生化分离与纯化技术 结晶相关理论 结晶技术.ppt

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LOGO 第二章 固相析出分离技术 第四节 结晶技术 一、结晶 结晶是指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的过程。 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 结晶操作的特点 1.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选择性。 2.结晶过程具有成本低、设备简单、操作方便的特点,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。 二、结晶的基本原理 饱和溶液: 当溶液中溶质浓度等于该溶质在同等条件下的饱和溶解度时,该溶液称为饱和溶液; 过饱和溶液: 溶质浓度超过饱和溶解度时,该溶液称之为过饱和溶液; 溶质只有在过饱和溶液中才能析出; 二、结晶的基本原理 当溶液处于过饱和状态时,分子间的分散或排斥作用小于分子间的相互吸引作用,便开始形成沉淀或结晶。 由于溶液的过饱和,维持水合物的水分子相对减少而且不足,溶质分子相互接触机会增加而聚集。但是,当溶液过饱和的速度过快时,溶质分子聚集太快,便会产生无定形的沉淀。如果控制溶液缓慢地达到过饱和点,溶质分子就可能排列到晶格中,形成结晶。 * AB线以下的区域称为稳定区,此区溶液不可能发生结晶。 三个区域 溶液浓度大于超溶解度曲线值时,自发产生晶核,此区称为不稳区. 应避免自发成核,以保证产品粒度。 稳定区 不稳区 在第一介稳区,不会自发地产生晶核。加入晶种,可使晶种齐整长大。 介稳区 第二介稳区,不自发产生晶核,加入晶种,晶种可长大,同时产生新晶核 曲线提示: 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,并将溶质浓度控制在养晶区,以利于大而整齐的晶体形成 三、结晶的过程 结晶是从均一的溶液中析出固相晶体的过程,通常结晶包括三个过程: 过饱和溶液的形成、晶核的形成、晶核成长。 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。 四、过饱和溶液的形成方法 1.饱和溶液冷却 直接降低溶液的温度,使之达到过饱和状态,溶质结晶析出,此称为冷却结晶。 冷却法适用于溶解度随温度降低而显著减小的场合。 例如:冷却L-脯氨酸的浓缩液至4℃左右,放置4h, L-脯氨酸大量结晶析出。与此相反,对溶解度随温度升高而显著减小的场合,则应采用加温结晶。 2.部分溶剂蒸发 蒸发法是使溶液在加压、常压或减压下加热,蒸发除去部分溶剂达到过饱和溶液的结晶方法。 这种方法主要适用于溶解度随温度的降低而变化不大的场合或溶解度随温度升高而降低的场合。 例如:灰黄霉素的丙酮萃取液真空浓缩除去部分丙酮后即有结晶析出。 3.化学反应结晶法 此法是通过加入反应剂或调节pH值生成一种新的溶解度更低的物质,当其浓度超过它的溶解度时,就有结晶析出。 例如:在头孢菌素C的浓缩液中加入乙酸钾即析出头孢菌素C钾盐;在利福霉素S的乙酸丁酯萃取浓缩液中加入氢氧化钠,利福霉素S即转化为其钠盐而析出。四环素、氨基酸等水溶液,当其pH值调至等电点附近时就会析出结晶或沉淀。 4.解析法 解析法是向溶液中加入某些物质,使溶质的溶解度降低,形成过饱和溶液而结晶析出。 盐析结晶法: 有机溶剂结晶法: 水析结晶法: 五、影响结晶析出的因素 1.溶液浓度 2.样品纯度 3.溶剂 4. pH值 5.温度 六、常用的工业起晶方法 1.自然起晶法 溶剂蒸发进入不稳定区则有大量晶核自然形成,当产生一定量的晶种后,加入稀溶液使溶液浓度降至亚稳定区,新的晶种不再产生,溶质在晶种表面生长。 2. 刺激起晶法 将溶液蒸发至亚稳定区后,冷却,进入不稳定区,形成一定量的晶核,此时溶液的浓度会有所降低,进入并稳定在亚稳定的养晶区使晶体生长 3. 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。 七、结晶的应用 青霉素钾盐的结晶:为了获得长针形、纯度较高的晶体,采用共沸结晶的方法。 青霉素钾盐在乙酸丁酯中的溶解度很小,但在水中的溶解度很大, 在结晶过程中尽量将乙酸丁酯中夹带的水分除去。乙酸丁酯和水能形成共沸物, 真空下将其共沸物蒸出, 减少丁酯中的水分,利于结晶。 LOGO

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