第十章 结晶-生物工程下游技术

第一章结晶

1.1结晶的概念

溶液中的溶质在一定条件下，因分子有规则的排列而结合成晶体，晶体的化学成分均一，具有各种对称的晶体，其特征为离子和分子在空间晶格的结点上呈规则的排列

固体有结晶和无定形两种状态

结晶

析出速度慢，溶质分子有足够时间进行排列，粒子排列有规则

无定形固体

析出速度快，粒子排列无规则

1.2结晶操作的特点

只有同类分子或离子才能排列成晶体，因此结晶过程有良好的选择性。

通过结晶，溶液中大部分的杂质会留在母液中，再通过过滤、洗涤，可以得到纯度较高的晶体。

结晶过程具有成本低、设备简单、操作方便，广泛应用于氨基酸、有机酸、抗生素、维生素、核酸等产品的精制。

1.3基本概念

晶体：内部结构中的质点做规律排列的固态物体

晶体性质：自范性、各向异性、均匀性

饱和溶液：当溶液中溶质浓度等于该溶质在同等条件下的饱和溶解度时，该溶液称为饱和溶液；

过饱和溶液：溶质浓度超过饱和溶解度时，该溶液称之为过饱和溶液；

溶质只有在过饱和溶液中才能析出；要使溶质从溶液中结晶出来，必有设法产生一定的过饱和度作为推动力。过饱和溶液是晶体生长的推动力，所以要得到我们所期望的晶体产品，首先就要使溶液达到过饱和状态

溶解度定义：

溶解度最常用的单位是100份的溶剂中溶解多少份的无水物质。物质溶解度与它的化学性质,溶剂的性质及温度有关。一定的物质在一定溶剂中的溶解度主要是随温度的变化。

溶解度作用：

1、结晶过程的产量决定于固体与其溶液之间的相平衡关系。

2、物质的溶解度特征对选择结晶方法有相当大的影响（大小、变化趋势）1.4结晶过程的实质

结晶是指溶质自动从过饱和溶液中析出，形成新相的过程

这一过程包括：

溶质分子凝聚成固体

分子有规律地排列在一定晶格中

这一过程与表面分子化学键力变化有关；

结晶过程是一个表面化学反应过程。

1.5结晶的步骤

1)过饱和溶液的形成（过饱和度)

2)晶核的形成(晶体成核速率）

3)晶体生长(晶体生长速率）

其中，溶液达到过饱和状态是结晶的前提；过饱和度是结晶的推动力。

再结晶过程

1.5.1溶解度与温度的关系

由于物质在溶解时要吸收热量、结晶时要放出结晶热。因此，结晶也是一个质量与能量的传递过程，它与体系温度的关系十分密切。

溶解度与温度的关系可以用饱和曲线和过饱和曲线表示

1.5.1.1影响溶液过饱和的因素

饱和曲线是固定的

不饱和曲线受搅拌、搅拌强度、晶种、晶种大小和多少、冷却速度的快慢等因素的影响

1.5.2过饱和溶液的形成

热饱和溶液冷却（等溶剂结晶）

适用于溶解度随温度升高而增加的体系；同时，溶解度随温度变化的幅度要适中；

自然冷却、间壁冷却（冷却剂与溶液隔开）、直接接触冷却（在溶液中通入冷却剂）

部分溶剂蒸发法（等温结晶法）

适用于溶解度随温度降低变化不大的体系，或随温度升高溶解度降低的体系；

加压、减压或常压蒸馏

真空蒸发冷却法

使溶剂在真空下迅速蒸发，并结合绝热冷却，是结合冷却和部分溶剂蒸发两种方法的一种结晶方法。

设备简单、操作稳定

化学反应结晶

加入反应剂产生新物质，当该新物质的溶解度超过饱和溶解度时，即有晶体析出；

其方法的实质是利用化学反应，对待结晶的物质进行修饰，一方面可以调节其溶解特性，同时也可以进行适当的保护；

1.5.3结晶动力学

1.5.3.1晶核的形成

晶核的形成是一个新相产生的过程，需要消耗一定的能量才能形成固液界面。

结晶过程中，体系总的自由能变化分为两部分，即：表面过剩吉布斯自由能（ΔGs）和体积过剩吉布斯自由能（ΔGv）

晶核的形成必须满足：

ΔG=ΔGs+ΔGv<0

通常ΔGs>0，阻碍晶核形成；ΔGv<0

1.5.3.2形成方式

初级成核：过饱和溶液中的自发成核现象，在没有晶体存在的过饱和溶液中自发产生晶核的过程。

a均相成核：在介稳区内，洁净的过饱和溶液还不能自发地产生晶核。只有进入不稳区后，晶核才能自发地产生。这种在均相过饱和溶液中自发产生晶核的过程称为均相初级成核。

b非均相成核：如果溶液中混入外来固体杂质粒子，如空气中的灰尘或其它人为引入的固体粒子，则这些杂质粒子对初级成核有诱导作用。这种在非均相过饱和溶液(在此非均相指溶液中混入了固体杂质颗粒)自发产生晶核的过程称为非均相初级成核。

二次成核：在有晶体存在的过饱和溶液中进行的，称为二级成核或次级成核。在过饱和溶液成核之前加入晶种诱导晶核生成，或者在已有晶体析出的溶液中再进一步成核均属于二级成核。

应予指出，初级成核的速率要比二级成核速率大得多，而且对过饱和度变化非常敏感，故其成核速率很难控制。因此，除了超细粒子制造外，一般结晶过程都要尽量避免发生初级成核，而应以二级成核作为晶核的主要来源。

两种机理：

液体剪应力成核：由于过饱和液体与正在成长的晶体之间的相对运动，液体边界层和晶体表面的速度差，在晶体表面产生的剪切力，将附着于晶体之上的微粒子扫落，而成为新的晶核。

接触成核（碰撞成核）：指当晶体之间或晶体与其它固体物接触时，晶体表面的破碎成为新的晶核。在结晶器中晶体与搅拌桨叶、器壁或挡板之间的碰撞、晶体与晶体之间的碰撞都有可能产生接触成核。

主要由搅拌强度有关。被认为是获得晶核最简单，最好的方法。

1.5.4接触成核

优点：

①动力学级数较低，即溶液过饱和度对成核影响较小。

②在低过饱和度下进行，能得到优质结晶产品。

③产生晶核所需要的能量非常低，被碰撞的晶体不会造成宏观上的磨损。

4种方式：

(1)晶体与搅拌螺旋桨间的碰撞；

(2)湍流下晶体与结晶器壁间的碰撞；

(3)湍流下晶体与晶体的碰撞；

(4)沉降速度不同，晶体与晶体的碰撞。