L-苯丙氨酸结晶工艺研究.pdf

第3 7 卷第3 期中国矿业大学学报V 0 1 ．3 7N o ．3 2 0 0 8 年5 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y M a y2 0 0 8 L 一苯丙氨酸结晶工艺研究 孟献梁，褚睿智，刘瑞阳，陈佳，吴国光 中国矿业大学化工学院，江苏徐州2 2 1 1 1 6 摘要考察了不同结晶体系和洗涤溶剂类型对L - 苯丙氨酸结晶过程的影响，将结晶温度分为初 始、中期和终了3 个温度段，分别研究了不同阶段温度条件下L - 苯丙氨酸的结晶过程．通过正交 试验优化了L - 苯丙氨酸结晶工艺条件，即盐酸一三乙胺／D M F 结晶体系下，水量为L - 苯丙氨酸重 量的3 倍，结晶初始温度2 5 ℃，结晶中期温度5 5 ℃，结晶终了温度1 0 ℃．结果表明，此条件下所 得产品结晶收率可达8 5 ％以上．利用高效液相色谱、电子显微镜对产品进行检测证明产品纯度 可达9 8 ％以上，粒度分布均匀，晶面完整，符合产品质量要求． 关键词L - 苯丙氨酸；结晶体系；结晶工艺；正交试验 中图分类号T Q0 2 6 ．5文献标识码A文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 8 0 3 0 4 1 2 0 4 C r y s t a l l i z a t i o nP r o c e s so fL P h e n y l a l a n i n e M E N G X i a n - l i a n g ，C H UR u i - z h i ，L I UR u i y a n g ， C H E NJ i a ．W UG u o - g u a n g S c h o o lo fC h e m i c a lE n g i n e e r i n ga n dT e c h n o l o g y ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y ， X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 1 1 6 ，C h i n a A b s t r a c t T h ee f f e c t so fd i f f e r e n tk i n d so fc r y s t a l l i z a t i o ns y s t e m sa n dd i f f e r e n tt y p e so fw a s h i n g s o l v e n to nt h eL - p h e n y l a l a n i n ec r y s t a l l i z a t i o np r o c e s sw e r es t u d i e d ．C r y s t a l l i z a t i o nt e m p e r a t u r e w a sd i v i d e di n t of o l l o w i n gt h r e es t a g e s i n i t i a lc r y s t a l l i z a t i o nt e m p e r a t u r e ，m i dc r y s t a l l i z a t i o n t e m p e r a t u r ea n df i n a lc r y s t a l l i z a t i o nt e m p e r a t u r e ．L - p h e n y l a l a n i n ec r y s t a l l i z a t i o np r o c e s s e si n d i f f e r e n tt e m p e r a t u r es t a g e sw e r es t u d i e d ．B ya no r t h o g o n a lt e s tw i t hf o u rf a c t o r s ，t h eo p t i m a l c o n d i t i o n su n d e rc r y s t a l l i z a t i o ns y s t e mo fH C I - T E A ／D M Fw e r ea c h i e v e da sf o l l o w s t h ew a t e r w e i g h tw a s3t i m e so fL - p h e n y l a l a n i n ew e i g h t ，i n i t i a lc r y s t a l l i z a t i o nt e m p e r a t u r eo f2 5 ℃，m i d c r y s t a l l i z a t i o nt e m p e r a t u r eo f55 ℃，f i n a lc r y s t a l l i z a t i o nt e m p e r a t u r eo f10 ℃．T h ey i e l do fL - p h e n y l a l a n i n ec r y s t a l l i z a t i o no f8 5 ％w a so b t a i n e di nt h ec o n d i t i o n sa b o v e ．T h ep r o d u c t i o ni n t h i sc r y s t a l l i z a t i o np r o c e s sw a sa n a l y z e dw i t hH P L Ca n dE M ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep u r i t y o fp r o d u c ti So v e r98 ％w i t hu n i f o r ms i z ed i s t r i b u t i o na n df u l lc r y s t a lf a c e ． K e yw o r d s L p h e n y l a l a n i n e ；c r y s t a l l i z a t i o ns y s t e m ；c r y s t a l l i z a t i o np r o c e s s ；o r t h o g o n a lt e s t L - 苯丙氨酸 L - P h e 是人体必需的8 种氨基 酸之一，是具有生理活性的芳香族氨基酸阻2 1 ．同时 它也是合成特殊化学物质的重要中间体和重要的 生物化工产品，广泛应用于食品、营养化妆品、医药 领域‘1 。．L - 苯丙氨酸的生产方法主要有化学合成 法、蛋白酶水解提纯法，酶转化法和直接发酵法．但 用以上方法合成的L - 苯丙氨酸产品的纯度不 高嘲，故需采用一种合理有效的方法来提纯L - 苯 丙氨酸粗品． 反应结晶也称沉淀结晶‘引，是通过2 种或更多 收稿日期2 0 0 7 一0 9 3 0 基金项目中国矿业大学青年科研基金项目 O H 0 6 0 0 9 7 作者简介孟献梁 1 9 7 7 一 ，男，江苏省徐州市人，讲师。博士研究生，从事生物化工、结晶方面的研究． E - m a i l k e v i n - m e n 9 7 1 6 3 ．t o m T e l 0 5 1 6 8 3 8 8 3 6 8 2 万方数据 第3 期孟献梁等L - 苯丙氨酸结晶工艺研究4 1 3 种组分经化学反应产生过饱和度进行结晶的过程． 反应结晶因其消耗的能量小，过程装置简单，是化 学工业中一种常用的结晶方法，而目前国内反应结 晶技术水平较落后，反应结晶产品普遍存在结晶收 率偏低，粒度分布宽，晶体流动性差等问题．本文作 者研究了不同结晶体系、洗涤溶剂类型、水量、结晶 温度等因素对L 一苯丙氨酸结晶的影响． 1 实验 1 ．1 药品与设备 L 一苯丙氨酸纯度6 1 ％ 南京工业大学制药与 生命科学学院实验室发酵制得 ，盐酸 分析纯 ，硫 酸 分析纯 ，硝酸 分析纯 ，氢氧化钠 分析纯 ，三 乙胺 分析纯 ，氨水 分析纯 ，丙酮 分析纯 ，乙醇 分析纯 ．电动搅拌装置，真空干燥箱，H H 一2 恒温 水浴，W V - C P 2 4 0 型电子显微镜，A g l e n t1 1 0 0 液 相色谱仪． 1 ．2 原理与方法 实验采用反应结晶中的酸溶碱析法对L 一苯丙 氨酸粗品进行分离提纯E 4 - s 3 ，其具体原理如下 vm C O O H H 一可F H 吮_ ～删‰ 称取1 5gL 一苯丙氨酸粗品，加入适量酸性溶 液溶解完全 控制溶液p H 1 ，加入0 ．5g 活性炭 脱色2 0r a i n [ 6 ] ．过滤、水洗滤饼，合并滤液转入三 口瓶内，在一定温度 结晶初始温度 条件下搅拌至 恒温，逐渐加入碱液，控制加入体积和加入速度，待 溶液p H 值约为1 ．7 ～1 ．9 之间时停止加碱，继续 维持低速搅拌，养晶、育晶1 ．5h ．育晶结束后，继 续滴加碱液，控制结晶终点p H 为5 ．4 ～5 ．5 之 间口j ，停止加碱．继续搅拌，在一定温度 结晶中期 温度 下进行晶形转变，随后将晶浆在1 ～1 ．5h 内 降至终温 结晶终了温度 ，静置沉降4h ．然后过 滤，洗涤，真空干燥即得产品． 1 ．3 产品分析 产品收率按以下公式计算 Y 一再m 百- - 厂m lXl O O ％， 式中m 为干燥后产品与容器的总重量；仇。为容器 重；m 。为粗品重；6 1 ％为原料纯度． 采用W V - C P 2 4 0 型电子显微镜来观测结晶产 物的晶形．采用A g i l e n t1 1 0 0 型号的液相色谱仪来 鉴定结晶产物的纯度． 2 结果与讨论 2 ．1 结晶体系选择 结晶体系的改变可能对结晶产品的晶形和收 率产生影响．通过试验发现L - 苯丙氨酸在下列几 种体系中的晶形、收率如表1 ． 表1结晶体系对卜苯丙氨酸晶体的影响 T a b l e1E f f e c to fd i f f e r e n tk i n d so fc r y s t a l l i z a t i o ns y s t e m s o nL - P h e n y l a l a n i n ec r y s t a l l i z a t i o n 注加水量yH z o m L ／m L - p b e g 为3 由表1 可知，盐酸一三乙胺／D M F 体系中的产 品收率最高；不同的结晶体系晶形差别较大，其中 盐酸一三乙胺／D M F 和硝酸一三乙胺／D M F 体系中 的苯丙氨酸晶体晶形为片状，此种晶体外形美观， 流动性好，易于运输和贮存；盐酸一氢氧化钠、盐酸一 氨水等体系中苯丙氨酸晶体呈针形，过于细小，不 利于分离、洗涤，贮存和运输过程中易破碎、结块； 结合产品收率确定比较理想的是盐酸一三乙胺体 系，因此将其作为苯丙氨酸酸溶碱析的结晶体系． 2 ．2 结晶温度的影响 2 ．2 ．1 结晶中期温度对晶形的影响 研究发现，结晶中期温度是影响晶体形状的关 键因素，图l a “ - - d 为结晶中期温度对盐酸一三乙胺／ D M F 体系中的L - 苯丙氨酸结晶产品的晶体照片． 由图1 a ～d 可知结晶中期温度是影响晶形结构的 重要因素，在结晶过程中存在着晶形的转化点温 度，当结晶中期温度高于转化点温度时能得到均匀 颗粒状，流动性好晶体产品；结晶中期温度低于转 化点温度时所得产品为粉状，而且在结晶过程中出 现胶凝絮化现象，这说明卜苯丙氨酸晶体主要有 p 结晶和铲结晶两种晶形p 结晶产品呈粉状，容 易结块，不易贮存，而且凝胶容易包裹体系中的杂 质，不利于分离提纯；廿结晶产品呈颗粒状，流动性 好，晶形美观，容易分装和贮存，所以L - 苯丙氨酸 的结晶中期温度应该控制在该点以上，但温度过高 会造成产品颗粒粗大，颜色变深，较适宜的温度范 围应该在4 5 ～5 5 ℃之间． 万方数据 4 1 4中国矿业大学学报第3 7 卷 图1L I 苯丙氨酸在H C L - 三乙胺体系中的晶形 1 0 倍 F i g ．1M o r p h o l o g yo fc r y s t a l l i n eo fL - P h e n y l a l a n i n ew i t hc r y s t a l l i z a t i o ns y s t e mo fH C l - T E A ／D M F 10 2 ．2 ．2 结晶终了温度对收率的影响 结晶终了温度对H C L - _ _ 三乙胺体系结晶收率 的影响结果如表2 ． 表2 结晶终了温度对I 广苯丙氨酸收率的影响 T a b l e2 E f f e c to ff i n a lc r y s t a l l i z a t i o nt e m p e r a t u r e o ny i e l do fL - p h e n y l a l a n i n ec r y s t a l l i z a t i o n 注加水量VH 2 0 m L ／m L - P h e g 为3 ，结晶仞始温度为2 5 ℃。中期温度为5 0 ℃． 由表2 可见，结晶终了温度是影响产品收率的 重要因素，收率随着结晶终了温度提高而降低，温 度太低，则产品转化p 结晶，不利于过滤．确定结晶 终了温度在1 0 ～2 0 ℃为宜． 2 ．3 洗涤溶剂类型选择 分别选取蒸馏水、无水乙醇、丙酮等3 组洗涤 液，考察不同洗涤液对L 一苯丙氨酸结晶产品的影 响．具体产品收率如表3 ． 表3 洗涤液类型对【广苯丙氨酸收率的影响 T a b l e3 E f f e c t o fd i f f e r e n tt y p e so fw a s h i n gs o l v e n to n y i e l do fL p h e n y l a l a n i n ec r y s t a l l i z a t i o n 注加水量VH 。O m L ／m LP h e g 为3 ，结晶初始温度为 2 5 ℃，中期温度为5 0 ℃，终了温度为1 5 ℃． 由表3 可知，洗涤类型也是影响苯丙氨酸收率 的重要因素，选取不同的洗涤液收率有很大差别． 用丙酮洗涤时收率最高，为7 1 ．5 ％，用无水乙醇洗 涤收率次之，为7 Q ．1 ％，而用蒸馏水洗涤收率最 低，仅为5 1 ．7 ％．这和苯丙氨酸溶于水 其溶解度 为3 ％ ，微溶于醇，不溶于丙酮的性质[ 8 ] 是相符 的．所以较适合的洗涤液为丙酮． 2 ．4 L - 苯丙氨酸结晶工艺优化 以收率为目标函数，对L - 苯丙氨酸在盐酸一 三乙胺／D M F 体系的结晶工艺进行四因素 水和 L ．苯丙氨酸的质量比，结晶初始温度，结晶中期温 度和结晶终了温度 三水平正交试验，具体实验结 果见表4 ． 表4L - 苯丙氨酸结晶正交试验表 T a b l e4 O r t h o g o n a lt e s to fL - p h e n y l a l a n i n ec r y s t a l l i z a t i o n ，- B 上翌坠C 一D 试验结果 A ’一。’。 谶号焉瓦甄夏瓣磊 85Z O5 5 1 0 6 9 ．7 952 54 51 56 3 ．3 注；K i 为各因素同一水平的平均收率．正交试验中所选取的洗 涤液皆为丙酮溶液． 万方数据 第3 期 孟献梁等L - 苯丙氨酸结晶工艺研究4 1 5 由表4 得到最佳结晶条件为水量为L - 苯丙 氨酸重量的3 倍，结晶初始温度应为2 5 ℃；结晶中 期温度应为5 5 ℃；结晶终了温度应为1 5 ℃．此条 件下的L ．苯丙氨酸实际收率为8 5 ．4 ％． 2 ．5 优化条件下结晶产品质量研究 2 ．5 ．1晶型分析 优化条件下的结晶产品晶形见图2 ． 图2 验证性实验得到的产物晶形 1 0 倍 F i g ．2M o r p h o l o g yo fc r y s t a l l i n eo f L - p h e n y l a l a n i n ea tt h eo p t i m u mc o n d i t i o n s 1 0 从图2 可以看出，与原料晶体相比优化条件下 产品粒度分布均匀，晶面完整． 2 ．5 ．2 H P L C 分析 利用高效液相对优化工艺条件下的结晶产物 进行纯度测定．具体液相分析条件见表5 ，高效液 相谱图见图3 ． 表5A g l e n t11 0 0 液相色谱仪分析条件 T a b l e5C o n d i t i o n so fH P L C A g l e n t1 10 0 1 2 0 0 1 0 0 0 宅8 0 0 g 6 0 0 4 0 0 2 0 0 0 t ／m i n 图3 产品液相谱图 F i g ．3 H P L Co fL - p h e n y l a l a n i n ea tt h e o p t i m u mc o n d i t i o n s 由谱图3 可以看出，图中只有一个明显的吸收 峰，归属为目标产品吸收峰，靠前有个不明显的杂 质峰，根据峰面积计算产品纯度在9 8 ％以上． 3 结论 1 经筛选确定盐酸一三乙胺和丙酮溶液作为 L - 苯丙氨酸酸溶碱析的结晶体系和洗涤溶剂． 2 通过正交试验确定了L - 苯丙氨酸结晶工艺 优化条件，即水量为L _ 苯丙氨酸重量的3 倍，结晶 初始温度2 5 ℃，结晶中期温度5 5 ℃，结晶终了温 度1 0 ℃． 3 通过质量检测证明产品纯度和晶体形貌符 合产品质量要求． 参考文献 [ 1 3 汪多仁．L _ 苯丙氨酸的开发与应用[ J ] ．化工中间体， 2 0 0 4 ，1 2 1 5 1 8 ． W A N G D u o - r e n ．D e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fL p h e n y l a l a n i n e [ J ] ．C h e m i n c a lI n t e r m e d i a t e ，2 0 0 4 ，l 2 1 5 1 8 ． [ 2 ] 齐欣，赵温涛，聂建明，等．D L - 苯丙氨酸合成新 方法[ J ] ．化学工业与工程。2 0 0 2 ，1 9 5 3 9 4 3 9 7 ． Q IX i n ，Z H A OW e n - t a o ，N I EJ i a n - m i n g ，e ta 1 ．A n e wm e t h o do f p r e p a r i n gD L - p h e n y l a l a n i n e [ J ] ． C h e m i c a lI n d u s t r ya n dE n g i n e e r i n g 。2 0 0 2 ，19 5 3 9 4 3 9 7 ． [ 3 ] 丁绪淮，谈道．工业结晶[ M ] ．北京化学工业出 版社，1 9 8 5 ． [ 4 ] 孟献梁，苟志金，范伟平，等．硫代苄基半胱氨酸反 应结晶过程的研究[ J ] ．中国矿业大学学报，2 0 0 5 ，3 4 6 8 0 8 8 1 2 ． M E N GX i a n - l i a n g ，X U NZ h i - j i n ，F A NW e i p i n g ，e t a 1 ．S t u d yo ft h er e a c t i o n c r y s t a l l i z a t i o np r o c e s so f S - b e n z y l L - e y s t e i n e [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t y o fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y ，2 0 0 5 ，3 4 6 8 0 8 - 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