《生化分离技术》课件第九章 结晶.ppt

1、第九章第九章第一节第一节 结晶基本原理结晶基本原理 第二节第二节 结晶的类型结晶的类型 第三节第三节 结晶操作控制结晶操作控制 第四节第四节 结晶技术应用实例结晶技术应用实例 一、饱和和过饱和溶液的形成一、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：固体的溶解，即溶质分子扩散进入液体内部；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

2、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。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。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

3、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。（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

4、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CD）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；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

5、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。EFG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。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

6、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CD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：产生过饱和度的速度（冷却和蒸发速度）；加晶种的情况；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CD之间有一个比较宽的区域，便于结晶操作的控制。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：（9-1）式中 C过饱和溶液的浓度，g

7、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。%100CC （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9-1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。例如将红霉素的缓冲提取液调整pH至9.810.2,再加温至4555,红霉素碱即析出。根据冷却的方法不同，可分为

8、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。（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EFG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。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

9、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。（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

10、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35，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。二、成核二、成核 1 1成核的方式成核的方式 溶质从

11、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。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

12、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：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 晶坯 晶核 晶体 初级非均相成核是指由于灰尘的污染

13、,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。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

14、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：晶体与搅拌器螺旋桨或叶轮之间的碰撞；晶体与晶体的碰撞；晶体与结晶器壁间的碰撞。2 2影响成核的因素影响成核的因素 （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

15、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。（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 NS 有机物 N1/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

16、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。（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：（5）碰撞能量E的影响 在二次成核中，碰撞的能量E越大产生的晶粒数越多。（6）螺旋浆的影响 螺旋浆对接触成核的影响最大，主要体现在它的转速和桨叶端速度上。为了避免产生过量的晶核，螺旋桨总是在适宜的低转速下运行。发酵产品结晶器的搅拌器转速一般在（2050）r/min

17、之间，有的甚至在10r/min下。另外螺旋桨的材质对成核也有一定的影响。软的桨叶吸收了大部分的碰撞能量，使晶核生成量大幅度减小（聚乙烯桨叶与不锈钢桨叶相比，晶核的生成量相差4倍以上，也有晶核的生成与材质无关的报道）。一般情况下，低转速时，桨叶材质的影响要突出些。三、晶体生长三、晶体生长 晶核一旦形成，立即开始长成晶体，与此同时新的晶核也在不断的形成。晶体大小决定于晶体生长的速度和晶核形成的速度之间的对比关系。如晶核形成速度大大超过其生长速度，则过饱和度主要用来生成新的晶核，因而得到细小的晶体，甚至呈无定形状态；反之，如果晶体生长速度大于成核速度，则得到粗大的晶体。晶体的生长是以浓度差为推动力的

18、扩散传质和晶体表面反应（晶格排列）所组成，晶体表面附近的溶质浓度分布如图9-3所示。在晶体表面与溶液主体之间始终存在着一层边界层，即在晶体表面和溶液之间存在着浓度推动力。为（C-Ci），其中C是液相主体浓度，而Ci是晶体表面溶质浓度。由于浓度梯度的结果，待结晶的溶质粒子借扩散穿过边界层到达晶体表面，这是一个扩散传质过程。到达晶体表面的粒子在推动力（Ci-Cs）的作用下，在适当的晶格位置长入晶面，使晶体增大，同时放出结晶热，结晶热以热传导的方式释放到溶液中。其中Cs为饱和浓度。在工业上，通常希望得到颗粒粗大而均匀的晶体，使以后的过滤、洗涤、干燥操作较为方便，同时也可以提高产品的质量。影响晶体大小

19、的因素主要有过饱和度、温度、搅拌速度和和杂质等。过饱和度过大时，成核和生长的速率过快，结晶热必须以较快的方式放出，以适应快速成核和迅速长大的需要。因表面越大，放热越快，所以容易形成片状，针状，树状比表面积大的晶簇，这种结晶或晶簇易包裹母液，因而结晶质量大幅度的下降。溶液快速冷却时，达到的过饱和程度较高，所得到的晶体较细小，缓慢冷却时常得到较粗大的颗粒。因温度对晶体生长速度的影响要大于成核速度，所以在较低温度下晶核的形成速度大于晶体的生长速度，形成的晶体较细小。搅拌能促使成核和加速扩散，提高晶体的生长速度，但超过一定范围后，效果就会降低，搅拌越剧烈，晶体越细。加入晶体能控制结晶的形状，大小和均匀

20、度，因此要求晶种首先要有一定的形状，大小而且比较均匀。综上所述，要想获得比较粗大而均匀的晶体，一般温度不宜太低，搅拌不宜太快，并要控制好晶核生成速度大大小于晶体成长速度，最好将溶液控制在介稳区内结晶。使较长时间里只有一定量的晶核生成，而使原有的晶核不断成长为晶体。四、晶习及产品处理四、晶习及产品处理 1 1晶习晶习 晶习是指在一定环境中，晶体的外部形态。如谷氨酸晶体存在两种晶形：a结晶和结晶。a结晶呈颗粒状，晶体产品质量好；结晶呈片状、针状，比表面积大，易包含杂质和母液，质量差。结晶的过程中，晶体的晶习、晶体的大小和纯度是影响结晶产品质量的重要因素。工业上常希望得到粗大而均匀的晶体。粗大而均匀

21、的晶体较细小、不规则的晶体易过滤、洗涤，在存储中也不易结块。但是抗生素作为药品时有其特殊的要求，非水溶性抗生素一般为了使人体容易吸收，粒度要求较细。例如灰黄霉素规定细度4m以下占80%以上，这样才有利于吸收。过饱和度、搅拌、pH等对晶习有影响。从不同的溶剂中得到的晶体具有不同的晶习。如NaCl从纯水中结晶为立方晶体；如水中含有少量尿素，则为八面体晶体。又如光神霉素在醋酸戊酯中结晶，得到微粒晶体，而从丙酮中结晶，则得到长柱状晶体。杂质的存在也会影响晶习，杂质可以附在晶体表面上，而使其生长速度受阻。例如在普鲁卡因青霉素结晶中，醋酸丁酯的存在会使晶体变得细长。2 2产品的处理产品的处理 为得到合乎质

22、量标准的晶体产品，结晶后的产品还需经过固液分离、晶体的洗涤或重结晶、干燥等一系列操作，其中晶体的分离与洗涤对产品质量的影响很大。（1）分离和洗涤 在药品生产中，晶体的分离操作多采用真空过滤和离心过滤。一般情况下，从离心机分离出来的晶体含有510%的母液，但对于粒度不均的细小晶体，即便用离心分离法，所分出的晶体有时还含有50%的母液。由此可见，在结晶产品的过滤分离中，不但要求使用高效的过滤分离设备，更重要的是要求结晶器能生产出具有良好粒度分布的晶体。一个达不到一定纯度的产品是不能被人们所接受的。除了晶习以外，母液在晶体表面的吸藏和母液在晶簇中的包藏都会影响到晶体的纯度。母液是指分离了结晶晶体后剩

23、余的溶液。吸藏是指母液吸附于晶体表面，因母液中含有大量杂质，如果晶体生长过快，杂质甚至会陷入晶体。这样都会影响产品的纯度，常常需洗涤或重结晶降低或除去杂质。当结晶的速度过大时，常易形成包含母液等杂质的晶簇，这样情况也称为包藏。对于此种情况，用洗涤的方法不能除去，只能通过重结晶来除去。洗涤的关键是洗涤剂的确定和洗涤方法的选择。如果晶体在原溶剂中的溶解度很高，可采用一种对晶体不易溶解的液体作为洗涤剂，此液体应能与母液中的原溶剂互溶。例如，从甲醇中结晶出来的物质可用水来洗涤；从水中结晶出来的物质可用甲醇来洗涤。这种“双溶剂”法的缺点是需要溶剂回收设备。对于晶体（滤饼）的洗涤，一般采用喷淋洗涤法，操作

24、时应注意：洗涤液喷淋要均匀；对于易溶的晶体洗涤，滤饼不能太厚，否则洗涤液在未完全穿过滤饼前，就已变成饱和溶液，以致不能有效地除掉母液或其中的杂质；洗涤时间不能太久，否则会减少晶体产量；易形成沟流，使有些晶体没有被洗涤，从而影响洗涤效果。当采用喷淋洗涤不能满足产品纯度要求时，为加强洗涤效果，常采用挖洗的方法。此法是将晶体（滤饼）从过滤分离器中挖出，放入大量洗涤剂中，搅拌使其分散洗涤，然后再进行固液分离。挖洗法的洗涤效果很好，但溶质损失量较大。在反应结晶法中，结晶物质在溶剂中的溶解度可能相当小，而母液中却可能含有大量的可溶性杂质，此时用简单的过滤洗涤不能适应产品纯度的要求，尤其是产品粒度细小时更是

25、如此。例如将BaCl2和Na2SO4的热溶液混合，BaSO4作为晶体产品析出，但其粒度很小，过滤和洗涤都将遇到困难，此种情况下，可采用“洗涤倾析法”除去母液中的NaCl。经分离洗涤后的晶体，杂质含量降低，过滤分离后，仍为湿晶体（洗涤剂残留在晶体中），为便于干燥，洗涤后常用易挥发的溶剂（如乙醚、丙酮、乙醇、乙酸乙酯等）进行顶洗。例如灰黄霉素晶体，先用1:1的丁醇洗二次（大部分油状物色素可被洗去），再用1:1乙醇顶洗一次，以利于干燥。（2）晶体结块及防止 结块的原因很多，如大气湿含量、温度和晶体本身的吸湿性。关于晶体结块的理论，目前公认的有结晶理论和毛细管吸附理论。结晶理论 由于物理或化学原因，使

26、晶体表面溶解并重结晶，于是在晶粒之间相互接触点上形成晶桥而粘结在一起。物理原因是与物质吸湿性密切相关，所谓吸湿性指不同的物质从空气中吸收水分的性质。晶体从空气中吸收水分的程度取决于物质的化学组成、空气中水蒸汽含量和晶体的比表面积。晶体的吸湿性程度可用吸湿点h来表示：（9-2）100%PahP式中 Pa盐类饱和溶液上的水蒸汽压，MPa；P纯水上方的水蒸汽分压，Mpa。当周围空气中水蒸汽蒸汽压比盐类饱和溶液的水蒸汽压大，则吸湿而潮解，反之盐中的水分就蒸发，如果盐类先潮解而后蒸发，将会使晶体颗粒胶粘在一起而结块。因此，结晶产品还应贮藏在干燥、密闭的容器中。结块的化学原因是由于晶体产品中杂质的存在，使

27、晶粒表面在接触中发生化学反应或与空气中的O2、CO2等发生化学反应，反应物因溶解度降低而析出，导致晶体结块。如果温度高可增大化学反应速度，使结块速度加快。毛细管吸附理论 由于微细晶粒间毛细管吸附力的存在，使毛细管弯月面上的饱和蒸汽压低于外部的饱和蒸汽压，这就为水蒸汽在晶粒间扩散造成条件，使晶体易于潮解，最后结块。影响结块因素：包括外部和晶体自身因素。外部因素主要是空气湿度及温度。晶体自身因素包括晶体的性质，化学组成，粒度和粒度分布及晶习。粒度不均匀的晶体，隙缝较少，晶粒相互接触点较多，因而易结块；均匀整齐的粒状晶体，结块倾向较小，即使发生结块，由于晶块结构疏松，单位体积的接触点少，结块易弄碎，

28、所以晶体粒度应力求均匀一致。另外，晶体受压，一方面使晶粒紧密接触而增大接触面，另一方面对其溶解度也有影响，因此压力增加导致结块严重。随着贮存时间的增长，结块现象也趋于严重，这是因为溶解及重结晶反复次数增多所致。因此，在产品贮藏期间要防止产品受压。为了防止晶体结块可采用如下方法：加入惰性型防结块剂：这类防结块剂大多是不溶于水的固体细微粒子，甚至是气溶胶，要求它们具备良好的覆盖能力。工业上采用的物料有滑石粉、硅藻土、高岭土、硅石粉、白垩、硅酸钙、水合硅石等。加入表面活性剂型防结块剂：在结晶过程中向溶液中可入少量表面活性物质，可较好地防止晶体结块。可使用表面活性剂有：硫酸烷基酯、脂肪酸、乳酸、脂肪胺

29、，十五烷基磺酰氯等。惰性型与表面活性剂型防结块剂联合使用。一、结晶分类一、结晶分类 按照结晶操作过程的连续性程度不同把结晶方法分为批结晶和连续结晶。而依结晶操作过程的重复性又可把结晶分为一次结晶、重结晶和分级结晶。一次结晶又分为冷却结晶、蒸发结晶、真空结晶、反应和盐析结晶。一次结晶在前面已有论述，本节主要讲述分批结晶、连续结晶、重结晶和分级结晶。二、分批结晶二、分批结晶 分批结晶操作的原理是选用合适的结晶设备，用孤立的方式，在全过程中进行特殊的操作，并且这个操作仅仅间接的与前面和后面的操作有关。结晶器的容积可以是100ml的烧杯，也可以是几百吨的结晶罐。其设备简单、操作人员的技术要求不苛刻，我

30、国发酵产品的结晶过程目前仍以分批操作为主。在结晶过程中，为了获得粒度较为均匀的产品，必须控制晶体的生长，防止不需要的晶核生成。工业结晶操作通常在有晶种存在的第一介稳区内的进行。随着结晶的进行，晶体不断增多，溶质浓度不断下降。因此，我们必须采用冷却降温或蒸发浓缩的方法，维持一定的过饱和度，使其控制在介稳区内。冷却或蒸发速度必须与结晶的生长速率相协调。分批结晶过程是分步进行的，各步之间相互独立。一般情况下，分批结晶操作过程包括：结晶器的清洗；将物料加入结晶器中；用适当的方法产生过饱和；成核和晶体生长；晶体的排出。其中、是结晶过程控制的核心，其控制方法和操作条件对结晶过程影响很大。下面以加入晶种进行

31、分批冷却结晶为主进行说明：图9-4a加晶种，迅速冷却。随温度的降低，溶液进入介稳区，晶种开始长大。由于有溶质结晶出来，在介稳区内溶液的浓度有所下降。又因冷却速度快，溶液状态很快到达过饱和曲线，于是产生大量细小的晶核。图9-4b加晶种，缓慢冷却。溶液中有晶种存在，并且降温速率得到一定控制，使其和结晶的生长速率相协调，操作过程中过饱和浓度差C基本保持不变。这种方法可以产生预定粒度的，合乎质量要求的均匀晶体。图图9-4 加有晶种时降温速度对结晶的影响加有晶种时降温速度对结晶的影响 总的来说，分批结晶操作最主要的优点是能生产出指定纯度，粒度分布及晶形合格的产品。缺点是操作成本较高，操作和产品质量的稳定

32、性差。三、连续结晶三、连续结晶 当结晶的生产规模达到一定水平后，为了降低费用，缩短生产周期，则必须采用连续结晶。在连续结晶的操作过程中，单位时间内生成晶核的数目是相同的，并且在理想的条件下，它与单位时间内从结晶器中排出的晶体数是相等的。在连续结晶过程中，料液不断地被送入结晶器中，首先用一定方法形成过饱和溶液，然后在结晶室内同时发生晶核形成过程和晶体生长过程，其中晶核形成速率较难控制，使晶核数量较多，晶体大小不一，需采用分级排料的方法，取出合乎质量要求的晶粒。为了保证晶浆浓度、提高收率，常将母液循环使用。因此，在连续结晶的操作中往往要采用“分级排料”、“清母液溢流”、“细晶消除”等技术，以维护连

33、续结晶设备的稳定操作、高生产能力和低操作费用，从而使连续结晶设备结构比较复杂。下面介绍连续结晶工艺过程中特有的操作。（1）分级排料 这种操作方法常被混合悬浮型连续结晶器所采用，以实现对晶体粒度分布的调节。含有晶体的混合液从结晶器中流出前，先使其流过一个分级排料器，分级排料器可以是淘析腿、旋液分离器或湿筛，它可将大小不同的晶粒分离，其中小于某一产品分级粒度的晶体被送回结晶器继续长大，达到产品分级粒度的晶体作为产品排出系统，因此分级排料装置是控制颗粒大小和粒度分布的关键。（2）清母液溢流 清母液溢流是调节结晶器内晶浆密度的主要手段。从澄清区溢流出来的母液中，总是含有一些小于某一粒度的细小晶粒，所以

34、实际生产中并不存在真正的清母液，为了避免流失过多的固相产品组分，一般将溢流出的带细晶的母液先经旋液分离器或湿筛分离，然后将含较少细晶的液流排出结晶系统，含较多细晶的液流经细晶消除后循环使用。（3）细晶消除 在工业结晶过程中，由于成核速率难以控制，使晶体数量过多，平均粒度过小，粒度分布过宽，而且还会使结晶收率降低。因此，在连续结晶操作中常采用“细晶消除”的方法，以减少晶体数量，达到提高晶体平均粒度，控制粒度分布，提高结晶收率的目的。常用的细晶消除方法是根据淘析原理，在结晶器内部或下部建立一个澄清区，晶浆在此区域内以很低的速度上流，由于粒度大小不同的晶体具有不同的沉降速度，当晶粒的沉降速度大于晶浆

35、上流速度时，晶粒就会沉降下来，故较大的晶粒沉降下来，回到结晶器的主体部分，重新参与晶浆循环而继续长大，最后排出结晶器进入分级排料器。而较小晶粒则随流体上流从澄清区溢流而出，进入细晶消除系统，采用加热或稀释的方法使细小晶粒溶解，然后经循环泵重新回到结晶器中。“细晶消除”有效地减少了晶核数量，从而提高了结晶产品的质量和收率。从另一角度看，分级排料和清母液溢流的主要作用是使粒度大小不同的晶粒和液相在结晶器中具有不同的停留时间。在具有分级排料的结晶器中，粒径相近的晶体可同时排出，从而保证了粒度分布。在无清母液溢流的结晶器中，固液两相的停留时间相同，而在具有清母液溢流的结晶器中，固相的停留时间比液相长数

36、倍，从而保证晶粒有充足的时间长大，这对于结晶这样的低速过程有重要的意义。连续结晶过程可以有不同的产量输出，它可以从每天每人几公斤到几吨间变化。与分批操作相比，连续操作具有以下优点。生产周期短，节省劳动力；多变的生产能力，相同的生产能力下，投资省，占地面积小；有较好的冷却加热装置；产品的粒度大小和分布可控；产品稳定，收率高。但连续结晶也有缺点：在器壁和换热面上容易产生晶垢，并不断积累使后期操作条件和产品质量逐渐恶化，清理的机会少于分批操作；设备复杂，操作控制比分批结晶困难，要求严格；和操作良好的分批操作相比，产品平均粒度小。四、重结晶四、重结晶 结晶时，溶液中溶质因其溶解度与杂质的溶解度不同，溶

37、质结晶而杂质留在溶液中，因而相互分离。或两者的溶解度虽然相差不大，但晶格不同，而相互分离（有些场合下可能出现混晶现象）。所以结晶出来的晶体通常是非常纯净的，但在实际中会因为吸藏，包藏或共结晶，而难免有杂质夹带其中。因此需要重结晶，重结晶常能降低杂质的浓度，提高产品的纯度。用少量的纯热溶剂溶解不纯的晶体，然后冷却得到新的晶体，后者的纯度高于前者，但收率下降。经过不断重复这一操作，直到新晶体达到所要求的纯度为止。简单重结晶过程见图9-5。其中S为新鲜溶剂；L代表母液；AB为初始晶体。随着重结晶操作的进行，晶体的纯度由X1提高到X2、X3；母液的纯度由L1提高到L2、L3。在任何情况下，杂质的含量过

38、多都是不利的（杂质太多还会影响结晶速度，甚至妨碍结晶的生成）。一般重结晶只适用于纯化杂质含量在5以下的固体混合物。ABX1SL1SX2SX3L3L2图9-5 重结晶 进行重结晶时，选择理想的溶剂是一个关键，按“相似相溶”的原理，对于已知化合物可先从手册中查出在各种不同溶剂中的溶解度，最后要通过实验来确定使用哪种溶剂。所选溶剂必须具备如下条件：不与被提纯物质起化学反应；在较高温度时能溶解多量的被提纯物质；而在室温或更低温度时，只能溶解很少量的该种物质；对杂质的溶解非常大或者非常小,前一种情况是使杂质留在母液中不随被提纯物晶体一同析出；后一种情况是使杂质在热过滤时被滤去；容易挥发（溶剂的沸点较低）

39、，易与结晶分离除去；能给出较好的晶体；无毒或毒性很小，便于操作；价廉易得。经常采用试验的方法选择合适的溶剂。如果难于选择一种适宜的溶剂，可考虑选用混合溶剂。混合溶剂一般由两种能互相溶解的溶剂组成，目标物质易溶于其中之一种溶剂，而难溶于另一种溶剂。五、分级重结晶五、分级重结晶 为了更好的利用母液需采用分级重结晶。分级重结晶的过程如图9-6所示。图9-6 分级重结晶 其中AB表示初始混合物，A 为不易溶的溶质，B为较易溶的物质。AB混合物溶解于少量热溶剂中，冷却得到晶体X1和母液L1，将晶体X1从母液L1中分离出来后，再溶解于少量热的新鲜溶剂中，同样得到新晶体X2和母液L2。母液L1进一步被浓缩得

40、到结晶X3和母液L3，将晶体X3溶解于热的母液L2中，从这个新形成的溶液中结晶得到另一种晶体X5和母液L5，母液L3被浓缩得到晶体X6和液体L6。如此,经过每一步,晶体的纯度逐步向图的右边提高，而杂质则向图的左边迁移。结果溶解度小的产品A在图的右边得到浓缩，溶解度大的杂质(或另一种产品)B则在图的左边被浓缩。溶解度处于两者之间的溶质富集于图的中央部分。在结晶的过程中，影响其操作和产品质量的因素很多。目前的结晶过程理论还不能完全考虑各种因素，定量描述结晶现象。针对某种特殊的物质，需要通过充分实验确定合适的结晶操作条件。在满足产品质量要求的前提下，最大限度的提高生产效率，降低成本。因此在操作时应考

41、虑如下因素：一、过饱和度一、过饱和度 溶液的过饱和度是结晶过程的推动力，因此在较高的过饱和度下进行结晶，可提高结晶速率和收率。但是在工业生产实际中，当过饱和度（推动力）增大时，溶液黏度增高，杂质含量也增大，可能会出现如下问题：成核速率过快，使晶体细小；结晶生长速率过快，容易在晶体表面产生液泡，影响结晶质量；结晶器壁易产生晶垢，给结晶操作带来困难；产品纯度降低。因此，过饱和度与结晶速率、成核速率、晶体生长速率及结晶产品质量之间存在着一定的关系，应根据具体产品的质量要求，确定最适宜的过饱和度。二、温度二、温度 许多物质在不同的温度下结晶，其生成的晶形和晶体大小会发生变化，而且温度对溶解度的影响也较

42、大，可直接影响结晶收率。因此，结晶操作温度的控制很重要，一般控制较低的温度和较小的温度范围。如生物大分子的结晶，一般选择在较低温度条件下进行，以保证生物物质的活性，还可以抑制细菌的繁殖。但温度较低时，溶液的黏度增大，可能会使结晶速率变慢，因此应控制适宜的结晶温度。利用冷却法进行结晶时，要控制降温速度。如果降温速度过快，溶液很快达到较高的过饱和度，则结晶产品细小；若降温速度缓慢，则结晶产品粒度大。蒸发结晶时，随着溶剂逐渐被蒸发，溶液浓度逐渐增大，使沸点上升，因此蒸发室内溶液温度（沸点）较高。为降低结晶温度，常采用真空绝热蒸发，或将蒸发后的溶液冷却，以控制最佳结晶温度。三、晶浆浓度三、晶浆浓度 结

43、晶完成后，含有晶粒的混合液称为晶浆，结晶操作一般要求晶浆具有较高的浓度，有利于溶液中溶质分子间的相互碰撞聚集，以获得较高的结晶速率和结晶收率。但当晶浆浓度增高时，相应杂质的浓度及溶液黏度也增大，悬浮液的流动性降低，混合操作困难，反而不利于结晶析出；也可能造成晶体细小，使结晶产品纯度较差，甚至形成无定形沉淀；因此，晶浆浓度应在保证晶体质量的前提下尽可能取较大值。对于加晶种的分批结晶操作，晶种的添加量也应根据最终产品的要求，选择较大的晶浆浓度。只有根据结晶生产工艺和具体要求，确定或调整晶浆浓度，才能得到较好的晶体。对于生物大分子，通常选择3%5%的晶浆浓度比较适宜，而对于小分子物质（如氨基酸类）则

44、需要较高的晶浆浓度。四、流速四、流速 流速对结晶操作的影响主要有以下几个方面：较高的流速有利于过饱和度分布均匀，使结晶成核速率和生长速率分布均匀；提高流速有利于提高热交换效率，抑制晶垢的产生；流速过高会造成晶体的磨损破碎。另外，如果结晶器具备分级功能，则流速需要保证正常的分级功能。五、结晶时间五、结晶时间 结晶时间包括过饱和溶液的形成时间、晶核的形成时间和晶体的生长时间。过饱和溶液的形成时间与其方法有关，时间长短不同。晶核的形成时间一般较短，而晶体的生长时间一般较长。在生长过程中，晶体不仅逐渐长大，而且还可达到整晶和养晶的目的。结晶时间一般要根据产品的性质、晶体质量的要求来选择和控制。对于小分

45、子物质，如果在适合的条件下，几小时或几分钟内便可析出结晶；对于蛋白质等生物大分子物质，由于分子量大，立体结构复杂，其结晶过程比小分子物质要困难得多。这是由于生物大分子在进行分子的有序排列时，需要消耗较多的能量，使晶核的生成及晶体的生长都很慢，而且为防止溶质分子来不及形成晶核而以无定形沉淀形式析出的现象发生，结晶过程必须缓慢进行。生产中主要控制过饱和溶液的形成时间，防止形成的晶核数量过多而造成晶粒过小。六、溶剂与六、溶剂与pHpH 结晶操作选用的溶剂与pH，都应使目标产物的溶解度较低，以提高结晶的收率。另外，溶剂的种类和pH对晶形也有影响，如普鲁卡因青霉素在水溶液中的结晶为方形晶体，而在醋酸丁酯

46、中的结晶为长棒形。因此，需通过实验确定溶剂的种类和结晶操作的pH，以保证结晶产品质量和较高的收率。七、晶种七、晶种 加晶种进行结晶是控制结晶过程、提高结晶速率、保证产品质量的重要方法之一。工业上晶种的引入有两种方法：一种是通过蒸发或降温等方法，使溶液的过饱和状态达到不稳定区，自发成核一定数量后，迅速降低溶液浓度（如稀释法）至介稳区，这部分自发成核的晶核作为晶种；另一种是向处于介稳区的过饱和溶液中直接添加细小均匀晶种。工业生产中主要采用第二种加晶种的方法。对于不易结晶（也就是难以形成晶核）的物质，常采用加入晶种的方法，以提高结晶速率。对于溶液粘度较高的物系，晶核产生困难，而在较高的过饱和度下进行

47、结晶时，由于晶核形成速率较快，容易发生聚晶现象，使产品质量不易控制。因此，高粘度的物系必须采用在介稳区内添加晶种的操作方法。八、搅拌与混合八、搅拌与混合 增大搅拌速度，可提高成核速率，同时搅拌也有利于溶质的扩散而加速晶体生长；但搅拌速率过快会造成晶体的剪切破碎，影响结晶产品质量。工业生产中，为获得较好的混合状态，同时避免晶体的破碎，一般通过大量的试验，选择搅拌桨的形式，确定适宜的搅拌速度，以获得需要的晶体。搅拌速率在整个结晶过程中可以是不变的，也可以根据不同阶段选择不同的搅拌速度。也有采用直径及叶片较大的搅拌桨，降低转速，以获得较好的混合效果；也有采用气体混合方式，以防止晶体破碎。九、结晶系统

48、的晶垢九、结晶系统的晶垢 结晶操作中常会在结晶器壁等处产生晶垢，严重影响结晶过程的效率。一般可采用如下一些方法防止或消除晶垢的产生：器壁内表面采用有机涂料，尽量保持壁面光滑；提高流体流速，消除低流速区；为防止因散热而使壁面附近温度降低而造成的过饱和度过高，可以采用夹套保温的办法；晶垢消除，对于以产生的晶垢可以通过晶垢铲除装置，或用溶剂溶解进行消除。一、青霉素一、青霉素G G盐的结晶工艺盐的结晶工艺 青霉素G的澄清发酵液（pH3.0）经乙酸丁酯萃取，水溶液（pH7.0）反萃取和乙酸丁酯二次萃取后，向丁酯萃取液中加入醋酸钾的乙醇溶液，即生成青霉素G钾盐。因青霉素G钾盐在乙酸丁酯中溶解度很小，故从乙

49、酸丁酯溶液中结晶析出，控制适当的操作温度、搅拌速度以及青霉素G的初始浓度，可得到粒度均匀，纯度达90%以上的青霉素G钾盐结晶。将青霉素G钾盐溶于氢氧化钾溶液中，调节pH至中性，加入无水乙醇，进行真空共沸蒸馏操作，可获得纯度更高的结晶产品。在上述操作中，醋酸钠代替醋酸钾，即可获得青霉素G钠盐。二、四环素碱的结晶工艺二、四环素碱的结晶工艺 四环素碱的结晶工艺流程如下：四环素发酵液经过预处理后，即可在酸性滤液中用碱化剂调节pH至等电点，使四环素直接从滤液中沉淀结晶出来。在结晶过程中应注意以下几点：（1）碱化剂的选择 碱化剂一般采用氢氧化钠、氢氧化铵、碳酸钠、亚硫酸钠等。目前生产上多采用氨水(内含23

50、NaHS03或Na2CO3及尿素等)作为碱化剂，这样既能节约成本，又能起到抗氧脱色作用，效果较好。（2）pH的控制 在连续结晶过程中，pH的高低对产量和质量都有一定的影响。四环素的等电点为pH=5.4，若pH控制在接近等电点时，沉淀结晶虽较完全些，收率亦高，但此时会有大量杂质（主要是蛋白质类杂质的等电点与四环素等电点的pH相近）同时沉淀析出，影响产品的质量和色泽；若pH控制得较低一些，对提高产品质量虽有好处（即上述蛋白质等杂质不同时析出，而残留在母液中），但沉淀结晶不够完全，收率要低些，影响产量。因此，在选择沉淀结晶的pH时，就必须同时考虑到产量、质量的关系。根据在pH4.57.5之间，四环素