生物分离工程第十一章 结晶

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1、Chapter11结晶CrystallizationKnowledgepointsThedefinitionofcrystallization结晶的概念Thecrystallizingoperation结晶操作的特点Kelvinformula凯尔文公式的内容Saturationtemperaturecurveandoversaturationtemperaturecurve饱和温度曲线和过饱和温度曲线Thecrystallizingconditionsofsoluteinsolution溶液中晶

2、体析出的条件Theaffectingelementsofcrystalformation影响晶体形成的主要因素Theeffectsofseedcrystal晶种的作用Theformationmethodsofoversaturatesolution过饱和溶液形成的方法Thediffusiontheoryofcrystalgrowthanditssignificant晶体生长的扩散学说及其具体意义Thepopularindustrialcrystalizingmethods常用的工业起晶方法The

3、affectelementsofthecrystalquality影响晶体质量的因素Re-crystallization重结晶的概念结晶的概念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，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http://www.hudong.com/wiki/%E6%99%B6%

4、E4%BD%93%E7%BB%93%E6%9E%84结晶操作的特点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。通过结晶，溶液中大部分的杂质会留在母液中，再通过过滤、洗涤，可以得到纯度较高的晶体。结晶过程具有成本低、设备简单、操作方便，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。结晶过程分析——几个概念饱和溶液：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

5、液中才能析出凯尔文（Kelvin）公式C2---小晶体的溶解度；C1---普通晶体的溶解度σ---晶体与溶液间的表面张力；ρ---晶体密度γc---过饱和度下晶体的临界半径；R---气体常数；T---绝对温度溶质溶解度与温度、溶质分散度（晶体大小）有关。结晶过程的实质结晶是指溶质自动从过饱和溶液中析出，形成新相的过程这一过程包括：溶质分子凝聚成固体分子有规律地排列在一定晶格中这一过程与表面分子化学键力变化有关；因此，结晶过程是一个表面化学反应过程。晶体的形成形成新相（固体）需要一定的表面自由能。

6、因此，溶液浓度达到饱和溶解度时，晶体尚不能析出，只有当溶质浓度超过饱和溶解度后，才可能有晶体析出。首先形成晶核，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。结晶的步骤过饱和溶液的形成晶核的形成晶体生长其中，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。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

7、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饱和曲线和过饱和曲线稳定区和亚稳定区在温度-溶解度关系图中，SS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SS曲线和TT曲线之间的区域为亚稳定区，此刻如不采取一定的手段（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SS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(CP,p410)不稳定区在TT曲线的上半部的区域称为不稳定区，在该区

8、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SS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，以利于大而整齐的晶体形成。影响溶液过饱和度的因素饱和曲线是固定的不饱和曲线受搅拌、搅拌强度、晶种、晶种大小和多少、冷却速度的快慢等因素的影响结晶与溶解度之间的关系晶体产量取决于溶液与固体之间的溶解—析出平衡；固体溶质加入未饱和溶液——溶解；固体溶质加入饱和溶液——平衡（Vs