生物工程下游技術(shù)結(jié)晶

1、Chapter 9Chapter 9結(jié)結(jié) 晶晶CrystallizationCrystallizationu9.1概述u9.2結(jié)晶的原理u9.3結(jié)晶的步驟與操作u9.4結(jié)晶的類型u9.5結(jié)晶的應(yīng)用9.1 概述概述9.1.1結(jié)晶的概念結(jié)晶的概念u溶液中的溶質(zhì)在一定條件下，因分子有規(guī)則的排列而結(jié)合成晶體，晶體的化學(xué)成分均一，具有各種對(duì)稱的晶體，其特征為離子和分子在空間晶格的結(jié)點(diǎn)上呈規(guī)則的排列u固體有結(jié)晶和無定形兩種狀態(tài)u結(jié)晶：析出速度慢，溶質(zhì)分子有足夠時(shí)間進(jìn)行排列，粒子排列有規(guī)則u無定形固體：析出速度快，粒子排列無規(guī)則-沉析9.1.2 結(jié)晶操作的特點(diǎn)結(jié)晶操作的特點(diǎn)u只有同類分子或離子才能排列成晶體

2、，因此結(jié)晶過程有良好的選擇性。u通過結(jié)晶，溶液中大部分的雜質(zhì)會(huì)留在母液中，再通過過濾、洗滌，可以得到純度較高的晶體。u結(jié)晶過程具有成本低、設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便，廣泛應(yīng)用于氨基酸、有機(jī)酸、抗生素、維生素、核酸等產(chǎn)品的精制。溶液的飽和度與過飽和度溶液的飽和度與過飽和度u將一種溶質(zhì)放入一種溶劑中，由于分子的熱運(yùn)動(dòng)，必然發(fā)生兩個(gè)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。在一定的溫度和壓力下，當(dāng)兩擴(kuò)散過程達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，達(dá)飽和溶液，溶質(zhì)的溶解度(solubility)最大，稱飽和濃度(saturated concentration) u飽和溶液：當(dāng)

3、溶液中溶質(zhì)濃度等于該溶質(zhì)在同等條件下的飽和溶解度時(shí)，該溶液稱為飽和溶液；u過飽和溶液：溶質(zhì)濃度超過飽和溶解度時(shí)，該溶液稱之為過飽和溶液；u溶質(zhì)只有在過飽和溶液中才能析出；u溶質(zhì)溶解度與溫度、溶質(zhì)分散度（晶體大?。┯嘘P(guān)。9.2 結(jié)晶的原理結(jié)晶的原理 溫度與溶解度的關(guān)系溫度與溶解度的關(guān)系u由于物質(zhì)在溶解時(shí)要吸收熱量、結(jié)晶時(shí)要放出結(jié)晶熱。因此，結(jié)晶也是一個(gè)質(zhì)量與能量的傳遞過程，它與體系溫度的關(guān)系十分密切。u溶解度與溫度的關(guān)系可以用飽和曲線和過飽和曲線表示飽和曲線和過飽和曲線飽和曲線和過飽和曲線穩(wěn)定區(qū)和亞穩(wěn)定區(qū)穩(wěn)定區(qū)和亞穩(wěn)定區(qū)u在溫度-溶解度關(guān)系圖中，SS曲線下方為穩(wěn)定區(qū)，在該區(qū)域任意一點(diǎn)溶液均是穩(wěn)定

4、的；u而在SS曲線和TT曲線之間的區(qū)域?yàn)閬喎€(wěn)定區(qū)，此刻如不采取一定的手段（如加入晶核），溶液可長時(shí)間保持穩(wěn)定；u加入晶核后，溶質(zhì)在晶核周圍聚集、排列，溶質(zhì)濃度降低，并降至SS線；u介于飽和溶解度曲線和過飽和溶解度曲線之間的區(qū)域，可以進(jìn)一步劃分刺激結(jié)晶區(qū)和養(yǎng)晶區(qū)不穩(wěn)定區(qū)不穩(wěn)定區(qū)u在TT曲線的上半部的區(qū)域稱為不穩(wěn)定區(qū)，在該區(qū)域任意一點(diǎn)溶液均能自發(fā)形成結(jié)晶，溶液中溶質(zhì)濃度迅速降低至SS線（飽和）；u晶體生長速度快，晶體尚未長大，溶質(zhì)濃度便降至飽和溶解度，此時(shí)已形成大量的細(xì)小結(jié)晶，晶體質(zhì)量差；u因此，工業(yè)生產(chǎn)中通常采用加入晶種，并將溶質(zhì)濃度控制在養(yǎng)晶區(qū)，以利于大而整齊的晶體形成。結(jié)晶過程的實(shí)質(zhì)結(jié)晶過程

5、的實(shí)質(zhì)u結(jié)晶是指溶質(zhì)自動(dòng)從過飽和溶液中析出，形成新相的過程。u這一過程不僅包括溶質(zhì)分子凝聚成固體，還包括這些分子有規(guī)律地排列在一定晶格中，這一過程與表面分子化學(xué)鍵力變化有關(guān)；u因此，結(jié)晶過程是一個(gè)表面化學(xué)反應(yīng)過程表面化學(xué)反應(yīng)過程。晶體的形成晶體的形成u形成新相（固體）需要一定的表面自由能。因此，溶液濃度達(dá)到飽和溶解度時(shí)，晶體尚不能析出，只有當(dāng)溶質(zhì)濃度超過飽和溶解度后，才可能有晶體析出。u首先形成晶核，由Kelvin公式，微小的晶核具有較大的溶解度。實(shí)質(zhì)上，在飽和溶液中，晶核是處于一種形成溶解再形成的動(dòng)態(tài)平衡之中，只有達(dá)到一定的過飽和度以后，晶核才能夠穩(wěn)定存在。影響溶液過飽和度的因素影響溶液過飽

6、和度的因素u飽和曲線是固定的u不飽和曲線受攪拌、攪拌強(qiáng)度、晶種、晶種大小和多少、冷卻速度的快慢等因素的影響結(jié)晶與溶解度之間的關(guān)系結(jié)晶與溶解度之間的關(guān)系u晶體產(chǎn)量取決于溶液與固體之間的溶解析出平衡；u固體溶質(zhì)加入未飽和溶液溶解；u固體溶質(zhì)加入飽和溶液平衡（Vs=Vd）u固體溶質(zhì)加入過飽和溶液晶體析出凱爾文凱爾文（Kelvin）公式公式)11(2ln1212rrRTMccC2-小晶體的溶解度； C1-普通晶體的溶解度-晶體與溶液間的表面張力；-晶體密度2-小晶體的半徑； 1-普通晶體半徑 R-氣體常數(shù)； T-絕對(duì)溫度9.3 結(jié)晶的步驟與操作結(jié)晶的步驟與操作u過飽和溶液的形成u晶核的形成u晶體生長u

7、其中，溶液達(dá)到過飽和狀態(tài)是結(jié)晶的前提；過飽和度是結(jié)晶的推動(dòng)力。9.3.1 結(jié)晶的步驟結(jié)晶的步驟u熱飽和溶液冷卻（等溶劑結(jié)晶）適用于溶解度隨溫度升高而增加的體系；同時(shí)，溶解度隨溫度變化的幅度要適中；自然冷卻、間壁冷卻（冷卻劑與溶液隔開）、直接接觸冷卻（在溶液中通入冷卻劑）9.3.2 結(jié)晶的操作結(jié)晶的操作 1)過飽和溶液的形成過飽和溶液的形成 u部分溶劑蒸發(fā)法（等溫結(jié)晶法）適用于溶解度隨溫度降低變化不大的體系，或隨溫度升高溶解度降低的體系；加壓、減壓或常壓蒸餾u真空蒸發(fā)冷卻法使溶劑在真空下迅速蒸發(fā)，并結(jié)合絕熱冷卻，是結(jié)合冷卻和部分溶劑蒸發(fā)兩種方法的一種結(jié)晶方法。設(shè)備簡(jiǎn)單、操作穩(wěn)定u化學(xué)反應(yīng)結(jié)晶加入

8、反應(yīng)劑產(chǎn)生新物質(zhì)，當(dāng)該新物質(zhì)的溶解度超過飽和溶解度時(shí)，即有晶體析出；其方法的實(shí)質(zhì)是利用化學(xué)反應(yīng)，對(duì)待結(jié)晶的物質(zhì)進(jìn)行修飾，一方面可以調(diào)節(jié)其溶解特性，同時(shí)也可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)；鹽析法鹽析法u常用的沉淀劑：固體氯化鈉、甲醇、乙醇、丙酮 2) 晶核的形成晶核的形成u(1) 初級(jí)成核:過飽和溶液中的自發(fā)成核現(xiàn)象 a 均相成核：沒有外來表面的均相溶液中 b 非均相成核：外來表面的溶液中u(2) 二次成核：向介穩(wěn)態(tài)過飽和溶液中加入晶種，會(huì)有新晶核產(chǎn)生 機(jī)理: 附著在晶體表面的微小晶體受到剪切作用， 或碰撞而脫離晶體，形成新的晶核。u晶核的形成是一個(gè)新相產(chǎn)生的過程，需要消耗一定的能量才能形成固液界面；u結(jié)晶過

9、程中，體系總的自由能變化分為兩部分，即：表面過剩吉布斯自由能（Gs）和體積過剩吉布斯自由能（ Gv）u晶核的形成必須滿足：G= Gs+ Gv0，阻礙晶核形成； Gv0臨界半徑與成核功臨界半徑與成核功u假定晶核形狀為球形，半徑為r，則Gv=4/3(r3 Gv)；若以代表液固界面的表面張力，則Gs= A=4 r2 ；u因此，在恒溫、恒壓條件下，形成一個(gè)半徑為r的晶核，其總吉布斯自由能的變化為：G=4 r2(+(r/3) Gv)Gv形成單位體積晶體的吉布斯自由能變化臨界半徑（臨界半徑（rc）u臨界晶核半徑是指G為最大值時(shí)的晶核半徑；ur0，晶核不能自動(dòng)形成；urrc 時(shí)， Gv占優(yōu)勢(shì)，故G0，晶核可

10、以自動(dòng)形成，并可以穩(wěn)定生長；臨界成核功（臨界成核功（ G max）uG max相當(dāng)于形成臨界大小晶核時(shí)，外界需消耗的功。sGG31max臨界成核功僅相當(dāng)于形成臨界半徑晶核時(shí)表面吉布斯自由能的1/3，亦即形成晶核時(shí)增加的G s中有2/3為G v的降低所抵消晶核的成核速度晶核的成核速度u定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)在單位體積溶液中生成新核的數(shù)目。u是決定結(jié)晶產(chǎn)品粒度分布的首要?jiǎng)恿W(xué)因素；u成核速度大：導(dǎo)致細(xì)小晶體生成u因此，需要避免過量晶核的產(chǎn)生成核速度的近似公式成核速度的近似公式RTGkeB/maxB成核速度Gmax成核時(shí)臨界吉布斯自由能K常數(shù)nncckB)(Kn晶核形成速度常數(shù)c溶液中溶質(zhì)的濃度C*飽和溶

11、液中溶質(zhì)的濃度n成核過程中的動(dòng)力學(xué)指數(shù)常用的工業(yè)起晶方法常用的工業(yè)起晶方法u自然起晶法：溶劑蒸發(fā)進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)形成晶核、當(dāng)產(chǎn)生一定量的晶種后，加入稀溶液使溶液濃度降至亞穩(wěn)定區(qū)，新的晶種不再產(chǎn)生，溶質(zhì)在晶種表面生長。u刺激起晶法：將溶液蒸發(fā)至亞穩(wěn)定區(qū)后，冷卻，進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)，形成一定量的晶核，此時(shí)溶液的濃度會(huì)有所降低，進(jìn)入并穩(wěn)定在亞穩(wěn)定的養(yǎng)晶區(qū)使晶體生長。u晶種起晶法：將溶液蒸發(fā)后冷卻至亞穩(wěn)定區(qū)的較低濃度，加入一定量和一定大小的晶種，使溶質(zhì)在晶種表面生長。u該方法容易控制、所得晶體形狀大小均較理想，是一種常用的工業(yè)起晶方法。晶種控制晶種控制u晶種起晶法中采用的晶種直徑通常小于0.1mm；晶種加入量由

12、實(shí)際的溶質(zhì)附著量以及晶種和產(chǎn)品尺寸決定)/(33pspsLLWW Ws，Wp晶種和產(chǎn)品的質(zhì)量，kgLs，Lp晶種和產(chǎn)品的尺寸，mm3) 晶體的生長晶體的生長u是以濃度差推動(dòng)力的擴(kuò)散傳質(zhì)和晶體表面反應(yīng)（晶格排列）的兩步串連過程u晶體生長的擴(kuò)散學(xué)說（1）溶質(zhì)通過擴(kuò)散作用穿過靠近晶體表面的一個(gè)滯流層，從溶液中轉(zhuǎn)移到晶體的表面；（2）到達(dá)晶體表面的溶質(zhì)長入晶面，使晶體增大，同時(shí)放出結(jié)晶熱；（3）結(jié)晶熱傳遞回到溶液中；u根據(jù)以上擴(kuò)散學(xué)說，溶質(zhì)依靠分子擴(kuò)散作用，穿過晶體表面的滯留層，到達(dá)晶體表面；此時(shí)擴(kuò)散的推動(dòng)力是液相主體的濃度與晶體表面濃度差；u而第二步溶質(zhì)長入晶面，則是表面化學(xué)反應(yīng)過程，此時(shí)反應(yīng)的推動(dòng)

13、力是晶體表面濃度與飽和濃度的差值晶體生長的擴(kuò)散學(xué)說及速度晶體生長的擴(kuò)散學(xué)說及速度擴(kuò)散方程擴(kuò)散方程)(idccAkdtdm)(*ccAkdtdmir擴(kuò)散過程表面反應(yīng)過程dtdm 質(zhì)量傳遞速度Kd擴(kuò)散傳質(zhì)系數(shù)Kr表面反應(yīng)速度常數(shù)C，Ci，C*分別為溶液主體濃度、溶液界面濃度、溶液飽和濃度u將以上二式合并，可以得到總的質(zhì)量傳遞速度方程：*)(ccKAdtdmrdkkK111其中u當(dāng)Kr很大時(shí)，K近似等于Kd，結(jié)晶過程由擴(kuò)散速度控制；u反之Kd很大，K近似等于Kr，結(jié)晶過程由表面反應(yīng)速度控制；u為了簡(jiǎn)化方程的應(yīng)用，可以假定晶體在各個(gè)方向的生長速率相同，這樣就可以任意選擇某一方向矢量的變化，來衡量晶體體

14、積的變化，公式就可以簡(jiǎn)化為：Aml/6影響晶體生長速度的因素影響晶體生長速度的因素u雜質(zhì)：改變晶體和溶液之間界面的滯留層特性，影響溶質(zhì)長入晶體、改變晶體外形、因雜質(zhì)吸附導(dǎo)致的晶體生長緩慢；u攪拌：加速晶體生長、加速晶核的生成；u溫度：促進(jìn)表面化學(xué)反應(yīng)速度的提高，增加結(jié)晶速度；晶體純度計(jì)算晶體純度計(jì)算ipEE /分離因素Ep結(jié)晶因素，晶體中P的量與其在濾液中的量的比值Ei結(jié)晶因素，晶體中雜質(zhì)的量與其在濾液中的量的比值晶體大小分布晶體大小分布u晶體群體密度u結(jié)晶過程中產(chǎn)生的晶體大小不是均一的。因此，需要引入群體密度的概念來加以描述：dldNlNnl0limN單位體積中含有尺寸從0l的各種大小晶體的

15、數(shù)目；連續(xù)結(jié)晶過程的晶群密度分布連續(xù)結(jié)晶過程的晶群密度分布u是分析連續(xù)結(jié)晶器操作過程的最佳近似法)exp(0VGQlnnrn晶群密度no l趨近于0時(shí)的晶群密度Q晶漿流出速率V結(jié)晶器有效裝液容積晶體大小晶體大小QVGlrD/3Q晶漿流出速率V結(jié)晶器有效裝液容積Gr晶體生長速度提高晶體質(zhì)量的方法提高晶體質(zhì)量的方法u晶體質(zhì)量包括三個(gè)方面的內(nèi)容：晶體大小、形狀和純度u影響晶體大小的因素：溫度、晶核質(zhì)量、攪拌等u影響晶體形狀的因素：改變過飽和度、改變?nèi)軇w系、雜質(zhì)u影響晶體純度的因素：母液中的雜質(zhì)、結(jié)晶速度、晶體粒度及粒度分布晶體結(jié)塊晶體結(jié)塊u晶體結(jié)塊是一種導(dǎo)致結(jié)晶產(chǎn)品品質(zhì)劣化的現(xiàn)象，導(dǎo)致晶體結(jié)塊的主

16、要原因有：（1）結(jié)晶理論：由于某些原因造成晶體表面溶解并重結(jié)晶，使晶粒之間在接觸點(diǎn)上形成固體晶橋，呈現(xiàn)結(jié)塊現(xiàn)象；（2）毛細(xì)管吸附理論：由于晶體間或晶體內(nèi)的毛細(xì)管結(jié)構(gòu)，水分在晶體內(nèi)擴(kuò)散，導(dǎo)致部分晶體的溶解和移動(dòng)，為晶粒間晶橋的形成提供飽和溶液，導(dǎo)致晶體結(jié)塊。重結(jié)晶重結(jié)晶u經(jīng)過一次粗結(jié)晶后，得到的晶體通常會(huì)含有一定量的雜質(zhì)。此時(shí)工業(yè)上常常需要采用重結(jié)晶的方式進(jìn)行精制。u重結(jié)晶是利用雜質(zhì)和結(jié)晶物質(zhì)在不同溶劑和不同溫度下的溶解度不同，將晶體用合適的溶劑再次結(jié)晶，以獲得高純度的晶體的操作。重結(jié)晶的操作過程重結(jié)晶的操作過程u選擇合適的溶劑；u將經(jīng)過粗結(jié)晶的物質(zhì)加入少量的熱溶劑中，并使之溶解；u冷卻使之再次

17、結(jié)晶；u分離母液；u洗滌；結(jié)晶過程的預(yù)測(cè)與改善u產(chǎn)率：提高起始濃度，降低溶解度,u提高純度u 雜質(zhì)的存在原因： a 母液帶入; b 雜質(zhì)包埋; c 單晶中包含母液; d 雜質(zhì)取代晶格分子u晶習(xí)： 一定環(huán)境中，結(jié)晶的外部形態(tài)。u晶體大小分布：改變成核和生長速度，控制過飽和度進(jìn)程u過濾速度：大晶體與窄的粒徑分布過濾效果好u結(jié)垢：晶體沉積在容器中進(jìn)行u多晶形現(xiàn)象9.4 結(jié)晶的類型u分類方法u分批結(jié)晶 步驟： (1) 結(jié)晶器的清潔 (2) 加料到結(jié)晶器中 (3) 產(chǎn)生過飽和度 (4) 成核與晶體生長 (5) 晶體的排除 優(yōu)點(diǎn)：a生產(chǎn)出指定純度，粒度分布及晶形的產(chǎn)品 缺點(diǎn)： 成本高， 操作和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定

18、性差。連續(xù)結(jié)晶u特點(diǎn)：u(1) 較好地使用勞動(dòng)力u(2) 設(shè)備壽命長u(3) 多變的生產(chǎn)能力u(4) 晶體粒度及分布可控u(5) 較好的冷卻與加熱裝置u(6) 產(chǎn)品穩(wěn)定并使損耗減少到最小結(jié)晶的應(yīng)用結(jié)晶的應(yīng)用u抗生素：抗生素：青霉素青霉素G鈉鹽和青鈉鹽和青霉素霉素G的普魯卡因鹽，脫致敏的普魯卡因鹽，脫致敏原的過程不能少。原的過程不能少。u氨基酸：氨基酸：味精等。味精等。結(jié)晶的應(yīng)用結(jié)晶的應(yīng)用u青霉素青霉素G的澄清發(fā)酵液的澄清發(fā)酵液pH=3.0）經(jīng)乙酸丁酯萃取、水溶液（）經(jīng)乙酸丁酯萃取、水溶液（pH值值約為約為7.0）反萃取和乙酸乙酯萃取后，向丁酯萃取液中加入醋酸鉀）反萃取和乙酸乙酯萃取后，向丁酯萃取液中加入醋酸鉀的乙醇溶液，即生成青霉素的乙醇溶液，即生成青霉素G鉀鹽。因青霉素鉀鹽。因青霉素G鉀鹽在乙酸丁酯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?？刂七m當(dāng)?shù)牟僮髦腥芙舛群苄?，故從乙酸丁酯溶液中結(jié)晶析出?？刂七m當(dāng)?shù)牟?/p>