（化学工程专业论文）l丝氨酸结晶过程研究.pdf

中文摘要 l 一丝氨酸是一种对生物体有重要生理作用的氨基酸，在医药、食品、化妆品 中均有较为广泛的应用。目前国内生产的l 一丝氨酸产品与国外产品在质量方面 有一定的差距，如产品纯度较低，呈粉末状，使用不便。本文在调研国内外研究 资料的基础上，对l 一丝氨酸结晶过程进行了系统研究。 首先采用激光法测定了l 一丝氨酸在纯水中的溶解度和超溶解度等结晶热力 学数据，并实验考察了降温速率和搅拌速度对介稳区的影响。 l 一丝氨酸存在假多晶型现象，通过溶解度数据关联得到了晶型转变温度为 3 1 0 3 5 k 。在低于3 1 0 3 5 k 的水溶液中，结晶析出一水合l - 丝氨酸晶体，高于 3 1 0 3 5 k 则得到无水晶体。因此，为了生产大颗粒的无水合l 一丝氨酸晶体，冷却 结晶的最低极限温度是3 l o 3 5 k 。 采用x 射线衍射法对本文制备的无水和一水合l 一丝氨酸晶体进行结构表征， 分别获得了晶体结构参数。采用p v m 和f b r m 在线观测到了l - 丝氨酸冷却结 晶过程中晶型转变现象：当晶浆被冷却至晶型转变温度3 1 0 3 5 k 以下时，棒状无 水合晶体逐渐转变为六角片状的一水合晶体。 采用b f d h 和a e 模型分别对无水和一水合l 丝氨酸晶体的晶习进行了模 拟预测，a e 模型的预测结果与实验获得的晶体晶习更相符。 在研究l 一丝氨酸热力学和假多晶型现象的基础上，分析对比了冷却、溶析和 蒸发结晶方式的优劣，开发了l 一丝氨酸真空蒸发结晶工艺，并对工艺过程进行 了优化，考察了结晶终点温度、晶种、搅拌速率、蒸发速率、干燥等操作参数参 数对最终产品质量的影响，确定了最优工艺条件。采用本文开发的蒸发结晶工艺 得到的l 一丝氨酸为大颗粒无水合晶体，主粒度达到4 0 0 9 r n 以上，产品质量达到 了国外同类产品的水平。 关键词：l 一丝氨酸溶解度假多晶型晶型转变介稳区蒸发结晶 a bs t r a c t l - s e r i n eh a sm a n yi m p o r t a n tp h y s i o l o g i c a lf u n c t i o n sa n di sw i d e l yu s e di nm a n y f i e l d s ，s u c ha sm e d i c i n e ，f o o d ，c o s m e t i c s ，e ta 1 i nv i e wo ft h eq u a l i t yp r o b l e m so ft h e l - s e r i n ep r o d u c tm a d ei nc h i n a , s u c ha st h ep o o rc r y s t a lm o r p h o l o g y , t h el o w p u r i t y , t h em i x e dp o l y m o r p ha n da s y m m e t r yc s d t h ec r y s t a l l i z a t i o np r o c e s sa n dt h e p o l y m o r p h i s mo fl - s e r i n ew e r ei n v e s t i g a t e da n da n a l y z e ds y s t e m a t i c a l l y t h es o l u b i l i t ya n ds u p e r s a t u r a t i o no fl s e r i n ei nw a t e rw e r em e a s u r e db yt h e l a s e rm e t h o d t h ee f f e c t so ft h ec o o l i n gr a t ea n dt h ea g i t a t i o ns p e e do nt h ew i d t ho f t h em e t a s t a b l ez o n ew e r ei n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l y l - s e r i n eh a st h ep s e u d o - p o l y m o r p h i cc h a r a c t e r i s t i c t h ep o l y m o r p h i ct r a n s i t i o n t e m p e r a t u r ei sa b o u t3 10 3 5 kw h i c hi so b t a i n e db yf i t t i n gt h es o l u b i l i t yd a t a t h e m o n o h y d r a t ec r y s t a lw o u l db eg r o w nf r o mt h ea q u e o u ss o l u t i o nu n d e r310 3 5 k ，w h i l e t h ea n h y d r o u sc r y s t a l sw o u l db eg r o w nu p o nt h i st r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e t h u s ，i n o r d e rt oo b t a i nl a r g e s i z e da n h y d r o u sl - s e r i n ep r o d u c t , t h ef i n a lt e m p e r a t u r eo ft h e c o o l i n gc r y s t a l l i z a t i o np r o c e s ss h o u l db eh i g h e rt h a n310 3 5 k t h es t r u c t u r e so ft h em o n o h y d r a t ea n da n h y d r o u sc r y s t a l sw e r et e s t e db yt h e s i n g l ec r y s t a lx r a yd i f f r a c t i o n ，a n dt h es t r u c t u r ep a r a m e t e r so ft h e s et w oc r y s t a l s w e r eo b t a i n e d t h ep o l y m o r p h i ct r a n s i t i o np h e n o m e n o no fl - s e r i n ei nt h ec o o l i n g c r y s t a l l i z a t i o np r o c e s sw a sr e a lt i m em o n i t o r e db yp a r t i c l ev i s i o nm e a s u r e m e n ta n d f o c u s e db e a mr e f l e c t a n c em e a s u r e m e n t w h e nt h es l u r r yi sc o o l e du n d e rt h e p o l y m o r p h i ct r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e , t h er o d l i k ea n h y d r o u sc r y s t a l sw i l lt r a n s l a t et o t h eh e x a g o n a lm o n o h y d r a t ef o r m t h eh a b i t so ft h em o n o h y d r a t ea n da n h y d r o u sl - s e r i n ec r y s t a l sw e r es i m u l a t e d b yc e r i u s 2s o f t w a r e w i t hb f d ha n da em o d e l s a f t e rc o m p a r i n gw i t ht h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，i ti sf o u n d t h a tt h eh a b i t sp r e d i c t e db ya em o d e lq u i t er e s e m b l e t h o s eo b t a i n e di nt h ee x p e r i m e n t s ， b a s e do nt h es t u d yo ft h e r m o d y n a m i c sa n d p s e u d o - p o l y m o r p h i cp h e n o m e n o no f l s c r i n e ，c o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h ec o o l i n g ，e v a p o r a t i o na n dd i l u t i o nc r y s t a l l i z a t i o n m e t h o d sw e r ep e r f o r m e d a no p t i m u mv a c u u me v a p o r a t i o nc r y s t a l l i z a t i o nt e c h n o l o g y w a sf i n a l l yd e v e l o p e d t h ee f f e c t so fo p e r a t i o n a lp a r a m e t e r s ，s u c ha st h ef i n a l t e m p e r a t u r e ，s e e d i n g ，t h ea g i t a t i o ns p e e d , t h ee v a p o r a t i o nr a t ea n dd r y m g ，o nt h e q u a l i t yo ft h ef i n a lp r o d u c tw e r ei n v e s t i g a t e d t h el s e r i n ec r y s t a lp r o d u c to b t a i n e d b yt h eo p t i m u mt e c h n o l o g yi sc o m p l e t e l ya n h y d r o u sw i t hm a i ns i z el a r g e rt h a n4 0 0 n t h eq u a l i t yo f t h ep r o d u c tm e a s u r e su pt h ei n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d s k e y w o r d s ：l s c r i n e ，s o l u b i l i t y , p s c u d o - p o l y m o r p h i c ，p o l y m o r p h i ct r a n s i t i o n ， m c t a s t a b l c7 _ , 0 1 1 e ，e v a p o r a t i o nc r y s t a l l i z a t i o n 天津大学硕士学位论文 符号说明 希腊字母 o 【 0 【，p ，1 ， r 爿 丫 口 p 符号说明 晶胞参数 恒压热容 逸度 吉布斯自由能 焓 氨基酸溶解平衡常数 水电离平衡常数 摩尔含量 绝对温度 时间 诱导期 体积分率 组份i 的有效摩尔体积 分子对q 相互作用能量 气体常数 熵 诱导期 溶解温度 转变温度点 摩尔分率 配位数 活度 晶轴y 与z ，z 与x 和x 与y 的夹角 n r t l 方程参数 威尔逊方程参数 活度系数 面积分数 晶体的密度 溶液中氢离子浓度 5 6 a k j ( k g k 1 p a k j m 0 1 k j t o o l m o l k g k s s l n 3 h l o l k j t o o l s k k k g m 3 m o l k g 她 勺厂铅鼬岛：耋 m r ， 纽所 研 即r s o 死露 工 ： 天津大学硕士学位论文 符号说明 上标 s d 液相 固相 平衡 氨基酸 溶解 熔化 压力 组分i l j 诱导期 温度 5 7 棕 a 讳4 d p = 鏊 ， 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：株签字日期：2 口口7 年月上铲日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 夺灸 签字日期：土9 。7 年月柳日 导师签名： 签字嗍q 年月矽 天津大学硕士学位论文第一章前言 1 1l 一丝氨酸的性质 第一章前言 l 一丝氨酸，化学名l - a 一氨基一p 羟基丙酸，化学结构式见图1 1 ，其通常的物 理化学性质如表1 1 所示。 o n 喝 图卜ll 一丝氨酸的化学结构式 f i g 1 - lt h ec h e m i c a ls t r u c t u r eo fl - s e r i n e 表1 1l 一丝氨酸的物化性质 t a b 1 - 1t h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so f l s e r i n e 中文名l 一丝氨酸英文名l s e r i n e 分子质量 熔点( 分解) 安全性 等电点 溶解性 1 0 5 0 9 3 2 分子式c 3 h 7 n 0 3 2 2 2 c a sn o5 6 - 4 5 1 2 4 2 5 比旋光 + 1 4 4 + 1 5 5 0 5 6 8 外观白色结晶或结晶性粉末 易溶于水，不溶于乙醇，甲醇，丙酮，乙醚等有机溶剂 1 8 6 5 年c r a m e r 最早从丝胶蛋白水解液中分离出一种当时未知的氨基酸结晶， 并根据来源将其命名为丝氨酸( s e r i n e ) 。1 9 0 2 年f i s c h e r 确定了其分子结构，随后 又证明了天然蛋白质中的丝氨酸为具有光学活性的l 一型。l 一丝氨酸是一种牛糖氨 基酸，在生物体内可由d _ 甘油酸作前体生物合成，苏氨酸、甘氨酸也可转化为l 丝氨酸。 l 一丝氨酸分子同其他氨基酸分子一样，既含有氨基又含有羧基，分子中的氨 基和羧基在溶液中主要以- - n h 3 + ，一c o o 。形式存在。它们的电离取决于溶液的 p h 值：当p h 低于等电点时，羧基的电离被抑制，l 一丝氨酸带正电荷；当p h 值高 于等电点p i 时，氨基的电离被抑制而带负电荷，相互关系如下所示： 天津大学硕士学位论文第一章前言 p h p i 根据这一性质，在等电点处，卜丝氨酸的溶解度最小，最易从溶液中析出。 所以l 一丝氨酸溶液的热力学性质与溶液的p h 值有很大的关系，同时这也是分离 工艺上所必须考虑的。由于l - 丝氨酸在不同的温度下晶体形态会发生变化，在 温度降低时会有溶剂化合物出现，体系的自由能，熵，焓，溶解度等都会发生转 变。 1 2l 一丝氨酸的用途 l 一丝氨酸虽属于非必需氨基酸，但对生物体具有许多重要的生理功能和作 用，因此在医药、化妆品中均有较为广泛的应用f 】。 1 在医药工业的应用 ( 1 ) 作为氨基酸输液的成分：用于一般营养疗法的氨基酸混合液中的l 丝氨 酸的含量为1 6 8 9 l ，用于肝损伤患者的氨基酸混合液中的l 丝氨酸的含量为 5 0 0 9 l ( 2 ) 作为合成其他药物的中间体如合成l 多巴等； ( 3 ) l - 丝氨酸的羟基经磷酸化作用后能衍生出具重要生理功能的磷丝氨酸， 是磷脂主要成分之一； ( 4 ) 丝氨酸的衍生物环丝氨酸是一种抗生素，可用于治疗结核病；偶氮丝氨酸 是一种抗癌剂，常用于治疗肿瘤；同时，偶氮丝氨酸作为谷氨酰胺的抗代谢物， 可用于治疗急性白血病和柯杰金氏病。 ( 5 ) l 一丝氨酸具有稳定滴眼液p h 值的作用，且滴眼后无刺激性。 2 在化妆品方面的应用 l 一丝氨酸是重要的自然保湿因子( n m f ) 之一，皮肤角质层保持水分的主要角 色。因此，是很多高级化妆品中的关键添加剂，在国外被大量用于高级化妆品。 3 其他方面的应用 在化学工业中，l 一丝氨酸是一种良好的手性化合物拆分剂。此外，l 一丝氨酸 还可用于饲料添加剂。 随着对l 一丝氨酸生理作用的深入认识，l 一丝氨酸在化妆品、医药等领域的 用途将不断扩大。 一 ho hcir n 叱 oo c hcir 一 + nh 天津大学硕士学位论文第一章前言 1 3l - 丝氨酸的制备 由于l 丝氨酸在微生物体内处于中间代谢阶段，提取非常困难，因此目前是 市场上最昂贵的氨基酸之一。它的生产方法通常有丝胶水解提取法、化学合成法、 生物酶法、发酵法等1 2 】。 1 蛋白水解提取法 l - 丝氨酸在丝胶蛋白质中的含量丰富，如蚕茧衣中含量为1 3 6 4 * , ，因此， 可用水解蚕茧衣制取，工艺过程如下 该法l 一丝氨酸的回收率为3 0 左右，以原料计收率为4 ，虽然可以有效利 用丰富的剩余蛋白资源，但此法操作复杂，需处理大量的洗脱液，所得的氨基酸 常为混合氨基酸，还需进一步分离、精制，污染较大，难于进行工业化生产。 2 化学合成法 化学法合成【3 4 】的是d l 一丝氨酸，要得到l 一丝氨酸，需要进一步拆分。d l 一丝 氨酸合成路线有通常有以下几种： ， ( 1 ) 以丙烯酸甲酯为原料的合成法 天津大学硕士学位论文第一章前言 ( 2 ) 以甘氨酸和甲醛为原料的合成法 此法步骤少，原料易得，适于工业化生产。丝氨酸铜脱铜步可借鉴苏氨酸 铜脱铜所采用的离子交换树脂法，操作简便，树脂可重复利用，成本低。据报道， 将醛与甘氨酸铜进行缩合时易产生双缩合产物，同样存在产品分离困难问题。 ( 3 ) 以丙烯腈为原料的合成法 h 2h h 0 一c c c o o n a i n h 2 c i 罟2 一岂c n 邕h 3 趟墨q h - c i c c 一盆丝翟岱凸丛乙 l a 强酸性阳离子交换树脂 h 2h h o m c c c o o h i 该方法为日本三井东亚化学开发，总收率约为7 0 。三井东亚化学生产的 d l 一丝氨酸大部分用作本公司生产l - 色氨酸的原料，少量外销。这是适合国内企 业生产d l - 丝氨酸较好的工艺路线。 化学合成法优点是可采用多种化学原料，多种工艺路线，生产规模大，产品 易分离提纯，合成出的d l 一丝氨酸也可直接作为化工原料生产别的氨基酸。但是 为了得到纯粹的l 一丝氨酸，化学拆分必不可少，拆分方法见l - 4 节，由于拆分操 作比较繁琐，单步收率不高，整个过程相对别的l 一丝氨酸制备工艺成本优势不 明显。 3 发酵法 发酵法【5 】生产l 一丝氨酸主要采用添加前体甘氨酸，利用含有丝氨酸转羟甲基 酶( s h m a s e ) 的菌种，发酵得到l - 丝氨酸。按菌种类别发酵法可以分为以下两类： ( 1 ) 采用异养型菌株由甘氨酸生产l 丝氨酸 k u b o t a ( 1 9 7 2 ) 6 分离出株嗜甘氨酸棒杆菌，对甘氨酸摩尔转化率最高能达 3 3 。小谷等采用甘氨酸的培养基分离得到一株丁烷诺卡氏菌，在含0 5 甘氨 酸、2 葡萄糖培养基中产生1 7 6 9 l 丝氨酸。e m a ( 1 9 7 9 ) 1 7 选育得到了具有高活 性s h m a s e 的白色八叠球菌，最高可由2 0 得甘氨酸可生成2 2 9 l 丝_ _ 氨酸。 ( 2 ) 采用甲基营养型由甘氨酸生产l 一丝氨酸 a 假单胞菌m o r i n a g a 等( 1 9 8 1 ) i s 报道了从甲醇利用细菌中分离得到的假单 天津大学硕士学位论文第一章前言 nfhch。iiph=6五o,k=3：2l：1：04vmoln 5 n l 。_ a 岛_ n 怔 一 1 日 g l y c i n 洲c p 矗忑瑟s - i m 历t 磊丙赢饥埔池 天津大学硕士学位论文第一章前言 由于化学合成法和生物酶法各具优势，可将二者有机结合起来，即先用化学 合成法制备出d l - 丝氨酸，将其氨基乙酰化，再用固定化酶法进行拆分，可以得 到，l - 丝氨酸和d - 丝氨酸，并且可以根据市场的需求，调节两者的产量。据悉， 安徽省恒锐新技术开发有限责任公司已成功开发出，l 一丝氨酸和d 丝氨酸及其衍 生物生物酶法合成技术，并且已投入工业化批量生产。工艺流程参照1 - 4 。固定 化酶作为一门基于有机合成和酶催化结合起来的新技术，具有收率高、成本低、 生产周期短、能源消耗少等优点，该技术的开发将为氨基酸工业的发展提供新的 前景。 我国由于基因工程技术及发酵技术的落后，l - 丝氨酸发酵生产仍处于研究 阶段。 1 4l - 丝氨酸的分离与精制 ( 1 ) 混合氨基酸的分离 水解法、发酵法和酶法反应后得到的反应产物是各种氨基酸的混合物，要通 过树脂柱分离得到l 一丝氨酸和其他有价值的氨基酸。 通常氨基酸分离可采用离子交换层析法，这种方法采用苯乙烯磺酸型强酸性 阳离子交换树脂分别将酸性氨基酸，中性氨基酸，碱性氨基酸进行分离。其交换 顺序为： 精氨酸 赖氨酸 组氨酸 苯丙氨酸 亮氨酸 蛋氨酸 缬氨酸 丙氨酸 甘氨酸 谷氨酸 丝氨酸 苏氨酸 天门冬氨酸 对于酸性、中性、碱性氨基酸相互之间比较容易分离，而中性氨基酸的等电 点p i 值接近( 表2 2 ) ，洗脱峰重叠，常规树脂分离效果不好，造成提取困难，收率 偏低。 表2 - 2 脂肪族中性氨基酸的p l 值 t a b 2 - 2p iv a l u e so fn e u t r a la l i p h a t i ca m i 【l oa c i d s 为了解决水解法、发酵法和酶法反应产物中中性氨基酸的分离，冯容保 ( 2 0 0 0 ) 【1 2 1 提出一种改进的离子交换层析法：利用a 羟基氨基酸的p 一羟基的铜盐 化合物进行选择性的分离。 天津大学硕士学位论文第一章前言 如中性氨基酸甘氨酸，氨基和羧基共同与铜离子结合，形成的配合物中没有 游离的羟基存在： c u 2 + c h 2 ( n h 2 ) c o o h _ - 。l _ 。- - h ：h 2 i fl l oo 但l 一丝氨酸分子碳链上的羟基和氨基更易和铜离子形成结合，形成的配合物中有 游离的羟基存在： h 。c c r n f n 7 h c o o h h 2 c oo c h 2 所以可以用强碱性阴离子交换树脂吸附有游离羟基的氨基酸铜而实现与其它中 性氨基酸的分离。 对于混合氨基酸最常用的分离方法整个过程可以归结为如下【1 】： 水解吸附、脱色 吸附、分离h 兰苎竺：竺竺竺 7 3 2 阳柱i 丝氨酸、苏氨酸 吸附、分离 7 1 7 阴柱 吸附、分离 7 1 7 阴柱 圃竺，丝氨酸成品 丝氨酸1丝氨酸成品 至三弘苏氨酸成品 三弘甘氨酸成品 磊磊翮精制丙氨酸成品 ( 2 ) d l 一丝氨酸的拆分 用化学得到的d l 一丝氨酸，需要进步拆分才能得到卜丝氨酸，由于d 一丝氨 酸和l 一丝氨酸物化性质相近，常规的结晶分离效果不理想，需采用生物酶法来分 离，先将d l 一丝氨酸中的氨基酰化，生成的d l 一丝氨酸用氨基酰化酶( 霉菌) 选择性 作用于n - 2 酰- d l - 丝氨酸中的酰化l 一丝氨酸，而对酰化d - 丝氨酸无水解作用残留 于反应物中而进行分离，l 一丝氨酸和酰化d 一丝氨酸由于化学性质相差较大，可以 天津大学硕士学位论文第一章前言 通过结晶或树脂分离。分离还原酰化d - 丝氨酸得到沪丝氨酸，对d _ 丝氨酸采用在 1 m p a 压力下蒸汽水解1 h 或在2 5 h 2 s 0 4 水溶液煮沸2 4 h 消旋后可继续折分，得 到的d 丝氨酸也可精制后作为别的化工原料。 r c h c o o h i +h20 n h o c r l 酰化, d l - 氨基酸 塑竖一r c h + r i c h c o o h n h 2 n h o c r l d - 氮基酸 分离和精制是制各l 一丝氨酸的最后步骤，直接关系到最终产品的质量。由 于l 一丝氨酸用于食品、医药等行业，对产品的纯度、杂质的含量等有严格的要 求，国内现采用的分离和精制技术比较落后：产品基本是粉状混晶；精制过程中 采用醇类溶析，有机物溶剂残留严重；此外，水解法生产的l 一丝氨酸杂质氨基 酸含量较高。国外由于分离、结晶技术比较先进，产品杂质氨基酸含量少，纯度 高、产品为大颗粒的无水晶体。 1 5 国内外的l 一丝氨酸的生产现状 由于l 一丝氨酸在医药添加剂、医药中间体、化妆品等方面应用广泛，市场的 潜在需求量大。但l 一丝氨酸生产技术难度大，在国内外发展都较慢，- 如主要生产 国日本1 9 6 9 年的产量4 吨，1 9 7 9 年5 0 吨，1 9 9 0 年7 0 吨，到1 9 9 6 年也仅1 0 0 吨，进入 2 1 世纪后l 一丝氨酸产量增加较快，但制备技术制约了产量。日本等发达国家在l 一 丝氨酸的生产方面具有技术优势，日本味之素是卜丝氨酸的主要生产厂家。国内 前几年仍采用蛋白质水解法生产l 一丝氨酸，因分离困难，产量和效率低、成本高， 而且受前几年疯牛病的影响，来源于动物蛋白的l 一丝氨酸产品在心理上难以被使 用者接受。刚起步的发酵法生产的l 一丝氨酸，产品质量和国外产品差距较大，产 品均存在粒度小，晶形差，无法和味之素的产品相竞争，而国外对制备大颗粒的 产品的结晶工艺报道几乎没有。 由于国外l 一丝氨酸的生产技术壁垒未被打破，l 一丝氨酸仍为我国氨基酸工 业生产配套缺乏的主要品种之一，国内市场为少数外国企业所垄断，每吨进口 卜丝氨酸产品价格高达7 0 万元以上，而且外商对氨基酸类产品强调“搭配”供应， 我国为了进口l 一丝氨酸等一些国内生产空白的氨基酸而不得不“搭配”高价购 买其他十多种自己能生产的氨基酸。2 0 0 0 年国家发展计划委员会和国家经济贸 天津大学硕士学位论文第一章前言 易委员会将l 一丝氨酸列入我国新的外商投资产业指导目录中，鼓励投资生 产。 1 6 本论文研究内容 如前所述，我国无论是通过传统的蛋白质水解法还是通过刚刚起步的发酵法 生产的l 一丝氨酸产品，在产品质量方面与国外产品差距较大。针对我国l 一丝氨 酸结晶精制技术落后的现状，为将来l 一丝氨酸的大规模发酵生产提供技术配套， 本文对l 一丝氨酸的结晶过程进行了深入的研究，在测定l - 丝氨酸结晶过程基础 数据及研究其多晶型现象的基础上，对不同结晶工艺进行了筛选比较，开发出了 l 丝氨酸新型蒸发结晶工艺，该工艺生产出的产品粒度大。具体研究内容如下： 1 l 一丝氨酸结晶热力学研究 采用激光法实验测定了l 一丝氨酸在水中的溶解度及介稳区，考察了降温速 率、温度和搅拌速度对介稳区宽度的影响，通过相应的数据得出无水晶体和水合 晶体的转变温度点。 2 l 一丝氨酸晶体结构测定与假多晶型现象研究 利用单晶x 射线衍射和粉末x 射线衍射技术确定了l - 丝氨酸的无水晶体和 水合晶体的空间结构，确定其晶胞参数。从热力学角度分析了l 一丝氨酸无水晶 体和水合晶体的转变条件，并用模拟软件对l 一丝氨酸的晶习进行模拟和预测。 3 l 一丝氨酸结晶过程工艺优化 在研究l 一丝氨酸的结晶热力学、晶体结构和假多晶现象的基础上，对比了 l 一丝氨酸的冷却结晶工艺、溶析结晶工艺、蒸发结晶工艺的优劣，最后选定了真 空蒸发结晶工艺，并分别考察了各种操作参数( 晶种、搅拌速度、蒸发速率等) 对结晶过程或最终产品的粒度分布和晶体质量的影响，开发出了优化的蒸发结晶 工艺。 天津大学硕士学位论文 第二章l 一丝氨酸结晶热力学研究 第二章l 一丝氨酸结晶热力学研究 溶解度、介稳区、诱导期等结晶热力学性质是选择合适的结晶方式和相应的 操作条件的重要依据，结晶过程中物系的热力学数据还是进行结晶动力学和结晶 工艺研究的基础，此外还为多晶型研究提供基础数据。结晶热力学是体系内固液 相分子相互作用与分子运动的表征，物质的结晶热力学性质和它本身的化学性 质、溶剂性质以及温度等有关联。 2 1 文献综述 2 1 1 氨基酸溶解平衡模型 由于氨基酸分子同时带有- n h 2 和c o o h ，当氨基酸溶于水的时候，会完全 转变为两性的离子【9 】。氨基酸类物质溶解度可以用修正过的u n i f a c 方程进行关 联，但在关联过程中还要考虑p h 值对溶液中离子的影响。 2 1 1 1 氨基酸在水中的离解 氨基酸分子中同时带有- n i - 1 2 和c o o h ，其溶解度受p h 值影响较大，为了得 到氨基酸在水中溶解度的关联式，先要考察氨基酸在水中的电离方式。氨基酸在 水中可离解成不同的离子，其过程如下 1 3 , 1 4 ： n h 2 r c o o h n i t 3 + r c o o h n h 3 + r c o o i - 1 2 0 n h 3 + r c o o 。 h + + n h 3 + r c o o h + + n h 2 r c o o h + + o h k d k 1 & k w ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 式( 2 1 ) 表明显示电中性的两性离子中的电荷状态。如式( 2 2 ) 两性离子 也能够接受一个质子变为一个带正电荷的状态，同时如式( 2 3 ) 所示两性离子 也能失去一个质子变为一个带负电荷的状态，上面的平衡式可逆的，相应的平衡 常数可以表示如下： k d = ( 2 5 ) 天津大学硕士学位论文第二章l 一丝氨酸结晶热力学研究 k l = 如= ( 2 6 ) ( 2 7 ) 式中方括号表示质量摩尔浓度。 分析式( 2 5 ) ( 2 7 ) 各个平衡常数，可以确定氨基酸水溶液中主要存在形式。 g r e e n s t e i n 和w i n i t z ( 1 9 6 1 ) t 1 5 1 报道硒值的数量级为1 0 6 到1 0 7 ，这就意味着，氨基 酸在水中是几乎是完全变为两性离子的状态，不水解的分子机会可以忽略。 当氨基酸溶于水的时候，溶液将变为酸性，氨基酸的这种行为表现的像一种 弱酸，溶液的p h 值可以通过物质平衡来计算。 现在假设n o 摩尔的氨基酸加入到l k g 水中，假设s l ，8 2 ，8 3 分别表示式( 2 2 ) 、 ( 2 3 ) 和( 2 - 4 ) 中电离出的付浓度。可以得到下面的平衡式： k 。：堕塑垃 一q k ：堕竺趔 以o k 。= ( 占l + 乞+ 占3 ) ( 占3 ) 矿的浓度可以由下式得到： 【h + r = ( 毛+ 乞+ 岛) 2 = 堡兰赞 当刀。非常小时有 防+ 】= ( 训m = 1 0 。 a j ：l s 时p h = 一l o g , o i - i + = 7 。 当n 0 较大时则有： 【h + 】= ( k ，k ：) 1 位 碑= 选掣幽 或者 = 监笋 由式( 2 1 5 ) 即可得到氨基酸的等电点 ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 天津大学硕士学位论文第二章l 一丝氨酸结晶热力学研究 2 1 1 2 氨基酸的溶解度方程 1 从溶解平衡出发对氨基酸溶解方程模型的推导 用x a 表示在水溶液中未离解的氨基酸，固液平衡可以表示为： x 、 过= b ( 2 1 6 ) 式中，h 为氨基酸的摩尔分率，丫 活度系数，左为纯氨基酸液态下的逸度 溶液中的两性离子和未离解的氨基酸保持化学平衡，从这个定义可以得到溶 解平衡常数和活度系数的关系： k 。：监= 逸 加a工a 将式( 2 1 6 ) 代入式( 2 1 7 ) 得 叫矧= 凡 由于氨基酸通常在熔化之前就分解了，因此虎是一个假设值， 以用咒来代替，则式( 2 1 8 ) 变为： ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) k k 。】可 ( 2 1 9 ) 实际的两性离子的摩尔分率取决于p h 值，则固液平衡体系可以变为： 啪 - 矧 ，+ 掣+ 酬 对式( 2 2 0 ) 两边取对数，可得： h 嘲球等 ( 2 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) 采用式( 2 2 1 ) 并配合u n i f a c 方程，式( 2 - 2 2 ) 可以计算出氨基酸在水中的 天津大学硕士学位论文 第二章l 一丝氨酸结晶热力学研究 吣h 工静静p g 卜跏一莩舞) ( 2 垅曲 式中= 主( 飞) - ( ，；- 1 ) 乒1 0 。2 丽q i x i ( 2 - 2 2 b ) 呤费矿聃等， 陆2 2 c ， 2 由热力学函数出发对氨基酸溶解方程模型的推导 p r a u s n i t z 等( 1 9 9 9 ) t m l 完善了固液溶解平衡模型，提出当固液平衡时，纯固 体的逸度等于固体在水溶液中固体的逸度： i 表示溶质氨基酸； 五纯固体= 氓溶质 蒲寰= x i 7 t x i 是氨基酸在水溶液中的摩尔分率。 z 纯固体= 昕5 将式( 2 2 4 ) 和( 2 2 5 ) 代入式( 2 2 3 ) ，并两边取对数可以得到： t n 盼n ( 剖 在温度吓，如果溶液出现过饱和，则吉布斯自由能为： a g = r t 皓 ( 2 2 3 ) ( 2 - 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) 天津大学硕士学位论文第二章l 一丝氨酸结晶热力学研究 由于吉布斯函数是状态函数：可以通过以下的热力学变换来计算，如图2 1 所示。 三相点 温度正 温度r 固态液态 图2 1 计算吉布斯函数的热力学循环 f i g 2 - 1t h e r m o d y n a m i cc y c l ef o rc a l c u l a t i n gt h eg i b b se n e r g yc h a n g e 首先氨基酸在固态温度t ，然后加热到三相点温度t 。( a 到b ) ；第二步，保持三 相点温度点，由固体变为液态；最后液态的氨基酸从t l 冷却到温度t 。相应的热 力学函数变化为： a g = a h - f 怂? 口_ d o - + d口_ d a h 一 + + a h 口 d口 6b - * ec 呻d a s 一蝎+ 醯+ 醚 4 do bb mc d ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) ( 2 - 3 0 ) 式( 2 - 2 9 ) 和( 2 - 3 0 ) 的熔解焓- i 瞎厅和溶解熵加s 可以由下式计算， 丝= f 固态，刀；笺= f 号 刀 a h = a 。a 蜚s 等 丝= 二态，d r ；箩= f 垒严刀 上式中勺为热容。再将式( 2 - 2 8 ) ( 2 3 3 ) 代入式( 2 - 2 7 ) n - - i 煳j ( 2 3 1 ) ( 2 - 3 2 ) ( 2 - 3 3 ) 天津大学硕士学位论文第二章l - 丝氨酸结晶热力学研究 h ( 去 - 等晤一) 一等降一) + 等h c 2 斟， 式( 2 - 3 4 ) 可以用来关联氨基酸的溶解度数据但是形式比较复杂，o r e l l a 和 k i r w a l l ( 1 9 9 1 ) 等【1 刀对此提出了一个简化模型：首先假定三相点温度和溶解温度 差别很小，因此相应条件下两者的溶化焓差别可以忽略，可用使用正常熔点t m 代替t 。并且使用t m 下的溶化焓；第二，溶液在固态和液态下的热容相差不大，因 此式( 2 3 4 ) 右面的第三项可以忽略。式( 2 3 4 ) 可以近似地写为 1 ，一m - i 哆 h 铲一百+ 面 ( 2 3 5 ) 这就是有名的v a n t h o f f 方程。式中有脯，= t 。丛，畸为熔化熵。 b e i n ym u l l i n ( 1 9 8 7 ) 1 8 1 提出可以用溶解焓来代替熔化焓，溶解熵代替熔化 熵。式( 2 3 5 ) 可以变为： - n 铲一百a n d + 等 ( 2 3 6 ) 式中，x 为氨基酸的摩尔分率，埘d 为溶质晶体溶解时的焓变，a s d 为溶质晶体 溶解时的熵变，r 为气体常数，t 为温度。 式( 2 3 6 ) 在形式上和式( 2 - 2 1 ) 相同，本文采用式( 2 - 3 6 ) 关联l 一丝氨酸的溶解度 数据。 2 1 2 溶解度测定方法 溶解度通常用来表示结晶物系得固、液平衡关系。溶解度的大小标志着结晶 收率的极限。溶解度的大小受多种因素的影响，因此测定不同体系下结晶物质的 溶解度，对于提高产率和寻求更好的结晶条件具有现实意义。 溶解度测定方法可以分为“静态法”和“动态法”两类。许多有机物达到平衡的 时间长，由于静态法的设备简单，安装容易，所以至今仍得到广泛应用。动态溶 解度法是一种改变温度或组成，测定相平衡的方法，需要对同一试样以不同的温 升速率进行反复测定。 前人对于l 一丝氨酸在各种混合溶剂体系中的溶解度进行大量的测定工作。郑 远旗、周力等【1 9 】测定t l - 丝氨酸在水和乙醇体系中的溶解度，考察了n a c l 对l - 丝氨酸在混合溶剂中的增溶作用。任小玲等【2 0 】还测定了l 丝氨酸在醇和水溶液中 天津大学硕士学位论文 第二章l 一丝氨酸结晶热力学研究 的溶解焓。j e n n i f e rc l u k ! 引】完整地测定y l - 丝氨酸在水和甲醇体系中的溶解度， 并计算出了在相应体系下的l - 丝氨酸假多晶型转变点。这些实验所采用的测定方 法主要是静态法。 1 液相色谱法 j e n n i f e rc l u k 2 q 采用液相色谱法测定t l - 丝氨酸在水和甲醇混合体系中的 溶解度。将固定配比的溶剂加入过量的l - 丝氨酸固体，在已知的恒定温度，和常 压下至少平衡4 小时，用已经预热过的进样器，吸取少量液相，用色谱分析含量， 通过计算得到相应的l 丝氨酸在相应温度下的溶解度图2 - 2 。 2 光吸收法 郑远旗( 1 9 9 5 ) 【1 9 】采用光吸收法测定2 r e - 丝氨酸在水和乙醇混合体系中的溶 解度。先制定l 一丝氨酸的标准曲线：准确称取预先在1 0 5 c 干燥恒重的0 7 8 8 2 9 l - 丝氨酸，用双蒸水配制成0 3 1 m a o l l 的标准l _ 丝氨酸溶液，分别平行取标准液 0 o o m l ，0 1 0 m l ，0 2 0 m l ，0 4 0 m l ，0 6 0 m l ，0 8 0 m l ，0 1 0 m l ，用双蒸水分别将其补足 1 0 m l ，再分别加入显色剂1 o ( i i l ，摇匀，再1 0 0 水浴保温1 5 1 1 i n 后，立即冷却 至室温，分别加入5 0 乙醇5 0 0 m l ，摇匀，测定其再5 7 0 h m 处的吸收值，以5 7 0 n m 的吸收值为纵坐标，l 一丝氨酸的浓度为横坐标，作图得到其吸收的标准曲线。 图2 2l 一丝氨酸在水和甲醇溶液中的溶解度 f i g 2 - 2 s o l u b i l i t i e so fl - s e r i n ei nw a t e r a n dm e t h a n o lm i x t u r es o l v e n t 图2 3l 一丝氨酸在水和乙醇溶液中的溶解度 f i g 2 - 3s o l u b i l i t i e so fl s e r i n ei nw a t e r a n de t h a n o lm i x t u r es o l v e n t 在分别盛有1 0 0 r a l 双蒸水，2 5 9 5 乙醇和0 5 2 0 m o l l n a c l 溶液的8 支 瓶中，再分别加入使其在不同温度下饱和的足够量的l 一丝氨酸，火焰封管，在 要求温度下与微量注射器保温4 8 h 以上，间歇摇动，取样( 1 0 p 1 ) 测定l - 丝氨酸 的浓度时，不能带出l 一丝氨酸晶体，取样后封管。按要求稀释后按l 一丝氨酸标 准曲线的制备方法测定样品中的l 一丝氨酸的浓度，再以重量法校正溶剂的重量， 天津大学硕士学位论文第二章l 一丝氨酸结晶热力学研究 换算为每l o o g 溶剂中卜丝氨酸的克数，其得到的结果如图2 3 。 两种方法对于结晶热力学研究有一定的缺陷，由于是静态法，平衡时间较长， 没办法用来测定超溶解度，对于光吸收法，还有可能受到杂质的干扰。 2 2 介稳区 结晶过程的推动力就在于结晶体系在热力学上的非平衡性，这种非平衡性就 是结晶体系的过饱和。