零升到最大值，熱量主要消耗 在濕物料加溫和少量水分汽化上，因此水分降低很少。 （2 2）恒速階段）恒速階段 干燥速度達(dá)最大值后，由于物料表面 水分蒸汽分壓大于該溫度下空氣中水蒸汽分壓，水分從物 料表面汽化并進(jìn)入熱空氣，物料內(nèi)部的水分不斷向表面擴(kuò) 散，使其表面保持潤(rùn)濕狀態(tài)。 第五節(jié)第五節(jié) 干燥干燥 只要物料表面均有水分時(shí)，汽化速度可保持不變， 故稱恒速階段。該階段的特點(diǎn)是，干燥速度達(dá)最大值并 保持不變；物料的含水量迅速下降；如果熱空氣傳給濕 物料的熱量等于物料表面水分汽化所需熱量，則物料表 面濕度保持不變。該階段時(shí)間長(zhǎng)，占整個(gè)干燥過程

54、的80 左右，是主要的干燥脫水階段干燥脫水階段。預(yù)熱階段和恒速階段 脫除的是非結(jié)合水分是非結(jié)合水分，即自由水和部分毛細(xì)管水自由水和部分毛細(xì)管水。恒速 階段結(jié)束時(shí)的物料含水量稱為第一臨界含水量，常簡(jiǎn) 稱為臨界含水量，以0表示。 第五節(jié)第五節(jié) 干燥干燥 （3 3）降速階段）降速階段 達(dá)到臨界含水量以后，隨著干燥時(shí)間 的增長(zhǎng)，水分由物料內(nèi)部向表面擴(kuò)散的速度降低，并且低 于表面水分汽化的速度，干燥速度也隨之下降，稱為降速 階段。在降速階段中，根據(jù)水分汽化方式的不同又分為兩 個(gè)階段，即部分表面汽化階段和內(nèi)部汽化階段部分表面汽化階段和內(nèi)部汽化階段。 部分表面汽化階段 進(jìn)入降速階段以后，由于內(nèi)部 水分向表面

55、的擴(kuò)散速度小于表面水分汽化的速度而使?jié)裎?料表面出現(xiàn)干燥部分，但水分仍從濕物料表面汽化，故稱 部分表面汽化階段。這一階段的特點(diǎn)是，干燥速度均勻下 降，且潮濕的表面逐漸減少、干燥部分越來(lái)越多，潮濕的表面逐漸減少、干燥部分越來(lái)越多，由于汽 化水量降低，需要的汽化熱減少，故使物料溫度升高。 第五節(jié)第五節(jié) 干燥干燥 內(nèi)部汽化階段內(nèi)部汽化階段 隨物料表面干燥部分增加溫度越來(lái) 越高，熱量向內(nèi)部傳遞而使蒸發(fā)面向內(nèi)部移動(dòng)，水分在物 料內(nèi)部汽化成水蒸汽后再向表面擴(kuò)散流動(dòng)，直到物料中所 含水分與熱空氣的濕度平衡時(shí)為止，稱內(nèi)部汽化階段。這 一階段的特點(diǎn)是，物料含水量越來(lái)越少，水分流動(dòng)阻力增 加，干燥速度甚低，物料溫

56、度繼續(xù)升高。 (4)平衡階段平衡階段 當(dāng)物料中水分達(dá)到平衡水分時(shí)，物料中 水分不再汽化的階段。 第五節(jié)第五節(jié) 干燥干燥 二、干燥方法二、干燥方法 按照供能特征即供熱的方式可將干燥分為接觸式、對(duì)接觸式、對(duì) 流式、輻射式干燥流式、輻射式干燥。 在接觸干燥接觸干燥時(shí)，熱量通過加熱的表面(金屬方板、輥?zhàn)? 的導(dǎo)熱性傳給需干燥的濕物料，使其中的水分汽化，然后， 所產(chǎn)生的蒸汽被干燥介質(zhì)帶走，或用真空泵抽走的干燥操 作過程，稱為接觸干燥。根據(jù)這一方法建立起來(lái)的，并且 用于微生物合成產(chǎn)品干燥的干燥器有單滾筒和雙滾筒干燥 器和廂式干燥器。該法熱能利用較高，但與傳熱壁面接觸 的物料在干燥時(shí)易局部過熱而變質(zhì)?，F(xiàn)在已

57、被其他干燥方 法建立起來(lái)的干燥器所取代。 第五節(jié)第五節(jié) 干燥干燥 對(duì)流式干燥對(duì)流式干燥是指熱能以對(duì)流給熱的方式由熱干燥介質(zhì) (通常是熱空氣熱空氣)傳給濕物料，使物料中的水分汽化，物料 內(nèi)部的水分以氣態(tài)或液態(tài)形式擴(kuò)散至物料表面，然后汽化 的蒸汽從表面擴(kuò)散至干燥介質(zhì)主體，再由介質(zhì)帶走的干燥 過程稱為對(duì)流干燥。對(duì)流干燥過程中，傳熱和傳質(zhì)同時(shí)發(fā) 生。干燥過程必需的熱量，由氣體干燥介質(zhì)傳送，它起熱 載體和介質(zhì)的作用，將水分從物料上轉(zhuǎn)入到周圍介質(zhì)中。 這個(gè)方法廣泛地應(yīng)用在微生物合成產(chǎn)物上，主要有氣氣 流干燥器、空氣噴射干燥器、噴霧干燥器和沸騰床干燥器流干燥器、空氣噴射干燥器、噴霧干燥器和沸騰床干燥器。 第

58、五節(jié)第五節(jié) 干燥干燥 輻射干燥輻射干燥是指熱能以電磁波的形式由輻射器發(fā)射至濕 物料表面后，被物料所吸收轉(zhuǎn)化為熱能，而將水分加熱汽 化，達(dá)到干燥的目的。紅外輻射干燥比熱傳導(dǎo)干燥和對(duì)流 干燥的生產(chǎn)強(qiáng)度大幾十倍，且設(shè)備緊湊，干燥時(shí)間短，產(chǎn) 品干燥均勻而潔凈，但能耗大，適用于干燥表面積大而薄 的物料。有電能輻射器(如專供發(fā)射紅外線的燈泡)和熱能 輻射器，在輻射干燥時(shí)，即紅外線干燥時(shí)，熱從能源(輻射 源)以電磁波形式傳入。輻射源的溫度通常在700到 2200，這個(gè)加熱方法應(yīng)用在微生物合成產(chǎn)物的升華干燥 上。 第五節(jié)第五節(jié) 干燥干燥 目前，對(duì)于干燥微生物合成產(chǎn)物，最廣泛應(yīng)用的干燥方 法主要是對(duì)流給熱的干燥

59、方式(氣流、空氣噴射、沸騰床、 噴霧等)，對(duì)于活的菌體、各種形式的酶和其他熱不穩(wěn)定產(chǎn) 物的干燥，可使用冷凍干燥。 1. 1.氣流干燥氣流干燥 氣流干燥是指利用濕熱干燥氣流或單純的干燥氣流進(jìn)行 干燥的一種方法。氣流干燥的原理是通過控制氣流的溫度、 濕度和流速來(lái)達(dá)到干燥的目的。 第五節(jié)第五節(jié) 干燥干燥 氣流干燥器結(jié)構(gòu)流程如圖10-4所示。物料由加料斗1經(jīng)螺旋加料器 2送入氣流干燥管3的下部?？諝庥娠L(fēng)機(jī)4吸入，經(jīng)預(yù)熱器5加熱到一定 溫度后送入干燥管。達(dá)到干燥要求的物料經(jīng)旋風(fēng)分離器6分離后，由卸 料口排出包裝，廢氣通過濕式除塵器除塵后排入大氣中。 1-加料斗； 2-螺旋加料器； 3- 干燥管；4-風(fēng)機(jī)

60、 5-預(yù)熱器；6- 旋風(fēng)分離器；7-濕式除塵器 圖圖10-4 10-4 氣流干燥器流程 氣流干燥器流程 第五節(jié)第五節(jié) 干燥干燥 氣流干燥器具有下列特點(diǎn)： （1）干燥強(qiáng)度大干燥強(qiáng)度大 氣流干燥由于氣流速度高，粒子在 氣相中分散良好分散良好，可以把粒子的全部表面積作為干燥的有 效面積，因此，干燥的有效面積大大增加干燥的有效面積大大增加。同時(shí)，由于氣 速較高，一般達(dá)20 m/s40m/s，空氣渦流的高速攪動(dòng)，使 汽化表面不斷更新，減小了傳熱和傳質(zhì)的阻力，因此，干 燥的傳熱、傳質(zhì)過程強(qiáng)度較大。例如，旋風(fēng)式氣流干燥器 的干燥強(qiáng)度可達(dá)2.69kg水(m2h)。如果以單位體積干燥 管內(nèi)的傳熱來(lái)考慮干燥速率，