生化工艺——第九章 结晶.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第九章 结 晶,第一节,结晶基本原理,第二节,结晶的类型,第三节,结晶操作控制,第四节 结晶技术的实施,第五节,结晶技术应用实例,学习目标,了解结晶的类型；,掌握结晶的基本原理；,理解结晶操作控制要点，能够找出提高晶体质量的方法；,能够正确进行结晶操作，会分析结晶过程中相关问题并进行正确处理。,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，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,几种典型的晶体结构,结晶的特点,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。,结晶过程具有,成本低、设备简单、操作方便,，晶体外观好，适于商品化及包装，同时能够满足纯度要求，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。,第一节 结晶的基本原理,一、过饱和溶液的形成,饱和溶液,过饱和溶液,：,溶质只有在,过饱和溶液,中才能以晶体形式,析出,；,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,晶体的形成,只有当溶质浓度超过饱和溶解度后，才可能有晶体析出,。,首先形成晶核，微小的晶核具有较大的溶解度。实质上，在饱和溶液中，晶核是处于一种,形成,溶解,再形成,的,动态平衡,之中，只有,达到一定的过饱和度,以后，,晶核,才能够,稳定,存在。,结晶的步骤,过饱和溶液的形成,晶核的形成,晶体生长,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。,温度与溶解度的关系,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,饱和曲线和过饱和曲线,稳定区和介稳区,在温度,-,溶解度关系图中，,SS,曲线下方为,稳定区,，在该区域任意一点溶液均是,稳定,的；,而在,SS,曲线和,TT,曲线之间的区域为,介稳区,，此刻如不采取一定的手段（如加入晶核），溶液可长时间保持稳定；,加入晶核后，溶质在晶核周围聚集、排列，溶质浓度降低，并降至,SS,线；,介于饱和溶解度曲线和过饱和溶解度曲线之间的区域，可以进一步划分,养晶区,和,刺激结晶区,不稳定区,在,TT,曲线的上半部的区域称为,不稳定区,，在该区域任意一点溶液均能,自发形成结晶,，溶液中溶质浓度迅速降低至,SS,线（饱和）；,因此，工业生产中通常采用,加入晶种,（加入的晶体）,，并将溶质浓度控制在,养晶区,，以利于大而整齐的晶体形成。,影响溶液过饱和度的因素,饱和曲线是固定的,不饱和曲线受因素的影响,产生过饱和度的速度（冷却和蒸发速度）,加晶种的情况（晶种大小和多少）,机械搅拌的强度,结晶与溶解度之间的关系,晶体产量取决于溶液与固体之间的,溶解,析出平衡；,固体溶质加入未饱和溶液,溶解,；,固体溶质加入饱和溶液,平衡,（,Vs=,Vd,）,固体溶质加入过饱和溶液,晶体析出,过饱和度,S,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：,过饱和溶液的浓度，,g,溶质,/100g,溶剂；,饱和溶液的浓度，,g,溶质,/100g,溶剂。,S,=,过饱和溶液的形成,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。,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；,溶解度随温度升高而降低，则采用升温结晶法,自然冷却、间壁冷却、直接接触冷却,部分溶剂蒸发法（等温结晶法）,借蒸发除去部分溶剂，而使溶液达到过饱和的方法,。,适用于溶解度随温度降低变化不大的体系。,加压、减压或常压蒸馏,化学反应结晶,加入反应剂或调节,pH,，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。,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。,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,二、晶核的形成,成核,晶体生长,以,过饱和度为推动力,，在晶体的长大过程中，仍有可能产生晶核。,一种是溶液过饱和后自发形成晶核的过程，称为,“,一次成核,”,。,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，称为,二次成核。,在工业结晶中，,二次成核,过程为晶核的,主要来源,。,成核过程从理论上可分为两类,均相成核,；,非均相成核,一次成核,分为,均相成核,和,非均相成核,工业结晶的成核现象通常为,二,次,成核,二次成核中有两种起决定作用的机理：,液体剪切力成核,接触成核占主导地位,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。,晶核的成核速度,定义：,单位时间内在单位体积溶液中生成新核的数目,。,是决定,结晶产品粒度,分布的,首要动力学因素,；,成核速度大：导致细小晶体生成,因此，需要避免过量晶核的产生,三、晶体的生长,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。,影响晶体生长速度的因素,杂质,搅拌,温度,操作要求：,温度不宜太低，搅拌不宜太快，最好控制在介稳区内结晶。使较长时间里只有一定量晶核生成，而使原有的晶核不断成长为晶体。,常用的工业起晶方法,自然起晶法,刺激起晶法,晶种起晶法：,该方法容易控制、所得晶体形状大小均较理想，是一种常用的工业起晶方法,。,晶种控制,晶种起晶法中采用的晶种直径通常小于,0.1mm,；晶种加入量由实际的溶质附着量以及晶种和产品尺寸决定,Ws,，,Wp,晶种和产品的质量，,kg,Ls,，,Lp,晶种和产品的尺寸，,mm,四、晶习及产品处理,晶习是指在一定环境中，晶体的外部,形态,。,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。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。,提高晶体质量的方法,晶体质量包括三个方面的内容：,晶体大小、形状和纯度,影响晶体大小的因素：,晶核形成晶体生长速度、温度、杂质、搅拌等,影响晶体形状的因素：,过饱和度、搅拌、,pH,影响晶体纯度的因素：,母液中的杂质、结晶速度、晶体粒度及分布,产品的处理,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,真空过滤,和,离心过滤,。,母液在晶体表面的,吸藏常常需洗涤或重结晶,降低或除去杂质。,母液在晶簇中的,包藏,，用洗涤的方法不能除去，只能通过,重结晶,来除去。,洗涤的作用：,改善结晶成品的颜色，并可提高晶体纯度，有利于提高产品质量。,洗涤的关键：,洗涤剂的确定和洗涤方法的选择。,（,2,）,晶体结块,晶体结块是一种导致结晶产品品质劣化的现象，导致晶体结块的主要原因有：,结晶理论,毛细管吸附理论,防止晶体结块方法,加入,惰性型,防结块剂,;,加入,表面活性剂型,防结块剂,;,惰性型与表面活性剂型防结块剂,联合使用。,第二节 结晶的类型,依据结晶操作过程的重复性,按照结晶操作过程的连续性程度,1.,分批结晶,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地与前面和后面的操作有关系，这样的结晶操作称为分批结晶。,设备结构简单，对操作人员的技术要求不高。,操作步骤：结晶器的清洁；加入固料或液料到结晶器中；用任何合适的方法产生过饱和度；成核和晶体生长；晶体的排除。,分批结晶操作最主要的优点是能通过控制传热，生产出满足质量要求的合格晶体，其缺点是操作成本比较高，操作和产品质量的稳定性较差。,2.,连续结晶,生产规模较大时，为提高生产效率，往往采用连续结晶。,连续结晶过程可以使用多种形式的结晶器。,劳动力成本是连续结晶器优于分批过程的一个重要因素。其生产效率取决于多方面的因素，一般比分批结晶的效率要高，其显著特点包括：可较好地使用劳动力；设备的寿命较长；有多变的生产能力；晶体粒度大小及其分布可控；有较好的冷却和加热装置；产品稳定并使损耗减少到最小程度等。,3.,重结晶,经过一次粗结晶后，得到的晶体通常会含有一定量的杂质。此时工业上常常需要采用重结晶的方式进行精制。,杂质产生的原因主要包括：某些杂质与产物的溶解度相近，产生共结晶现象；有些杂质会被结合到产品的晶格中；因洗涤不完全，而使晶体上带有母液和杂质。因此需要重结晶，以提高产品的纯度。,重结晶是,利用杂质和结晶物质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再次结晶，,以获得高纯度的晶体的操作。,重结晶的操作过程,选择合适的溶剂；,将经过粗结晶的物质加入少量的热溶剂中，并使之溶解；,热过滤，除去不溶性杂质（包括脱色）,冷却使之再次结晶；,分离母液；,洗涤干燥，除去附着母液和溶剂。；,选择合适的溶剂,与被提纯的有机化合物不起化学反应。,对被提纯的有机物应具有热溶，冷不溶性质。,杂质和被提纯物质，应是一个热溶，一个热不溶。,对要提纯的有机物能在其中形成较整齐的晶体,溶剂的沸点，不宜太低（易损），也不宜太高（难除）。,价廉易得无毒。,溶解过程,避免溶解过程中出现油珠状物产生，应注意下列两方面的问题：,所选择的溶剂的沸点应低于溶质的熔点；,如不能选择沸点较低的溶剂时，应在比熔点低的温度下溶解固体。,除去杂质,热过滤：除去不溶性杂质；,活性碳除去溶液的颜色、悬浮状微粒。,晶体析出,要求晶体大小适度。,滤液静置，缓慢冷却，可避免晶体过细；,若晶体过大，可轻轻摇动。,晶体收集和洗涤,收集：抽气过滤或称减压过滤,洗涤：用少量纯溶剂洗掉晶体表面的母液。,晶体干燥,根据化合物的性质选择适当的干燥方法，常用的干燥方法有：,晾干、加热干燥、红外线干燥、干燥器干燥、减压恒温干燥,第三节 结晶操作控制,一、过饱和度,溶液的过饱和度是结晶过程的推动力，,直接影响,结晶速率和晶体质量；,固体产品的内在质量（如,纯度,）与其外观性状（如,晶形,、,粒度,等）密切相关。一般，晶形整齐和色泽洁白的固体产品，具有较高纯度。,必须根据产品在粒度大小、分布、晶形以及纯度等方面的要求，选择合适的结晶条件，并严格控制结晶过程。,提高,过饱和度，可,提高,结晶速率和收率。溶液黏度,增大,，杂质含量,增加,，,可能会出现如下问题：,成核速率过快,晶体细小；,结晶生长速率过快,在晶体表面产生液泡,结晶质量；,结晶器壁易产生晶垢,影响结晶操作；,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,生物大分子的结晶，一般在较低温度条件下进行，以保证生物物质的活性，还可抑制细菌的繁殖。,但温度,上升,，溶液的黏度,下降,，可能会使结晶速率,下降,，因此应控制适宜的结晶温度。,三、晶浆浓度,提高,晶浆浓度,促进溶液中溶质分子间的相互碰撞聚集，获得,较高,的结晶速率和结晶收率。但相应杂质的浓度及溶液黏度也,增大,，悬浮液的流动性,降低,，,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。,对于生物大分子，通常选择,3%5%,的晶浆浓度比较适宜；对于小分子物质（如氨基酸类）则需要较高的晶浆浓度。,四、流速,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。,五、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。,六、溶剂与,pH,值,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,值对晶形也有影响；,案例：普鲁卡因青霉素在水溶液中的结晶为方形晶体，而在醋酸丁酯中的结晶为长棒。,因此，需通过实验确定溶剂的种类和结晶操作的,pH,值，保证结晶产品质量和较高的收率。,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。,工业上常用,晶种起晶法将溶液蒸发后冷却至,亚稳定区,的较低浓度，,加入一定量和一定大小的晶种，,使溶质在晶种表面生长。,八、搅拌与混合,增大搅拌速度，可提高,成核速率,搅拌利于溶质的扩散而,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。,采用直径及叶片较大的搅拌桨，降低转速，或采用气体混合方式，以防止晶体破碎。,九、结晶系统的晶垢,为防止晶垢的产生，或除去已形成的晶垢，一般可采用下述方法：,器壁内表面采用有机涂料，,保持壁面光滑,，可防止在器壁上进行二次成核而产生晶垢；,提高,结晶系统中,各部位的流体流速,，并使,流速分布均匀,，消除低流速区内晶体沉积结垢；,外循环液体为过饱和溶液，应使,溶液中含有悬浮的晶种,，防止溶质在器壁上析出结晶；,控制过饱和形成的速率和过饱和程度,，防止壁面附近过饱和度过高而结垢；,增设晶垢铲除装置，或定期添加污垢溶解剂,，除去已产生的晶垢。,第四节,结晶技术实施,一、结晶工艺及操作,1.,冷却结晶,按冷却方式分冷却结晶可分为：自然冷却、间接换热冷却与直接接触冷却结晶。,图,9-7,内循环结晶器,图,9-8,外循环结晶器,2.,蒸发结晶,依靠蒸发除去一部分溶剂的结晶过程称为蒸发结晶。它是使结晶母液在加压、常压或减压下加热蒸发、浓缩而产生过饱和度。,3.,真空绝热冷却结晶,真空绝热冷却结晶是使溶剂在真空下绝热闪蒸，同时依靠浓缩与冷却两种效应来产生过饱和度，这是广泛采用的结晶方法。左图为带有导流筒及挡板的结晶器，简称,DTB,型结晶器。,4.,盐析结晶,盐析结晶通过向结晶体系加入添加剂,(,亦称媒晶剂,),以降低溶质在原溶剂中的溶解度,促进溶质的析出,达到溶质从溶液中分离的目的。所加入的添加剂可以是气体、液体或固体。,5.,反应结晶,反应结晶是指两个或多个反应物均相反应，反应产物从溶液中结晶出来的过程。它是一种同时涉及反应、传质、快速成核及成长以及可能发生的二次过程，如老化、熟化、凝聚和破裂等的复杂过程。,6冷冻结晶,冷冻结晶通过将待分离的物系降温冷却,梯度形成不同的结晶顺序,从而达到分离提纯的目的。,7.,熔融结晶,8.,其它结晶工艺,（,1,）结晶衍生物工艺（,2,）高压结晶技术（,3,）萃取结晶技术（,4,）升华结晶,二、结晶工艺问题及处理,蒸发结晶,蒸发法结晶消耗的热能较多，加热面结垢问题也会使操作遇到问题。为了节约能量，糖的精制已使用了由多个蒸发结晶器组成的多效蒸发，操作压力逐效降低，以便重复利用二次蒸汽的热能。很多类型的自然循环及强制循环的蒸发结晶器已在工业中得到应用。溶液循环推动力可借助于泵、搅拌器或蒸汽鼓泡虹吸作用产生。蒸发结晶也常在减压下进行，目的在于降低操作温度，减小热能损耗。,盐析结晶,盐析结晶过程中,溶剂和沉淀剂的选择对于结晶体系具有较大影响。在溶剂中,不纯物具有较大的溶解度，不易被沉淀出来。如果使用单一沉淀剂不能使杂质沉淀出来，可以考虑使用混合沉淀剂。沉淀剂应该溶解于原来溶剂而不溶解于待结晶的组分，并且应当易于与原来的溶剂分离。对于冷却结晶和蒸发结晶过程,盐析操作也可以用于成核过程。,第五节 结晶技术应用实例,青霉素,G,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。,