生化工程下游技术第十三章
33页1、第十三章 结晶技术,结晶是工业上常用的一种纯化手段。 可以通过溶液降温,溶剂蒸发和稀释剂的加入来获得结晶产品。 结晶的概念 在一定条件下,溶质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。 结晶是同类分子或离子的规则排列,具有高度的选择性,因而结晶操作能从杂质含量相当多的发酵液或溶液中形成纯净的晶体。,固体产品可分为结晶形和无定型两种状态: 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 区别: 结晶物质构成单位(原子、分子或离子)的排列方式是规则的,而无定型物质构成单位的排列是不规则的。,溶质从液相中析出时,不同的环境条件可以得到不同的晶体外形, 甚至以无定型形态析出:,结晶技术: 1、溶质在溶液中的溶解度; 2、结晶形状、结晶均匀度; 3、结晶速度;,一、饱和曲线和过饱和曲线,通常以溶质的溶解度作为该溶质饱和浓度的量度。 溶液恰好饱和,溶质既无溶解也无结晶,即溶质与溶液处于平衡状态,此溶液称为饱和溶液; 溶液未饱和,若添加固体则固体溶解;如溶液状态已过饱
2、和,超过饱和点的溶质迟早要从溶液中沉淀出来。 所以,要使溶质从溶液中结晶出来,须首先使溶液成为过饱和状态,也即必须设法产生一定的过饱和度作为推动力。,第一节 基本理论,温度与溶解度的关系,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,在温度-溶解度关系图中,AB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AB曲线和CD曲线之间的区域为介稳定区,此刻如不受外界条件影响(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AB线; 介于饱和溶解度曲线和过饱和溶解度曲线之间的区域,可以进一步划分刺激结晶区和养晶区,稳定区和亚稳定区,不稳定区,在CD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AB线(饱和); 晶体生长速度快,晶体尚未长大,溶质浓度便降至饱和溶解度,此时已形成大量的细小结晶,晶体质量差; 因此,工业生产中通常采用加入晶种,并将溶质浓度控制在养晶区,以利于
3、大而整齐的晶体形成。,析出结晶的手段:(过饱和溶液的形成) 1、冷却结晶:通过降低温度,产生过饱和度而结晶。适用于溶解度随温度变化较大的物质。 2、蒸发结晶:母液在加压、常压或减压下加热蒸发浓缩,产生过饱和度而结晶。适用于溶解度随温度变化较小的物质(糖,盐类)缺点:耗热能多,加热面结垢问题使操作困难。 3、真空绝热冷却结晶:使溶剂在真空下闪蒸,并绝热冷却,同时依靠浓缩和冷却两种效应产生过饱和度。因此,绝热蒸发兼具冷却和蒸发浓缩的双重效应。 特点:主体结构相对简单,无换热面,操作稳定,不存在内表面结垢问题。也可用多个真空绝热冷却结晶器组成多级结晶器。,三、结晶过程,1、结晶过程,溶质从溶液中结晶出来,要经过两个步骤: 首先产生晶核 由Kelvin公式,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。,晶核在良好的环境中长大。 结晶的推动力是溶质的浓度差(cc c*)。 过饱和度的大小会影响晶核的形成速度和晶体的长大速度,这两个速度又影响最终晶体产品的粒度和晶体粒度分布(即晶体质量)。 溶质(产物
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