制药工程原理与设备-03分离工程基础与设备6(结晶)

1制药反应工程基础与设备分离工程基础与设备江苏大学制药工程原理与设备教学课件2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3一、概念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。固体状态：1.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；4二、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，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。5三、结晶基本理论1.溶解过程、溶解度及其主要影响因素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：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，只不过速率相同而已。6②溶解度：一定条件下，100g溶剂溶解的溶质的量。③影响溶解度的因素A.温度a.一般情况下，温度上升，溶解度上升，只是上升的幅度不同而已。7b.先增大后减小Na2SO4：开始在水中以结晶水合物的形式存在，之后为Na2SO4。c.溶解度随温度升高而降低Ca（OH）2少量的有机物——如螺旋霉素。8B．PH值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PI=4-6，调节PH值与等电点PI相等可使其溶解度最小。C.离子强度对于有机药物溶液，加入盐的量改变离子强度，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。D.压力压力对气体物质的溶解度有较大的影响。92.过饱和达到固液相平衡时的溶液称为饱和溶液。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）。过饱和度：C-过饱和溶液的浓度;C*-饱和浓度。*CCS103.结晶溶解相平衡图三区特征：稳定区：绝无结晶的可能（原因：溶液未达到饱和）；介稳区：溶液过饱和，但无扰动、无刺激下无结晶；不稳区：肯定要有结晶析出；114.晶体物质溶解度与其颗粒半径的关系Kelvin公式：-颗粒半径；-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；结论：①半径小的颗粒溶解度大；若，则，，，。②过饱和度越大，颗粒直径越小；若，则，。)11(2ln2121rrRTMCC21,rr21,CC12rr01121rr0ln21CC121CC21CC2r*2CCrRTMCCS12lnln*12四、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晶体生长两个阶段。131.晶核生成142.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153.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。如果延长结晶时间；晶核数量会减少，晶体粒径会增大。原因: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。16五、结晶溶液的形成及结晶控制1.结晶液的形成方法①冷却结晶：降低温度，降低溶质的溶解度实现结晶；②蒸发结晶：减少溶剂，使溶液达到过饱和而实现结晶；③真空绝热冷却结晶：冷却和蒸发溶剂的结合；④加压结晶：对蒸气结晶而言；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；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。172.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.但是降温结晶只能析出部分的物质,难以析出大部分溶质,因此操作过程中,一般控制蒸除溶剂并辅以降温.182.结晶的控制②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：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?非!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，所以过饱和度要控制一定的度。192.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,同时释放出结晶热,结晶热使溶液温度上升,这时需要继续冷却,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,往往采取加入晶种,并缓慢冷却的结晶过程,实现结晶程序的控制。20六、常用结晶设备1.槽式结晶器：属于冷却结晶器有螺旋搅拌物料，停留时间分布好，槽上有活动顶盖，便于清洁。缺点：传热面积小，劳动强度大，过饱和度难控制。212.结晶罐：冷却结晶器间歇操作，冷却速度易于控制，结晶时间可调节，搅拌速度可调；缺点：生产能力低，过饱和度不易控制。223.奥斯陆结晶器①冷却式分级结晶器②蒸发式结晶器23③真空结晶器24七、重结晶重结晶利用待重结晶物质，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，而可溶性杂质仍留在溶液中；然后进行減压过滤，把晶体从母液中分离出来；洗涤晶体除去吸咐在晶体表面上的母液。25以一个含有目标物A和杂质B的混合物为例。设A和B在某溶剂中的溶解度都是1g/100mL(20℃)和10g/100mL(100℃),若一个混合物样品中含有9gA和2gB，将这个样品用100mL溶剂在100℃下溶解，A和B可以完全溶解于溶剂中。将其冷却到20℃，则有8gA和1gB从溶液中析出。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，母液又带走了1gA和1gB。这样在损失了2gA的前提下，通过两次结晶得到了纯净的A。26溶解度对重结晶的影响假设一固体混合物由9.5克被提纯物A和0.5克杂质B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SA和SB，通常存在下列三种情况：27（1）低温下杂质较易溶解（SBSA）。设在低温下SB＝2.5克/100ml，SA＝0.5克/100ml，如果A在此高温溶剂中的溶解度为9.5克/100ml，则使用100ml溶剂即可使混合物在高温时全溶。若将此滤液冷却至低温时可析出9gA（不考虑操作上的损失）而B仍留在母液中，A损失很小，即被提纯物回收率达到94％。如果A在此高温溶剂中的溶解度为47.5克/100ml，则只要使用20ml溶剂即可使混合物在高温时全溶，这时滤液可析出A9.4克，B仍可留在母液中，被提纯物的回收率高达99％。由此可见，如果杂质在低温时的溶解度大而产物在低温时的溶解度小，或溶剂对产物的溶解性能随温度的变化大，这两方面都有利于提高回收率。28（2）杂质较难溶解（SBSA）。设在低温下SB＝0.5g/100ml，SA＝2.5g/100ml，A在高温溶剂中的溶解度仍为9.5g/100ml，则在100ml溶剂重结晶后的母液中含有2.5克A和0.5克（即全部）B，析出结晶A7克，产物的回收率为74％。但这时，即使A在高温溶剂中的溶解度更大，使用的溶剂也不能再少了，否则杂质B也会部分地析出，就需再次重结晶。如果混合物中杂质含量很多，则重结晶的溶剂量就要增加，或者重结晶的次数要增加，致使操作过程冗长，回收率极大的降低。29（3）两者溶解度相等（SA=SB）。设在低温下皆为2.5克/100ml，若也用100ml溶剂重结晶，仍可得到纯A7克。但如果这时杂质含量很多，则用重结晶分离产物就比较困难。在A和B含量相等时，重结晶就不能用来分离产物了。30结论从上述讨论总可以看出，在任何情况下，杂质的含量过多都是不利的（杂质太多还会影响结晶速度，甚至妨碍结晶的生成）。一般重结晶只适用于纯化杂质含量在5％以下的固体有机混合物。在进行重结晶时，选择理想的溶剂是一个关键。31理想溶剂的选择条件（1）不与被提纯物质起化学反应;（2）在较高温度时能溶解多量的被提纯物质；而在室温或更低温度时，只能溶解很少量的该种物质;（3）对杂质的溶解非常大或者非常小（前一种情况是使杂质留在母液中不随被提纯物晶体一同析出；后一种情况是使杂质在热过滤时被滤去）;（4）容易挥发（溶剂的沸点较低），易与结晶分离除去;（5）能给出较好的晶体;（6）无毒或毒性很小，便于操作;（7）价廉易得.32实验和生产中应注意事项（1）溶剂的量溶剂少则收率高，但可能给热过滤带来麻烦，并可能造成更大的损失；溶剂多，显然会影响回收率。故两者应综合考虑。一般可比需要量多加20％左右的溶剂（有的教科书上认为一般可比需要量多20-100％的溶剂）33（2）实际操作温度可以在溶剂沸点温度时溶解固体，但必须注意实际操作温度是多少，否则会因实际操作时，被提纯物晶体大量析出。但对某些晶体析出不敏感的被提纯物，可考虑在溶剂沸点时溶解成饱和溶液，故因具体情况决定，不能一概而论。例:实验在100℃时配成饱和溶液，而热过滤操作温度不可能是100℃，可能是80℃,也可能是90℃,那么在考虑加多少溶剂时，应同时考虑热过滤的实际操作温度。34（3）安全性为了避免溶剂挥发及可燃性溶剂着火或有毒溶剂中毒，应在锥形瓶上装置回流冷凝管，添加溶剂可从冷凝管的上端加入。（4）活性炭的使用若溶液中含有色杂质，则应加活性炭脱色，应特别注意活性炭的使用。35常用溶剂及其沸点溶剂沸点℃溶剂沸点℃溶剂沸点℃水100乙酸乙酯77氯仿61.7甲醇65冰醋酸118四氯化碳76.5乙酸78二氧化碳46.5苯80乙醚34.5丙酮56粗汽油90-15036小结1结晶的概念及其特点；2溶解过程、溶解度、过饱和；3结晶溶解相平衡图；4开尔文公式及其结论；5晶核生成与晶体生长竞争理论；6结晶设备；7结晶的控制及重结晶的方法。37预习P17-2438Thankyouforyourjoin