结晶分离

• 溶质浓度大于饱和浓度时，有晶体析出。
水晶
结晶包括三个过程：
• （1）形成过饱和溶液； • （2）晶核形成； • （3）晶体生长
c
不稳定区
△
超溶解度曲线
溶解度曲线
Cmax
介稳区 稳定区
O △
Tmax
T
• 在稳定区内，不发生结晶现象。 • 在不稳定区内，结晶能自发进行。 • 在介稳区内，结晶不能自动进行，但加入 晶种后，晶种会生长。
• 影响整个结晶过程 的因素有很多：溶 液的过饱和度、杂 质的存在、搅拌速 度以及各种物理场 等
二、结晶分离设备
• 结晶器是结晶分离的关键设备； • 溶液结晶装置：MSMPR结晶器、DTB型结晶器 等 • 工业熔融结晶装置：Brodie结晶提纯器、KCP结 晶装置、Philips结晶装置等
结晶器
（二）反应结晶法
• 传统的结晶方法； • 借助于化学反应产生难溶或者不溶固相物质的过 程。 • 作用机理还不清楚。
（三）蒸馏-结晶耦合法
• 能够有效地解决易结晶物质在分 离过程中晶体析出而堵塞装置系 统的问题，而且可以提高产品的 纯度，加大传质推动力，强化蒸 馏过程。
（四）氧化还原-结晶液膜法
由于初级成核速率随过饱和度的加大而增长迅速，其晶核 的生成量不可能恰好适应需要，故所得晶体的粒度分布范 围往往很宽。
• 加有晶种而迅速冷却
• 加有晶种而缓慢冷却
• 这种“控制结晶”操作方 法能够产生预定粒度的、 合乎质量要求的均匀晶体。 • 目前许多工业规模的分批 结晶操作即采用这种方式。
传统的晶体制备方法
• 结晶分离方法 • 影响结晶的因素
结晶分离方法
• • • • • • • （一）冷却剂直接接触冷却结晶法 （二）反应结晶法 （三）蒸馏-结晶耦合法 （四）氧化还原-结晶液膜法 （五）萃取结晶法 （六）超临界流体结晶法 （七）磁处理结晶法
（一）冷却剂直接接触冷却结晶法
• 特点：节能、无需设置换热面、不会引起结疤、 不会导致晶体破碎等 • 齐涛等研究了冷却剂酒精在高黏度高浓度的蔗糖 水溶液中直接接触气化的传热过程。 • 正在开发中。
• （1）数目难以准确控制； • （2）晶种外观差，尺寸分布 范围很大；
溶剂超声波成核法
• 通过Hale Waihona Puke Baidu溶液中加入成核溶剂降 低溶质的溶解度、溶液的黏度 和界面张力，间接提高过饱和 度，并利用超声波的分散效应 和空化效应加速溶质分子直间 的碰撞，促进成核。
二、结晶分离技术
• 近年来发展迅速，传统的结 晶方法进一步得到了完善与 发展，新型结晶技术也正在 工业上得到应用或推广。
结晶分离
制药工程系 李慧敏
一、晶体的概念与性质
• 晶体——许多性质相同的粒子在三维空间 有规律地排列成一定形状的固体物质
氯化钠晶体
水晶
显微镜下阿司匹林的结晶
锆石晶体
一、结晶分离基本原理
• • • • （一）溶解度 （二）过饱和 （三）结晶 （四）结晶控制
（一）溶解度
• 固体物质的溶解度是指在一定的温度下，某 物质在100克溶剂里达到饱和状态时所溶解 的克数,用字母s表示，其单位是“g/100g 水”。在未注明的情况下，通常溶解度指的 是物质在水里的溶解度。
（七）磁处理结晶法
• 磁化分离是利用元素或组分 磁敏感性的差异，借助外磁 场将物质进行磁场处理，从 而达到强化分离过程的一种 新兴技术。
• 磁处理可以对溶液的结 晶动力学产生影响，随 着磁化条件的改变，能 够显著的改变晶核生长 速率和晶体生长速率。
影响结晶的因素
• 溶质从溶液中结晶出来要经历两个步 骤： • （1）晶核生成-在过饱和溶液中生成 一定数量的晶核； • （2）晶体生长-在晶核的基础上成长 为晶体
不加晶种而迅速冷却
此时溶液的状态很 快穿过介稳区 而达到超溶解度曲 线，产生曲线 上的某一点，出现 初级成核现象， 溶液中有大量微小 的晶核骤然产 生出来，属于无控 制结晶。
不加晶种而缓慢 冷却的情形
• 此时溶液的状态也会穿 过介稳区而达到超溶解 度曲线，产生较多的晶 核，过饱和度因成核而 有所消耗后，溶液的状 态当即离开超溶解度曲 线，不再有晶核生成。 由于晶体生长，过饱和 度迅速降低。 • 此法对结晶过程的控制 作用有限。
（四）结晶控制
• 加晶种的控制结晶：在分批操作的结晶过程中， 为了控制晶体的生长，获得粒度均匀的晶体产品， 必须尽一切可能防止多余的晶核生成，小心地将 溶液的过饱和度控制在介稳区内，使不出现初级 成核现象。 • 在整个结晶过程中，加入晶种并精确控制溶液的 温度或浓度，这种方式的操作称为“加晶种的控 制结晶”
饱和溶液
• 将溶剂加入容器中，再加入大量的溶质， 然后将此溶液置于恒温水浴中恒温搅拌 3h以上，再在水浴中静置1d，容器底部 的溶质晶体证明与之相接触的液体为此 条件下的饱和溶液。
溶解度
• 在一定的条件下，任何一种物质溶解在 某溶剂中，都有一个最大限度，这个限 度就是溶解度，也称为饱和浓度。
（二）过饱和
三效蒸发结晶器
• 降膜结晶是一种新型高 效的分离提纯技术，广 泛应用于沸点接近的有 机同系物、同分异构体 的精制以及大量热敏物 质的分离提纯，以制备 高纯度及超高纯度产品。
• 超溶解度：是指溶液能够自发产生晶核的 浓度。
过饱和溶液
• 将饱和溶液倒入结晶器中，在结晶器的夹套中通 以恒温恒速冷却水，打开激光器照射待测溶液，， 当发现溶液中出现白色浑浊，且有大量闪烁时， 此温度即为超溶解点，此时的溶液称为过饱和溶 液。 • 饱和温度与此时测得的温度之差即为介稳区宽度。
（三）结晶
• 液膜分离技术是利用模拟生物膜的选择透过性 特点来实现分离作用的，具有快速、专一而且 条件温和等优点，特别适合于低浓度物质的富 集和回收。 • 多个工序一体化，节能降耗。
（五）萃取结晶法
• 分离沸点、挥发度等物性相近组分的有效 方法以及无机盐生产过程中节能的方法。
（六）超临界流体结晶法
• 超临界流体结晶是在高度湍流 的超临界流体中溶剂和超临界 流体快速混合，二氧化碳的溶 解使有机溶剂发生膨胀、内聚 能降低，溶解能力下降，从而 使药物的过饱和度增加，促进 药物晶体的形成。