結(jié)晶是指溶質(zhì)自動(dòng)從過(guò)飽和溶液中析出形成新相的過(guò)程。當(dāng)溶液的濃度等于溶質(zhì)的溶解度時(shí)，該溶液稱為飽和溶液，溶質(zhì)的濃度超過(guò)溶解度時(shí)，該溶液則稱為過(guò)飽和溶液，溶質(zhì)的析出只能在過(guò)飽和溶液中才有可能析出。從溶液中析出的溶質(zhì)大致可分為晶形沉淀和無(wú)定形沉淀。
結(jié)晶作為一種精制提純的方法，廣泛地應(yīng)用于醫(yī)藥、農(nóng)藥、染料等生產(chǎn)中。
多數(shù)情況，溶解度與溫度有關(guān)，一般物質(zhì)的溶解度隨溫度升高而增大，也有少數(shù)例外，如紅霉素的溶解度隨溫度的升高而降低。晶體的產(chǎn)生雖取決于固體物質(zhì)與溶液之間的平衡關(guān)系。若溶液未達(dá)到飽和，則固體溶解；如果溶液飽和，則固體與飽和溶液處于平衡狀態(tài)，其溶解速度等于沉淀速度。只有當(dāng)溶液濃度超過(guò)飽和濃度達(dá)到過(guò)飽和時(shí)，才有可能析出結(jié)晶，因此過(guò)飽和度是結(jié)晶過(guò)程的推動(dòng)力和首要條件。
結(jié)晶是從均一的溶液中析出固相晶體的過(guò)程，通常包含三個(gè)步驟：即過(guò)飽和溶液的形成，晶核的生成與晶體的成長(zhǎng)。
制備過(guò)飽和溶液一般有4種方法：
1、冷卻結(jié)晶：使溶液冷卻降溫成過(guò)飽和溶液而析出結(jié)晶，常用方法之一。
2、蒸發(fā)結(jié)晶：在常壓或減壓下加熱蒸發(fā)，除去部分溶劑，使溶液達(dá)到過(guò)飽和而析出結(jié)晶。為了避免產(chǎn)物在高溫下易破壞，生物合成藥物一般多采用減壓蒸發(fā)。例如赤霉素的乙酸乙酯提取液在減壓下濃縮，除去溶劑后即有結(jié)晶析出。
3、鹽析結(jié)晶：在溶液中添加某些物質(zhì)，從而使溶質(zhì)在溶劑中的溶解度降低而析出。加入的物質(zhì)既可以是固體，也可以是液體。常用的有氯化鈉、硫酸銨等鹽類和甲醇、乙醇、丙酮等有機(jī)溶劑。例如在巴龍霉素硫酸鹽的濃縮液中加人10～12倍體積的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95％的乙醇，即可得硫酸巴龍霉素的結(jié)晶。
4、化學(xué)反應(yīng)結(jié)晶：調(diào)節(jié)溶液的pH值或加入反應(yīng)劑，生成溶解度更小的新物質(zhì)，使其濃度超過(guò)它的溶解度而析出結(jié)晶。氨基酸等一些兩性化合物，常利用它們?cè)诘入婞c(diǎn)時(shí)溶解度小的原理，只需調(diào)節(jié)溶液的pH值就可獲得結(jié)晶。
晶核的生成
晶核的形成是一個(gè)新相產(chǎn)生的過(guò)程，晶核的生成的速度與過(guò)飽和度及溫度相關(guān)，在一定溫度下成核速度速度隨過(guò)飽和度的增加而加快，但當(dāng)超過(guò)某一值時(shí)，反而會(huì)使溶液的分子運(yùn)動(dòng)減慢，黏度增加，成核受到阻礙，在過(guò)飽和度不變的情況下，溫度升高，成核速度也會(huì)加快。但溫度對(duì)過(guò)飽和度也有影響，一般但溫度升高時(shí)，過(guò)飽和度降低，所以溫度對(duì)成核速度的影響要以溫度和過(guò)飽和度的相互消長(zhǎng)程度來(lái)決定。實(shí)際情況是成核速度開始隨溫度升高而升高，達(dá)大值后，溫度繼續(xù)升高，成核速度反而降低。在工業(yè)生產(chǎn)上，結(jié)晶過(guò)程要求有適當(dāng)?shù)某珊怂俣龋珊怂俣冗^(guò)快，必將導(dǎo)致生成細(xì)小的晶體，影響產(chǎn)品質(zhì)量。
晶體的成長(zhǎng)
在飽和溶液中，晶核一經(jīng)形成，立即開始長(zhǎng)成晶體，同時(shí)還在不斷生成新的晶核，得到晶體的大小，決定于晶核生成速度與晶體成長(zhǎng)速度兩者的對(duì)比關(guān)系。若晶體成長(zhǎng)速度大大超過(guò)晶核生成速度，過(guò)飽和度主要用來(lái)使晶體成長(zhǎng)，則可得到粗大而有規(guī)則的晶體；反之過(guò)飽和度主要用來(lái)生成新的晶核，則所得到的晶體顆粒參差不齊，晶體細(xì)小，甚至呈無(wú)定形。
在工業(yè)生產(chǎn)中，通常希望得到顆粒大、均勻的晶體，可以使后續(xù)的過(guò)濾、洗滌和干燥操作比較方便，同時(shí)產(chǎn)品質(zhì)量也可提高。
綜上所述，影響晶體大小的因素主要有溶液的過(guò)飽和度、溫度、攪拌速度等。一般來(lái)說(shuō)過(guò)飽和度增加，所得晶體細(xì)小。溫度的影響比較復(fù)雜，當(dāng)溶液快速冷卻時(shí)，達(dá)到過(guò)飽和度較高，所得晶體也較細(xì)，而緩慢冷卻常得到大顆粒。攪拌能促使成核和加速擴(kuò)散，提高晶核成長(zhǎng)的速度，但超過(guò)一定范圍后，效果就不顯著。相反攪拌越快，晶體越細(xì)。
如果想獲得比較粗大和均勻的晶體，一般溫度不宜太低，攪拌不宜太快，并要控制好晶核生成速度，要小于晶體成長(zhǎng)速度。盡可能將溶液控制在亞穩(wěn)區(qū)內(nèi)結(jié)晶，使其在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，只有一定量的晶核生成，而使原有的晶核不斷成長(zhǎng)為晶體。 此外，加入晶種也能控制晶體的形狀、大小和均勻度。但首先晶種要有一定的形狀、大小和比較均勻。加入晶種還可降低溶液的過(guò)飽和度，誘導(dǎo)結(jié)晶，提前生成晶核。所以在工業(yè)生產(chǎn)中如遇結(jié)晶液濃度較低而結(jié)晶發(fā)生困難時(shí)，可加入適量晶種，促使結(jié)晶順利地進(jìn)行。
上述方法在工業(yè)生產(chǎn)上可單獨(dú)使用，也可結(jié)合起來(lái)使用，以強(qiáng)化過(guò)飽和度而獲得較多的結(jié)晶。