结晶分离

? 成核速度——单位时间内在单位体积溶液中生成的新晶核数目。
? 微小的晶核与正常晶体相比具有较大的溶解度，在饱和溶液中会溶解，只有达到一定过饱和度时晶核才能存在
成核的机制有三种：
（1）初级均相成核：溶液在较高过饱和度下
自发生成晶核的过程。
（2）初级非均相成核：溶液在外来物的诱导下生成晶核的过程，可在较低的过饱和度下发生。
（3）二次成核：含有晶体的溶液在晶体相互碰撞或晶体与搅拌器或器壁碰撞时所产生的微小晶体的诱导下发生的（生产较多采用）
工业起晶法
（1）自然起晶
这是一种古老的起晶方法。将溶液蒸发冷却至不稳定区域，即易变区时，晶核便形成析出。
自然起晶由于晶核的生成是逐步产生的，且受概率的影响，生成晶核的数量不容易控制，晶粒大小也很不一致。
影响晶体生长速度的因素
（1）过饱和度：过饱和度增高一般会使结晶速度增大，但同时粘度增加，结晶速度受阻。温度和浓度都直接影响到过饱和度；
（2）粘度：溶液粘度大，流动性差；由于晶体的顶角和棱边部位比晶面部位容易获得溶质，而出现晶体棱角长得快，晶面长得慢的现象，结果会使晶体长成特殊形状。
（3）密度：晶体周围的溶液密度较本体低，在重力场的作用下，溶液的局部密度差会造成溶液的涡流，容易使晶体处于溶质供应不均匀的条件下成长，结果使晶体长成歪晶。
晶体的生长
? 溶质质点（分子、原子、离子）在晶核上继续一层层排列上去而形成晶粒，并且使晶粒不断增大，此即晶体的成长。
? 晶体生长速度也是影响晶体产品粒度大小的一个重要因素
? 如果晶核形成速度大大超过晶体生长速度，则过饱和度主要用来生成新的晶核，因而得到细小的晶体，甚至无定形；如果晶体生长速度超过晶核形成速度，则得到粗大而均匀的晶体。
（6）杂质：对晶体生长有很大的影响，有的杂质能完全制止晶体的生长；有的则能促进生长。
晶体的纯度
? 假设目的产物为P，结晶因素Ep为晶体中P的含量与其在滤液中的量比值。对于杂质I，结晶因素EI为晶体中I的量与其在滤液中的量比值，而Ep与EI的比值称为分离因素β
β=Ep/EI
? 显然β越大，分离程度越好，产物纯度越高。
蔗糖结晶
? 工艺流程
? 以糖浆为原料所煮成的糖膏称为一号糖膏，经分蜜后得到的蔗糖晶体再经干燥后即为成品白砂
糖，而分离得到的糖蜜(一次母液）作为二号糖膏的原料进行第二次煮炼，以使糖蜜中的糖分得到进一步回收。
? 二号糖膏分蜜时得到的糖蜜 (二次母液）再进行第三次煮炼，煮成三号糖膏。
? 三号糖膏分蜜后得到的蔗糖晶体纯度较低，一般溶解后和糖浆混合用于煮制一号糖膏，也有少量作为赤砂糖出售
②蒸发结晶：
使溶液在加压、常压或减压下加热，蒸发除去部分溶剂达到过饱和溶液的结晶方法。这种方法主要适用于溶解度随温度的降低而变化不大的场合或溶解度随温度升高而降低的场合。
③ 化学反应结晶：
通过加入反应剂或调节pH值生成一种新的溶解度更低的物质，当其浓度超过它的过饱和溶解度时，就有结晶析出。
④ 解析法：
? 而分离得到的母液则力最后糖蜜，俗称废蜜，作为发酵原料和用于其他用途。
3.5 结晶后的操作
? 分离：结晶结束，晶体仍分散在溶液 (为区分结前的溶液，常称为母液)中，需经分离操作，才能获取晶体。
着少量母液。为了彻底排除晶粒表面残留的母
液，需对晶体加以洗涤。洗涤时离心机转速可比
简单重结晶——将晶体溶于少量的热溶剂中，然后冷却使之再结晶，分离母液和洗涤后获得更高纯 度的新晶体。若产品纯度要求高可以反复重结 晶，但这种方法收率往往比较低，大部分产物都 留在了母液中，因此母液需要再浓缩结晶。
（5）晶体结块：
一般来说均匀整齐的晶粒结块倾向小，而粒度不齐的大小晶粒容易结块；大气湿度、温度、压力及贮存时间对结块也有影响。空气湿度高、温度高、晶体受压、贮存时间长都会使得结块严重。因此结晶过程中应当控制晶体粒度，保持较窄的粒度分布及良好的晶体外形，生成的晶体贮存在干燥密封的容器中。
? 结晶产物的分析测定——通过光学显微镜、偏光显微镜观察、X-射线衍射法测定。
形成结晶的条件
（1）物质的特性（内因）
（2）样品的纯度
（3）溶液的饱和度： 在稍微过饱和状态，晶体形成速率略大于晶体溶解的速率，才能获得晶体
（4）溶剂的影响 ：溶剂不能与结晶物质反应，不能影响生物物质活性；应对结晶物质有较高的温度系数，以便利用温度变化进行结晶；对杂质有较高溶解度，或在不同温度下结晶物质与杂质有不同溶解度；安全、易回收。
（4）重结晶：
重结晶是利用杂质和目标物在不同溶剂和不同温度 下的溶解度不同，将晶体用合适的溶剂溶解，再 次结晶，从而提高纯度。重结晶的关键是选择合适的溶剂。原则如下：
溶质在某溶剂中的溶解度随温度升高而迅速增大， 冷却时析出大量的晶体；溶质易溶于某一溶剂而难溶于另一溶剂，若两溶剂 互溶，则需要通过实验确定两者在混合溶剂中所 占的比例。
结晶的形成机理
结晶包括三个过程：
? 过饱和溶液的形成；
? 晶核的形成；
? 晶体的生长。
溶液达到过饱和是结晶的前提，过饱和度是结晶的推动力。
过饱和溶液的形成
①冷却结晶：
将热饱和溶液冷却，直接降低溶液的温度，使达到过饱和状态，溶质结晶析出。冷却法适用于溶解度随温度降低而显著减小的场合。
（2）诱导晶核形成法
也称种晶法或晶核起晶法，在介稳区内实施。将溶液浓缩至介稳区 (如糖液浓缩至过饱和系数为1.10~1.15左右)时，投入一定大小和数量的晶体细粉作为晶种，溶液中过量的溶质便在加入的晶种表面上析出，最后得到预期大小的晶体。
优点：采用该法，晶粒数目和大小较容易控制，较易达到预期的要求。
（4）位置：在有足够自然空间的条件下，晶体的各晶面都将按生长规律自由地成长，获得有规则的几何外形；当晶体的某些晶面遇到其他晶体或器壁时，就会使这些晶体无法成长，形成歪晶。
（5）搅拌：搅拌是影响结晶粒度分布的重要因素；搅拌强度大易使二次成核增加，晶体粒度变细；温和而均匀的搅拌是获得粗颗粒结晶的重要条件。当扩散阻力成为控制因素时，加强搅拌会促进晶体的成长。
向溶液中加入某些物质，使溶质的溶解度降低，形成过饱和溶液而结晶析出。这些物质被称为抗溶剂或沉淀剂，它们可以是固体，也可以是液体或气体。常用固体氯化钠 、亲水的有机溶剂如甲醇、乙醇、丙酮等
晶核形成
? 晶核（crystal nucleus）——在过饱和溶液中最先析出的微小颗粒。晶核的大小通常在几个纳米到几十个纳米。
分离时慢些。
? 干燥与包装： 经过离心分离后，晶体中尚含有一定量的水分，不利于产品的储运，需经过干燥、过筛包装才成为产品。
3.6 提高晶体质量的方法
（1）晶体的大小 ：高的过饱和度有利于生成细小晶体 ；低温易得到细小晶体；搅拌速度较快有利于生成细小晶体；晶种的大小、形状和均匀度也会影响结晶晶体的大小。
?溶剂应对杂质有较大的溶解度，或在不同的温度下结晶物质与杂质在溶剂中应有溶解度的差别。?溶剂如果是容易挥发的有机溶剂时，应考虑操作方便、安全。
（4）pH值
一般来说，两性生化物质在等电点附近溶解度低，有利于达到过饱和而使晶体析出，选择pH值应在生化物质稳定范围内，尽量接近其等电点。
（5）温度
生化物质的结晶温度一般控制在0～20℃。但有时温度过低时，由于溶液粘度增大会使结晶速度变慢，这时可在析出晶体后，适当升高温度。另外，通过降温促使结晶时，降温快，则结晶颗粒小；降温慢，则结晶颗粒大。
（3）溶剂
对于大多数生物小分子来说，水、乙醇、甲醇、丙酮、氯仿、乙酸乙酯、异丙醇、丁醇、乙醚等
溶剂使用较多。对于蛋白质、酶和核酸等生物大
分子，使用较多的是硫酸铵溶液、氯化钠溶液、
磷酸缓冲溶液和丙酮、乙醇等。
结晶溶剂要具备以下几个条件：
?溶剂不能和结晶物质发生任何化学反应。?溶剂对结晶物质要有较高的温度系数。
（2）晶体形状：
过饱和度、结晶温度、结晶溶剂、溶液的pH以及杂质都可能改变结晶的形状。
（3）晶体纯度：
晶体越细小，比表面积越大，母液和杂质越容易吸附在晶体表面，容易导致产品纯度降低，因此结晶需要洗涤。结晶速度过快，容易造成晶体粘连成晶簇，将母液等杂质包裹在其中，纯度也会降低，可以采用重结晶去除。
晶体的一般性质
（1）各向相异性：晶体与非晶体的主要区别在于晶态物质的许多性质如光学和电学都具有方向性，即在同一方向上具有相同的性质，在不同方向上具有相异性；但是多晶态宏观上也不具有各向异性。
（2）均匀性：晶体是由相同的分子、原子、离子有序排列形成的结构，只有达到一定的纯度才能形成晶体。
（3）晶体（单晶）具有规则的几何外形，对称性好。
（4）具有一定的熔点。
（5）同种物质会形成不同的结晶形态，同质多晶现象。
结晶过程
? 结晶——物质从液态（液体或熔融体）或气
态形成晶体的过程叫结晶。
? 结晶分离——在一定条件下使溶质以晶态的形式从溶液中析出，达到分离的目的，这是物质分离纯化的传统方法，广泛用于化学化工、生物工程、食品医药等行业，如制糖、味精、各种氨基酸生产等等。
3.3 影响结晶分离的主要因素
（1）溶液浓度
溶液的浓度应根据工艺和具体情况实验确定。一
般地说，生物大分子的浓度控制在3％～5％比较
适宜，小分子物质如氨基酸浓度可适当增大。
（2）样品纯度
大多数生物分子需要有一定的纯度才能够结晶析
出。一般来说，结晶母液中目的物的纯度应达到
50％以上，纯度越高越容易结晶。