生化分离技术 第九章 结晶

第一节 结晶基本原理
（1）将热饱和溶液冷却 冷却法的结晶过程中基本上不
去除溶剂，而是使溶液冷却降温，成为过饱和溶液，如图91中直线EFG所代表的过程。此法适用于溶解度随温度降低而
显著减小的场合。例如冷却L-脯氨酸的浓缩液至4℃左右，
放置4小时，L-脯氨酸就会大量结晶析出。反之，如果溶解 度随温度升高而降低，则采用升温结晶法。例如将红霉素的
第一节 结晶基本原理
结晶过程和晶体的质量都与溶液的过饱和度有关，溶
液的过饱和程度可用过饱和度S（%）来表示，即：
C C
100 %
（9-1）
式中
C——过饱和溶液的浓度，g溶质/100g溶剂； C′——饱和溶液的浓度，g溶质/100g溶剂。
结晶的首要条件是产生过饱和，采用何种途径产生过 饱和会对目标产品的规格产生重要影响，制备过饱和溶液 一般有四种方法。
第一节 结晶基本原理
第二个分区称第二介稳区或第二饱和区。位于超溶解度 曲线和过饱和曲线之间，在此区域内不会自发成核，但极易 受刺激（如加入晶种）而结晶（主要是二次成核），在结晶 生长的同时会有新核生成。因此，习惯上也将第一介稳区称 为养晶区，第二介稳区称为刺激结晶区。 （3）不稳定区 为CD曲线以上的区域。是自发成核区域， 溶液不稳定，瞬间出现大量微小晶核，发生晶核泛滥。如E 点是溶液原始的未饱和状态，EH是冷却线，F点饱和点，不 能结晶，因为缺少结晶的推动力-过饱和度。穿过介稳区到 达G点时，自发产生晶核，越深入不稳区，自发产生的晶核 越多。EF′G′ 为恒温蒸发过程， EG′′ 为冷却蒸发过程，当 到达G′ G′′ G′′′ 时结晶才能自动进行。不稳定区的溶液 都是过饱和溶液。
第一节 结晶基本原理
在上述三个区域中，稳定区内，溶液处于不饱和状态， 没有结晶；不稳区内，晶核形成的速度较大，因此产生的结 晶量大，晶粒小，质量难以控制；介稳区内，晶核的形成速 率较慢，生产中常采用加入晶种的方法，并把溶液浓度控制 在介稳区内的养晶区，即AB线与C′D′线区域内，让晶体逐渐 长大。 过饱和曲线与溶解度曲线不同，溶解度曲线是恒定的， 而过饱和曲线的位置不是固定的。对于一定的系统，它的位 置至少与三个因素有关：①产生过饱和度的速度（冷却和蒸 发速度）；②加晶种的情况；③机械搅拌的强度。冷却或蒸 发的速度越慢，晶种越小，机械搅拌越激烈，则过饱和曲线 越向溶解度曲线靠近。在生产中应尽量控制各种条件，使曲 线AB和C′D′之间有一个比较宽的区域，便于结晶操作的控制。
第一节 结晶基本原理
A1+A1 A2
A2+A1 A3
A3+A1

A4
………… Am-1+A1 Am 结合体从A1到Am逐渐增大。当m值增大到某种极限， 结合体可称之为晶坯。晶坯长大成为晶核，其m值均为数 百。因而可以认为晶体的生长经历了以下步骤：
运动单元 结合体
第一节 结晶基本原理
当压力一定时，溶解度 是温度的函数，用温度-浓 度图来表示，就是一条饱和 曲线（见图9-1曲线AB）。 大多数物质的溶解度随温度 升高而显著增大，也有一些 物质的溶解度对温度的变化 不敏感，少数物质（如螺旋 霉素）的溶解度随温度的升 高而显著降低。此外，溶剂 的组成（如有机溶剂与水的 比例、其他组分、pH和离子 强度等）对溶解度也有显著 的影响。
第一节 结晶基本原理
（4）温度的影响 当温度升高时，成核 的速度升高。一般当温度 升高时，过饱和度降低。 因此，温度对成核速度的 影响要以T与S相互消长速 度决定。依实验，一般的 成核速度随温度上升达到 最大值后，温度再升高， 成核的速度反而下降。如 图9-2所示：
第一节 结晶基本原理
如果结晶产物是热敏性物质，则可采用真空蒸发法。此 法适用于溶解度随温度变化介于蒸发和冷却之间的热敏性物 质结晶分离过程。真空的产生常采用多级蒸汽喷射泵及热力 压缩机，操作压力一般可低至30mmHg（绝压），也有低至 3mmHg（绝压），但能量消耗较高。真空蒸发冷却法的优点 是主体设备结构简单，操作稳定，器内无换热面，因而不存 在晶垢的影响，且操作温度低，可用于热敏性药物的结晶分 离。 （3）化学反应结晶 通过加入反应剂或调节pH，使体系 发生化学反应产生一个可溶性更低的物质，当其浓度超过其 溶解度时，就有结晶析出。例如红霉素醋酸丁酯提取液中加 入硫氰酸盐并调节溶液pH为5左右，可生成红霉素硫氰酸盐 结晶析出。
缓冲提取液调整pH至9.8～10.2,再加温至45℃～55℃,红霉
素碱即析出。根据冷却的方法不同，可分为自然冷却、强制 冷却和直接冷却。在生产中运用较多的是强制冷却，其冷却
过程易于控制，冷却速率快。
第一节 结晶基本原理
（2）将部分溶剂蒸发 此种方法也称等温结晶，是借
蒸发除去部分溶剂，而使溶液达到过饱和的方法。加压、 常压或减压条件下，通过加热使溶剂气化一部分而达到过 饱和，如图9-1中直线EF′G′所表示的过程。适用于溶解度 随温度变化不大的场合。例如真空浓缩赤霉素的醋酸乙酯 萃取液，除去部分醋酸乙酯后，赤霉素即结晶析出。蒸发 法的不足之处在于能耗较高，加热面容易结垢。生产上常 采用多效蒸发，以提高热能利用率。
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2．影响成核的因素
（1）晶体粒度的影响 同一温度下，小粒子较大粒子具 有更大表面能，这一差别使得微小晶体的溶解度高于粒度大 的晶体。如果溶液中大小晶粒同时存在,则微小晶粒溶解而 大晶粒生长,直至小晶粒完全消失。因此存在一个临界粒度 值。晶体的粒度只有大于此临界值，才能成为可以继续长大 的稳定的晶核。 接触成核中晶核生成量与晶体粒度有着密切的关系。粒 度小于某最小值的晶体，其单个晶体的成核速率接近于零。 粒度增大，接触的频率和碰撞的能量增大，单个晶体的成核 速率增大。超过某一最大值后，接触的频率降低，成核的速 率下降。当晶粒大于某一界限时，晶粒不再参与循环而沉降 在结晶器的底部。
第一节 结晶基本原理
实际工作中，可以制备一个含有比饱和溶液更多溶质的 溶液，这样的溶液称为过饱和溶液。过饱和状态下的溶液是 不稳定的，也可称为“介稳状态”；一旦遇到震动、搅拌、 摩擦、加晶种甚至落入尘埃，都可能使过饱和状态破坏而立 即析出结晶，直到溶液达到饱和状态后，结晶过程才停止。 如果没有其它外界条件的影响，过饱和溶液的浓度只有达到 一定值时，才会有结晶析出。有结晶析出时的过饱和浓度和 温度的关系可以用过饱和曲线表示（如图9-1曲线CD）。过饱 和曲线，即无晶种无搅拌时自发产生晶核的浓度曲线。饱和 曲线AB和过饱和曲线CD大致平行。两条曲线把浓度-温度图分 为三个区域，相应的溶液也处于三种状态。
第一节 结晶基本原理
（2）过饱和度S 过饱和度S是晶核产生和晶核长大的一
个推动力。过饱和度S和产生的晶粒数N有如下关系: 无机物 N∝S
有机物 N∝1/lnS
需指出无论哪一类晶体，晶核的生成量与晶体生长速率 成正比。
（3）晶种的影响
晶种可以是同种物质或相同晶型的物
质，有时惰性的无定形物质也可以作为结晶的中心，诱导产 生晶核。如非均相成核中，菌体、尘埃的影响。
第一节 结晶基本源自文库理
二、成核 1．成核的方式
溶质从溶液中结晶出来，要经过两个步骤：晶核的形成 和晶体的生成。溶质在溶液中成核现象在结晶过程中占有重 要的地位。晶核的产生,根据成核机理的不同,分为两种方式： 初级成核和二次成核,其中初级成核又分为均相成核和非均 相成核。 （1）初级成核 初级成核现象是过饱和溶液中的自发成 核现象。其发生的机理是坯种及溶制质分子相互碰撞的结果。 根据溶液中有、无自生或外来的微粒又划分为初级均相成核 和初级非均相成核两类。
第一节 结晶基本原理
当饱和溶液以较大速度流过已成核的晶体表面时，在流 体边界层上的剪切力会将一些附着在晶体上的粒子扫落，小 的溶解，大的则作为晶核继续生长长大。这种成核现象称为 剪切力成核。由于只有粒度大于临界粒度的晶粒才能生长， 故这种机理的重要性在工业上有限。 接触成核是指新生成的晶核是已有的晶体颗粒，在结晶 器中与其它固体接触碰撞时产生的较大的晶体表层的碎粒。 在工业的结晶过程中，接触成核有以下3种方式，其中 又以第一种方式为主： ①晶体与搅拌器螺旋桨或叶轮之间的碰撞； ②晶体与晶体的碰撞； ③晶体与结晶器壁间的碰撞。
晶坯

晶核

晶体
第一节 结晶基本原理
初级非均相成核是指由于灰尘的污染,发酵液中的菌体, 溶液中其它不溶性固体颗粒的诱导而生成晶核的现象,称为 初级非均相成核。 由于实际的操作中难以控制溶液的过饱和度，使晶核的 生成速率恰好适应结晶过程的需要。因此，在工业中，一般 不以初级成核做为成核的标准。 （2）二次成核 向介稳区（不能发生初级成核）过饱和 度较小的溶液中加入晶种，就会有新的晶核产生。我们把这 种成核现象称为二次成核。工业上的结晶操作均在有晶种的 存在下进行。因此，工业结晶的成核现象通常为二次成核。 在二次成核中有两种起决定作用的机理：液体剪切力成核和 接触成核。其中又以接触成核占主导地位。
第一节 结晶基本原理
（4）盐析反应结晶 加入一种物质（另一种溶剂或另一 种溶质）于溶液中，使溶质的溶解度降低，形成过饱和溶液 而结晶析出的办法，称为盐析反应结晶。加入的溶剂必须能 和原溶剂互溶，例如利用卡那霉素易溶于水，不溶于乙醇的 性质，在卡那霉素脱色的水溶液中，加入95%乙醇，加入量 为脱色液的60%～80%，搅拌6小时，卡那霉素硫酸盐即成结 晶析出。如普鲁卡因青霉素结晶时，加入一定量的食盐，可 以使结晶体容易析出。 工业上，除单独使用上述四种方法外，还常将以上几种 方法结合使用。例如，制霉菌素的乙醇提取液真空浓缩10倍 冷至5℃，放置2小时，即可得到制霉菌素结晶，就是采用第 一种和第二种方法结合使用。而将青霉素钾盐溶于缓冲液中， 冷至3℃～5℃，滴加盐酸普鲁卡因，得到普鲁卡因青霉素结 晶，则是采用第一、三种方法结合使用。
第一节 结晶基本原理
初级均相成核是指溶液在不含外来物体时自发产生晶核 的现象。此种现象只有溶液进入不稳定区才能发生。而溶液 表面因蒸发的关系其浓度一般超过主体浓度。在表面首先形 成晶体，这些晶体能诱发主体溶液在到达过饱和曲线之前就 发生结晶析出，形成大量微小结晶，产品质量难于控制，并 且结晶的过滤或离心操困难。因此，初级均相成核在工业十 分罕见，也不受欢迎，但其有助于我们了解其他类型成核现 象。 晶核可以由溶质的原子，分子离子形成，因这些粒子在 溶液中作快速运动,可统称为运动单元，结合在一起的运动 单元称为结合体。这种结合可以为是可逆的链式化学反应， 如下表示：
第一节 结晶基本原理
（1）稳定区 又称不饱和区，为AB曲线以下的区域。此
区溶液尚未饱和，没有结晶的可能。 （2）介稳区或亚稳区 为AB曲线与CD曲线之间的区域。 在此区内，如果不采取措施，溶液可以长时间保持稳定，如 遇到某种刺激，则会有结晶析出。另外，此区不会自发产生 晶核，但如已有晶核，则晶核长大而吸收溶质，直至浓度回 落到饱和线上。介稳区又细分为两个区，第一个分区称第一 介稳区或第一过饱和区，位于平衡浓度曲线与超溶解度曲线 （标识溶液过饱和而能被诱导产生晶核的极限浓度曲线C‘D’） 之间，在此区域内不会自发成核，当加入结晶颗粒时，结晶 会生长，但不会产生新核，加入的结晶颗粒称为晶种；
结晶技术
第九章
结晶技术
第一节 第二节 第三节 第四节
结晶基本原理 结晶的类型 结晶操作控制 结晶技术应用实例
第一节 结晶基本原理
一、饱和和过饱和溶液的形成
结晶过程中的相平衡主要是指溶液中固相与液相浓度之 间的关系，此平衡关系可用固体在溶液中的溶解度来表示。 将一种可溶性固体溶质加入某恒温溶剂如（水）中，会发生 两个可逆的过程：①固体的溶解，即溶质分子扩散进入液体 内部；②物质的沉积，即溶质分子从液体中扩散到固体表面 进行沉积。刚开始向溶剂中加入固体溶质时，固体的溶解作 用大于沉积作用，此时溶液为未饱和溶液，若添加固体则固 体溶解。继续添加固体，至溶解作用和沉积作用达到动态平 衡，此时溶液称为该溶质在该温度下的饱和溶液。此时，溶 液溶质的浓度称为此溶质在该温度下的溶解度或饱和浓度。 一般常用100g溶剂中所能溶解溶质的克数来表示。