單元三1第二講沉淀技術(shù)和結(jié)晶技術(shù)

筆記要點(diǎn)：1、有機(jī)溶劑沉淀法的方法原理2、等電點(diǎn)沉淀法的方法原理3、結(jié)晶的概念和基本原理4、飽和溶液與過(guò)飽和溶液的特點(diǎn)5、飽和曲線與過(guò)飽和曲線圖的含義二、有機(jī)溶劑沉淀法1、概念

在含有溶質(zhì)的水溶液中加入一定量親水的有機(jī)溶劑，降低溶質(zhì)的溶解度，使其沉淀析出。如：酶、蛋白質(zhì)、核酸、多糖類生化物質(zhì)的水溶液中加入乙醇、丙酮等水溶性的有機(jī)溶劑，它們的溶解度會(huì)顯著降低，從溶液中沉淀出來(lái)。2、原理：（1）、加入有機(jī)溶劑使水溶液的介電常數(shù)減小，增加了兩個(gè)相反電荷基團(tuán)之間的吸引力。如酶、蛋白質(zhì)、核酸等帶電粒子之間的作用力，促進(jìn)了蛋白質(zhì)分子的聚集和沉淀。（2）、使水的極性減小，使兩性電解質(zhì)在溶液中的溶解度降低。（3）、易于聚集形成沉淀使蛋白質(zhì)分子的溶劑化能力降低，有機(jī)溶劑的水合作用，降低了自由水的濃度，降低了親水溶質(zhì)表面水化層的厚度，降低了親水性，導(dǎo)致脫水凝聚。有機(jī)溶劑引起蛋白質(zhì)沉淀的另一種解釋認(rèn)為與鹽析相似，有機(jī)溶劑與蛋白質(zhì)爭(zhēng)奪水化水，致使蛋白質(zhì)脫除水化膜。3、常用的有機(jī)溶劑乙醇：沉析作用強(qiáng)，揮發(fā)性適中，無(wú)毒，廣泛應(yīng)用于藥品生產(chǎn)中，如蛋白質(zhì)、核酸、多糖等生物大分子的沉析；丙酮：介電常數(shù)小，沉淀能力強(qiáng)，用量省，但毒性大，應(yīng)用范圍不廣；異丙醇、氯仿等。

溶劑選擇原則：介電常數(shù)小，沉淀作用強(qiáng)；不與蛋白質(zhì)反應(yīng)，對(duì)生物分子的變性作用?。欢拘孕?，揮發(fā)性適中；沉淀用溶劑一般需能與水無(wú)限混溶等。4、有機(jī)溶劑沉析的特點(diǎn)：（1）、操作必須在低溫下進(jìn)行，以減少蛋白質(zhì)的變性。有機(jī)溶劑須預(yù)先冷卻到-10℃∽-20℃；（2）、緩緩加入，防止溶液局部升溫。中性鹽會(huì)增加蛋白質(zhì)在有機(jī)溶液中的溶解度，溶液中中性鹽濃度越高，沉淀蛋白質(zhì)所需有機(jī)溶劑濃度也越大。（3）、分辨率高；溶劑容易分離，并可回收使用；產(chǎn)品潔凈；成本高。5、影響有機(jī)溶劑沉析的主要因素

三、等電點(diǎn)沉淀法1、概念

兩性生化物質(zhì)在等電點(diǎn)時(shí)，分子間排序電位降低，吸引力增大，相互聚集，發(fā)生沉淀。2、原理

蛋白質(zhì)是兩性電解質(zhì)，當(dāng)溶液pH值處于等電點(diǎn)時(shí)，分子表面凈電荷為0，雙電層和水化膜結(jié)構(gòu)被破壞，由于分子間引力，形成蛋白質(zhì)聚集體，產(chǎn)生沉淀。

由于在等電點(diǎn)附近，溶質(zhì)仍然有一定的溶解度，等電點(diǎn)沉淀法往往不能獲得高的回收率。分辨率較低、效果不理想，為了提高等電點(diǎn)法的沉淀能力，通常與鹽析、有機(jī)溶劑沉淀法聯(lián)合使用。

最大缺點(diǎn)：無(wú)機(jī)酸會(huì)引起較大的蛋白質(zhì)不可逆變性的危險(xiǎn)。沉淀技術(shù)的應(yīng)用一、利用蛋白質(zhì)沉淀大規(guī)模提純白蛋白與免疫球蛋白的工藝二、檸檬酸的生產(chǎn)（標(biāo)準(zhǔn)沉淀法回收檸檬酸）檸檬酸生物技術(shù)是工業(yè)和學(xué)術(shù)界都感興趣的領(lǐng)域，檸檬酸生產(chǎn)是發(fā)展工業(yè)生物技術(shù)并促使新老技術(shù)交接的驅(qū)動(dòng)力之一?！?結(jié)晶技術(shù)【學(xué)習(xí)目標(biāo)】

了解結(jié)晶的類型；

掌握結(jié)晶的基本原理；

理解結(jié)晶操作控制要點(diǎn)，能夠找出提高晶體質(zhì)量的方法;

熟悉典型生物物質(zhì)的結(jié)晶工藝。如：鹽和糖,世界的年生產(chǎn)能力超過(guò)1億噸;

如：硝酸銨、氯化鉀、尿素、磷酸胺等世界的年生產(chǎn)量超過(guò)了100萬(wàn)噸;在醫(yī)藥、染料、精細(xì)化工生產(chǎn)中,結(jié)晶態(tài)產(chǎn)品產(chǎn)量相對(duì)較低，但具有異常重要的地位以及高額的產(chǎn)值。在冶金工業(yè)、材料工業(yè)中,結(jié)晶亦是關(guān)鍵的單元操作。

在高新技術(shù)領(lǐng)域中,結(jié)晶操作的重要性與日俱增。例如生物技術(shù)中蛋白質(zhì)的制造，催化劑行業(yè)中超細(xì)晶體的生產(chǎn)以及新材料工業(yè)中超純物質(zhì)的凈化離不開(kāi)結(jié)晶技術(shù)?；?、味精、洗衣粉、速溶咖啡、青霉素、紅霉素等產(chǎn)品的生產(chǎn)一般都包含有結(jié)晶過(guò)程。經(jīng)過(guò)結(jié)晶后的產(chǎn)品,均有一定的外形,便于干燥、包裝、運(yùn)輸、貯存等。1、什么是結(jié)晶？

指物質(zhì)從液相(溶液或熔融體)或氣相（蒸氣）形成晶體的過(guò)程,是獲得純凈固態(tài)物質(zhì)的重要方法之一。相態(tài)變化過(guò)程。*：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。2、結(jié)晶形與無(wú)定形的區(qū)別（1）、構(gòu)成單位——原子、分子或離子的排列方式不同。結(jié)晶形物質(zhì)是三維有序規(guī)則排列的固體，而無(wú)定形物質(zhì)是無(wú)規(guī)則排列的物質(zhì)。（2）、晶體具有一定的溶化溫度(熔點(diǎn))和固定的幾何形狀，具有各向異性的現(xiàn)象，無(wú)定形物質(zhì)不具備。（3）、不同的環(huán)境條件和控制條件，可以得到不同形狀的晶體，甚至無(wú)定形物質(zhì)。（4）、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。無(wú)定形固體析出速度快，粒子排列無(wú)規(guī)則。3、結(jié)晶過(guò)程特點(diǎn)(1)、能從雜質(zhì)含量相當(dāng)多的溶液或多組分的熔融混合物中,分離出高純或超純的晶體。(2)、對(duì)于同分異構(gòu)體混合物，共沸物，熱敏性物系等難分離的混合物系，適用于結(jié)晶分離。

(3)、結(jié)晶與精餾、吸收相比，能耗低，可在較低溫度下進(jìn)行,對(duì)設(shè)備材質(zhì)要求較低，操作相對(duì)安全。一般無(wú)有毒或廢氣逸出,有利于環(huán)境保護(hù)。

(4)、結(jié)晶是多相、多組分的傳熱-傳質(zhì)過(guò)程，操作比較復(fù)雜,它涉及到表面反應(yīng)過(guò)程,尚有晶體粒度及粒度分布問(wèn)題，結(jié)晶過(guò)程和設(shè)備種類繁多。結(jié)晶的基本原理

結(jié)晶過(guò)程可分為溶液結(jié)晶、熔融結(jié)晶、升華和沉淀四類，溶液結(jié)晶和熔融結(jié)晶化學(xué)工業(yè)中最常采用的結(jié)晶技術(shù)。一、飽和與過(guò)飽和溶液的形成1、相平衡與溶解度

將一種可溶性固體溶質(zhì)放入到某恒溫溶劑中,由于分子的熱運(yùn)動(dòng),必然發(fā)生兩個(gè)過(guò)程。（1）、固體的溶解

溶質(zhì)分子擴(kuò)散進(jìn)入液體內(nèi)部；開(kāi)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，溶液為未飽和溶液。（2）、物質(zhì)的沉積

溶質(zhì)分子從液體中擴(kuò)散到固體表面進(jìn)行沉積。繼續(xù)添加固體，一定時(shí)間后，這兩種分子擴(kuò)散過(guò)程達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，即溶解作用和沉積作用達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

在給定溫度條件下,與一種特定溶質(zhì)達(dá)到平衡的溶液稱為該物質(zhì)的飽和溶液。

溶質(zhì)與其溶液間的這種相平衡關(guān)系,通常可用溶質(zhì)在溶劑中的溶解度來(lái)表示。表示在一定條件下,某種物質(zhì)在一定溶劑中可以溶解的最大數(shù)量,一般常用100g溶劑中所能溶解溶質(zhì)的量（克數(shù)）來(lái)表示。2、溶解度與溫度

物質(zhì)的溶解度與其化學(xué)性質(zhì)、溶劑的性質(zhì)及溫度有關(guān)。大多數(shù)物質(zhì)在一定溶劑中的溶解度主要隨溫度升高而顯著增大，隨壓力的變化很小。有一些物質(zhì)的溶解度隨溫度的變化不敏感，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。

溶解度數(shù)據(jù)可用溶解度對(duì)溫度所標(biāo)繪的曲線來(lái)表示，通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。

溶解度曲線有三種類型：

第一類曲線比較陡,表明物質(zhì)的溶解度隨溫度升高而明顯增大,如：KNO3、A12(SO4)3等；

第二類曲線比較平坦,表明溶解度受溫度的影響并不顯著,如：NaCl、KClO4等；

第三類溶解度曲線有折點(diǎn),表示物質(zhì)的組成有所改變,如Na2SO4在305.2K以下為含10個(gè)結(jié)晶水的鹽，曲線比較陡，305.2K時(shí)則轉(zhuǎn)變成了無(wú)水鹽,曲線轉(zhuǎn)變?yōu)榫徛陆怠?、溶液的過(guò)飽和與介穩(wěn)區(qū)

溶液飽和時(shí)溶質(zhì)不能析出，但溶質(zhì)濃度超過(guò)該條件下的溶解度時(shí),該溶液為“介穩(wěn)狀態(tài)”即過(guò)飽和溶液。遇到震動(dòng)、攪拌、摩擦、加晶種甚至落入塵埃，都可使過(guò)飽和狀態(tài)破壞立即析出結(jié)晶，直到溶液達(dá)到飽和狀態(tài)，結(jié)晶過(guò)程才停止。如果沒(méi)其他外界條件影響，過(guò)飽和溶液的濃度只有達(dá)到一定值時(shí)，會(huì)有溶質(zhì)析出,開(kāi)始形成新的固相,過(guò)飽和濃度和溫度的關(guān)系可用過(guò)飽和曲線描述。AB線為飽和曲線；CD線為過(guò)飽和曲線,與溶解度曲線大致平行。AB曲線以下的區(qū)域?yàn)榉€(wěn)定區(qū)，溶液尚未達(dá)到飽和，沒(méi)有結(jié)晶的可能。AB曲線以上是過(guò)飽和區(qū)；AB線和CD線之間——介穩(wěn)區(qū)，不會(huì)自發(fā)地產(chǎn)生晶核,如果溶液中加入晶體,則能誘導(dǎo)結(jié)晶進(jìn)行（晶種）;CD線以上是不穩(wěn)區(qū)，自發(fā)地產(chǎn)生晶核。

初始狀態(tài)為E的潔凈溶液冷卻至F點(diǎn),溶液剛好達(dá)到飽和,但沒(méi)有結(jié)晶析出;當(dāng)由點(diǎn)F繼續(xù)冷卻至G點(diǎn),溶液經(jīng)過(guò)介穩(wěn)區(qū),雖已處于過(guò)飽和狀態(tài),但仍不能自發(fā)地產(chǎn)生晶核(不加晶種的情況下);當(dāng)冷卻超過(guò)G點(diǎn)進(jìn)入不穩(wěn)區(qū)后，溶液才能自發(fā)地產(chǎn)生晶核。

采用在恒溫條件下蒸發(fā)溶劑的方法,使溶液達(dá)到過(guò)飽和,如圖中EF`G`線?；虿捎美鋮s和蒸發(fā)溶劑相結(jié)合的方法使溶液達(dá)到過(guò)飽和,如圖中曲線EF``G``線。4、過(guò)飽和曲線與溶解度曲線

溶解度曲線是恒定的，過(guò)飽和曲線的位置是不固定的。對(duì)于一定的系統(tǒng)，位置至少與3個(gè)因素有關(guān)：（1）產(chǎn)生過(guò)飽和度的速率。冷卻或蒸發(fā)的速率越慢，晶種越??；（2）加晶種的情況；（3）機(jī)械攪拌的強(qiáng)度。

機(jī)械攪拌越激烈，則過(guò)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(guò)程和晶體的質(zhì)量都與溶液的過(guò)飽和度有關(guān)，溶液的過(guò)飽和程度可用過(guò)飽和度S(％)來(lái)表示，即：

S=c/c`*100％

在結(jié)晶過(guò)程中,若將溶液的狀態(tài)控制在介穩(wěn)區(qū)內(nèi)且過(guò)飽和度較低,則需經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的時(shí)間才能有少量的晶核產(chǎn)生,此時(shí),需要加入晶種方可得到粒度大而均勻的結(jié)晶產(chǎn)品；將溶液狀態(tài)控制在不穩(wěn)區(qū)內(nèi)且過(guò)飽和度較高，將有大量的晶核產(chǎn)生,可得到粒度很小的結(jié)晶產(chǎn)品。在實(shí)際生產(chǎn)中,結(jié)晶操作控制在哪個(gè)區(qū)域里，應(yīng)由工藝要求來(lái)決定。5、過(guò)飽和溶液的制備(1)、將熱飽和溶液冷卻。適用于溶解度隨溫度降低而顯著減小的場(chǎng)合，如硝酸鉀、硝酸鈉、硫酸鎂等溶液。(2)