制药工程原理与设备-03分离工程基础与设备6(结晶).ppt

1 第二部分第二部分 结晶结晶 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 2 一、概念一、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、溶液或熔融物中析出的过程。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；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；3 二、结晶操作的特点二、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、洗涤得纯度高的晶体；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，因此应用广泛。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。4 三、结晶基本理论三、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、溶解度及其主要影响因素 溶解过程溶解过程 可溶性固体由于分子运动在溶质和固体的溶剂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：一是分子从固体表面扩散到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；开始液体内部；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；当两者速率到固体的速率，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。5 溶解度溶解度：一定条件下，：一定条件下，100g溶剂溶解的溶质的量溶剂溶解的溶质的量。影响溶解度的因素影响溶解度的因素 A.温度温度 a.一般情况下，温度上一般情况下，温度上升，溶解度上升，只是升，溶解度上升，只是上升的幅度不同而已。上升的幅度不同而已。6 b.先增大后减小先增大后减小 Na2SO4：开始在水中以：开始在水中以结晶水合物的形式存在，结晶水合物的形式存在，之后为之后为Na2SO4。c.溶解度随温度升高而降低溶解度随温度升高而降低 Ca（OH）2 少量的有机物少量的有机物如螺旋如螺旋霉素。霉素。7 BPH值值 大多数药物和大分子有机分子，如：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，等电点氨基酸等，在其等电点处的溶解度最小，等电点PI=4-6，调节，调节PH值与等电点值与等电点PI相等可使其溶解度相等可使其溶解度最小。最小。C.离子强度离子强度 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，也会降低药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 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。8 2.过饱和过饱和 达到固液相平衡时的溶液称为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溶液中含有超过饱和量的溶质称为过饱和溶液过饱和溶液（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-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。*CCS 9 3.结晶溶解相平衡图结晶溶解相平衡图 三区特征：三区特征：稳定区：绝无结晶的可稳定区：绝无结晶的可能（原因：溶液未达到能（原因：溶液未达到饱和）；饱和）；介稳区：溶液过饱和，介稳区：溶液过饱和，但无扰动、无刺激下无但无扰动、无刺激下无结晶；结晶；不稳区：肯定要有结晶不稳区：肯定要有结晶析出；析出；10 4.晶体物质溶解度与其颗粒半径的关系晶体物质溶解度与其颗粒半径的关系 Kelvin公式：公式：-颗粒半径；颗粒半径；-对应的溶质颗粒的溶解度；对应的溶质颗粒的溶解度；-颗粒与液体的界面张力；颗粒与液体的界面张力；-固体颗粒的密度；固体颗粒的密度；结论结论：半径小的颗粒溶解度大半径小的颗粒溶解度大；若若 ，则，则 ，。过饱和度越大，颗粒直径越小过饱和度越大，颗粒直径越小；若若 ，则，则 ，。)11(2ln2121rrRTMCC21,rr21,CC12rr 01121rr0ln21CC121CC21CC 2r*2CC rRTMCCS12lnln*11 四、晶核生成和晶体生长理论四、晶核生成和晶体生长理论 结晶基本现象结晶基本现象 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，因此认为结晶分为晶核生成和颗粒少而大，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。12 1.晶核生成晶核生成 13 2.晶体生长（符合扩散理论）晶体生长（符合扩散理论）并产生结晶热实现晶体生长嵌入晶面、晶体晶体表面晶体表面静止液层溶质分子扩散扩散 14 3.晶核生成与晶体生长的关系晶核生成与晶体生长的关系 当当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，晶体生长速度也增加，但晶核生成速度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。如果如果延长结晶时间；晶核数量会减少，晶体延长结晶时间；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，所以被溶解的可能性就大，溶解之后，在动态溶解的可能性就大，溶解之后，在动态平衡中由于大粒度晶体比表面积小，被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溶解的溶质就会结晶在大粒度晶体上。15 五、结晶溶液的形成及结晶控制五、结晶溶液的形成及结晶控制 1.结晶液的形成方法结晶液的形成方法 冷却结晶：降低温度，降低溶质的溶解度实现冷却结晶：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，使溶液达到过饱和而实蒸发结晶：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；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；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，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，新物质溶化学结晶：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。16 2.结晶的控制结晶的控制 操作方式的控制操作方式的控制 一般一般,结晶是通过降低温度的方式实现的结晶是通过降低温度的方式实现的.但是但是降温结晶只能析出部分的物质降温结晶只能析出部分的物质,难以析出大部难以析出大部分溶质分溶质,因此操作过程中因此操作过程中,一般控制蒸除溶剂并一般控制蒸除溶剂并辅以降温辅以降温.17 2.结晶的控制结晶的控制 过饱和度的控制过饱和度的控制 并非所有的操作都要求产生大粒度颗粒，如：并非所有的操作都要求产生大粒度颗粒，如：难溶药物，为利于人体吸收和利用，要求小粒度，难溶药物，为利于人体吸收和利用，要求小粒度，因此在操作过程中应当根据目标产物所要达到的因此在操作过程中应当根据目标产物所要达到的要求进行控制。此时，过饱和度大是有利的。要求进行控制。此时，过饱和度大是有利的。是不是过饱和度越大越好呢是不是过饱和度越大越好呢?非非!过饱和度太大也会导致原料液的粘度过大，粘过饱和度太大也会导致原料液的粘度过大，粘度过大也会使目标产物难以析出，所以过饱和度度过大也会使目标产物难以析出，所以过饱和度要控制一定的度。要控制一定的度。18 2.结晶的控制结晶的控制 结晶成核和结晶生长的控制结晶成核和结晶生长的控制 对于不加结晶的冷却结晶对于不加结晶的冷却结晶,溶液易于自发成核溶液易于自发成核,同时释放出结晶热同时释放出结晶热,结晶热使溶液温度上升结晶热使溶液温度上升,这这时需要继续冷却时需要继续冷却,冷却又产生更多的核冷却又产生更多的核,以致使以致使得结晶成核和结晶成长难以控制得结晶成核和结晶成长难以控制,因此因此,往往采往往采取加入晶种取加入晶种,并缓慢冷却的结晶过程并缓慢冷却的结晶过程,实现结晶实现结晶程序的控制。程序的控制。19 六、常用结晶设备六、常用结晶设备 1.槽式结晶器：属于冷却结槽式结晶器：属于冷却结晶器晶器 有螺旋搅拌物料，停留有螺旋搅拌物料，停留时间分布好，槽上有活动时间分布好，槽上有活动顶盖，便于清洁。顶盖，便于清洁。缺点缺点：传热面积小，劳动强：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。20 2.结晶罐：冷却结晶器结晶罐：冷却结晶器 间歇操作，冷却速度易间歇操作，冷却速度易于控制，结晶时间可调于控制，结晶时间可调节，搅拌速度可调；节，搅拌速度可调；缺点：生产能力低，过缺点：生产能力低，过饱和度不易控制。饱和度不易控制。21 3.奥斯陆结晶器奥斯陆结晶器 冷却式分级结晶器冷却式分级结晶器 蒸发式结晶器蒸发式结晶器 22 真空结晶器真空结晶器 23 七、七、重结晶重结晶 重结晶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，在不同温度下溶解度的不同，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。一般是使待重结晶物质在较高的温度（接近溶剂沸点）下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；趁热过滤以除去不溶物质和溶于合适的溶剂里；趁热过滤以除去不溶物质和有色杂质（加活性炭煮沸脱色有色杂质（加活性炭煮沸脱色)；将滤液冷却，使；将滤液冷却，使晶体从过饱和溶液里析出，而可溶性杂质仍留在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，把晶体从母液中分溶液中；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。24 以一个含有目标物以一个含有目标物A和杂质和杂质B的混合物为例。的混合物为例。设设A和和B在某溶剂中的溶解度都是在某溶剂中的溶解度都是1g/100mL(20)和和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9gA和和2gB，将这个样品用将这个样品用100mL溶剂在溶剂在100下溶解，下溶解，A和和B可以完可以完全溶解于溶剂中。将其冷却到全溶解于溶剂中。将其冷却到20，则有，则有8gA和和1gB从溶从溶液中析出。过滤，剩余溶液（通常称为母液）中还溶有液中析出。过滤，剩余溶液（通常称为母液）中还溶有1gA和和1gB。在将析出的。在将析出的9g结晶再依上溶解、冷却、过滤，结晶再依上溶解、冷却、过滤，又得到又得到7g结晶，这已是纯的结晶，这已是纯的A物质了，母液又带走了物质了，母液又带走了1gA和和1gB。这样在损失了。这样在损失了2gA的前提下，通过两次结晶的前提下，通过两次结晶得到了纯净的得到了纯净的A。25 溶解度对重结晶的影响溶解度对重结晶的影响 假设一固体混合物由假设一固体混合物由9.5克被提纯物克被提纯物A和和0.5克克杂质杂质B组成，选择某溶剂进行重结晶，室温时组成，选择某溶剂进行重结晶，室温时A、B在此溶剂中的溶解度分别为在此溶剂中的溶解度分别为SA和和SB，通常存，通常存在下列三种情况：在下列三种情况：26（1）低温下杂质较易溶解（）低温下杂质较易溶解（SBSA）。）。设在低温