生化分离工程：4-1 结晶技术.ppt

模块模块4 成品制备成品制备------ ------ 结晶结晶------ ------ 干燥干燥第一节第一节 结晶技术结晶技术 n结晶概述结晶概述n结晶的原理及其生长结晶的原理及其生长 n结晶设备及应用结晶设备及应用 一一 结晶的概述结晶的概述n结晶是从液相或气相生成结晶是从液相或气相生成形状一定、有规则排列形状一定、有规则排列的的晶体的现象，是形成新相的过程晶体的现象，是形成新相的过程n这一过程包括这一过程包括n溶质分子溶质分子凝聚凝聚成固体成固体, , n分子有规律地分子有规律地排列排列在一定的晶格中在一定的晶格中n与表面分子化学键力的变化有关与表面分子化学键力的变化有关, , n结晶过程是一个表面化学反应过程，结晶过程是一个表面化学反应过程，n热质传递过程热质传递过程1.1.结晶结晶典型的晶体结构典型的晶体结构晶体结构特征：几何外形、规则排列晶体结构特征：几何外形、规则排列2. 沉淀与结晶的比较沉淀与结晶的比较n条件：条件：沉淀和结晶都是水溶液中含量高于溶解度时产沉淀和结晶都是水溶液中含量高于溶解度时产生的生的 . .n过程：溶剂中的物质析出产生过程：溶剂中的物质析出产生n应用：结晶和沉淀都是是分子分离纯化的一种手段应用：结晶和沉淀都是是分子分离纯化的一种手段相同相同不同不同n纯度：沉淀纯度低于结晶，初级分离技术。

纯度：沉淀纯度低于结晶，初级分离技术n结构：沉淀是无规则排列的无定形粒子，结晶是从液结构：沉淀是无规则排列的无定形粒子，结晶是从液相或气相生成相或气相生成形状一定、有规则排列形状一定、有规则排列的晶体的晶体n速度：结晶和沉淀相比应当是一个缓慢的过程速度：结晶和沉淀相比应当是一个缓慢的过程n条件：必须有适合的晶核条件：必须有适合的晶核n应用：沉淀广泛应用于蛋白质等生物产物的分离（蛋应用：沉淀广泛应用于蛋白质等生物产物的分离（蛋白质沉淀是不定形颗粒，非结晶）结晶在小分子较多白质沉淀是不定形颗粒，非结晶）结晶在小分子较多名词晶晶浆浆：：在在结结晶晶器器中中结结晶晶出出来来的的晶晶体体和和剩剩余余的的溶溶液液所所构成的混悬物构成的混悬物母液母液：去除悬浮液中的晶体后剩下的溶液去除悬浮液中的晶体后剩下的溶液晶习：晶习： 一定环境中，结晶的外部形态一定环境中，结晶的外部形态3. 3. 结晶操作的特点结晶操作的特点结晶操作的特点结晶操作的特点n多数情况下，只有同类分子或离子才能排列成晶体，因多数情况下，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此结晶过程有良好的选择性n通过结晶，溶液中大部分杂质留在母液中，通过过通过结晶，溶液中大部分杂质留在母液中，通过过滤、洗涤、重结晶，得到纯度较高的晶体。

滤、洗涤、重结晶，得到纯度较高的晶体n易于和不结晶物质分开易于和不结晶物质分开------生化分离的实质生化分离的实质n结晶过程结晶过程成本低、设备简单、操作方便成本低、设备简单、操作方便、无三废排放，、无三废排放，广泛应用于氨基酸、有机酸、抗生素、维生素、核酸等广泛应用于氨基酸、有机酸、抗生素、维生素、核酸等产品的精制产品的精制n饱和溶液饱和溶液：：在一定温度下，向一定量溶剂里加入某在一定温度下，向一定量溶剂里加入某种溶质，当溶质不能继续溶解时，所得的溶液叫做这种溶质，当溶质不能继续溶解时，所得的溶液叫做这种溶质的饱和溶液种溶质的饱和溶液n过饱和溶液过饱和溶液：溶质浓度超过饱和溶解度时，该：溶质浓度超过饱和溶解度时，该溶液称之为过饱和溶液；溶液称之为过饱和溶液；二二 结晶理论结晶理论1. 结晶基本条件：溶质只有在过饱和溶液中才结晶基本条件：溶质只有在过饱和溶液中才能析出；能析出；几种物质在水中的溶解度曲线几种物质在水中的溶解度曲线饱和曲线饱和曲线 过饱和度：同一温度下，过饱和溶液与饱过饱和度：同一温度下，过饱和溶液与饱和溶液的浓度差溶液的过饱和度是结和溶液的浓度差溶液的过饱和度是结晶过程的推动力。

晶过程的推动力 溶液的过饱和与超溶解度曲线溶液的过饱和与超溶解度曲线溶解度曲线溶解度曲线 过饱和曲线过饱和曲线 稳定区稳定区不可能结晶不可能结晶介稳区介稳区不会自发地不会自发地产生晶核产生晶核 不稳区不稳区能自发产生晶核能自发产生晶核 结晶的结晶的T～～C关系图关系图亚稳区（介稳区）亚稳区（介稳区）内的任一点可以长时间保持稳定亚稳区中各部分内的任一点可以长时间保持稳定亚稳区中各部分的稳定性不同的稳定性不同,接近接近S—S线区域较稳定线区域较稳定,而接近而接近T—T线的区域极易受刺线的区域极易受刺激而结晶因此有人提出将亚稳区再一分为二激而结晶因此有人提出将亚稳区再一分为二,上半部为刺激结晶区上半部为刺激结晶区,下半部为养晶区下半部为养晶区分区分区Ø稳定区：稳定区： 不饱和区不饱和区Ø第一介稳区：加入晶种结晶会生长，但不产第一介稳区：加入晶种结晶会生长，但不产 新晶核，养晶区新晶核，养晶区Ø第二介稳区：加入晶种结晶会生长，同时有第二介稳区：加入晶种结晶会生长，同时有 新晶核产生，新晶核产生，刺激结晶区刺激结晶区Ø不稳区：瞬时出现大量微小晶核，发生晶核不稳区：瞬时出现大量微小晶核，发生晶核 泛滥泛滥曲线提示曲线提示结晶过程应尽量控制在介稳区内进行，以得到平结晶过程应尽量控制在介稳区内进行，以得到平均粒度较大的结晶产品，避免产生过多晶核而均粒度较大的结晶产品，避免产生过多晶核而影响最终产品的粒度。

影响最终产品的粒度工业生产中通常采用加入晶种，并将溶质浓度控工业生产中通常采用加入晶种，并将溶质浓度控工业生产中通常采用加入晶种，并将溶质浓度控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，以利于大而整齐的晶体形成制在养晶区，以利于大而整齐的晶体形成制在养晶区，以利于大而整齐的晶体形成制在养晶区，以利于大而整齐的晶体形成结结晶晶是是从从均均一一的的溶溶液液中中析析出出固固相相晶晶体体的的过过程程, ,通通常包含三个步骤常包含三个步骤: :n过饱和溶液的形成过饱和溶液的形成, ,n晶核的生成晶核的生成n晶体的成长晶体的成长三三 结晶的生长过程结晶的生长过程其中，其中，溶液达到过饱和状态是结晶的前提；过饱和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度是结晶的推动力1 1　过饱和溶液的形成　过饱和溶液的形成形成过饱和溶液及结晶方法形成过饱和溶液及结晶方法等溶剂结晶，等溶剂结晶，冷却结晶（冷却结晶（热饱和溶液冷却热饱和溶液冷却））等温结晶法，等温结晶法，蒸发结晶蒸发结晶 （（部分溶剂蒸发法部分溶剂蒸发法））化学反应结晶化学反应结晶真空蒸发冷却法真空蒸发冷却法当能量在某一瞬间、某一区域由于布朗运动暂当能量在某一瞬间、某一区域由于布朗运动暂时达到较高值时会析出微小的颗粒时达到较高值时会析出微小的颗粒, ,即结晶即结晶中心称为晶核。

晶核不断生成并继续成长为中心称为晶核晶核不断生成并继续成长为晶体一般自动成核的机会较少一般自动成核的机会较少, ,常需借助外来因素常需借助外来因素促进生成晶核促进生成晶核, ,如机械振动、搅拌等如机械振动、搅拌等起晶方法：自然起晶、刺激起晶、晶种起晶起晶方法：自然起晶、刺激起晶、晶种起晶 2. 2. 晶核的生成晶核的生成 晶核的成核速度晶核的成核速度n定义：定义：单位时间内在单位体积溶液中生成新核单位时间内在单位体积溶液中生成新核的数目的数目n是决定结晶产品粒度分布的首要动力学因素；是决定结晶产品粒度分布的首要动力学因素；n成核速度大，导致细小晶体生成，因此，需要成核速度大，导致细小晶体生成，因此，需要避免过量晶核的产生避免过量晶核的产生两种情况：两种情况：晶晶体体成成长长速速度度大大大大超超过过晶晶核核生生成成速速度度, ,过过饱饱和和度度主主要要用用来使晶体成长来使晶体成长, , 得到粗大而有规则晶体得到粗大而有规则晶体; ;反反之之过过饱饱和和度度主主要要用用来来生生成成新新的的晶晶核核, ,则则所所得得到到的的晶晶体体颗粒参差不齐颗粒参差不齐, ,晶体细小晶体细小, ,甚至呈无定形。

甚至呈无定形总总结结：：在在工工业业生生产产中中, ,通通常常都都希希望望得得到到颗颗粒粒粗粗大大而而均均匀匀的的晶晶体体, ,可可以以使使后后续续的的过过滤滤、、洗洗涤涤和和干干燥燥操操作作比比较较方方便便, ,同时产品质量也可提高同时产品质量也可提高3.　晶体的成长　晶体的成长 四四 晶体生长的控制晶体生长的控制n杂质杂质：改变晶体和溶液之间界面的滞留层特性，影：改变晶体和溶液之间界面的滞留层特性，影响溶质长入晶体、改变晶体外形、杂质吸附导致晶响溶质长入晶体、改变晶体外形、杂质吸附导致晶体生长缓慢；体生长缓慢；n搅拌搅拌：加速晶体生长、加速晶核的生成；：加速晶体生长、加速晶核的生成；n温度温度：促进表面化学反应速度的提高，增加结晶速：促进表面化学反应速度的提高，增加结晶速度；度；n溶液浓度：浓度始终在介稳区，育晶区溶液浓度：浓度始终在介稳区，育晶区一）晶体生长速度的影响因素一）晶体生长速度的影响因素一）晶体生长速度的影响因素一）晶体生长速度的影响因素晶体晶体质质量包括大小、形状、量包括大小、形状、纯纯度度二）二） 影响晶体质量的因素影响晶体质量的因素1. 1. 晶体大小的影响因素晶体大小的影响因素溶液的过饱和度、温度、搅拌速度等。

溶液的过饱和度、温度、搅拌速度等过饱和度过饱和度增加增加, ,所得晶体细小所得晶体细小温温度度的的影影响响比比较较复复杂杂, ,当当溶溶液液快快速速冷冷却却时时, ,达达到到过过饱饱和和度度较较高高, ,所得晶体也较细所得晶体也较细, ,而缓慢冷却常得到粗大颗粒而缓慢冷却常得到粗大颗粒搅搅拌拌能能促促使使成成核核和和加加速速扩扩散散, ,提提高高晶晶核核成成长长的的速速度度, ,但但超超过过一定范围后一定范围后, ,效果就不显著相反搅拌越快效果就不显著相反搅拌越快, ,晶体越细晶体越细n同种物质用不同方法结晶时，得到的晶体形状可以完同种物质用不同方法结晶时，得到的晶体形状可以完全不同 从不同溶剂中结晶得到不同的外形从不同溶剂中结晶得到不同的外形 改变结晶温度，也会改变晶体外形改变结晶温度，也会改变晶体外形2.影响晶体形状的因素影响晶体形状的因素 Ø晶体常包含母液、尘埃和气泡晶体常包含母液、尘埃和气泡结晶过程中，含有杂结晶过程中，含有杂质的母液质的母液(或熔液或熔液)会以表面粘附和晶间包藏的方式夹会以表面粘附和晶间包藏的方式夹带在固体产品中带在固体产品中Ø形成晶簇形成晶簇n通过晶体的洗涤，除去母液通过晶体的洗涤，除去母液n不同的溶剂进行结晶对不同物质洁净程度不同不同的溶剂进行结晶对不同物质洁净程度不同改善方法：改善方法：用适当的溶剂，对固体进行洗涤，用适当的溶剂，对固体进行洗涤，重结晶重结晶3.晶体纯度的影响因素晶体纯度的影响因素 三）三） 结晶过程的预测与改善结晶过程的预测与改善Ø提高产率：提高起始浓度，降低溶解度提高产率：提高起始浓度，降低溶解度, ,Ø提高纯度提高纯度Ø杂质的存在原因：杂质的存在原因：Ø a a 母液带入母液带入; b ; b 杂质包埋杂质包埋; c ; c 单晶中包含母液单晶中包含母液; ; Ø d d 杂质取代晶格分子杂质取代晶格分子Ø改善晶体大小分布：改变成核和生长速度，控制过饱和度改善晶体大小分布：改变成核和生长速度，控制过饱和度进程进程Ø控制过滤速度：大晶体与粒径分布窄的晶体过滤效果好控制过滤速度：大晶体与粒径分布窄的晶体过滤效果好Ø避免结垢：晶体沉积在容器中避免结垢：晶体沉积在容器中四）一般生化药物结晶的条件四）一般生化药物结晶的条件n纯度：应不低于纯度：应不低于50%50%。

n浓度：一般要求结晶液的浓度较高，利于溶液中溶质浓度：一般要求结晶液的浓度较高，利于溶液中溶质分子间的相互碰撞分子间的相互碰撞 npHpH值：一般选择在生化药物值：一般选择在生化药物pIpI附近处，有利于晶体析附近处，有利于晶体析出n晶种：不易结晶的生化药物常加晶种晶种：不易结晶的生化药物常加晶种n温度：通常在低温条件下进行可在低温时析出结晶温度：通常在低温条件下进行可在低温时析出结晶后适当升温后适当升温n时间：结晶的形成和生长常需要时间，要陈化但生时间：结晶的形成和生长常需要时间，要陈化但生化制药生产上要求在几小时之内能完成，时间不宜过化制药生产上要求在几小时之内能完成，时间不宜过长 n经过一次粗结晶，得到的晶体通常含有一定量经过一次粗结晶，得到的晶体通常含有一定量杂质工业上常常需要采用重结晶方式精制工业上常常需要采用重结晶方式精制n重结晶是重结晶是利用杂质和结晶物质在不同溶剂和不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同温度下的溶解度不同，将晶体用合适的溶剂再次结晶，再次结晶，以获得高纯度的晶体的操作以获得高纯度的晶体的操作五、五、 重结晶重结晶重结晶的操作过程重结晶的操作过程n选择合适的溶剂；不同溶剂其结晶相关条件不同，如选择合适的溶剂；不同溶剂其结晶相关条件不同，如结晶的熔点，最佳结晶的熔点，最佳pH等等n将经过粗结晶的物质加入少量的热溶剂中，并使之溶将经过粗结晶的物质加入少量的热溶剂中，并使之溶解；解；n冷却使之再次结晶；冷却使之再次结晶；n分离母液；分离母液；n洗涤；洗涤；n将将维维生生素素B B1212粗粗品品结结晶晶溶溶解解于于少少量量蒸蒸馏馏水水中中, ,滤滤去去不不溶溶杂杂质质, ,加加入入水水溶溶液液体体积积8 8～～1010倍倍的的丙丙酮酮至至呈呈现现混混浊浊为为止止, ,冷冷却却静静置置两两天天, ,可可得得纯纯度度较较高高的的产品。

产品n为为提提高高红红霉霉素素碱碱纯纯度度, , 将将红红霉霉素素粗粗碱碱溶溶于于1:7(1:7(W/V)W/V)的的丙丙酮酮中中, , 过过滤滤, ,加加入入该该体体积积1.51.5～～2 2倍倍的的蒸蒸馏馏水水, , 室室温温下下静静置置过过夜夜, , 制制得得红红霉霉素素精精制品重结晶举例重结晶举例青青霉霉素素钾钾盐盐的的结结晶晶：：为为了了获获得得长长针针形形、、纯纯度度较较高高的的晶体晶体, ,采用共沸结晶的方法采用共沸结晶的方法青青霉霉素素钾钾盐盐在在乙乙酸酸丁丁酯酯中中的的溶溶解解度度很很小小, ,但但在在水水中中的的溶溶解解度度很很大大, , 在在结结晶晶过过程程中中尽尽量量将将乙乙酸酸丁丁酯酯中中夹夹带带的的水水分分除除去去乙乙酸酸丁丁酯酯和和水水能能形形成成共共沸沸物物, , 真真空空下下将将其其共共沸沸物物蒸蒸出出, , 减减少少丁丁酯酯中中的的水水分分，，利利于于结晶六六 结晶在生物分离中的应用结晶在生物分离中的应用抗抗生生素素生生产产中中最最常常用用的的结结晶晶设设备备是是带带搅搅拌拌的的结结晶晶罐罐, ,罐罐体体上上附附有有夹夹套套, ,以以便便根根据据工工艺艺需需要要改改变变罐罐内温度。

内温度在在制制备备晶晶核核或或需需要要获获得得微微粒粒晶晶体体时时, ,常常采采用用高高转转速速(1000(1000～～3000030000转转/ /分分),),在一般结晶过程在一般结晶过程, ,则采用低转速则采用低转速(50(50～～500500转转/ /分分) )　　1. 不移除溶剂的结晶器不移除溶剂的结晶器——冷却式结晶器冷却式结晶器搅拌式结晶器搅拌式结晶器n在敞槽或结晶釜中安装搅拌器，使结晶器内温在敞槽或结晶釜中安装搅拌器，使结晶器内温度比较均匀，晶体虽小但粒度较均匀，可缩短度比较均匀，晶体虽小但粒度较均匀，可缩短冷却周期，提高生产能力冷却周期，提高生产能力n按照料液循环形式分为按照料液循环形式分为内循环式内循环式和和外循环式外循环式七七 常用结晶设备常用结晶设备1-电动机；电动机； 2-进料口；进料口； 3-冷却夹套；冷却夹套；4-挡板；挡板； 5-减速器；减速器； 6-搅拌轴；搅拌轴； 7-搅拌器搅拌器不移除溶剂的结晶法不移除溶剂的结晶法（等溶剂结晶）（等溶剂结晶）适用于溶解度随温度升高而增加的体系；同时，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；溶解度随温度变化的幅度要适中；自然冷却、间壁冷却、直接接触冷却（在溶液自然冷却、间壁冷却、直接接触冷却（在溶液中通入冷却剂）中通入冷却剂）例如：红霉素例如：红霉素长槽搅拌式连续结晶器长槽搅拌式连续结晶器n主体是一敞口或闭式的长槽，底部半圆形。

槽外装有主体是一敞口或闭式的长槽，底部半圆形槽外装有水夹套，槽内则装有长螺距低速螺带搅拌器全槽常水夹套，槽内则装有长螺距低速螺带搅拌器全槽常由由2～～3个单元组成个单元组成n工作原理：热而浓的溶液由结晶器的一端进入，并沿工作原理：热而浓的溶液由结晶器的一端进入，并沿槽流动，夹套中的冷却水与之作逆流流动由于冷却槽流动，夹套中的冷却水与之作逆流流动由于冷却作用，若控制得当，溶液在进口处附近即开始产生晶作用，若控制得当，溶液在进口处附近即开始产生晶核，这些晶核随着溶液流动而成长为晶体，最后由槽核，这些晶核随着溶液流动而成长为晶体，最后由槽的另一端流出的另一端流出1—结晶槽；结晶槽；2—水槽（冷却水夹套）水槽（冷却水夹套）3—搅拌器；搅拌器；4，，5—接管接管特点特点n结构较简单，节省地面和材料，可以连续操作，生结构较简单，节省地面和材料，可以连续操作，生产能力大，体力劳动少；产生的晶体粒度均匀，大产能力大，体力劳动少；产生的晶体粒度均匀，大小可调节小可调节n适用于葡萄糖、谷氨酸钠等卫生条件较高、产量较适用于葡萄糖、谷氨酸钠等卫生条件较高、产量较大的结晶大的结晶结晶结晶直接接触冷却结晶器直接接触冷却结晶器Ø特点：冷却剂与晶浆直接接触，避免冷却表面特点：冷却剂与晶浆直接接触，避免冷却表面结垢及结垢导致的换热器效率下降。

结垢及结垢导致的换热器效率下降Ø常用的冷却介质：惰性的液态烃类，如乙烯、常用的冷却介质：惰性的液态烃类，如乙烯、氟里昂等氟里昂等Ø类型：釜式、回转式、湿壁塔式类型：釜式、回转式、湿壁塔式回转式直接接触冷却结晶器回转式直接接触冷却结晶器n结构：如图所示它的主体是一回转圆筒，略呈倾斜，筒结构：如图所示它的主体是一回转圆筒，略呈倾斜，筒内装有挡板其他部件有电动机、减速器、风机、连续离内装有挡板其他部件有电动机、减速器、风机、连续离心机、排气筒等心机、排气筒等n工作原理：待结晶的溶液与冷空气在筒内逆向流过，在筒工作原理：待结晶的溶液与冷空气在筒内逆向流过，在筒内挡板作用下升举并淋洒于冷空气中，以扩展冷却表面，内挡板作用下升举并淋洒于冷空气中，以扩展冷却表面，从而降温结晶，冷却后的晶浆在离心机作用下分离出晶体从而降温结晶，冷却后的晶浆在离心机作用下分离出晶体2. 移除部分溶剂的结晶器移除部分溶剂的结晶器真空冷却结晶器真空冷却结晶器工作原理：真空冷却结晶器是将热的饱和溶液加入一与工作原理：真空冷却结晶器是将热的饱和溶液加入一与外界绝热的结晶器中，由于器内维持高真空，故其内外界绝热的结晶器中，由于器内维持高真空，故其内部滞留的溶液的沸点低于加入溶液的温度。

这样，当部滞留的溶液的沸点低于加入溶液的温度这样，当溶液进入结晶器后，经绝热闪蒸过程冷却到与器内压溶液进入结晶器后，经绝热闪蒸过程冷却到与器内压力相对应的平衡温度力相对应的平衡温度n真空浓缩结晶锅主要用于味精结晶真空浓缩结晶锅主要用于味精结晶 适用于溶解度随温度降低变化不大的体系，或随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；温度升高溶解度降低的体系；加压、减压或常压蒸馏加压、减压或常压蒸馏例如：灰黄霉素例如：灰黄霉素蒸发结晶法蒸发结晶法oror真空冷却结晶法真空冷却结晶法））冷却盘式结晶器冷却盘式结晶器加入反应剂产生新物质，当该新物质的溶解度超过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；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；进行适当的保护；例如：青霉素例如：青霉素3. 化学反应结晶化学反应结晶连续式真空结晶器连续式真空结晶器n结构：如图主要包括蒸发锅、冷凝器、循环管、结构：如图。

主要包括蒸发锅、冷凝器、循环管、进料循环泵、出料泵、蒸汽喷射泵等进料循环泵、出料泵、蒸汽喷射泵等n特点：特点：n优点：构造简单，生产能力大，操作控制较容易优点：构造简单，生产能力大，操作控制较容易n缺点：必须使用蒸汽，冷凝耗水量较大，操作费用和能缺点：必须使用蒸汽，冷凝耗水量较大，操作费用和能耗较高4. 连续式真空结晶器连续式真空结晶器本本章章结结束束。