杭州恩創(chuàng)機(jī)械有限公司 > 服務(wù)與支持 > 結(jié)晶技術(shù)
結(jié)晶是一個(gè)重要的化工過(guò)程，是物質(zhì)提純的主要手段之一。眾多化工、醫(yī)藥產(chǎn)品及中間產(chǎn)品都是以晶體形態(tài)出現(xiàn)的，結(jié)晶往往是大規(guī)模生產(chǎn)它們的最好又最經(jīng)濟(jì)的方法。
結(jié)晶過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的傳熱、傳質(zhì)過(guò)程。在溶液和晶體并存的懸浮液中，溶液中的溶質(zhì)分子向晶體轉(zhuǎn)移（結(jié)晶），同時(shí)晶體的分子也在向溶液擴(kuò)散（溶解）。在未飽和溶液中溶解速度大于結(jié)晶速度，從宏觀上看這個(gè)過(guò)程就是溶解；在過(guò)飽和溶液中結(jié)晶速度大于溶解速度，從宏觀上看這個(gè)過(guò)程就是結(jié)晶。所以，結(jié)晶的前提是溶液必須有一定的過(guò)飽和度。
連續(xù)結(jié)晶器和間歇結(jié)晶器相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：
連續(xù)結(jié)晶具有收率高、能耗低、母液少、產(chǎn)品質(zhì)量好、自動(dòng)化程度高、設(shè)備占地面積小及操作人員少等優(yōu)點(diǎn)。由于連續(xù)結(jié)晶器具有較高的生產(chǎn)效率，一套連續(xù)結(jié)晶器往往可以取代數(shù)套乃至數(shù)十套間歇結(jié)晶器，相應(yīng)配套設(shè)備的數(shù)量也大大減少。對(duì)于醫(yī)藥產(chǎn)品的結(jié)晶，由于連續(xù)結(jié)晶器都是全密閉的，結(jié)晶器可以布置在GMP車(chē)間的外面，而僅將離心機(jī)、烘干和包裝布置在GMP車(chē)間的里面，這將極大地減少GMP車(chē)間的面積，從而降低整個(gè)工程的投資。
連續(xù)結(jié)晶器可以方便地和機(jī)械壓縮泵組合，在低溫下進(jìn)行蒸發(fā)結(jié)晶，不但不需要蒸汽，而且無(wú)需冷凍水。節(jié)能的同時(shí)也避免了龐大的冷凍機(jī)投資。過(guò)飽和度是結(jié)晶的一個(gè)重要參數(shù)。
根據(jù)大量試驗(yàn)的結(jié)果證實(shí)，溶液的過(guò)飽和與結(jié)晶的關(guān)系可用上圖1表示；圖中的AB 線為普通的溶解度曲線，CD 線代表溶液過(guò)飽和而能自發(fā)地產(chǎn)生晶核的濃度曲線（ 超溶解度曲線），它與溶解度曲線大致平行。這兩根曲線將濃度——溫度圖分割為三個(gè)區(qū)城。在 AB 曲線以下是穩(wěn)定區(qū)，在此區(qū)中溶液尚未達(dá)到飽和，因此沒(méi)有結(jié)晶的可能。AB 線以上為過(guò)飽和溶液區(qū)，此區(qū)又分為兩部分：在 AB 與 CD 線之間稱為介穩(wěn)區(qū)，在這個(gè)區(qū)域中，不會(huì)自發(fā)地產(chǎn)生晶核，但如果溶液中已加了晶種， 這些晶種就會(huì)長(zhǎng)大。 CD 線以上是不穩(wěn)區(qū)，在此區(qū)域中，溶液能自發(fā)地產(chǎn)生晶核。若原始濃度為 E 的潔凈溶液在沒(méi)有溶劑損失的情況下冷卻到 F 點(diǎn)，溶液剛好達(dá)到飽和，但不能結(jié)晶，因?yàn)樗€缺乏作推動(dòng)力的過(guò)飽和度。從F 點(diǎn)繼續(xù)冷卻到 G 點(diǎn)的一段期間，溶液經(jīng)過(guò)介穩(wěn)區(qū)，雖已處于過(guò)飽和狀態(tài)，但仍不能自發(fā)地產(chǎn)生晶核。只有冷卻到 G點(diǎn)后，溶液中才能自發(fā)地產(chǎn)生晶核，越深入不穩(wěn)區(qū)（例如達(dá)到 H 點(diǎn)），自發(fā)產(chǎn)生的晶核也越多。由此可見(jiàn)，超溶解度曲線及介穩(wěn)區(qū)、不穩(wěn)區(qū)這些概念對(duì)于結(jié)晶過(guò)程有重要意義。把溶液中的溶劑蒸發(fā)一部分，也能使溶液達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài)，圖中 EF ’ G’線代表此恒溫蒸發(fā)過(guò)程。在工業(yè)結(jié)晶中往合并使用冷卻和蒸發(fā)，此過(guò)程可由 EG’’線代表。
晶體成長(zhǎng)的速率與過(guò)飽 和度的關(guān)系如上圖2所示。當(dāng)然，結(jié)晶器出來(lái)的最終的晶體的尺寸不僅僅與晶體成長(zhǎng)的速率相關(guān)，還與成核速率、耗散速率等有關(guān)。成核速率也與過(guò)飽和度相關(guān)，且受過(guò)飽和度影響要較成長(zhǎng)速率受其影響來(lái)的大，從下圖3我們可以看出來(lái)。
結(jié)晶成核模型有兩種，一個(gè)是初級(jí)均相成核， 即溶液在不含外來(lái)物體時(shí)自發(fā)產(chǎn)生晶核； 一個(gè)是二次成核，即溶液中已有溶質(zhì)晶體存在的條件下形成晶核的現(xiàn)象。晶體與晶體，晶體與葉輪接觸是二次成核的重要成因。然而，結(jié)晶器能量的輸入對(duì)二次結(jié)晶也有影響。輸入功率越大，晶粒越小。
結(jié)合結(jié)晶的一些特性，我們可以說(shuō)低的成核速率可以產(chǎn)生大的單一的晶體。如上圖4所示:
在兩個(gè)結(jié)晶器內(nèi)，過(guò)飽和度相同。成核速率為5 的產(chǎn)生了5 個(gè)2g 的晶塊，而成核速率為40 的則產(chǎn)生了40 個(gè)250mg的晶塊。大部分結(jié)晶器需要產(chǎn)生大的單一的晶體，這是因?yàn)檫@樣可以提高晶體的純度、操作特性和可售性。
為此我們應(yīng)：
1、控制結(jié)晶器內(nèi)的過(guò)飽和度處于介穩(wěn)區(qū)內(nèi)。
2、選擇合適的過(guò)飽和度使晶核生長(zhǎng)的速率最大。
3、優(yōu)化結(jié)晶器的混合能量的輸入。
混合對(duì)過(guò)飽和度和晶核的形成有重要的影響，它是結(jié)晶器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。上圖4為一真空強(qiáng)制循環(huán)結(jié)晶器。原料液從狀態(tài)1進(jìn)入結(jié)晶器與結(jié)晶器內(nèi)的狀態(tài)3 的溶液相混合變成狀態(tài)2，經(jīng)過(guò)泵的輸送到達(dá)狀態(tài)4，進(jìn)入了介穩(wěn)定區(qū)。這個(gè)過(guò)程產(chǎn)生的過(guò)飽和度被晶體的生長(zhǎng)所消耗而到達(dá)狀態(tài)3，這樣就完成了一個(gè)循環(huán)。如果在一個(gè)周期里過(guò)飽和度沒(méi)有完全消耗則下一周期將會(huì)進(jìn)一步飽和，一段時(shí)間后，整個(gè)周期將遠(yuǎn)離甚至高于介穩(wěn)區(qū)，這將對(duì)晶體增長(zhǎng)和成核產(chǎn)生不利影響，因此，為過(guò)飽和的液體提供足夠多的混合機(jī)會(huì)以及足夠的結(jié)晶表面是非常重要的。否則，晶粒形狀將遭受破壞。上述過(guò)程可由以下兩個(gè)公式表示。
在一個(gè)循環(huán)周期里，晶體成長(zhǎng)的速率(dm/dt) 取決于過(guò)飽和液體的消耗速率，晶體的表面積（A）及過(guò)飽和液體的過(guò)飽和度(△C)。 二次成核量（B0）取決于混合能量、懸浮密度以及液體的過(guò)飽和度。
