生物分离工程 第10章结晶与结晶设备

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9、共存杂质的影响
（1）改变目标产物的溶解度，使在相同目标产物浓 度下的过饱和度改变，影响成核速率和生长速率； （2）杂质在目标产物结晶表面的吸附导致结晶体各 晶面生长速率的不同，从而改变结晶的晶习。 （3）如果杂质进入到晶体的晶格中，会影响目标产 物结晶的理化性质(如导电性，催化反应活性)以及生 物活性(如抗生素的药效)。
3、搅拌与混合 提高成核和生长速率 增大搅拌速度 造成晶体的剪切破碎 采用气提式混合方式，或利用直径或叶片较大 的搅拌桨，降低桨的转速。 4、溶剂与pH值 使目标溶质的溶解度较低，提高结晶的收率 对晶形有影响
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5、 晶种
两种情况： （1）通过蒸发或降温使溶液的过饱和度进入不隐 区，自发成核一定数量后，稀释溶液使过饱和度 降至介稳区。这部分晶核即成为结晶的晶种； （2）向处于介隐区的过饱和溶液中添加事先准备 好的颗粒均匀的晶种。√
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六.结晶操作的影响因素
工业上影响结晶的因素很多： 例如溶液的过饱和度、温度、粘 度、密度以及外部条件，如有无搅拌 等，特别是杂质对结晶过程的影响十 分显著。
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l、过饱和度 有利的一面： 不利的一面： （1）产生大量微小结晶难以 长大； （2）容易在晶体表面产生液 泡，影响结晶质量； （3）结晶器壁容易产生晶垢， 给结晶操作带来困难。
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四. 起晶方法
1.晶种起晶法：将溶液蒸发后冷却至亚稳定区 的较低浓度，加入一定数量和一定大小的晶 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。
• (1)晶种大小 晶种大小要小于0.1mm • (2)晶种量 加入的晶种量由由实际的溶质附着量以 及晶种和产品尺寸决定。
加热蒸发
岩白菜素(饱和液)
①降温 ②蒸发溶剂
溶液结晶
岩白菜素(晶体)
苯甲酸－萘(混熔物)
降温
苯甲酸(晶体)+ 混熔物
降温
硫(固体)
加热升华
硫(蒸气)
硫(结晶)
一.结晶目的
1.得到高纯度固体颗粒 晶体纯度一般在90%以上. 2.干燥时能耗低 溶液(含水50-80%)经结晶后,晶体含 水量只有50-80%. 3.便于保存和运输
二.晶体及其特性
1.晶体
固态物质有晶体(crystal)和非晶体(non-crystal)之分。而晶体是指固 态物质的内部质点(如：原子、分子、离子)在三维空间成周期性重复排列的
固体，且具有长程有序。
2.晶体的特性 由于晶体内部的质点在三维空间成周期性 重复排列，必然导致其有别于非晶体的一些性 质。 ①长程有序 所谓长程有序是指，晶体的内部质点(原 子、分子、离子)至少在微米级范围内是规则 排列。
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8、 结晶系统的晶垢——严重影响结晶过程效率
防止晶垢的产生或除去已产生的晶垢： （1）器壁内表面采用有机涂料，尽量保持壁面光滑； （2）提高结晶系统中各个部位的流体流速，并使流速 分布均匀，消除低流速区； （3）若外循环液体为过饱和溶液，应使其中含有悬浮 的晶种； （4）采用夹套保温方式防止壁面附近过饱和度过高； （5）增设晶垢铲除装置，或定期添加溶剂溶解产生的 晶垢； （6）蒸发结晶器的蒸发室壁面极易产生晶垢，可采用 喷淋溶剂的方式溶解晶垢。
在一定温度下，当溶解和结晶速率相等时(u溶解 = u结晶)，晶体的质量及 溶质的浓度不随时间的改变而改变，此时的溶液恰好处于饱和状态，此状态 就是固－液体系达到相平衡。 2.溶解度曲线 ①溶解度 在一定的温度下，固体物质在100g溶剂里达到饱和状态时，所能溶解的 克数(g/100g溶剂)。
②溶解度曲线 在一定压强下，以物质的溶解度对温度 作图，得到的曲线称为溶解度曲线。
金刚石及其晶体结构 石墨及其晶体结构
②均匀性 由于在晶体的微观结构上是由许多排列完全等同的基本单位重复出现而 形成的，必然导致晶体各部分的宏观性质是完全均匀一致的。
例如：晶体的密度等。
ClCs+ CsCl 晶胞
③各向异性 由于晶体中的内部质点在各个微观方向上的排列情况不同，必然导致其 在不同的方向上，物理性质有所差异。 例如：石墨晶体，其各层平行方向上的导 电率是各层垂直方向上的 104 倍。 又如：云母，晶体在不同方向上，其 导热性质不同。
控制杂质的含量的方法——增设除杂质设备
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第二节.工业结晶方法与设备
一.工业结晶方法
对于工业上的溶液结晶，按结晶过程中过饱和度形成的方式，可将其分 为不移出溶剂的结晶和移出部分溶剂的结晶两大类。 ⑴不移出溶剂的结晶 通过冷却使溶液获得过饱和度。冷却结晶法适用于溶业结晶方法与设备
第一节结晶原理
1.什么是结晶
所谓结晶是指，物质以晶体的型态从溶液、熔融混合物或蒸气中析出的 过程称为结晶(crystallization)，结晶是生物化工生产中，获得纯固态物
质的一种重要的分离方法，是传质分离过程的一种单元操作。
例如： 岩白菜素(溶液)
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6、晶浆浓度 有利的一面：
晶浆浓度越高，结晶生长速率越快，有利于提高 结晶生产速度 （即容时产量)。 不利的一面： 晶浆浓度过高时，悬浮液流动性差，混合操作困难。 晶浆浓度应在操作条件允许的范围内取最大值。
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7、提高循环流速 （1）有利于结晶成核速率及生长速率分布均匀； （2）可增大固液表面传质系数，提高结晶生长速率； （3）抑制换热器表面晶垢的生成； （4）会造成结晶的磨损破碎。 循环流速应在无结晶磨损破碎和保证结晶器 的分级功能的范围内取较大的值。
不稳区
1).晶体的形成过程
晶体的形成大体有三个阶段。
⑴介质达到过饱和状态 晶体从溶液中形成，不论是通过减少溶剂量还是通过降低温度，首先须 使其介质达到过饱和状态。 ⑵晶核的形成 当介质达到过饱和状态后，溶液中便产生细小晶粒（称为晶核）。晶核 的形成是晶体生长过程必不可少的核心。 ⑶晶体的生长 溶质在过饱和度推动力的作用下，向晶核运动，并在其表面有序堆积， 使晶核或晶种不断长大形成晶体。
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(2）常用结晶溶剂 • 单一溶剂：
• •
•
水（最常用，无机盐、有机酸、氨基酸等结晶）； 乙醇、甲醇、丙酮、氯仿、乙酸乙酯、异丙醇、 丁醇、乙醚、 N- 甲基甲酰胺、硫酸铵溶液、氯化 钠溶液及磷酸缓冲液等（用于蛋白质、酶、核酸 及一些小分子结晶）； 乙烷、乙醇、丙酮、四氯化碳、正丁醇、异丙醇、 苯等（用于油脂和脂肪酸的结晶）
不受外界扰 动和刺激
降 温 或 蒸 发
过 饱 和 溶 液
① 当达到一定的过饱和度后，就开始析出晶核;
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4.过饱和曲线与结晶 获得良好的晶体，应控制溶质浓度在 不饱和区上、过饱和区下
不稳区:产生结晶 稳定区:不会结晶 介稳区: 刺激起晶区 养晶区
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三个区域
稳定区 AB线以下的区域称为稳定区，此区 溶液不可能发生结晶。 溶液浓度大于超溶解度曲线值时，自 发产生晶核，此区称为不稳区. 应避 免自发成核，以保证产品粒度。 在第一介稳区，不会自发地产生晶核。 加入晶种，可使晶种齐整长大。 介稳区 第二介稳区，不自发产生晶核，加入 晶种，晶种可长大，同时产生新晶核 16
2)、晶体形成的条件
• 物质特性：形成晶体的先决条件。分 子越大越难结晶。许多盐类、尿素、 各种有机酸、单糖、核苷酸、氨基酸、 维生素、辅酶、双糖等。 • 溶质的纯度：越纯越易。多数蛋白质 和酶必须达到50％才能结晶 • 溶液饱和度：过饱和；溶质析出速度 与晶格形成速度一致时方能形成晶体。
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2)结晶溶液中溶剂的选择： (1）结晶溶剂选择原则 ① 不能与溶质有化学反应，不影响 生物分子活性 ② 有较高的温度系数 ③ 易于用溶解度差异或温度影响除 去杂质 ④ 其他考虑因素：操作要方便、安 全、回收及成本
X射线衍射图
⑥固定熔点 晶体具有固定熔点仪，非晶体无固定熔点。在 生产中常通过测量固态物质的熔程，检验晶体产品 的纯度。 问题： 什么是熔程？
BQJ-22Ⅲ自动熔点仪
三.结晶操作曲线及应用
1.相平衡 我们知道，对于固－液相混合物，溶解与结晶是两个相反的过程。 u结晶 溶液 u 晶体 溶解
液相 固相
提高成核速率 和生长速率
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2、温度 温度的不同，生成的晶形和结晶会发生改变,操 作温度一般控制在较小的温度范围内。 降温过快，溶液很快达到较高的过饱 和度，生成大量微小晶体，影响产品 质量。
冷却结晶
蒸发结晶
蒸发速度过快，则溶液的过饱度较大， 生成微小晶体，影响产品的质量。
工业结晶操作常采用真空绝热蒸发，不设加部循环 加热装置，蒸发室内温度较低，防止过饱和度的剧 32 烈变化。
3 过饱和曲线
几个概念
① 当溶液浓度正好等于溶质的溶解度时，即液固 达到平衡状态时，该溶液称为饱和溶液; ② 当溶液浓度低于溶质溶解度时，该溶液为不饱 和溶液; ③ 若溶液浓度大于溶解度，则形成过饱和溶液。
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过饱和线
超溶解度曲线有多条
溶解度曲线只有一条
图11.12 溶液的过饱和溶解度曲线
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完 全 纯 净 的 溶 液
•
• •
混合溶剂：
利用溶解度差异或沸点差异。 常用混合溶剂有：水－乙醇、水－丙酮、醇－醚、 石油醚－丙酮
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三、晶核形成及影响结晶因素
1.晶核形成
一次成核或同相结晶化：过饱和 溶液中自发形成。 二次成核或异相结晶化：外加晶 种诱发产生晶核。
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2.影响晶体形成的因素 1）温度 影响溶质或杂质溶解度 影响晶体形态 2）pH值：影响溶质溶解度 3）结晶时间：结晶时间长，晶体大， 纯度高 4）搅拌速度：过快易造成溶解、晶 体损坏。工业上选用5～15 r/m
例如：通过结晶得到的岩白菜素是白色疏松的针状结晶（干燥后会变成 粉末状晶体）。 又如：从天然材料中提取并通过结晶得到的
咖啡因是白色（丝光）六角棱柱状结晶（干燥后
会变成粉末状晶体）。
咖啡因晶体
⑤对X射线的衍射性 由于晶体具有对称性且长程有序，使得晶体 能对X射线发生衍射（X射线衍射法常用于测定晶
体结构）。
导电率低 导电率高
K0.5-1(Al、Fe、Mg)2(SiAl)4O10(OH)2·nH2O 云母的化学式
④对称性 由于晶体内部的微粒，在空间是按一定几何形
式进行有规律的排列，必然导致各种晶体都具有一 定的对称性。 在结晶操作中，我们常可依据晶体的形状及色
泽等外观粗略判断结晶产品的纯度。
NaCl晶体
2. 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。
3. 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。
滤液
热料液
降温
结晶
过滤
晶体
洗涤
干燥
产品
3.加沉淀剂结晶法 1）盐析结晶法 2）加有机溶剂法： 直接用有机溶剂沉淀：乙醇（最常用） 利用有机溶剂挥发性 3）等电点结晶法
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4.其他结晶法 1）结晶衍生物法： 将难以结晶物质转变为能结晶的衍生 物，然后用其他方法复原。如有机酸盐、 生物碱盐、 胺盐、汞－木瓜蛋白酶等。 2）重结晶法： 选用对结晶物难溶而对杂质易溶的溶剂 和条件，对粗结晶物进行再次结晶。
4. 结晶控制
五.结晶方式
1.蒸发结晶(蒸发浓缩法、真空蒸发 加热蒸发溶剂，使溶液由不饱和变为饱和，再继续蒸发溶剂，溶质就 呈晶体析出。分离提纯溶解度随温度变化相对较小的溶质。
溶剂 晶体
料液
蒸发
干燥
产品
2.降温结晶 加热溶液(同时蒸发溶剂)，使溶液由不饱和变为饱和，再降低饱和溶 液的温度，溶质则呈晶体析出。分离提纯溶解度随温度变化较大的溶质。
当溶剂的种类一定时，固体物质的溶解
能力除了由其本性所决定外，还与温度、压 强等外界因素有关。
在结晶操作中，溶解度及溶解度曲线是
我们分离多组分溶液的理论依据。
(3)溶解度曲线的特征决定了对结晶方法的选择 当溶解度随温度变化大时变温结晶分离。 当溶解度随温度变化不大时蒸发结晶分离。 不同温度下的溶解度数据计算结晶理论产量 的依据。
若结晶条件不同，则形成 晶体的大小、形状、甚至颜色等都可能不同。 • 慢速冷却或慢速蒸发结晶，粒子排列较为有 序。 一般可得到粗大的粒状晶体。 • 快速冷却或快速蒸发结晶，粒子排列无序， 易形成针状、薄片状晶体。 • 控制不同的结晶温度，有时可得不同颜色 （如黄色或红色的碘化汞晶体）。 • 少量杂质和人为添加物，也会导致晶体的明 显改变。