کریستالیزاسیون نوعی فرایند مصنوعی یا طبیعی است که در آن یک کریستال تشکیل می‌شود. منظور از کریستال ساختاری منظم است که در آن مولکول‌ها و اتم‌ها با نظم بسیار زیادی در کنار هم قرار می‌گیرند. پارامترهای مهمی از جمله دما، غلظت، قطبیت و استحکام یونی در تولید کریستال‌ها تأثیرگذار هستند.
تعریف کریستالیزاسیون
این فرایند نوعی انجماد است که طی دو مرحله اصلی اتفاق می‌افتد. مرحله اول جوانه‌زنی است که در آن ابتدا یک نطفه از فاز مایع که در حال خنک شدن است تشکیل می‌شود، هر چقدر دمای سرد شدن کم شود میزان نطفه‌ها افزایش می‌یابد مرحله دوم رشد است. به طور قطع مشخص است که تمامی نطفه‌ها به دانه تبدیل نمی‌شوند. در مرحله رشد نطفه‌هایی که شرایط ضروری و لازم داشته باشند بزرگ می‌شوند، در حالی که نطفه‌های فاقد شرایط دوباره به فاز مایع تبدیل می‌شوند. طی مرحله رشد، ساختار نظم کریستالی خاص خود را می‌یابد. از شرایط لازم برای رشد نطفه‌ها دما، شعاع نطفه و سرعت انجام استحاله است. رشد کریستال‌ها مربوط به خواص ترمودینامیکی آن‌ها است. کریستال‌ها از رسوب محلول‌ها، فریز کردن آن‌ها و یا رسوب دهی به وسیله روش‌های گازی به دست می‌آیند. بعضی از نمونه‌هایی که در جهان امروز و طبیعت یافت می‌شوند عبارتند از تولید:
- استالاگمیت و استلاکتیک در معادن
- برف مصنوعی
- سنگ‌های معدنی مانند آهک و گچ
- نبات و رشد بلور آن از محلول آب‌قند
مواد اولیه شیمیایی و لوازم آزمایشگاهی را از کجا می‌توان تهیه کرد
برای تهیه مواد شیمیایی و لوازم آزمایشگاهی به تأمین‌کننده معتبر و باسابقه نیاز دارید که محصول شما را با ضمانت اصالت کالا در اختیارتان قرار دهد. مجموعه تارا طب با بیش از ده سال سابقه فعالیت در زمینه واردات و تأمین مواد اولیه شیمیایی و لوازم و تجهیزات آزمایشگاهی همواره توانسته رضایت مشتریان خود را باکیفیت بالای محصول، قیمت مناسب و ارسال سریع جلب نماید. شما می‌توانید از طریق راه‌های ارتباطی موجود در سایت تارا مدرن طب تجهیز جهت استعلام موجودی، قیمت و خرید با مشاورین فروش ما به‌صورت مستقیم در ارتباط باشید.
کریستالیزاسیون در چه موادی رخ می‌دهد
اکثر مولکول‌های معدنی و مواد آلی مستعد کریستالیزاسیون هستند، محصول به‌دست‌آمده از این پدیده بسیار باکیفیت بوده و در واقع عیوب چندانی در آن مشاهده نمی‌شود. بااین‌حال امکان کریستالیزاسیون مواد بیومولکول از قبیل پروتئین‌ها اندکی سخت است. از طریق نیروی پیوند بین‌مولکولی، بین‌اتمی و میان ذره‌ای این پدیده اتفاق می‌افتد. فرایند کریستالیزاسیون خود نوعی روش جدایش مایع از جامد نیز به شمار میآید. در حقیقت مولکول‌ها از بخش غنی در فاز مایع به بخش فقیر در فاز جامد جابه‌جا می‌شوند و تمایل دارند پایدار شده و به نظم برسند. ساختارهای متنوع کریستالی در مواد مختلف بر همین اساس ایجاد می‌شوند که هر کدام ویژگی‌های خاص خود را دارند. به‌عنوان‌مثال می‌توانیم مراحل کریستالیزاسیون شکر را شرح دهیم.
کریستالیزاسیون شکر
انتقال شربت غلیظ شده به مرحله طباخی
شربت غلیظ حاصل از مرحله تغلیظ دارای بریکس 65 درصد می‌باشد و درجه خلوص تقریباً است. این شربت بعد از صاف‌شدن جهت تولید شکر به مرحله طباخی انتقال داده می‌شود.
کریستالیزاسیون
طی این مرحله تغلیظ هر چه بیشتر شربت انجام می‌شود که این امر برای به دست آوردن حداکثر قند به شکل کریستال از شربت و جداسازی ناخالصی‌های احاطه کننده کریستال‌ها است. طباخی مانند بدنه‌های تبخیر کننده در چند مرحله انجام می‌شود شربت غلیظ حاصل از تبخیر کننده‌ها به دیگ‌های پخت وارد می‌شود و تحت شرایط خلا آب شربت تبخیر می‌شود. علت استفاده خلا در این مرحله این است که در صورتی که خلا به کار نرود نقطه جوش آن تا 120 درجه سانتی‌گراد می‌رسد. به این دلیل که شربت غلیظ است در این دما تیره شدن شربت صورت می‌گیرد که با ایجاد خلا در دیگ‌های پخت نقطه جوش به کمتر از 100 درجه سانتی‌گراد می‌رسد.
تغلیظ سازی شربت تا حد اشباع و فوق اشباع انجام می‌شود که با اضافه‌کردن پودر شکر به عنوان شوک هسته‌های اولیه کریستال شکر در شربت به وجود میآید. پس از آن مقداری از شربت را وارد دیگ پخت نموده و کریستال‌ها را رشد می‌دهند و بعد از آن شربت جدید به صورت تدریجی افزوده می‌شود تا دیگ پخت پر شود. در آخر آنچه که به دست میآید پخت مایه یا ماسکویت نام دارد که حاوی کریستال‌های شکر و مقداری شربت همراه با ناخالصی‌ها (پساب) است. ابتدا ماسکویت به مخزن میکسر یا مالاکسور رفته تا با همزدن شربت توسط همزن مالاکسور دمای ماسکویت کاهش پیدا کند. سپس وارد مرحله بعدی یعنی سانتریفیوژ کردن شربت شده تا کریستال‌های شکر از پساب جدا شوند و بلورهای شکر بر اثر نیروی گریز از مرکز سانتریفیوژ از پساب جداسازی شوند.
حالت فوق اشباع در فرایند کریستالیزاسیون
همان‌طور که ذکر شد کریستالیزاسیون شامل دو مرحله کلی است:
- تشکیل هسته‌های اولیه کریستال و دانه‌بندی
- رشد دادن کریستال‌های تشکیل شده
اگر محلول محتوی ساکارز را در دماهای مختلف در نظر بگیریم که مقدار ساکارز در آن بر حسب گرم در 100 سی‌سی آب در حال افزایش باشد، نمودار خاصی تشکیل می‌شود که در آن نواحی مجزا و مشخصی به شرح زیر قابل‌تشخیص می‌باشد.
- ناحیه زیر اشباع تا اشباع: به دلیل کم‌بودن ساکارز حل شده در مقدار مشخصی آب در این ناحیه، در حالت زیر اشباع تا اشباع قرار می‌گیرد. حداکثر ضریب فوق اشباع در این ناحیه یک است که در آن ایجاد هسته و رشد دادن آن انجام می‌شود.
- ناحیه فرا پایدار: طی این ناحیه محلول حالت فوق اشباع به خود گرفته و ضریب فوق اشباع آن از 1 تا 1/2 است. در این نوع محلول کریستال شکر خودبه‌خود به دست نمی‌آید؛ اما بعد از اضافه‌کردن کریستال‌های شکر به محلول، کریستال‌های افزوده تا حدی رشد می‌کنند بدون آنکه کریستال‌های جدیدی به دست آید. در این مرحله اگر کریستال شکر اضافه نشود محلول بدون تغییر باقی می‌ماند.
- مرحله حد واسط (Intermediate): در محلول‌هایی که در این منطقه قرار دارند ضریب فوق اشباعی بین 1/2 تا 1/35 است. طی این مرحله در محلول‌ها کریستال‌های شکر به طور خودبه‌خود به وجود نمی‌آیند؛ اما اگر کریستال‌های ریز شکر به این محلول افزوده شود این کریستال به‌عنوان هسته اولیه عمل می‌کند و رشد پیدا می‌کنند، در ضمن کریستال‌های جدید به وجود آمده و رشد می‌کنند.
- ناحیه ناپایدار (Labilezone): اغلب در این ناحیه ضریب اشباع بالاتر از 1/35 است کریستال‌های شکر به‌صورت خودبه‌خود تشکیل می‌شوند و بدون نیاز به شوک رشد می‌کنند.
تشکیل و رشد کریستال
عمده‌ترین پیوندهای مولکولی در محلول‌های ساکارز بین کوره‌های هیدروکسیل که قوی‌تر از پیوند گروه‌های هیدروکسیل مولکول ساکارز مجاور هم است؛ بنابراین با عمل تبخیر آب و جداکردن، مولکول‌های آب سعی می‌شود که تشکیل پیوند بین مولکول ساکارز با ساکارز تقویت شود. اغلب در کارخانه‌های تولید شکر، تشخیص مرحله دانه‌بندی و رسیدن شربت به حالت فوق اشباع مناسب به‌وسیله کارگران ماهر و به شکل تجربی انجام می‌شود. اولین راه تشخیص رسیدن به حالت فوق اشباع مناسب این است که مقداری از محلول را کارگر بین دو انگشت خود گرفته و انگشتان خود را از هم باز کند، اگر مقدار کشش با کش‌آمدن محلول بیش از 4 سانتی‌متر بود به طور تجربی متوجه می‌شود که محلول به حالت موردنظر رسیده است. استفاده از فاکتورهایی مانند افزایش نقطه‌جوش شربت روش دیگری است. روش دیگر رفراکتیو ایندرکس یا ضریب شکست و تغییرات آن با تغییر غلظت است. روش دیگر نیز ثبات دی‌الکتریک می‌باشد.
طباخ پس از مرحله طباخی (دانه‌بندی) دو وظیفه مهم برعهده دارد
- تثبیت و حفظ حالت فوق اشباع محتویات دستگاه پخت در حد مناسب یعنی در حد پایینی مرحله فرا پایدار نگهداری می‌شود و افزایش پیدا نکند. به این منظور که نه کریستال‌های به وجود آمده حل شوند و تا حد ممکن نیز کریستال جدید تشکیل نشود.
- ورود تدریجی شربت جدید به دستگاه پخت (خوراک و پرورش‌دادن) است. جهت رشد دادن کریستال‌های موجود و واردکردن شربت جدید تا جایی این کار را به‌صورت تدریجی ادامه می‌دهند که دیگ پخت به بیشترین ظرفیت خود برسد.
عوامل مؤثر در رشد کریستال‌های شکر
- حالت فوق اشباع: هنگامی که ضریب فوق اشباع شربتی که کریستال را احاطه کرده بالا باشد مولکول‌های ساکارز به سمت کریستال حرکت کرده و به آن ملحق شده و کریستال رشد می‌یابد.
- درجه حرارت محیط: این عامل به دو دلیل در کریستالیزاسیون تاثیر فروانی دارد. یک اینکه افزایش درجه حرارت موجب کاهش ویسکوزیته می‌شود و با کاهش ویسکوزیته عملا یکی از موانع تشکیل کریستال از سر راه برداشته می‌شود. به عبارتی دیگر شدت این عامل مقاوم کم می‌شود اما به صفر نمی‌رسد. دو اینکه با افزایش دما تحرک مولکولی ساکارز زیاد می‌شود و موجب رسیدن آن‌ها به سطح کریستال و برخورد با کریستال افزایش می‌یابد و در نتیجه سرعت این فرایند تفزایش پیدا می‌کند. از دیگر اثرات دما، نقش کاهش دما هم در تاثیر مثبت روی سرعت کریستالیزاسیون است یعنی با کاهش دمای محلول، از حالت اشباع به فوق اشباع تبدیل خواهد شد. این حالت رسیدن به فوق اشباع تاثیر مثبتی روی سرعت این فرایند دارد که این حالت‌ها در بعد صنعتی تکنولوژی قند مورد استفاده قرار می‌گیرد. در مرحله آخر پخت و بعد از آنکه با افزایش دما دیگر کریستالی ایجاد نشد با خالی کردن محتویات درون دیگ به داخل مخازن سرد کننده، رشد نهایی کریستال‌های شکر را در آن‌ها انجام می‌دهیم.
- فاکتور PH: قلیایی بودن بیش از حد موجب کاهش سرعت کریستالیزاسیون می‌شود. از طرفی دیگر Ph کمتر از 7 باعث تجزیه ساکارز می‌شود. در مرحله کریستالیزاسیون PH موردنظر بین 7 تا 8 است. دلیل افزایش قلیایی و تأثیر بر کاهش سرعت این فرایند، افزایش پیوندهای هیدروکسیل بین ساکارز و آب و کاهش پیوند مولکول ساکارز با ساکارز است و کاهش‌یافتن ایجاد مقدار کریستال است.
- درجه خلوص: از دو طریق ناخالصی‌های محیط موجب کاهش سرعت کریستالیزاسیون می‌شوند. یک اینکه حلالیت ساکارز را افزایش می‌دهد و با افزایش این حلالیت، تمایل ماده به تشکیل کریستالیزاسیون کم می‌شود. دو اینکه این ناخالصی‌ها به‌عنوان یک مانع عمل کرده و سرعت رسیدن مولکول‌های ساکارز به کریستال را کاهش می‌دهند.
- زمان: باگذشت زمان سرعت رشد کریستال افزایش می‌یابد، البته این زمان تشکیل به حالت محلول نیز بستگی دارد. به این معنی که هر چه محلول خالص‌تر زمان کمتری برای ایجاد کریستال می‌برد و به این دلیل زمان توقف ماسکویت درون مالاکسورها در مراحل آخر بیشتر از مراحل اول است.
- ویسکوزیته: رشد کریستال با ویسکوزیته رابطه عکس دارد؛ یعنی هر چه ویسکوزیته بیشتر سرعت کریستالیزاسیون کمتر می‌شود و عکس آن نیز صادق است.
- هم زدن: درصورتی‌که نیروی هم زن را در تشکیل کریستال به کار ببریم در حقیقت تحرک مولکولی ساکارز را افزایش داده‌ایم و موجب افزایش سرعت رسیدن مولکول‌های ساکارز از محلول به سطح کریستال می‌شود.
- غلظت ساکارز: تعیین‌کننده‌ترین عامل در رشد کریستال‌ها غلظت ساکارز است و به عبارتی رشد کریستال تابعی از درصد قند موجود در محلول است. مرحله رشد کریستال به‌صورت کلی شامل دو مرحله است که هر دو تابع غلظت ساکارز است. مرحله اول تحرک مولکول‌های ساکارز محلول به سمت کریستال و لایه اطراف کریستال است و مرحله دوم پیوستن مولکول‌های ساکارز به شبکه سطحی کریستال در حرکت مولکول‌های ساکارز است.