第四节　结晶

溶质呈晶态从溶液中析出来的过程称作结晶。通过结晶形成的晶体外观形状一定，内部的分子（或原子、离子）在三维空间进行有规则的排列。结晶是一个重要的化工单元操作，在生物制药工业中也是一种应用广泛的产品精制技术。结晶是同类分子或离子的规则排列，具有高度的选择性，故通过结晶，溶液中的大部分杂质会留在母液中，使产品得到纯化。结晶不但是一种纯化手段，也是一种固化手段（产品从溶解状态变成了固体），结晶产品外观优美，其包装、运输、贮存和使用都很方便。

一、结晶的原理

结晶过程取决于溶质与其溶液之间的平衡关系。当溶液浓度等于溶质溶解度时，该溶液称为饱和溶液，此时，溶质与溶液处于平衡状态，即溶质的溶解速度等于结晶速度，不能析出晶体。溶质浓度超过溶解度时，溶液为过饱和溶液，溶质只有在过饱和溶液中才能结晶析出。在过饱和溶液中，最先析出的微小颗粒是以后结晶的中心，称为晶核。晶核形成后，靠扩散而继续成长为晶体。因此，结晶包括三个过程：过饱和溶液的形成；晶核的生成；晶体的生长。其中，溶液达到过饱和状态是结晶的前提，过饱和度是结晶的推动力。

溶液的过饱和度与结晶的关系可由图1-7来表示。图中AB为饱和曲线，CD为过饱和曲线，它们将图分为稳定区、亚稳区和不稳区。稳定区的溶液尚未饱和，没有结晶的可能；亚稳区内，也不会自发产生结晶，如加入晶种，溶质会在晶种上长大，直至溶质的浓度下降到AB线；在不稳区的任一点溶液能立即自发结晶，此时，由于过饱和度过大，结晶生成很快，来不及长大即降至饱和态，所以形成大量细小的晶体，这在工业生产上是不利的。为了得到颗粒较大而又整齐的晶体，工业生产中通常把溶液浓度控制在亚稳区，并加入晶种诱导结晶的生成。

二、结晶的过程

1.过饱和溶液的形成

结晶的首要条件是溶液的过饱和度。工业生产上制备过饱和溶液的方法一般有如下四种。

（1）热饱和溶液冷却　冷却法适用于溶解度随温度降低而显著减小的情况。如图1-7中的FH是冷却结晶线，F点是饱和点，不能结晶，降低稳定后溶液进入亚稳区或不稳区而可生成结晶。例如冷却L-脯氨酸的浓缩液至4℃左右，放置4h，L-脯氨酸结晶将大量析出。

当然，对溶解度随温度升高而显著减少的场合，则应采用加温结晶。

（2）部分溶剂蒸发　蒸发法是使溶液在加压、常压或减压下加热，蒸发除去部分溶剂达到过饱和的结晶方法。其主要适用于溶解度随温度的降低而变化不大的情况。如图中EF'G'为恒温蒸发过程，EG″为冷却蒸发过程。生产上灰黄霉素的结晶即是由丙酮萃取液真空浓缩除去部分丙酮而进行的。

（3）化学反应结晶法　此法是通过加入反应剂或调节pH生成一个新的溶解度更低的物质，当其浓度超过它的溶解度时，就有结晶析出。例如在苯甲异唑青霉素的乙酸丁酯提取液中，加甲醇-乙酸钠溶液，在50℃放置2h即可得到其钠盐结晶；在头孢菌素C的浓缩液中加入乙酸钾即析出头孢菌素C钾盐。四环素、6-氨基青霉烷酸等水溶液，当其pH调至等电点附近时就会析出结晶或沉淀。

（4）盐析法　此法是向溶液中加入某些物质，使溶质的溶解度降低而析出。加入的物质被称为沉淀剂，其最大的特点就是极易溶解在原溶液的溶剂中。盐析法常用固体氯化钠作为沉淀剂使溶液中的溶质尽可能地结晶出来，例如普鲁卡因青霉素结晶时加入一定量的食盐，可以使晶体容易析出。盐析法还常采用向水溶液中加入一定量亲水性的有机溶剂如甲醇、乙醇、丙酮等，降低溶质的溶解度使其结晶析出。例如氨基酸水溶液中加入适量乙醇后氨基酸可结晶析出。另外，还可将氨气直接通入无机盐水溶液中降低其溶解度使无机盐结晶析出。

工业生产上，除了单独使用上述各法外，有时也将几种方法合并使用。例如，普鲁卡因青霉素结晶即并用第一、第三种方法。先将青霉素钾盐溶于缓冲液中，冷至3～5℃，滴加盐酸普鲁卡因，就得到盐酸普鲁卡因青霉素结晶。维生素B12的结晶是并用第一、第四种方法，即在维生素B12的结晶原液中，加入5～8倍用量的丙酮，使结晶原液呈浑浊为止，在冷库中放置3d，就可得到紫红色的维生素B12结晶。

2.晶核的形成

溶质从溶液中结晶出来，要经过两步：首先是产生晶核，之后晶核在良好的环境中长大。所谓晶核是在过饱和溶液中最先析出的微小颗粒，是以后结晶的中心。单位时间内在单位体积溶液中生成的新晶核数目，称为成核速度。成核速度是决定晶体产品粒度分布的首要因素。工业结晶过程要求有一定的成核速度，如果成核速度过高，易导致产品的粒度及粒度分布不合格。成核速度的大小主要与溶液的过饱和度、温度以及溶质种类等因素有关。

工业结晶中，有三种不同的起晶方法。一种是自然起晶法，即一定温度下使溶液蒸发进入不稳区，形成符合要求的晶核后加入稀溶液使溶液状态进入亚稳区，溶质在晶核表面长大。此法耗能较多，且操作较难控制，现已很少采用。第二种是刺激起晶法，即将溶液蒸发至亚稳区后加以冷却，使之进入不稳区后产生一定晶核，晶核析出后会使溶液浓度降低再进入亚稳区，在亚稳区内使晶体生长。味精和柠檬酸的结晶即是用此法。第三种是晶种起晶法，即将溶液蒸发或冷却至亚稳区后投入一定数量和大小的晶种，使溶质在所加晶种表面长大，利用此法可获得均匀整齐的晶体，因而在工业生产上普遍使用。

3.晶体的生长

在过饱和溶液中已有晶核形成或加入晶种后，以过饱和度为推动力，晶核或晶种将长大，这种现象称为晶体生长。晶体的生长过程由扩散和表面化学反应相继组成，其生长速度也是影响晶体质量的一个重要因素。

在实际生产中，一般希望得到粗大而均匀的晶体，即要求晶体生长速度超过晶核形成速度，影响晶体生长速度的因素主要有杂质、搅拌、温度和过饱和度等。

杂质对晶体生长的影响有多种不同情况，有的杂质能完全制止晶体的生长；有的则能促进生长；还有的能对同一种晶体的不同晶面产生选择性的影响，从而改变晶体外形。有的杂质能在极低的浓度下产生影响，有的却需要在相当高的浓度下才能起作用。其影响晶体生长速度的途径也各不相同，有的是通过杂质本身在晶面上的吸附，有的是长入晶体内而对晶体生长产生影响等。

搅拌能促进扩散，所以能加速晶体生长，但同时也能加速晶核形成，一般应以试验为基础，确定适宜的搅拌速度，获得需要的晶体，防止晶簇形成。

温度升高有利于扩散，因而使结晶速度增快，另外，温度升高能降低黏度，有利于得到均匀晶体。

过饱和度增高一般会使结晶速度增大，但同时引起黏度增加，结晶速度受阻。

三、晶体质量的控制

晶体的质量主要是指晶体的大小、形状和纯度三个方面。工业上通常希望得到粗大而均匀的晶体。一般情况下，粗大而均匀的晶体较细小不规则的晶体便于过滤与洗涤，在贮存过程中不易结块。过饱和度、温度、溶液冷却速度、搅拌速度和杂质等因素同时影响晶核形成速度和结晶速度而对晶体质量产生复杂的影响。适宜的操作会有效地提高晶体的质量，使形成的结晶一般纯度较高。但是，由于共结晶和表面吸附等现象，大部分晶体中或多或少总残留有杂质，为了获得纯度较高的产品，工业生产中往往采用重结晶的操作将结晶产品进行再处理。

重结晶是利用杂质和结晶物质在不同溶剂和不同温度下的溶解度的不同，将晶体用合适的溶剂溶解，再次结晶，而使其纯度提高的操作。

最简单的重结晶方法是把收获的晶体溶解于少量的热溶剂中，然后冷却使之再结成晶体，分离母液后或经洗涤，即可获得纯度更高的新晶体。若产品的纯度要求很高，则可重复结晶多次。

四、结晶的应用

工业结晶技术广泛应用于红霉素、麦迪霉素、四环素、制霉菌素等抗生素及谷氨酸、赖氨酸等氨基酸的纯化精制。如青霉素G的结晶纯化，青霉素G的澄清发酵液（pH3.0）经乙酸丁酯萃取、水溶液反萃取和乙酸丁酯二次萃取后，向萃取液中加入乙酸钾的乙醇溶液，即可生成青霉素G钾盐，青霉素G钾盐在乙酸丁酯中溶解度很小，故从乙酸丁酯溶液中结晶析出。控制适当的操作温度、搅拌速度及青霉素G的初始浓度，可得到粒度均匀、纯度达90%以上的青霉素G钾盐结晶。将此结晶溶于KOH溶液中，调节pH至中性，加无水乙醇，进行真空共沸蒸馏操作，可获得纯度更高的结晶产品。