制药工程原理与设备-03分离工程基础与设备6(结晶)

23
以一个含有目标物A和杂质 的混合物为例 以一个含有目标物 和杂质B的混合物为例。 和杂质 的混合物为例。 在某溶剂中的溶解度都是1g/100mL(20℃)和 ℃)和 设A和B在某溶剂中的溶解度都是 和 在某溶剂中的溶解度都是 ℃) 10g/100mL(100℃),若一个混合物样品中含有 ℃),若一个混合物样品中含有 ℃),若一个混合物样品中含有9gA和2gB， 和 ， 将这个样品用100mL溶剂在 ℃下溶解，A和B可以完 溶剂在100℃下溶解， 和 可以完 将这个样品用 溶剂在 全溶解于溶剂中。将其冷却到20℃ 则有8gA和1gB从溶 全溶解于溶剂中。将其冷却到 ℃，则有 和 从溶 液中析出。过滤，剩余溶液（通常称为母液） 液中析出。过滤，剩余溶液（通常称为母液）中还溶有 1gA和1gB。在将析出的 结晶再依上溶解、冷却、过滤， 结晶再依上溶解、 和 。在将析出的9g结晶再依上溶解 冷却、过滤， 又得到7g结晶 这已是纯的A物质了 结晶， 物质了， 又得到 结晶，这已是纯的 物质了，母液又带走了 1gA和1gB。这样在损失了 的前提下， 和 。这样在损失了2gA的前提下，通过两次结晶 的前提下 得到了纯净的A。 得到了纯净的 。
。
10
四、晶核生成和晶体生长理论
结晶基本现象 结晶过程中，过饱和度越大，结晶速率越大， 结晶过程中，过饱和度越大，结晶速率越大， 结晶颗粒数目多且小，而过饱和度不很大时， 结晶颗粒数目多且小，而过饱和度不很大时， 颗粒少而大， 颗粒少而大，因此认为结晶分为晶核生成和 晶体生长两个阶段。 晶体生长两个阶段。
6
B．PH值 ． 值 大多数药物和大分子有机分子， 蛋白质、 大多数药物和大分子有机分子，如：蛋白质、 氨基酸等，在其等电点处的溶解度最小， 氨基酸等，在其等电点处的溶解度最小，等电点 PI=4-6，调节 值与等电点 相等可使其溶解度 值与等电点PI相等可使其溶解度 ，调节PH值与等电点 最小。 最小。 C. 离子强度 对于有机药物溶液，加入盐的量改变离子强度， 对于有机药物溶液，加入盐的量改变离子强度， 也改变了溶质和溶剂间的能量平衡， 也改变了溶质和溶剂间的能量平衡，也会降低药 物在溶液中的溶解度。 物在溶液中的溶解度。 D. 压力 压力对气体物质的溶解度有较大的影响。 压力对气体物质的溶解度有较大的影响。
间歇操作， 间歇操作，冷却速度易 于控制， 于控制，结晶时间可调 节，搅拌速度可调； 搅拌速度可调； 缺点：生产能力低， 缺点：生产能力低，过 饱和度不易控制。 饱和度不易控制。
20
3.奥斯陆结晶器 奥斯陆结晶器
①冷却式分级结晶器 ②蒸发式结晶器
21
③真空结晶器
22
七、 重结晶
重结晶利用待重结晶物质， 重结晶利用待重结晶物质，在不同温度下溶解度 利用待重结晶物质 的不同，分离提纯待结晶物质的过程。一般是使 的不同，分离提纯待结晶物质的过程。 待重结晶物质在较高的温度（接近溶剂沸点） 待重结晶物质在较高的温度（接近溶剂沸点）下 溶于合适的溶剂里； 溶于合适的溶剂里；趁热过滤以除去不溶物质和 有色杂质（加活性炭煮沸脱色 ；将滤液冷却， 有色杂质（加活性炭煮沸脱色)；将滤液冷却，使 晶体从过饱和溶液里析出， 晶体从过饱和溶液里析出，而可溶性杂质仍留在 溶液中；然后进行減压过滤， 溶液中；然后进行減压过滤，把晶体从母液中分 离出来；洗涤晶体除去吸咐在晶体表面上的母液。 离出来；洗涤晶体除去吸咐在晶体表面上的母液。
14
五、结晶溶液的形成及结晶控制
1. 结晶液的形成方法 冷却结晶：降低温度， ① 冷却结晶：降低温度，降低溶质的溶解度实现 结晶； 结晶； 蒸发结晶：减少溶剂， ② 蒸发结晶：减少溶剂，使溶液达到过饱和而实 现结晶； 现结晶； 真空绝热冷却结晶：冷却和蒸发溶剂的结合； ③ 真空绝热冷却结晶：冷却和蒸发溶剂的结合； 加压结晶：对蒸气结晶而言； ④ 加压结晶：对蒸气结晶而言； 盐析结晶：利用盐改变溶质和溶剂的能量平衡， ⑤ 盐析结晶：利用盐改变溶质和溶剂的能量平衡， 降低溶解度的方法； 降低溶解度的方法； 化学结晶：加入反应剂产生新物质， ⑥ 化学结晶：加入反应剂产生新物质，新物质溶 解度超过饱和溶解度时结晶析出。 解度超过饱和溶解度时结晶析出。
第二部分 结晶
一、概念 二、结晶操作的特点 三、结晶基本理论 四、晶核生成和晶体生长理论 五、结晶溶液的形成及结晶控制 六、常用结晶设备 七、重结晶
1
一、概念
结晶是固体物质以晶体状态从蒸汽、溶液或熔融 结晶是固体物质以晶体状态从蒸汽、 物中析出的过程。 物中析出的过程。 固体状态： 固体状态： 1.结晶：析出速度慢，析出粒子排列有规则； 结晶：析出速度慢，析出粒子排列有规则； 结晶 2.无定形：（沉淀）析出速度快，排列无规则； 无定形：（沉淀）析出速度快，排列无规则； 无定形：（沉淀
11
1. 晶核生成
12
2. 晶体生长（符合扩散理论） 晶体生长（符合扩散理论）
扩散 溶质分子 →晶体表面静止液层 扩散 →晶体表面 → 嵌入晶面、晶体 →
实现晶体生长 并产生结晶热
13
3. 晶核生成与晶体生长的关系
当S较大时，晶核生成速度增加，晶体 较大时，晶核生成速度增加， 较大时 生长速度也增加， 生长速度也增加，但晶核生成速度增加 急剧，必然导致数量多，粒径小。 急剧，必然导致数量多，粒径小。如果 延长结晶时间；晶核数量会减少， 延长结晶时间；晶核数量会减少，晶体 粒径会增大。 粒径会增大。 原因:小粒度晶体比表面积大， 原因 小粒度晶体比表面积大，所以被 小粒度晶体比表面积大 溶解的可能性就大，溶解之后， 溶解的可能性就大，溶解之后，在动态 平衡中由于大粒度晶体比表面积小， 平衡中由于大粒度晶体比表面积小，被 溶解的溶质就会结晶在大粒度晶体上 。
18
六、常用结晶设备
1. 槽式结晶器：属于冷却结 槽式结晶器： 晶器 有螺旋搅拌物料， 有螺旋搅拌物料，停留 时间分布好， 时间分布好，槽上有活动 顶盖，便于清洁。 顶盖，便于清洁。 缺点：传热面积小， 缺点：传热面积小，劳动强 度大，过饱和度难控制。 度大，过饱和度难控制。
19
2.结晶罐：冷却结晶器 结晶罐： 结晶罐
15
2. 结晶的控制
① 操作方式的控制 一般,结晶是通过降低温度的方式实现的.但是 一般,结晶是通过降低温度的方式实现的. 降温结晶只能析出部分的物质,难以析出大部 降温结晶只能析出部分的物质, 分溶质,因此操作过程中, 分溶质,因此操作过程中,一般控制蒸除溶剂并 辅以降温. 辅以降温.
16
2. 结晶的控制
结论：
① 半径小的颗粒溶解度大； 半径小的颗粒溶解度大； 若 r2 > r1 ，则
1 1 − >0 r1 r2
，ln
C1 >0 C2
，
C1 >1 C2
， 1 > C2 。 C
过饱和度越大，颗粒直径越小； ② 过饱和度越大，颗粒直径越小；
r2 → ∞ ，则 C 2 → C * ， 若
ln S = ln C 2Mσ 1 = C * RTρ r
C-过饱和溶液的浓度 过饱和溶液的浓度; 过饱和溶液的浓度 C*-饱和浓度。 饱和浓度。 饱和浓度
8
3. 结晶溶解相平衡图
三区特征： 三区特征： 稳定区： 稳定区：绝无结晶的可 能（原因：溶液未达到 原因： 饱和）； 饱和）； 介稳区：溶液过饱和， 介稳区：溶液过饱和， 但无扰动、 但无扰动、无刺激下无 结晶； 结晶； 不稳区： 不稳区：肯定要有结晶 析出； 析出；
2
二、结晶操作的特点
1. 结晶为同类分子或离子进行规则排列的过程， 结晶为同类分子或离子进行规则排列的过程， 因此结晶具有高选择性； 因此结晶具有高选择性； 2. 结晶后，大部分杂质留在母液中，经过滤、洗 结晶后，大部分杂质留在母液中，经过滤、 涤得纯度高的晶体； 涤得纯度高的晶体； 3. 结晶成本低，设备简单，操作方便，因此应用 结晶成本低，设备简单，操作方便， 广泛。广泛应用于氨基酸、有机酸、抗生素、 广泛。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。 维生素、核酸等产品的精制。
9
σ
4. 晶体物质溶解度与其颗粒半径的关系
Kelvin公式： 公式： 公式
C1 2Mσ 1 1 ln ( − ) = C2 RT ρ r1 r2
σ
颗粒半径； 对应的溶质颗粒的溶解度； 颗粒半径 C 对应的溶质颗粒的溶解度 r1 , r2 -颗粒半径； 1 ,C2 -对应的溶质颗粒的溶解度； -颗粒与液体的界面张力；ρ-固体颗粒的密度； 颗粒与液体的界面张力； 固体颗粒的密度 固体颗粒的密度； 颗粒与液体的界面张力
17Biblioteka . 结晶的控制③ 结晶成核和结晶生长的控制 对于不加结晶的冷却结晶,溶液易于自发成核, 对于不加结晶的冷却结晶,溶液易于自发成核, 同时释放出结晶热,结晶热使溶液温度上升,这 同时释放出结晶热,结晶热使溶液温度上升, 时需要继续冷却,冷却又产生更多的核, 时需要继续冷却,冷却又产生更多的核,以致使 得结晶成核和结晶成长难以控制,因此,往往采 得结晶成核和结晶成长难以控制,因此, 取加入晶种,并缓慢冷却的结晶过程, 取加入晶种,并缓慢冷却的结晶过程,实现结晶 程序的控制。 程序的控制。
7
2. 过饱和
达到固液相平衡时的溶液称为饱和溶液。 达到固液相平衡时的溶液称为饱和溶液。 饱和溶液 溶液中含有超过饱和量的溶质称为过饱和溶液 溶液中含有超过饱和量的溶质称为过饱和溶液 在无扰动、无刺激的条件下降温即可形成）。 （在无扰动、无刺激的条件下降温即可形成）。 过饱和度： 过饱和度：
C S= * C
3
三、结晶基本理论
1. 溶解过程、溶解度及其主要影响因素 溶解过程、 ① 溶解过程 可溶性固体由于分子运动在溶质和固体的溶剂 间进行两种分子扩散： 间进行两种分子扩散：一是分子从固体表面扩散到 液体内部；二是从液体内部扩散到固体表面； 液体内部；二是从液体内部扩散到固体表面；开始 阶段分子向液体内部扩散速率大于从液体内部扩散 到固体的速率，表观上处于溶解状态； 到固体的速率，表观上处于溶解状态；当两者速率 相等时即固液达到平衡状态，表观上固体不再溶解， 相等时即固液达到平衡状态，表观上固体不再溶解， 但实质上处于动态平衡，溶解和结晶在同时进行， 但实质上处于动态平衡，溶解和结晶在同时进行， 只不过速率相同而已。 只不过速率相同而已。