生物工业下游技术 第九章结晶技术

《生物工业下游技术 第九章结晶技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《生物工业下游技术 第九章结晶技术（55页珍藏版）》请在文档大全上搜索。

1、第九章第九章 结晶技术结晶技术 固体产品固体产品 结晶形：蔗糖、食盐、氨基酸、柠檬酸结晶形：蔗糖、食盐、氨基酸、柠檬酸等；构成单位的排列方式是规则的。等；构成单位的排列方式是规则的。 无定型：淀粉、酶制剂、蛋白质、喷雾无定型：淀粉、酶制剂、蛋白质、喷雾干燥的产品；构成单位的排列方式是不干燥的产品；构成单位的排列方式是不规则的。规则的。 结晶：结晶：形成晶形的过程。形成晶形的过程。 沉淀：沉淀：得到无定型的过程。得到无定型的过程。光辉霉素在不同溶剂中的凝固状态光辉霉素在不同溶剂中的凝固状态 溶剂溶剂 凝固状态凝固状态 氯仿浓缩液滴入石油醚氯仿浓缩液滴入石油醚 无定型沉淀无定型沉淀 醋酸戊酯醋酸戊

2、酯 微粒晶体微粒晶体 丙酮丙酮 长柱状晶体长柱状晶体 戊醇戊醇 针状晶体针状晶体生产上大规模结晶过程要求：生产上大规模结晶过程要求： 晶体产品的产率；晶体产品的产率； 晶体产品的纯度；晶体产品的纯度； 晶形、晶体的粒度和粒度分布。晶形、晶体的粒度和粒度分布。第一节第一节 基本概念基本概念 一、晶体性状一、晶体性状 晶体晶体是内部结构的质点（原子、离子、是内部结构的质点（原子、离子、分子）作规律排列的固态物体。分子）作规律排列的固态物体。自范性：自范性：晶体具有自发地生长为多面体结构晶体具有自发地生长为多面体结构的可能性，晶体常以平面作为与周围介质的的可能性，晶体常以平面作为与周围介质的分界面；

3、分界面；各向异性：各向异性：几何特性及物理性质应随方向而几何特性及物理性质应随方向而有差异；有差异；均匀性：均匀性：晶体中每一宏观质点的物理性质和晶体中每一宏观质点的物理性质和化学组成都相同。化学组成都相同。饱和度与过饱和度饱和度与过饱和度 饱和溶液：溶质既不溶解也无结晶，即溶质饱和溶液：溶质既不溶解也无结晶，即溶质与溶液处于平衡状态。与溶液处于平衡状态。 过饱和溶液：溶质从溶液中沉淀出来。过饱和溶液：溶质从溶液中沉淀出来。 不饱和溶液：添加固体则固体溶解。不饱和溶液：添加固体则固体溶解。二、二、结晶过程结晶过程 产生晶核；产生晶核； 晶核在良好的环境中长大。晶核在良好的环境中长大。推动力推动

4、力：溶质的浓度差；：溶质的浓度差；溶液中溶质与杂质的溶解度不同，溶质结溶液中溶质与杂质的溶解度不同，溶质结晶而杂质留在溶液中，两者分离；晶而杂质留在溶液中，两者分离；溶质与杂质的晶格不同，彼此溶质与杂质的晶格不同，彼此“格格不格格不入入”。1.结晶过程结晶过程(1)(1)母液在晶体表面的吸藏母液在晶体表面的吸藏母液母液：从结晶溶液中分离出结晶晶体后的溶：从结晶溶液中分离出结晶晶体后的溶液。液。吸藏吸藏：母液中杂质吸附于晶体表面，如果晶：母液中杂质吸附于晶体表面，如果晶体成长过快，杂质会机械地陷入晶体。体成长过快，杂质会机械地陷入晶体。解决方法解决方法：重结晶、洗涤等。：重结晶、洗涤等。2.晶体

5、纯度的影响因素晶体纯度的影响因素(2)(2)形成晶簇，包藏母液形成晶簇，包藏母液包藏：包藏：细小晶体易形成晶簇，而晶簇中常细小晶体易形成晶簇，而晶簇中常包含母液。包含母液。粒度：粒度：粒度大且较均匀地晶体与粒度小而粒度大且较均匀地晶体与粒度小而且颗粒参差不齐地晶体相比，离心后晶体且颗粒参差不齐地晶体相比，离心后晶体所夹带的母液较少。所夹带的母液较少。2.晶体纯度的影响因素晶体纯度的影响因素(3)晶习：晶习：晶体外形。晶体外形。影响因素：影响因素：溶液性质、杂质和溶剂等；操溶液性质、杂质和溶剂等；操作条件如温度、搅拌程度、冷却或浓缩方作条件如温度、搅拌程度、冷却或浓缩方式。式。2.晶体纯度的影响

6、因素晶体纯度的影响因素 初级均相成核初级均相成核溶液在不含外来物质时自溶液在不含外来物质时自发产生晶核；发产生晶核； 初级非均相成核初级非均相成核在外来物质诱导下产生在外来物质诱导下产生晶核的现象；晶核的现象； 二次成核二次成核溶液中已有溶质晶体存在的条溶液中已有溶质晶体存在的条件下形成晶核。以接触成核占主导。件下形成晶核。以接触成核占主导。3.3.成核现象成核现象工业结晶过程工业结晶过程 晶核生长速率过高，导致晶体产品的晶核生长速率过高，导致晶体产品的粒度粒度及及粒度分布不合格粒度分布不合格。 产品颗粒细碎、粒度分布宽、质量低劣产品颗粒细碎、粒度分布宽、质量低劣。 解决方法解决方法：工业结晶

7、器的结构设计和结晶：工业结晶器的结构设计和结晶操作。操作。第二节第二节 结晶动力学结晶动力学 一、晶核的形成一、晶核的形成 成核速率成核速率新生成晶粒数新生成晶粒数/（单位时间（单位时间单位体积溶液）单位体积溶液）1、初级均相成核、初级均相成核 运动单元运动单元 结合体结合体 晶坯晶坯 晶核晶核 晶体晶体 溶质的分子、原子、溶质的分子、原子、离子离子工业上罕见，也不受欢迎。工业上罕见，也不受欢迎。2.临界粒度及粒度对溶解度的影响临界粒度及粒度对溶解度的影响 小粒子具有较大的表面能，微小粒子晶体的小粒子具有较大的表面能，微小粒子晶体的溶解度高于粒度较大的晶体；溶解度高于粒度较大的晶体； 溶液中同

8、时有大晶体，微小晶体溶解而大晶溶液中同时有大晶体，微小晶体溶解而大晶粒长大，直到微小晶粒完全消失。粒长大，直到微小晶粒完全消失。 大颗粒只有大至某一临界粒度值（成为稳定大颗粒只有大至某一临界粒度值（成为稳定的晶核最小粒度，为的晶核最小粒度，为m级，与细菌相当或再级，与细菌相当或再大些），才能成为继续长大的稳定的晶核。大些），才能成为继续长大的稳定的晶核。影响的因素还有：影响的因素还有：溶质的同离子溶质的同离子、盐盐、溶剂种类溶剂种类、pHpH等。等。3.初级非均相成核初级非均相成核 由于真实物系永远包含外来物体，如：大气由于真实物系永远包含外来物体，如：大气灰尘污染，发酵液中菌体，溶液中其他不

9、溶灰尘污染，发酵液中菌体，溶液中其他不溶性固体微粒都会诱导生成晶核。性固体微粒都会诱导生成晶核。 工业生产中，一般不应以初级成核作为晶核工业生产中，一般不应以初级成核作为晶核来源，因为：来源，因为：实际操作过程中难以控制溶液实际操作过程中难以控制溶液的过饱和度，使晶核生成速率恰好适应结晶的过饱和度，使晶核生成速率恰好适应结晶过程的需要过程的需要。二、二次成核现象二、二次成核现象 （1 1）液体剪应力成核）液体剪应力成核 过饱和溶液以较大流速扫过正在生过饱和溶液以较大流速扫过正在生长的晶体表面时，液体边界层存在剪切长的晶体表面时，液体边界层存在剪切应力，将附着在晶体之上的粒子扫落，应力，将附着在

10、晶体之上的粒子扫落，大的作为晶核生长长大，小的则溶解。大的作为晶核生长长大，小的则溶解。二、二次成核现象二、二次成核现象 （2 2）接触成核）接触成核 晶体在与外部物体碰撞时会产生大晶体在与外部物体碰撞时会产生大量碎片，其中较大的就是晶核。量碎片，其中较大的就是晶核。 接触成核：接触成核：在过饱和溶液中，晶体在过饱和溶液中，晶体只要与固体物做能量很低的接触，就会只要与固体物做能量很低的接触，就会产生大量的粒子。产生大量的粒子。 实践证明：实践证明：晶核生成量与搅拌强度晶核生成量与搅拌强度有直接关系。在工业结晶中，接触成核有直接关系。在工业结晶中，接触成核被认为获得晶核最简单、最好的方法。被认为

11、获得晶核最简单、最好的方法。1.接触成核的优点接触成核的优点 u动力学级数较低，溶液过饱和度对接触动力学级数较低，溶液过饱和度对接触成核影响小，易实现稳定操作的控制；成核影响小，易实现稳定操作的控制；u成核过程是在低过饱和度下进行，在这成核过程是在低过饱和度下进行，在这种条件下结晶能得到优质产品；种条件下结晶能得到优质产品；u产生晶核所需要的能量非常低，被碰撞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。的晶体不会造成宏观上的磨损。工业生产中接触成核的方式工业生产中接触成核的方式u晶体与搅拌螺旋桨间的碰撞；晶体与搅拌螺旋桨间的碰撞；u湍流下晶体与结晶器壁间的碰撞；湍流下晶体与结