生物工業下游技術第九章結晶技術第1頁，課件共52頁，創作于2023年2月固體產品結晶形：蔗糖、食鹽、氨基酸、檸檬酸等；構成單位的排列方式是規則的。無定型：淀粉、酶制劑、蛋白質、噴霧干燥的產品；構成單位的排列方式是不規則的。第2頁，課件共52頁，創作于2023年2月結晶：形成晶形的過程。沉淀：得到無定型的過程。第3頁，課件共52頁，創作于2023年2月光輝霉素在不同溶劑中的凝固狀態溶劑凝固狀態氯仿濃縮液滴入石油醚無定型沉淀醋酸戊酯微粒晶體丙酮長柱狀晶體戊醇針狀晶體第4頁，課件共52頁，創作于2023年2月第5頁，課件共52頁，創作于2023年2月第6頁，課件共52頁，創作于2023年2月生產上大規模結晶過程要求：晶體產品的產率；晶體產品的純度；晶形、晶體的粒度和粒度分布。第7頁，課件共52頁，創作于2023年2月第一節基本概念

第8頁，課件共52頁，創作于2023年2月一、晶體性狀

晶體是內部結構的質點（原子、離子、分子）作規律排列的固態物體。自范性：晶體具有自發地生長為多面體結構的可能性，晶體常以平面作為與周圍介質的分界面；各向異性：幾何特性及物理性質應隨方向而有差異；均勻性：晶體中每一宏觀質點的物理性質和化學組成都相同。第9頁，課件共52頁，創作于2023年2月第10頁，課件共52頁，創作于2023年2月飽和度與過飽和度

飽和溶液：溶質既不溶解也無結晶，即溶質與溶液處于平衡狀態。過飽和溶液：溶質從溶液中沉淀出來。不飽和溶液：添加固體則固體溶解。第11頁，課件共52頁，創作于2023年2月二、結晶過程

產生晶核；晶核在良好的環境中長大。推動力：溶質的濃度差；溶液中溶質與雜質的溶解度不同，溶質結晶而雜質留在溶液中，兩者分離；溶質與雜質的晶格不同，彼此“格格不入”。1.結晶過程第12頁，課件共52頁，創作于2023年2月(1)母液在晶體表面的吸藏母液：從結晶溶液中分離出結晶晶體后的溶液。吸藏：母液中雜質吸附于晶體表面，如果晶體成長過快，雜質會機械地陷入晶體。解決方法：重結晶、洗滌等。2.晶體純度的影響因素第13頁，課件共52頁，創作于2023年2月(2)形成晶簇，包藏母液包藏：細小晶體易形成晶簇，而晶簇中常包含母液。粒度：粒度大且較均勻地晶體與粒度小而且顆粒參差不齊地晶體相比，離心后晶體所夾帶的母液較少。2.晶體純度的影響因素第14頁，課件共52頁，創作于2023年2月(3)晶習：晶體外形。影響因素：溶液性質、雜質和溶劑等；操作條件如溫度、攪拌程度、冷卻或濃縮方式。2.晶體純度的影響因素第15頁，課件共52頁，創作于2023年2月初級均相成核—溶液在不含外來物質時自發產生晶核；初級非均相成核—在外來物質誘導下產生晶核的現象；二次成核—溶液中已有溶質晶體存在的條件下形成晶核。以接觸成核占主導。3.成核現象第16頁，課件共52頁，創作于2023年2月工業結晶過程晶核生長速率過高，導致晶體產品的粒度及粒度分布不合格。產品顆粒細碎、粒度分布寬、質量低劣。解決方法：工業結晶器的結構設計和結晶操作。第17頁，課件共52頁，創作于2023年2月第二節結晶動力學

第18頁，課件共52頁，創作于2023年2月一、晶核的形成

成核速率＝新生成晶粒數/（單位時間×單位體積溶液）第19頁，課件共52頁，創作于2023年2月1、初級均相成核

運動單元

結合體晶坯

晶核

晶體

溶質的分子、原子、離子工業上罕見，也不受歡迎。第20頁，課件共52頁，創作于2023年2月2.臨界粒度及粒度對溶解度的影響

小粒子具有較大的表面能，微小粒子晶體的溶解度高于粒度較大的晶體；溶液中同時有大晶體，微小晶體溶解而大晶粒長大，直到微小晶粒完全消失。大顆粒只有大至某一臨界粒度值（成為穩定的晶核最小粒度，為μm級，與細菌相當或再大些），才能成為繼續長大的穩定的晶核。影響的因素還有：溶質的同離子、鹽、溶劑種類、pH等。第21頁，課件共52頁，創作于2023年2月3.初級非均相成核由于真實物系永遠包含外來物體，如：大氣灰塵污染，發酵液中菌體，溶液中其他不溶性固體微粒都會誘導生成晶核。工業生產中，一般不應以初級成核作為晶核來源，因為：實際操作過程中難以控制溶液的過飽和度，使晶核生成速率恰好適應結晶過程的需要。第22頁，課件共52頁，創作于2023年2月二、二次成核現象

（1）液體剪應力成核

過飽和溶液以較大流速掃過正在生長的晶體表面時，液體邊界層存在剪切應力，將附著在晶體之上的粒子掃落，大的作為晶核生長長大，小的則溶解。第23頁，課件共52頁，創作于2023年2月二、二次成核現象

（2）接觸成核

晶體在與外部物體碰撞時會產生大量碎片，其中較大的就是晶核。

接觸成核：在過飽和溶液中，晶體只要與固體物做能量很低的接觸，就會產生大量的粒子。實踐證明：晶核生成量與攪拌強度有直接關系。在工業結晶中，接觸成核被認為獲得晶核最簡單、最好的方法。第24頁，課件共52頁，創作于2023年2月1.接觸成核的優點

動力學級數較低，溶液過飽和度對接觸成核影響小，易實現穩定操作的控制；成核過程是在低過飽和度下進行，在這種條件下結晶能得到優質產品；產生晶核所需要的能量非常低，被碰撞的晶體不會造成宏觀上的磨損。第25頁，課件共52頁，創作于2023年2月工業生產中接觸成核的方式晶體與攪拌螺旋槳間的碰撞；湍流下晶體與結晶器壁間的碰撞；湍流下晶體與晶體的碰撞；沉降速度不同，晶體與晶體的碰撞。第26頁，課件共52頁，創作于2023年2月2.影響接觸成核速率的因素過飽和度的影響；碰撞能量E的影響；螺旋槳的影響；晶體粒度的影響；螺旋槳材質的影響。第27頁，課件共52頁，創作于2023年2月3.工業結晶過程中控制成核現象的措施維持穩定的過飽和度；限制晶體的生長速率,即不以盲目提高過飽和度的方法，達到提高產量的目的；盡可能減少晶體的機械碰撞能量及幾率；對溶液進行加熱、過濾等預處理，以消除溶液中可能成為晶核的微粒；第28頁，課件共52頁，創作于2023年2月3.工業結晶過程中控制成核現象的措施使符合要求的晶粒得以及時排出；將含有過量細晶的母液取出后加熱或稀釋，使結晶溶解，然后送回結晶器；調節原料溶液的pH或加入某些具有選擇性的添加劑，以改變成核速率。第29頁，課件共52頁，創作于2023年2月三、晶體的生長

溶液主體的溶質傳遞主要靠對流，在靠近晶體表面有一靜止液層—境界膜，待結晶的溶質只能借擴散穿過境界膜時，才能達到晶體表面，這是擴散傳質過程；達到晶體表面的溶質在適當的晶格位置長入晶面，使晶體增大，同時放出結晶熱，這是一個表面反應的過程；放出來的結晶熱借熱傳導方式放到溶液中。第30頁，課件共52頁，創作于2023年2月四、雜質對晶體生長速率的影響

通過改變溶液的結構或平衡飽和濃度，改變晶體與溶液之間的界面上液層的特性，影響溶質長入晶面；雜質本身在晶面上吸附，產生阻擋作用；如晶格有相似之處，雜質有可能長入晶體內。第31頁，課件共52頁，創作于2023年2月第三節結晶操作和結晶設備

請自學第32頁，課件共52頁，創作于2023年2月結晶的過程可分為幾步？為什么晶體產品有較高的純度？影響晶體的大小、形狀和純度有那些因素？非正常習晶如片狀、針狀、樹枝狀結晶是在什么條件下產生的？如何防止？第33頁，課件共52頁，創作于2023年2月雞精雞精中最重要的成分是雞肉粉，但目前市場上賣的雞精，很多雞肉粉的含量都不高，有的根本不含雞肉粉，只是由味精、鮮味劑、鹽和淀粉混合而成。雞肉粉是什么東西？這不是人們通常理解的將雞肉加工成粉狀物，因為這種“雞肉粉”極易腐爛變質，而且入水會沉淀，產生渾濁物。“雞精中的雞肉粉是用特殊工藝從雞中提取出的汁液，這種汁液經加工后才成為雞肉粉，最大特點是能容入水，但提取復雜且技術要求很高。”第34頁，課件共52頁，創作于2023年2月雞精雞肉粉的重要功能是增加鮮味，因此比同樣重量的味精貴一倍以上。在利潤的誘惑下，一些生產雞精的企業為了節約成本或降低售價，就少用或不用雞肉粉，甚至使用化學合成的雞味香精，但還是打著雞精名義銷售。第35頁，課件共52頁，創作于2023年2月味精和雞精的區別

味精是以糧食（玉米或大米）為原料，通過微生物發酵、提取、精制而生產出來的。味精有國家標準和行業標準，谷氨酸鈉含量大于或等于80％以上的才能稱味精。雞精是復合調味料的一種，主要是味精（含量在40％左右），還有助鮮劑、鹽、糖、雞肉粉、香辛料、雞味香精等成分復配加工而成，目前還沒有國家標準和行業標準。第36頁，課件共52頁，創作于2023年2月膜分離技術在味精發酵液中的應用研究

我國南方味精L－谷氨酸鈉生產基本上是采用以大米和玉米淀粉為原料的發酵路線。發酵完成后，發酵液中除了含有主要產物谷氨酸（成品谷氨酸晶體又名麩酸）外，還含有菌體、可溶性蛋白、殘糖、色素以及其他發酵副產品。第37頁，課件共52頁，創作于2023年2月膜分離技術在味精發酵液中的應用研究

這些菌體、蛋白等雜質既是影響谷氨酸提取率與質量的重要因素，也是導致味精行業廢水環保處理難題的根源。第38頁，課件共52頁，創作于2023年2月發酵液等電結晶離心分離粗麩酸等電母液離子交換高流第39頁，課件共52頁，創作于2023年2月膜分離技術工藝發酵液放罐后，應用膜分離技術（超濾系統）對其進行過濾與分離。膜系統用泵為壓力驅動源，分離過濾的過程為循環運轉的過程，濾出的濾液被收集并轉入下步工藝，而菌體、蛋白及其他雜質被截留在膜的濃縮側，隨著發酵液的不斷濾出，膜前濃縮液逐漸粘稠，固含量不斷提高。第40頁，課件共52頁，創作于2023年2月膜分離技術工藝為提高過濾收率，在大部分濾液濾出之后，可在膜前加適量水洗滌濾渣，令濾渣中殘留的谷氨酸充分洗滌出來。膜濾操作結束后，濾液全部轉入下一步工藝處理。大部分留在循環罐內、極少部分殘留在管道及膜系統內的濾渣可直接排出。濾渣經干燥后其蛋白質含量超過70％，可綜合利用。膜分離體系經清洗后備用。第41頁，課件共52頁，創作于2023年2月第42頁，課件共52頁，創作于2023年2月本超濾體系由循環罐、收集槽、泵、超濾膜組件、壓力表以及流量計組成。其技術關鍵在于膜組件的選用及工藝條件的確定。循環罐中的發酵液經泵加壓后進入超濾膜組件，超濾透過液經流量計進入收集槽，截留的發酵液回流到循環罐中，如此循環而得到不斷濃縮。最后加適量水洗滌濾渣，洗滌液經超濾并入透過液。濾渣含有大量的菌體和蛋白，經干燥后作為蛋白飼料出售或作其他綜合利用。第43頁，課件共52頁，創作于2023年2月第44頁，課件共52頁，創作于2023年2月采用傳統方法提取谷氨酸，發酵液中的菌體、蛋白等雜質會直接影響谷氨酸的結晶，等電點時，菌體、蛋白等雜質隨之沉降于晶體上層，不易與谷氨酸分離，對等電點得到率和提取收率以及谷氨酸質量均有不利的影響。采用超濾膜預先去除發酵液菌體、蛋白后，不但可以提高等電點得率和提取收率，提高麩酸產量和品質，而且工藝簡單，操作方，處理效果好，菌體、蛋白的經濟價值也得到充分利用便，還有利于環境保護。因此，應用膜分離技術對發酵液進行處理，具有很好的應用前景。第45頁，課件共52頁，創作于2023年2月人工牛黃的制備

牛黃是從牛的膽囊或膽囊管中取出的結石，又稱天然牛黃。牛黃是一種療效確切的名貴中藥材，在我國最早的一部本草《神農本草經集注》中被列入上品。《神農本草經》云：‘‘牛黃主驚癇，寒熱，熱盛狂痙”；《名醫別錄》云：“主中風失音，口噤，驚悸，天行時疾”；“安魂定魄”；“定精神，除熱，止驚痢”；“痘瘡紫色，發狂譫語者可用”。在歐洲，15世紀也有關于牛黃的記載。第46頁，課件共52頁，創作于2023年2月牛黃的化學成分有：游離膽紅素、結合膽紅素(膽紅素鈣、膽紅素酯)、游離膽汁酸(膽酸、豬脫氧膽酸、鵝去氧膽酸、石膽酸、甾族膽酸)、結合膽汁酸(牛磺膽汁酸鹽、甘氨膽汁酸鹽)、膽甾醇(游離膽固醇、膽固醇酯、麥角固醇)、脂肪酸、卵磷脂、粘蛋白、平滑肌收縮物質(肽類)、氨基酸(丙氨酸、甘氨酸、牛磺酸、精氨酸、天門冬氨酸、蛋氨酸、白氨酸)、三種類胡羅卜素、維生素D、粒狀無色結晶、性狀不明的熒光物質、油狀的強心成分、無機成分。第47頁，課件共52頁，創作于2023年2月經分析牛黃的主要成分是膽紅素和膽酸，其中膽紅素含量達72％～76.5％，膽汁酸、膽酸及其鹽類占11％～16.2％。牛黃是配制很多中成藥的主要成分，但自然來源十分稀少，所以要配制大量的中成藥，靠天然，牛黃，也就是牛的膽結石，就遠遠滿足不了生產中成藥的需要。50年代初，我國參照天然牛黃的化學組成，成功制備了人工牛黃，并進行了藥理實驗和臨床驗證工作，人工牛黃在解熱、抗驚厥祛痰和抑菌作用方面，都優于天然牛黃。第48頁，課件共52頁，創作于2023年2月人工牛黃的配方及配制配方(重量百分比)膽紅素(含量按100％計算)0.7%～0.8％膽固醇2.0％牛、羊膽酸(含量按l00％計算)原料純度>80％12.5％第49頁，課件共52頁，創作于2023年2月操