第十一章酒精差壓蒸餾技術(shù)ppt課件

1、第十二章 結(jié)晶技術(shù) 生物工業(yè)的固體產(chǎn)品又可分為結(jié)晶型和無(wú)定型兩類(lèi)。區(qū)別：構(gòu)成單位原子、分子或離子的陳列方式是規(guī)那么的結(jié)晶；不規(guī)那么的無(wú)定型。 蔗糖、食鹽、氨基酸、檸檬酸等都是結(jié)晶形，而淀粉、酶制劑、蛋白質(zhì)和某些噴霧枯燥獲得的產(chǎn)品是無(wú)定型物質(zhì)。 構(gòu)成晶形物質(zhì)的過(guò)程稱(chēng)為“結(jié)晶；而得到無(wú)定型物質(zhì)的過(guò)程稱(chēng)為“沉淀。 結(jié)晶是同類(lèi)分子或離子的規(guī)那么陳列，具有高度的選擇性，結(jié)晶操作能從雜質(zhì)含量相當(dāng)多的發(fā)酵液或溶液中構(gòu)成純真的晶體。 結(jié)晶產(chǎn)品外觀優(yōu)美，它的包裝、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和運(yùn)用都很方便。.第一節(jié) 根本概念一、晶體性狀 晶體是內(nèi)部構(gòu)造中的質(zhì)點(diǎn)(原子、離子、分子)作規(guī)律陳列的固態(tài)物體。 假設(shè)生長(zhǎng)環(huán)境好，那么可構(gòu)成

2、有規(guī)那么的多面體外形多面體。結(jié)晶多面體的面稱(chēng)為晶面，棱邊稱(chēng)晶棱。從溶液中結(jié)晶的晶體具有以下一些性質(zhì)：(1)自范性：晶體具有自發(fā)地生長(zhǎng)為多面體構(gòu)造的能夠性。即晶體常以平面作為與周?chē)橘|(zhì)的分界面。這種性質(zhì)稱(chēng)為晶體的自范性。(2)各向異性：幾何特性及物理性質(zhì)應(yīng)隨方向而有差別。(3)均勻性：晶體中每一宏觀質(zhì)點(diǎn)的物理性質(zhì)和化學(xué)組成都一樣 (因內(nèi)部晶格一樣)。正由于有了晶體的均勻性這一性質(zhì)，才保證了工業(yè)消費(fèi)的晶體產(chǎn)品具有高的純度。.二、飽和曲線和過(guò)飽和曲線飽和溶液： 溶液恰好飽和，溶質(zhì)既無(wú)溶解也無(wú)結(jié)晶，即溶質(zhì)與溶液處于平衡形狀，此溶液稱(chēng)為飽和溶液；未飽和溶液： 假設(shè)添加固體那么固體溶解；過(guò)飽和溶液： 超越

3、飽和點(diǎn)的溶質(zhì)遲早要從溶液中沉淀出來(lái)。 要使溶質(zhì)從溶液中結(jié)晶出來(lái)，須首先使溶液成為過(guò)飽和形狀，也即必需設(shè)法產(chǎn)生一定的過(guò)飽和度作為推進(jìn)力。.二、飽和曲線和過(guò)飽和曲線溶液的過(guò)飽和度與結(jié)晶的關(guān)系： AB為飽和曲線；CD為過(guò)飽和曲線。 AB和CD將圖分為：穩(wěn)定區(qū)、介穩(wěn)區(qū)和不穩(wěn)區(qū)。穩(wěn)定區(qū)：溶液尚未飽和，沒(méi)有結(jié)晶的能夠。介穩(wěn)區(qū)：也不會(huì)自發(fā)產(chǎn)生晶核，但如已有晶核，那么晶核長(zhǎng)大而吸收溶質(zhì)直至濃度回落到飽和線上。不穩(wěn)區(qū)：能自發(fā)產(chǎn)生晶核。 如E點(diǎn)是溶液的原始末飽和形狀， E H是冷卻結(jié)晶線，F(xiàn)點(diǎn)是飽和點(diǎn)，不能結(jié)晶，到達(dá)G點(diǎn)時(shí)，自發(fā)產(chǎn)生晶核。.三、結(jié)晶過(guò)程1、結(jié)晶過(guò)程： 首先是產(chǎn)生晶核； 晶核在良好的環(huán)境中長(zhǎng)大。 動(dòng)

4、力是溶質(zhì)的濃度差CC-C ， 過(guò)飽和度的大小會(huì)影響晶核的構(gòu)成速度和晶體的長(zhǎng)大速度，影響最終晶體產(chǎn)品的粒度和晶體粒度分布?；炀Ь跋螅?溶解度相差不大，晶格相近的雜質(zhì)。.2晶體純度的影響要素(1)母液在晶體外表的吸藏 雜質(zhì)甚至?xí)C(jī)械地墮入晶體。吸藏的雜質(zhì)可以經(jīng)過(guò)重結(jié)晶的方式除去。(2)構(gòu)成晶簇 細(xì)小晶體易構(gòu)成晶簇，常機(jī)械地包含母液，這種情況也稱(chēng)為包藏。粒度大且較均勻的晶體夾帶母液較少。 (3)晶習(xí) 晶體外形叫晶習(xí)。如谷氨酸結(jié)晶，存在-結(jié)晶(體)和-結(jié)晶(體) 。 -結(jié)晶呈顆粒狀，晶體產(chǎn)質(zhì)量量好； -結(jié)晶呈片狀、針狀，比外表大，易包含雜質(zhì)和母液。 影響晶習(xí)的要素： 溶液性質(zhì)、雜質(zhì)和溶劑等。 操作條件

5、如溫度、攪拌程度、冷卻或濃縮方式、PH的調(diào)整等。.3成核景象三種方式：(1)初級(jí)均相成核： 溶液在不含外來(lái)物體時(shí)自發(fā)產(chǎn)生晶核，稱(chēng)為初級(jí)均相成核。(2)初級(jí)非均相成核： 在外來(lái)物體(如大氣微塵)誘導(dǎo)下產(chǎn)生晶核的景象稱(chēng)為初級(jí)非均相成核。(3)二次成核： 溶液中已有溶質(zhì)晶體存在的條件下構(gòu)成晶核的景象稱(chēng)二次成核。二次成核中又以接觸成核占主導(dǎo)。.3成核景象 接觸成核： 新生的晶核是晶漿(有晶體存在的結(jié)晶溶液)中已有的晶體顆粒，在結(jié)晶器中與其他固體接觸碰撞時(shí)產(chǎn)生的晶體表層的碎粒。 晶核生成速率過(guò)高，它容易導(dǎo)致晶體產(chǎn)品的粒度及粒度分布不合格。需求仔細(xì)思索對(duì)待的問(wèn)題。.第二節(jié) 結(jié)晶動(dòng)力學(xué)一、晶核的構(gòu)成： 通常

6、用成核速率來(lái)表示晶核的生成速度，即： 成核速率 = 新生成晶核數(shù)(單位時(shí)間x單位體積溶液1初級(jí)均相成核：工業(yè)上稀有，也不受歡迎。 晶核約為數(shù)百個(gè)結(jié)合體。.一、晶核的構(gòu)成2臨界粒度及粒度對(duì)溶解度的影響： 晶體的生存實(shí)際： 小粒子具有較大的外表能，其溶解度高于粒度較大的晶體。如溶液中同時(shí)存在大、小晶粒，那么微小晶粒溶解而大晶粒長(zhǎng)大，直至微小晶粒完全消逝。顆粒只需大至 某一臨界粒度值(m級(jí)才干成為繼續(xù)長(zhǎng)大的穩(wěn)定的晶核。 實(shí)際上可推導(dǎo)出臨界粒度值。除顆粒大小外，還有許多要素對(duì)溶解度產(chǎn)生影響，如溶質(zhì)的同離子、鹽、溶劑種類(lèi)、pH等。.一、晶核的構(gòu)成3 初級(jí)非均相成核： 外來(lái)物體，如大氣灰塵污染，小菌體，溶

7、液中其他不溶性固體微粒都會(huì)誘導(dǎo)生成晶核。 在工業(yè)規(guī)模的結(jié)晶過(guò)程中，普通不應(yīng)以初級(jí)成核作為晶核的來(lái)源。.二、二次成核景象二次成核： 受已存在的宏觀晶體的影響而構(gòu)成晶核的景象。是絕大多數(shù)工業(yè)結(jié)晶器中晶核的主要來(lái)源。液體剪應(yīng)力成核：過(guò)飽和溶液以較大流速掃過(guò)正在生長(zhǎng)的晶體外表時(shí)，液體邊境層存在剪切應(yīng)力(速度差引起)，將附著于晶體之上的粒子掃落，大的作為晶核生生長(zhǎng)大，小的那么溶解。接觸成核(碰撞成核)：晶體在與外部物體(包括另一粒晶體)碰撞時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量碎片，其中較大的就是新的晶核。 實(shí)踐閱歷指出，晶核生成量與攪拌強(qiáng)度有直接關(guān)系.1. 接觸成核 接觸成核在工業(yè)結(jié)晶過(guò)程中被以為是獲得晶核最簡(jiǎn)單、最好的方法。

8、優(yōu)點(diǎn)： 動(dòng)力學(xué)級(jí)數(shù)較低，即溶液過(guò)飽和度對(duì)成核影響較小。 在低過(guò)飽和度下進(jìn)展，能得到優(yōu)質(zhì)結(jié)晶產(chǎn)品。 產(chǎn)生晶核所需求的能量非常低，被碰撞的晶體不會(huì)呵斥宏觀上的磨損。在工業(yè)消費(fèi)中，接觸成核有以下4種方式： (1)晶體與攪拌螺旋槳間的碰撞； (2)湍流下晶體與結(jié)晶器壁間的碰撞； (3)湍流下晶體與晶體的碰撞； (4)沉降速度不同，晶體與晶體的碰撞。 其中以第1種方式為主。. 2影響接觸成核速率的要素(1)過(guò)飽和度的影響：產(chǎn)生的晶粒數(shù)N是過(guò)飽和度S的函數(shù)。無(wú)論哪一類(lèi)晶體，晶核生成量與晶體生長(zhǎng)速率成正比。 (2)碰撞能量E的影響：碰撞能量純?cè)酱螅a(chǎn)生的晶粒數(shù)越多。(3)螺旋槳的影響：螺旋槳對(duì)接觸成核的影響

9、最大，主要表達(dá)在它的轉(zhuǎn)速和槳葉端速度上。(4)晶體粒度的影響：晶體粒度大，碰撞能量大，那么晶核生成量添加。當(dāng)懸浮晶粒隨溶液循環(huán)而流經(jīng)槳葉的旋轉(zhuǎn)平面時(shí)，并非一切粒度的晶粒都有時(shí)機(jī)與槳葉相接觸。只需當(dāng)晶體大于某一粒度值后才干和槳葉碰撞產(chǎn)生二次晶核。也就是說(shuō)小晶粒在循環(huán)中難與螺旋槳接觸。(5)螺旋槳材質(zhì)的影響：聚乙烯槳葉與不銹鋼槳葉相比晶核生成量相差4倍以上，軟的槳葉吸收了大部分碰撞能量，使晶核生成量大幅度減少(也有晶核的生成與材質(zhì)無(wú)關(guān)的報(bào)道)，一 般情況下，低轉(zhuǎn)速時(shí)，槳葉材質(zhì)的影響要突出些。. 3 工業(yè)結(jié)晶過(guò)程中控制成核景象的措施(1)維持穩(wěn)定的過(guò)飽和度，防止結(jié)晶器在部分范圍內(nèi)產(chǎn)生過(guò)飽和度的動(dòng)搖，

10、例如蒸發(fā)面、冷卻外表、不同濃度的兩股流混合區(qū)內(nèi)(如谷氨酸結(jié)晶時(shí)加酸調(diào)pH的酸液流附近)。(2)限制品體的生長(zhǎng)速率，即不以盲目提高過(guò)飽和度的方法，到達(dá)提高產(chǎn)量酌目的。(3)盡能夠減低晶體的機(jī)械碰撞能量及幾率，長(zhǎng)槳葉、慢攪拌是常用的方法。(4)對(duì)溶液進(jìn)展加熱、過(guò)濾等預(yù)處置，以消除溶液中能夠成為晶核的微粒。(5)使符合要求的晶粒得以及時(shí)排出，而不使其在器內(nèi)繼續(xù)參與循環(huán)。(6)將含有過(guò)量細(xì)晶的母液取出后加熱或稀釋?zhuān)辜?xì)晶溶解(細(xì)消)，然后送回結(jié)晶器。(7)調(diào)理原料溶液的pH值或參與某些具有選擇性的添加劑，以改動(dòng)成核速率。.三、晶體的生長(zhǎng) 晶體的生長(zhǎng)有以下3個(gè)步驟：(1)溶液主體的溶質(zhì)傳送主要靠對(duì)流，但

11、在接近晶體外表有一靜止液層，稱(chēng)為境界膜，待結(jié)晶的溶質(zhì)只能借分散穿過(guò)境界膜 時(shí)，才干到達(dá)晶體外表，這是一個(gè)分散傳質(zhì)過(guò)程。(2)到達(dá)晶體外表的溶質(zhì)在適當(dāng)?shù)木Ц裎恢瞄L(zhǎng)入晶面，使晶體增 大，同時(shí)放出結(jié)晶熱。這是一個(gè)外表反響過(guò)程。 溶液過(guò)飽和度過(guò)大時(shí)，成核和長(zhǎng)大連率過(guò)快，結(jié)晶熱必需以很快的方式放出，以順應(yīng)快速成核和迅速長(zhǎng)大的需求。因 為比外表越大，放熱越快，這樣，就容易構(gòu)成比外表大的片狀、針狀結(jié)晶或樹(shù)枝狀晶簇，這種結(jié)晶或晶簇易包裹母液，因此結(jié)晶質(zhì)量大幅度地下降。(3)放出來(lái)的結(jié)晶熱借熱傳導(dǎo)方式放到溶液中。 外表反響速率與結(jié)晶溫度的關(guān)系很大，結(jié)晶溫度升高，表 面反響速率加快，分散速率根本不變，有利于晶體生

12、長(zhǎng)。.四、雜質(zhì)對(duì)晶體生長(zhǎng)速率的影響 雜質(zhì)對(duì)晶體生長(zhǎng)速率的影響途徑有以下幾點(diǎn)：(1)經(jīng)過(guò)改動(dòng)溶液的構(gòu)造或平衡飽和濃度，改動(dòng)晶體與溶液之間 的界面上液層的特性，影響溶質(zhì)長(zhǎng)入晶面。(2)雜質(zhì)本身在晶面上吸附，產(chǎn)生阻撓作用(如帶菌發(fā)酵液直接結(jié)晶時(shí)，菌體鉆附在晶體外表)。(3)如晶格有類(lèi)似之處，雜質(zhì)有能夠長(zhǎng)入晶體內(nèi)。晶體生長(zhǎng)過(guò)快產(chǎn)生晶體缺陷和位錯(cuò)時(shí)，晶格不同也能夠產(chǎn)生吸藏景象，雜質(zhì)質(zhì)點(diǎn)墮入產(chǎn)品晶體中。 雜質(zhì)對(duì)結(jié)晶操作尤其是對(duì)晶習(xí)的影響，有重要意義。.第三節(jié) 結(jié)晶操作和結(jié)晶設(shè)備 結(jié)晶操作既要滿足消費(fèi)規(guī)模的要求，又要符合產(chǎn)質(zhì)量量要求。 發(fā)酵產(chǎn)品的結(jié)晶過(guò)程分分批操作和延續(xù)結(jié)晶。 延續(xù)結(jié)晶操作有很多顯著的優(yōu)點(diǎn)，

13、特別是大規(guī)模消費(fèi)更合理。優(yōu)點(diǎn)：(1)冷卻法及蒸發(fā)法(真空冷卻法除外) ，采用延續(xù)結(jié)晶，操作費(fèi)用低，經(jīng)濟(jì)性好。(2)結(jié)晶工藝簡(jiǎn)化，相對(duì)容易保證質(zhì)量。(3)消費(fèi)周期短，節(jié)約勞動(dòng)力費(fèi)用。(4)結(jié)晶設(shè)備的消費(fèi)才干可比分批操作提高數(shù)倍甚至數(shù)十倍。(5)操作參數(shù)相對(duì)穩(wěn)定，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。.延續(xù)結(jié)晶的缺陷(1)換熱面和器壁上容易產(chǎn)生晶垢，后期的操作條件和產(chǎn)質(zhì)量量逐漸惡化，清理時(shí)機(jī)少于分批操作。(2)和操作良好的分批結(jié)晶相比，產(chǎn)品平均粒度較小。(3)操作控制上比分批結(jié)晶因難，要求嚴(yán)厲。. 一、分批結(jié)晶 為了控制晶體的生長(zhǎng)，獲得粒度較均勻的產(chǎn)品，必需盡一切能夠防止不需求的晶核生成。 小心地將溶液的形狀控制在

14、介穩(wěn)區(qū)內(nèi)。有時(shí)可在適當(dāng)時(shí)機(jī)向溶液中添加適量的晶種，使被結(jié)晶的溶質(zhì)只在晶體外表上生長(zhǎng)。用溫暖的攪拌，使晶體較均勻地懸浮在整個(gè)溶液中，并盡量防止二次成核景象。不同的操作方式對(duì)分批冷卻結(jié)晶過(guò)程的影響： 1.速冷，不加晶種； 2.緩冷，不加晶種； 3.速冷，加晶種； 4.緩冷，加晶種。.二、延續(xù)結(jié)晶操作要求： 1.符合質(zhì)量要求的產(chǎn)品粒度分布； 2.高的消費(fèi)強(qiáng)度； 3.盡量降低晶垢產(chǎn)生速度，以延伸延續(xù)結(jié)晶的 操作周期； 4.維持結(jié)晶器的操作穩(wěn)定性。.二、延續(xù)結(jié)晶方法：1細(xì)晶消除：根據(jù)淘析原理，在結(jié)晶器內(nèi)部或下部建立一個(gè)廓清區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)，晶漿以很低的速度上流，細(xì)小晶粒那么隨著溶液從廓清區(qū)溢流而出，進(jìn)入細(xì)

15、晶消除系統(tǒng)。以加熱或稀釋的方法使之溶解，然后經(jīng)循環(huán)泵重新回到結(jié)晶器。2產(chǎn)品粒度分級(jí)排料：將結(jié)晶器中流出的產(chǎn)品先流過(guò)分級(jí)排料器，小于產(chǎn)品分級(jí)粒度的晶體截留后前往結(jié)晶器繼續(xù)長(zhǎng)大。3清母液溢流：調(diào)理結(jié)晶器內(nèi)晶漿密度的主要手段有時(shí)與細(xì)晶消除相結(jié)合。一部分排出結(jié)晶系統(tǒng)；另一部分那么進(jìn)入細(xì)晶消除系統(tǒng)，消除細(xì)晶后再回到結(jié)晶器中。.三、結(jié)晶設(shè)備1立式攪拌結(jié)晶罐： 最簡(jiǎn)單的一種分批式結(jié)晶器，它的操作比較容易，谷氨酸和檸檬酸結(jié)晶中都采用。攪拌轉(zhuǎn)速普通較慢。2 臥式結(jié)晶槽： 它的容積較大，轉(zhuǎn)速很慢，既可作結(jié)晶用，也可作蒸發(fā)結(jié)晶操作的輔助冷卻結(jié)晶器，又可作為結(jié)晶分別前的晶漿貯罐。.3真空結(jié)晶器： 結(jié)晶速度較快，容易自然起晶，晶體產(chǎn)品要求顆粒粗大時(shí)， 往往采用真空結(jié)晶器。味精廠的味精結(jié)晶設(shè)備多采用此結(jié)晶器。 以上3種結(jié)晶器在發(fā)酵上業(yè)上運(yùn)用比較成熟。4孿生式結(jié)晶器： 由兩個(gè)相互連通的A、C結(jié)晶槽組成，兩槽的操作溫度不同， C中的任務(wù)溫度低于槽A。溫度高的料液進(jìn)入A槽，與循環(huán)晶 漿混合，在攪拌器作用下，經(jīng)過(guò)水冷式循環(huán)管，冷卻的晶漿一部分流入槽C，與C槽中的循環(huán)晶漿混合；一部分流回A槽。三、結(jié)晶設(shè)備.5Oslo型結(jié)晶器： 此類(lèi)結(jié)晶器在我國(guó)的 NH4Cl等工業(yè)消費(fèi)上曾得到較廣泛運(yùn)用。歷史雖較長(zhǎng)，但性能有缺乏之處，人們有較成熟操作閱歷。6DTB型結(jié)晶器： 延續(xù)結(jié)晶器的主要方式之一，可用于真空冷卻法、