溶液的相平衡与晶体味精结晶

溶液的相平衡与晶体味精结晶 第35卷第2期 2006年4月发酵科技通讯 溶液的相平衡与晶体味精结晶 邢杨荣 (宁波味精厂宁波315040) 味精在水溶液中必然发生二个过程,一是味 精溶解,二足溶液中味精分子扩散到固体味精表 面沉淀,一定时间后这二个过程达到某种平衡,这 种溶液称为相平衡溶液,或叫饱和溶液.在一定温 度下的饱和溶液用溶解度来表示. 过饱和溶液:在一定的条件下,溶液的浓度超 过饱和浓度,导致溶质析出,这个浓度称为过饱和 浓度.饱和浓度和过饱和浓度与温度的关系可用 曲线来表示,如图l lo2O3O4050607080 图1 图中AB线时溶解度曲线,CD线时过饱和曲 线,两条线把图分为二个区:溶解区,介稳区,不稳 定区,图中EFG是降温结晶线,常用于溶解度对 温度敏感型的溶质结晶;EHI是溶剂蒸发和降温 相结合的结晶,常用于有机溶剂溶液中物质 的结晶;EJK蒸发溶剂结晶线,味精常采用此种方 法结晶. 在纯净的溶液中,溶质只会在不稳区自发形 成晶核,不稳区的过饱和溶液中味精分子相结合 成线晶,再结合成面晶,然后结合成排列的 晶体,形成晶胚.晶胚长大则成晶种生产成晶 体;如过饱和体系解除则晶胚溶解.在介稳区溶 质不会自发结晶,但如有杂质或晶种则可诱发结 晶. 过饱和溶液是一种处在不平衡状态的溶液, 有析出溶质的压力,通过析出溶质来重新达 到相平衡.从结晶动力学角度来说,味精结晶的推 动力是溶液的过饱和度即溶液的过饱和浓度减去 饱和浓度的差?C.结晶的理论有好几种,如表面 能理论,扩散理论,吸附层理论等,各有优缺点,常 用的是扩散理论,它认为晶体结晶的过程包括二 个步骤:扩散过程(指味精分子以扩散的方式由液 相主体穿过晶体表面的液体边界层转移到晶体界 面)和表面反应过程(指到达晶体界面的味精分子 通过键合作用按一定的排列方式与晶体表面的晶 体味精结晶,形成规则晶体).南此可见,晶体的成 长速率是由扩散和表面反应来控制的,此消彼长, 但对于多数物系扩散阻力远小于表面反应阻力, 根据经验,这样结晶的速率可以简略表示为G(结 晶速度)=K(表面反应速率常数)?C(过饱和度), 也就是说结晶速度和过饱和度是线性关系,此线 性关系说明两个问题:(1),结晶速度是和AC是成 正比的;(2),晶体在任何品种表面成长速率是相同 的. 结晶的过程包括晶核的形成和晶体的成长, 因此操作的过程中有二种速率,晶核的形成速率 和晶体的成长速率,如果晶核的形成速率大于晶 它 体的成长速率,则溶液中会有大量的晶核形成,们还没有来得及长大结晶就会结束了,所得的晶 体产品会小而多;如果晶核的形成速率小于晶体 的成长速率,则溶液中的晶核有足够的时间长大, 所得的晶体大而均匀;如果这二种速率相近,则所 得的产品大小不一. 根据以一t-的理论,从质量,效益和节能考 —一 ?m?舳 ll1ll? 发酵科技通讯第35 虑,我们结晶生产的任务是抑制品核的形成,助长 晶体的成长.在实际生产中普遍采用加入品种诱 导结晶的方法,目的是防止自然结晶和杂质结晶 而造成结晶产品的参差不齐.此法注意两点即加 晶种的时机和加品种的数量.加晶种的时机应掌 握在介稳区的中点,约在31.Be'/65%左右;晶种 的数量具体的根据品种规格和底料量来算,一般 3O目晶种是底料量的l3%,15%,40目晶种是底 料量的8%-10%,在生产实践中,我们出一个 简单的晶种数量计算方法:投入的晶种如是30目 则每粒的重量约是0.5mg,晶体产品要求每粒重 约为2.5mg,流加料以每m过饱和溶液每h 300kg计,为维持原来的过饱和状态需要把流加 的谷氨酸钠全部消化,其中1/3以母液形式增加 体积和少量的杂质结晶和自然结晶,2/3有效结 晶,有效结晶这部分需要足够的晶种来接纳,否则 容易自然结晶形成新的晶核或产生粉质味精.以 溶液含量为35%(质量百分比)计有105kg,有效结 晶约70kg,每粒品种每h结晶以0.125mg计,则 每m过饱和溶液需晶种数是5.6×1O粒,计算成 重量是280kg.这样,一个l0的浓缩锅底料为 6m',达到过饱和约是3m多点,需要晶种是 840kg左右. 为提高产品的质量,生产效率和节能,除了以 上的讨论,还可以从以下几方面来考虑: 1,过饱和度:过饱和度是结晶过程的推动力, 也是影响结晶过程操作的最蓐要因素.在实际生 产中,溶液的纯净情况,品种数量的多少,搅拌速 度的快慢,加热速度的快慢,搅拌种类和锅体结构 情况等,都对过饱和浓度有影响,也就是说介稳区 是在随时变化的,要根据实际操作情况来确定最 佳过饱和度,根据我们的经验在31.5,32.50Be'/ 65.【=左右比较好,高了容易进入不稳区,而大量的 产生细小的晶核,如把它溶解掉则费时,费蒸汽, 又容易把好不容易养大的晶体损伤;如让他长大, 则出来的产品参差不齐,容易并晶,粘晶形成丁字 形晶体,且还町以粘和杂质,造成品质下降.同样 过饱和度低了则结晶速度慢. 2,蒸发速度:在浓缩刚开始时可以快到了 28.Be/65.【=左右要慢,加入晶种以后也要缓慢 加热,找到最佳过饱和度(约31.5—32.50.Be'/ 65.【=),然后维持此浓度,不宜过大的波动,因为溶 液到了这个浓度以后很容易进入不稳区而产生大 量细晶,影响结晶的外观和纯度.一般可以用简单 的计算来解决,流加的料液达到最佳过饱和度的 浓度需要蒸发的水量和锅内蒸发的水量相等就可 以,锅内蒸发的水量约是蒸汽用量的0.9左右,夹 套的则低一点,内循环的则高一点. 3,搅拌:搅拌可以促进扩散,均匀蒸发和晶体 生长,但要适宜,晶体的生长最好是层流,而扩散 和蒸发则最好是湍流,要根据不同的浓缩时间段 来调整.养晶育晶时搅拌要慢一点,而到浓缩后期 晶体数量多了则适当快点. 味精的结晶实际是个很复杂的过程,根据相 平衡用微积分来计算晶体的成长是十分复杂的, 卜面的一些计算是我根据多年的实际生产得出的 简便计算方法,在实际生产中可以方便的应用. 参考文献 【lJ钱逸泰主编《结晶化学导论》 【2J周立雪,周波主编《传质与分离技术》 【3J杨光译的《乳液,悬浮液,固体配合技术与应用》