L5aGRaNz
Пассажир
- Сообщения
- 72
- Реакции
- 337
1.19. Кристаллизация испарением и кристаллизация охлаждением.
Выращивание кристаллов экономически выгодно, хотя и занимает много времени. Если синтез вещества проходит у нас за 8-16 часов, чистка муки – за полдня, и даже глубокая чистка занимает полдня вечером и час утром, то кристаллы растут дня три, не меньше. Другое дело, что рост кристаллов не требует вашей работы – вы можете заниматься следующей партией, а предыдущая партия будет расти. Но рост кристаллов требует создания довольно строгих условий.
Во-первых – время. Кристаллизация в принципе не может занимать мало времени. Чем дольше растет кристалл, чем дольше выпадает вещество из раствора и прикрепляется к зародышу кристалла, тем кристалл крупнее. Если же вы попытаетесь ускорить рост кристаллов, то их размеры резко начнут уменьшаться, а качество – ухудшаться (они станут мутные и грязные). Связано это с тем, что кристаллическая решетка при кристаллизации из раствора растет медленно, слой за слоем, с небольшой скоростью. Если мы (специально или случайно) увеличим скорость выпадения вещества из раствора, то вещество начнет кристаллизоваться сразу во многих местах (на так называемых центрах кристаллизации) одновременно, и кристаллов будет много, но они будут мелкие (или очень мелкие). В принципе «пудра» – это как раз микрокристаллы, которые выросли при охлаждении смеси за 6-12 часов. «Кристаллиус» – это тоже нарушение режима выращивания кристаллов, но не такое сильное. «Мука» же – это вообще результат выпадения вещества из раствора в течение нескольких минут.
Во-вторых – чистота раствора. Кристаллическая решетка не пускает грязь внутрь, кристаллы растут из чистого вещества, и концентрация грязи в растворе увеличивается. В какой-то момент грязь блокирует выпадение вещества на поверхность зародышей и рост кристаллов останавливается. Все остальное при дальнейшем выпадении будет выпадать опять-таки либо в «пудру», либо вообще в «муку». Кроме того, грязь присохнет к поверхности кристалла, и он станет тонированным, и это потом невозможно отмыть без потери основного продукта. Поэтому на кристаллизацию мы берем только чистые растворы – либо полученные из белоснежной муки, либо, если вы уже научились держать температуру на аминировании и быстро мыть «масло», из полученного «водного слоя» (раствора продукта в воде) – см. Главу 2.13. На кристаллизацию можно брать либо белый прозрачный раствор (такой я видел один раз в жизни), либо раствор светло-желтого цвета, причем тем темнее цвет, тем больший процент раствора у нас должен остаться после снятия кристаллов. Если со светло-желтого раствора мы можем снять до 85% растворенного продукта (от заложенного), то с темно-желтого можно получить 50-60%. Остальной продукт останется в маточнике – так называют смесь растворителей с растворенным в них продуктом. К счастью, остальной маточник не выбрасывается, а подвергается глубокой чистке, после чего ставится на кристаллы повторно. После пары чисток маточник перестает чиститься даже глубокими чистками, его проще перевести в пудру и продать со скидкой.
Вообще на кристаллизации продукт немного теряется – проливы, окисление и т.д. Если у вас ацетон для финишной промывки кристаллов содержит воду (а обычно там 1-2% воды есть даже в хорошем), то эта вода тоже растворяет и уносит продукт. Кроме того, в «муке», даже хорошей, может быть 5-10% белых (не заметных глазом) примесей. Поэтому потеря 10-15% веса для кристаллизации – это очень неплохо.
Теория кристаллизации:
Любое вещество в растворе растворяется не более, чем в каких-то пределах, это называется предельная растворимость вещества. Зависит предельная растворимость от температуры раствора, от количества растворителя и от некоторых других факторов, которые для нас здесь несущественны. Значит, растворив нужное количество вещества в растворителе, и понижая предельную растворимость раствора (в идеале – до нуля), мы заставим вещество по мере понижения предельной растворимости выпадать в твердом виде (в идеале – целиком). Если скорость выпадения будет маленькой, мы получим постепенное наслаивание одних слоев вещества на другой – т.е. кристаллы. Если скорость выпадения будет большой, мы получим тоже кристаллы, но очень маленькие и много («пудру»), если все выпадет в один момент – «муку». Если у нас в растворе будет много пыли, пыль выступит в роли центров кристаллизации, кристаллов опять-таки будет много и мелких. Если будет много растворенной грязи, то в какой-то момент грязь заблокирует поверхности наших кристаллов и не даст веществу откладываться на них. Результат будет тот же – кристаллов будет много, но они будут мелкие и вдобавок грязные. Если грязи будет еще больше, то процесс опять-таки закончится выпадением муки.
Практика кристаллизации:
Для кристаллизации берут сухую «муку» (или «пудру»), и растворяют ее в количестве воды, примерно на 10-20% больше по весу, чем количество продукта. Вода – это в нашем случае растворитель. Потом добавляют противорастворитель – другой растворитель, в котором наш продукт не растворяется, а грязь – растворяется хорошо. Тут для разных способов нужны разные спирты (см. ниже). Раствор подогреваем – при высокой температуре предельная растворимость будет больше, чем то количество вещества, которое мы растворили, т.е. вещество будет растворено с гарантией всё. Потом мы, профильтровав раствор через ткань или ситечко (для того, чтобы пыль или посторонние частицы не увеличили нам количество зародышей кристаллов, что приведет к их измельчанию), наливаем наш раствор в емкость/емкости. И потом мы должны медленно уменьшать растворимость для выпадения кристаллов. Это можно делать двумя способами.
Способ первый. Кристаллизация испарением.
Первый фактор, от которого зависит предельная растворимость – количество растворителя (в нашем случае – воды). Так что, если мы его будем уменьшать, продукт начнет выпадать. Самый простой способ уменьшить количество растворителя – просто испарить его. Для этого мы наливаем раствор в широкую плоскую емкость и ставим на место, где испарение пойдет медленно и равномерно. Ну то есть туда, где вода будет испаряться – закрытый ящик не подойдет.
Кроме того, есть еще одна проблема – у грязи в растворе тоже есть своя предельная растворимость. И если грязи будет больше, она тоже будет выпадать. Для этого мы должны налить в наш раствор противорастворитель – растворитель, в котором продукт практически не растворим, а грязь – очень даже. И этот противорастворитель тоже будет испаряться, вместе с водой. В качестве противорастворителя в данном случае выступает обычный (пищевой) этиловый спирт. Поскольку водно-спиртовая смесь при комнатной температуре испаряется примерно поровну (спирта испаряется немного меньше воды), а нам надо, чтобы в конце спирта-то хоть немного осталось, спирта мы должны залить много – минимум 40% от объема воды (объемные проценты), а лучше – 50-55 об.%. Оптимальная скорость испарения – примерно 3 дня, из которых первые 12-18 часов растворитель испаряется до точки предельной растворимости, дальше начинают расти кристаллы. Если вы растяните процесс кристаллизации дней на 5 (уменьшив испарение), и у вас чистый раствор – кристаллы будут очень крупными.
Оптимальная толщина маточного раствора или маточника (это водно-спиртовая смесь с растворенным в ней продуктом) – 1,5-2 см. При меньшей толщине кристаллам не хватает материала для роста, при большей – грязь, которая накапливается даже в чистом растворе (потому что продукт-то выпадает, а грязь-то остается в растворе), все равно заблокирует рост кристаллов и остаточный маточник все равно придется слить на переработку. Емкость (поддон) должен быть из инертных материалов (продукт может отщеплять кислоту, и, если она прореагирует с материалом поддона, продукт попортится, а поддон – испортится. Поэтому металлы не подойдут. Подойдет стекло, или пластик (РР, РЕ, PFTE). Эмалированная посуда тоже не очень, т.к. кристаллы частенько присыхают к поверхности, отдираются от нее лопаткой и на поверхности могут возникнуть сколы. Кроме того, поддоны должны быть довольно гладкими изнутри. Для небольших объемов идеально подходят поддоны для духовок из закаленного стекла, для больших – поддоны лучше сделать самостоятельно из РР.
Во время кристаллизации испарением необходимо поддерживать постоянную температуру. Растворитель и так испаряется, растворимость падает. Если в этот момент еще и температура понизится, растворимость упадет слишком быстро, про результат написано выше. Некоторые руководства рекомендуют ставить поддоны в холодильник, что не лишено смысла – температура в холодильнике поддерживается постоянной, вентиляция тоже есть – испарение будет. Но медленнее, чем при комнатной температуре, срок выращивания кристаллов увеличится. Кроме того, во время испарения наш раствор сильно пахнет – как минимум испаряющимся спиртом с привкусом примесей продукта. Когда на кристаллизации стоит литров 60 (это около 7 порций по 2 кг продукта), поверьте, это очень сильно. Хорошим решением будет сделать кристаллизационный шкаф.
Кристаллизационный шкаф делается из обычного стеллажа с множеством (от 5 до 10) полок. Можно взять сборные стеллажи, продающиеся где-нибудь в Леруа Мерлен с полками-решетками из толстой металлической проволоки (прутка). Полки должны быть решетчатыми для циркуляции воздуха. Т.к. глубина поддонов около 5 см, полки не могут располагаться ближе, чем на 15-20 см. друг от друга. Снизу нам надо место для осушителя (50-60 см), выше уровня глаз поддоны сложно обслуживать. Итого – от 6 до 8 полок.
Выращивание кристаллов экономически выгодно, хотя и занимает много времени. Если синтез вещества проходит у нас за 8-16 часов, чистка муки – за полдня, и даже глубокая чистка занимает полдня вечером и час утром, то кристаллы растут дня три, не меньше. Другое дело, что рост кристаллов не требует вашей работы – вы можете заниматься следующей партией, а предыдущая партия будет расти. Но рост кристаллов требует создания довольно строгих условий.
Во-первых – время. Кристаллизация в принципе не может занимать мало времени. Чем дольше растет кристалл, чем дольше выпадает вещество из раствора и прикрепляется к зародышу кристалла, тем кристалл крупнее. Если же вы попытаетесь ускорить рост кристаллов, то их размеры резко начнут уменьшаться, а качество – ухудшаться (они станут мутные и грязные). Связано это с тем, что кристаллическая решетка при кристаллизации из раствора растет медленно, слой за слоем, с небольшой скоростью. Если мы (специально или случайно) увеличим скорость выпадения вещества из раствора, то вещество начнет кристаллизоваться сразу во многих местах (на так называемых центрах кристаллизации) одновременно, и кристаллов будет много, но они будут мелкие (или очень мелкие). В принципе «пудра» – это как раз микрокристаллы, которые выросли при охлаждении смеси за 6-12 часов. «Кристаллиус» – это тоже нарушение режима выращивания кристаллов, но не такое сильное. «Мука» же – это вообще результат выпадения вещества из раствора в течение нескольких минут.
Во-вторых – чистота раствора. Кристаллическая решетка не пускает грязь внутрь, кристаллы растут из чистого вещества, и концентрация грязи в растворе увеличивается. В какой-то момент грязь блокирует выпадение вещества на поверхность зародышей и рост кристаллов останавливается. Все остальное при дальнейшем выпадении будет выпадать опять-таки либо в «пудру», либо вообще в «муку». Кроме того, грязь присохнет к поверхности кристалла, и он станет тонированным, и это потом невозможно отмыть без потери основного продукта. Поэтому на кристаллизацию мы берем только чистые растворы – либо полученные из белоснежной муки, либо, если вы уже научились держать температуру на аминировании и быстро мыть «масло», из полученного «водного слоя» (раствора продукта в воде) – см. Главу 2.13. На кристаллизацию можно брать либо белый прозрачный раствор (такой я видел один раз в жизни), либо раствор светло-желтого цвета, причем тем темнее цвет, тем больший процент раствора у нас должен остаться после снятия кристаллов. Если со светло-желтого раствора мы можем снять до 85% растворенного продукта (от заложенного), то с темно-желтого можно получить 50-60%. Остальной продукт останется в маточнике – так называют смесь растворителей с растворенным в них продуктом. К счастью, остальной маточник не выбрасывается, а подвергается глубокой чистке, после чего ставится на кристаллы повторно. После пары чисток маточник перестает чиститься даже глубокими чистками, его проще перевести в пудру и продать со скидкой.
Вообще на кристаллизации продукт немного теряется – проливы, окисление и т.д. Если у вас ацетон для финишной промывки кристаллов содержит воду (а обычно там 1-2% воды есть даже в хорошем), то эта вода тоже растворяет и уносит продукт. Кроме того, в «муке», даже хорошей, может быть 5-10% белых (не заметных глазом) примесей. Поэтому потеря 10-15% веса для кристаллизации – это очень неплохо.
Теория кристаллизации:
Любое вещество в растворе растворяется не более, чем в каких-то пределах, это называется предельная растворимость вещества. Зависит предельная растворимость от температуры раствора, от количества растворителя и от некоторых других факторов, которые для нас здесь несущественны. Значит, растворив нужное количество вещества в растворителе, и понижая предельную растворимость раствора (в идеале – до нуля), мы заставим вещество по мере понижения предельной растворимости выпадать в твердом виде (в идеале – целиком). Если скорость выпадения будет маленькой, мы получим постепенное наслаивание одних слоев вещества на другой – т.е. кристаллы. Если скорость выпадения будет большой, мы получим тоже кристаллы, но очень маленькие и много («пудру»), если все выпадет в один момент – «муку». Если у нас в растворе будет много пыли, пыль выступит в роли центров кристаллизации, кристаллов опять-таки будет много и мелких. Если будет много растворенной грязи, то в какой-то момент грязь заблокирует поверхности наших кристаллов и не даст веществу откладываться на них. Результат будет тот же – кристаллов будет много, но они будут мелкие и вдобавок грязные. Если грязи будет еще больше, то процесс опять-таки закончится выпадением муки.
Практика кристаллизации:
Для кристаллизации берут сухую «муку» (или «пудру»), и растворяют ее в количестве воды, примерно на 10-20% больше по весу, чем количество продукта. Вода – это в нашем случае растворитель. Потом добавляют противорастворитель – другой растворитель, в котором наш продукт не растворяется, а грязь – растворяется хорошо. Тут для разных способов нужны разные спирты (см. ниже). Раствор подогреваем – при высокой температуре предельная растворимость будет больше, чем то количество вещества, которое мы растворили, т.е. вещество будет растворено с гарантией всё. Потом мы, профильтровав раствор через ткань или ситечко (для того, чтобы пыль или посторонние частицы не увеличили нам количество зародышей кристаллов, что приведет к их измельчанию), наливаем наш раствор в емкость/емкости. И потом мы должны медленно уменьшать растворимость для выпадения кристаллов. Это можно делать двумя способами.
Способ первый. Кристаллизация испарением.
Первый фактор, от которого зависит предельная растворимость – количество растворителя (в нашем случае – воды). Так что, если мы его будем уменьшать, продукт начнет выпадать. Самый простой способ уменьшить количество растворителя – просто испарить его. Для этого мы наливаем раствор в широкую плоскую емкость и ставим на место, где испарение пойдет медленно и равномерно. Ну то есть туда, где вода будет испаряться – закрытый ящик не подойдет.
Кроме того, есть еще одна проблема – у грязи в растворе тоже есть своя предельная растворимость. И если грязи будет больше, она тоже будет выпадать. Для этого мы должны налить в наш раствор противорастворитель – растворитель, в котором продукт практически не растворим, а грязь – очень даже. И этот противорастворитель тоже будет испаряться, вместе с водой. В качестве противорастворителя в данном случае выступает обычный (пищевой) этиловый спирт. Поскольку водно-спиртовая смесь при комнатной температуре испаряется примерно поровну (спирта испаряется немного меньше воды), а нам надо, чтобы в конце спирта-то хоть немного осталось, спирта мы должны залить много – минимум 40% от объема воды (объемные проценты), а лучше – 50-55 об.%. Оптимальная скорость испарения – примерно 3 дня, из которых первые 12-18 часов растворитель испаряется до точки предельной растворимости, дальше начинают расти кристаллы. Если вы растяните процесс кристаллизации дней на 5 (уменьшив испарение), и у вас чистый раствор – кристаллы будут очень крупными.
Оптимальная толщина маточного раствора или маточника (это водно-спиртовая смесь с растворенным в ней продуктом) – 1,5-2 см. При меньшей толщине кристаллам не хватает материала для роста, при большей – грязь, которая накапливается даже в чистом растворе (потому что продукт-то выпадает, а грязь-то остается в растворе), все равно заблокирует рост кристаллов и остаточный маточник все равно придется слить на переработку. Емкость (поддон) должен быть из инертных материалов (продукт может отщеплять кислоту, и, если она прореагирует с материалом поддона, продукт попортится, а поддон – испортится. Поэтому металлы не подойдут. Подойдет стекло, или пластик (РР, РЕ, PFTE). Эмалированная посуда тоже не очень, т.к. кристаллы частенько присыхают к поверхности, отдираются от нее лопаткой и на поверхности могут возникнуть сколы. Кроме того, поддоны должны быть довольно гладкими изнутри. Для небольших объемов идеально подходят поддоны для духовок из закаленного стекла, для больших – поддоны лучше сделать самостоятельно из РР.
Во время кристаллизации испарением необходимо поддерживать постоянную температуру. Растворитель и так испаряется, растворимость падает. Если в этот момент еще и температура понизится, растворимость упадет слишком быстро, про результат написано выше. Некоторые руководства рекомендуют ставить поддоны в холодильник, что не лишено смысла – температура в холодильнике поддерживается постоянной, вентиляция тоже есть – испарение будет. Но медленнее, чем при комнатной температуре, срок выращивания кристаллов увеличится. Кроме того, во время испарения наш раствор сильно пахнет – как минимум испаряющимся спиртом с привкусом примесей продукта. Когда на кристаллизации стоит литров 60 (это около 7 порций по 2 кг продукта), поверьте, это очень сильно. Хорошим решением будет сделать кристаллизационный шкаф.
|
Рисунок 35. Сушильный шкаф. По конструкции сходен с кристаллизационным |
Кристаллизационный шкаф делается из обычного стеллажа с множеством (от 5 до 10) полок. Можно взять сборные стеллажи, продающиеся где-нибудь в Леруа Мерлен с полками-решетками из толстой металлической проволоки (прутка). Полки должны быть решетчатыми для циркуляции воздуха. Т.к. глубина поддонов около 5 см, полки не могут располагаться ближе, чем на 15-20 см. друг от друга. Снизу нам надо место для осушителя (50-60 см), выше уровня глаз поддоны сложно обслуживать. Итого – от 6 до 8 полок.
Стенки, тыл и верх шкафа оббиваются каким-нибудь инертным теплоизолирующим материалом – например вспененным полиэтиленом (продается для оклеивания вытяжки) или откосами для окон – там внутри тоже теплоизоляция. Вниз ставится бытовой осушитель, но не самый слабый – литров на 40 в сутки и имеющий слив в канистру, чтобы не бегать опорожнять его по три раза в день. Наверх мы ставили оконный кондиционер для поддержания температуры, но если шкаф стоит у вас в помещении, где нет сквозняков и ночью не холодней, чем днем, то можно обойтись и без него. Поддоны ставятся на решетчатые полки не вплотную, а чтобы обеспечить циркуляцию воздуха. Внутри вешается освещение и термометр-гигрометр. Если загрузка шкафа большая, то можно поставить еще и вентилятор, только дующий снизу вверх, чтобы струя воздуха не попадала на раствор. С лицевой стороны шкафа можно повесить полиэтиленовую пленку, поднимающуюся, как занавес, только с боков ее надо чем-то прижать к стеллажу – нам полная герметичность не нужна, но осушитель должен вытягивать влагу из воздуха шкафа, а не из всей комнаты. Я вообще приделал к фронту стеллажа пластиковое окно 120х120 см, с обоими открывающимися створками – удобно. Нижние 50-60 см для осушителя – зашил наглухо.
Благодаря работе осушителя температура в шкафу немножко выше температуры в помещении. Но нам все равно, какая там температура в абсолютном значении (в пределах разумного, конечно), главное, чтобы она не особо прыгала. Канистру с поглощенной из воздуха в шкафу водой время от времени выливаем. И ждем.
Способ второй. Кристаллизация охлаждением.
При охлаждении маточника растворимость продукта в нем снижается даже при постоянном объеме растворителя, и продукт начинает выпадать в кристаллы. На этом основан второй способ кристаллизации. Тут очень важно медленно и постоянно снижать температуру, особенно вблизи начала кристаллизации, чтобы центров кристаллизации было немного и кристаллы росли крупными. А испарение при этом вообще не предусмотрено, поэтому кристаллизация ведется в закрытой емкости, занимает меньше места, не пахнет и в качестве противорастворителя можно использовать более доступный ИПС, да еще в меньшем процентном соотношении (надо от 28-30% от веса воды). Роли у ИПСа две – он продолжает растворять в себе грязь, когда продукт будет выпадать из воды и он препятствует замерзанию раствора при отрицательных температурах. Кристаллы получаются при вымораживании более чистыми (ведь на их поверхность из довольно разбавленного раствора, который ставится на кристаллизацию ничего не выпадает), и при стандартной температуре морозилки (-26°С) в маточнике продукта не остается. Одна проблема – обеспечить плавное понижение температуры сильно сложнее, чем плавное испарение. На небольших объемах проще работать с испарением (маточник на 2 кг продукта занимает примерно 3 поддона 60х30 см., и в кристаллизационный шкаф влезает 4-8 порций). А вот на больших объемах кристаллизация охлаждением может сэкономить целую комнату, не говоря о запахах.
Благодаря работе осушителя температура в шкафу немножко выше температуры в помещении. Но нам все равно, какая там температура в абсолютном значении (в пределах разумного, конечно), главное, чтобы она не особо прыгала. Канистру с поглощенной из воздуха в шкафу водой время от времени выливаем. И ждем.
Способ второй. Кристаллизация охлаждением.
При охлаждении маточника растворимость продукта в нем снижается даже при постоянном объеме растворителя, и продукт начинает выпадать в кристаллы. На этом основан второй способ кристаллизации. Тут очень важно медленно и постоянно снижать температуру, особенно вблизи начала кристаллизации, чтобы центров кристаллизации было немного и кристаллы росли крупными. А испарение при этом вообще не предусмотрено, поэтому кристаллизация ведется в закрытой емкости, занимает меньше места, не пахнет и в качестве противорастворителя можно использовать более доступный ИПС, да еще в меньшем процентном соотношении (надо от 28-30% от веса воды). Роли у ИПСа две – он продолжает растворять в себе грязь, когда продукт будет выпадать из воды и он препятствует замерзанию раствора при отрицательных температурах. Кристаллы получаются при вымораживании более чистыми (ведь на их поверхность из довольно разбавленного раствора, который ставится на кристаллизацию ничего не выпадает), и при стандартной температуре морозилки (-26°С) в маточнике продукта не остается. Одна проблема – обеспечить плавное понижение температуры сильно сложнее, чем плавное испарение. На небольших объемах проще работать с испарением (маточник на 2 кг продукта занимает примерно 3 поддона 60х30 см., и в кристаллизационный шкаф влезает 4-8 порций). А вот на больших объемах кристаллизация охлаждением может сэкономить целую комнату, не говоря о запахах.
