溶液冷却结品过程的动力学模化.pdfVIP

工艺探讨与系统改造 Gongyitantao yu Xitonggaizao 溶液冷却结品过程的动力学模化 黄德春，刘 巍 黄传绪 (1．中国药科大学药学院，江苏南京210009；2．南京师范大学机电工程系，江苏南京210042) 摘 要：针对溶液冷却结晶操作，阐述了加强其过程动力学研究的重要性，并初步介绍了相关的动力学机理。在此基础 上，从研究方法和数学模型两方面，较为系统地综述了溶液冷却结晶操作的动力学模化研究进展，并据此引出了当前国内 这方面研究尚存在的不足或缺陷，以期为今后的工业结晶技术进一步研发提供参考。 关键词：溶液冷却结晶；过程动力学；研究方法：数学模型 结晶操作在化工与制药等工业生产中有着广泛应 程化的主要因素之一。故此，建立准确可靠的结晶动力 用，大量的固体产品都是以晶体形态存在或是由结晶法 学模型及利用动力学参数进行工业模拟放大，正逐渐成 分离而得『1]。例如，青霉素和红霉素等抗生素类药物的精 为当前学者们所关注的热点课题。 制、氨基酸和尿苷酸等生物产品的纯化等，一般都离不 开结晶操作。 1 溶液冷却结晶动力学 生产中，常见的结晶方法主要有溶液结晶、熔融结 晶、升华结晶和沉淀结晶4大类。其中，溶液结晶作为一种 就多数溶液体系而言，随着温度的降低，溶液的过饱 历史悠久的结晶技术，无论在工业生产还是在理论研究 和度将升高，至某一限度后，溶质将从溶液中析出，形成 中都占有相当重要的地位。依据溶液过饱和度产生方法 晶体。通常，晶体的形成过程要经历晶核产生和晶体生长 的不同，溶液结晶又可细分为冷却结晶、蒸发浓缩结晶、真 两个步骤，前者是指在过饱和溶液中生成一定数量的结 空绝热结晶和加压结晶等『1]。冷却结晶因其独特和广泛 晶微粒，后者则是指在晶核的基础上成长为晶体。结晶动 的应用背景，历来都是结晶学界关注的焦点所在，通常也 力学就是研究结晶过程中晶核产生与晶体生长规律的学 是研究其它类型结晶分离操作机理的重要突破口之一。 科，包括成核动力学和生长动力学两部分内容。 有关溶液冷却结晶过程的机理认识与操作优化，需 按成核机理的不同，晶核产生可分为初级成核和二 涉及动力学、热力学、结晶习性和晶体形态等多学科领 次成核两种类型。与溶液中存在的其他悬浮晶粒无关的 域的合作研究『2]。其中，动力学作为溶液结晶技术高速发 新核产生过程，称为初级成核；因晶种的诱发作用而产生 展的理论基石，为结晶器的选型设计和目标产品的质量 新核的过程，称为二次成核 。通常，初级成核是爆发式 控制提供着主要依据。一方面，正是随着粒数衡算理论 的，其成核速率难以控制，易引起晶体粒度分布(CSD)指 的发展以及对于结晶二次成核机理、非均相流体力学传 标的较大波动。二次成核则由于所需的溶液过饱和度要 递等动力学研究的深化，才得以推动结晶器的设计由完 低于初级成核，且成核速率在很大程度上可通过晶种量 全依靠经验逐渐向半经验半理论阶段过渡『3]；另一方面， 等进行调节，以及产品的粒度分布相对较窄等优势，受到 又由于结晶传质机理尤其是成核过程机理的异常复杂 生产操作者的更多青睐，已成为当前工业结晶的主要成 性，导致了相比其他的化工分离操作，结晶分离技术的 核方式『ll 。有关初次成核和二次成核的机理研究，目前 研究进展还较为缓慢，成为目前阻碍结晶技术进一步工 均还不尽充分，其速率公式多还依赖经验式进行关联。 机电信息 20o7第35期总第173期 23 工艺探讨与系统改造 Go| 塌 瞬》旺 _xi耋Q| §8izao 晶体生长的过程机理也十分复杂。按照生长二步学 2．2 动力学模型 说，晶体的生长要依次经历转移扩散和表面反应两个步 有关结晶过程动力学的数学描述，已经历了一个长 骤【1]。研究表明，若溶液的过饱和度较高，晶体生长多为 期的发展历程。 扩散控制过程；反之则可能为表面反应控制过程[6j。