（化学工程专业论文）类质同晶甾体化合物的分离过程研究.pdf

摘要 l l a 羟基1 6 a ，1 7 a - 环氧黄体酮( 简称 玎三p ) 是一种重要的激素药物中间体。 工业上，h e p 通过微生物转化1 6 a ，1 7 a - 环氧黄体酮( 简称e p ) 制得，过程转化 率约为4 0 4 5 。为解决工业生产中存在的h e p 和e p 分离难、收率低、产品质 量不稳定等问题，本文对i - i e p 和e p 的分离工艺进行了系统的研究，建立了将 萃取与溶析结晶耦合的“萃取溶析结晶”工艺，以及“浸取一结晶”和“浸取一吸附” 集成的分离新工艺，并成功应用于h e p 和e p 的分离纯化。 根据h e p 和e p 分子与晶体结构的相似性，提出了h e p 和e p 在溶液结晶过 程中形成了固体溶液型混晶的假设。通过设计实验制备出了不同质量比的 h e p e p 混晶产品，并采用x r d 、d s c 以及h p l c 等表征手段证明了该假设的正确 性。从而说明结晶法分离纯化h e p 和e p 必须靠多级结晶完成。 测定了h e p 和e p 在8 种纯溶剂和不同组成的甲苯一氯仿混合溶剂中的溶解 度；研究了溶液热力学，特别是e p 和h e p 相对溶解度对于结晶纯化h e p 的影响。 发现同一溶剂中，e p 相对于h e p 的溶解度越大，结晶所得h e p 纯度越高，氯仿 一甲苯混合溶剂最适合h e p 的分离纯化。， 对开发新型分离h e p 和e p 工艺进行了探索性的研究。提出将萃取分离与溶 析结晶分离相耦合的萃取溶析结晶技术并成功应用于h e p 和e p 的分离。进而研 究了对原料进行浸取分离的预处理方式，将浸取过程与溶析一蒸发结晶过程组 合，通过一次浸取预处理，再两次重结晶实现了h e p 的分离纯化，该工艺较工 厂分离工艺减少两次溶解，两次结晶和一次过滤操作，节约成本2 5 , - - 3 0 左右。 此外，还对经过浸取分离预处理后的原料，经溶剂溶解后进行吸附分离的 浸取一吸附分离工艺过程首次进行了系统研究和优化。对吸附分离过程进行了 系统的研究和优化。根据溶解度数据以及溶解度参数等理论，选择甲醇作为溶 剂，氯仿作为洗脱剂，非极性大孔吸附树脂为吸附剂的吸附过程来实现h e p 和 e p 的分离。通过吸附热力学与动力学数据的测定和关联，筛选树脂，优化了工 艺条件；采用固定床吸附实现了h e p 和e p 的分离。吸附分离与原料的浸取预处 理相结合，采用一步浸取一步吸附即可实现h e p 和e p 的分离，此工艺方案亦表 现出很大的工业应用潜力。同时针对固定床吸附分离h e p 和e p 过程，完成了数 学建模和模拟求解，为以后工业放大提供了基础模型依据。 上述有关研究内容尚未见国内外文献报道。 关键词：1 l a - 羟基1 6 a ，1 7 旷环氧黄体酮固体溶液相对溶解度 萃取溶析结晶吸附分离吸附平衡穿透曲线 a b s t r a c t 1la - h y d r o x y - 16 a ，17 a - e p o x y p r o g e s t e r o n e ( a b b r e v i a t e da sr m p ) i sa ni m p o r t a n t i n t e r m e d i a t ef o rs y n t h e s i so fh o r m o n ep h a r m a c e u t i c a l s i ni n d u s t r y ，h e pi sp r e p a r e d f r o m16 a ，17 a - e p o x y p r o g e s t e r o n e ( a b b r e v i a t e d 铀e p ) t h r o u g hb i o c o n v e r s i o nw i t h l o wc o n v e r s i o n ( a b o u t4 0 - - 4 5 ) t h es e p a r a t i o na n dp u r i f i c a t i o no fh e pi sd i f f i c u l t w i t hl o wy i e l da n d p o o rp r o d u c tq u a l i t y t os o l v et h e s ep r o b l e m s ，as y s t e m a t i cs t u d y o nt h es e p a r a t i o np r o c e s so fh e pa n de pw a sp e r f o r m e d , a n dt h r e ed i f f e r e n tn e w p r o c e s s e sf o rs e p a r a t i o na n dp u r i f i c a t i o no fh e p h a v eb e e nd e v e l o p e di nt h i st h e s i s a c c o r d i n gt ot h es i m i l a r i t yi nt h em o l e c u l a ra n dc r y s t a ls t r u c t u r e so f 髓pa n de p t h es o l i ds o l u t i o nf o r m a t i o no ft h et w os t e r o i d sw h e n 也e yw e r ec r y s t a l l i z e df r o m s o l u t i o nw e r ep o s t u l a t e da n dt h e nc o n f i r m e db a s e do nt h ex - r a yd i f f r a c t i o nc r y s t a l s t r u c t u r ed e t e r m i n a t i o n ，t h e r m a la n a l y s i sa n dc o m p o s i t i o na n a l y s i so ft h ep r e p a r e d h e p e ps o l i ds o l u t i o nc r y s t a l s t h i si n d i c a t e st h a ts e v e r a l s t a g e s o rt i m e s e r y s t a u i z a t i o ni sn e e d e dt og e tp u r eh e pc r y s t a l s 1 1 1 e s o l u b i l i t y o fh e pa n de pi n e i g h t d i f f e r e n t p u r e s o l v e n t sa n d c h l o r o f o r m - t o l u e n em i x e ds o l v e n t sw i 也f o u rd i f f e r e n tc o m p o s i t i o n sw e r ed e t e r m i n e d t h ee f f e c to fr e l a t i v es o l u b i l i t yo nt h ec r y s t a lp u r i t yw a ss t u d i e d t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h eb i g g e rt h er e l a t i v es o l u b i l i t yo fe pt oh e pi s ，t h eh i g h e rt h e p u r i t yo fh e pc r y s t a l sc a nb eo b t a i n e d t o l u e n e - c h l o r o f o r mm i x e ds o l v e n t sa f f o r d t h em o s te f f e c t i v ee n h a n c e m e n to fh e p c r y s t a lp u r i t y n o v e ls e p a r a t i o np r o c e s sw a ss t u d i e da n dc o m p a r e d t h ee x t r a c t i v ed r o w n i n g o u te r y s t a l l m a t i o nw a sp r o p o s e da n ds u c c e s s f u l l yu s e df o rs e p a r a t i o na n dp u r i f i c a t i o n o fh e pa n de pf o rt h e 丘r s tt i m e t h e n ，c o m b i n a t i v es e p a r a t i o np r o c e s s e so fl e a c h i n g w i t hc r y s t a l l i z a t i o nw e r ep r o p o s e d h e pw a ss e p a r a t e da n dp u r i f i e dt h r o u g ho n c e l e a c h i n ga n dt w i c er e c r y s t a l l i z a t i o n t h ee f f i c i e n c yo fp u r i f i c a t i o ni n c r e a s e d2 5 - - 3 0 c o m p a r e dw i t ht h ec u r r e n tf i v et i m e sr e c r y s t a l l i z a t i o ni ni n d u s t r y a l s oal e a c h i n g a d s o r p t i o np r o c e s sw a sp r o p o s e da n ds h o w e db i gp o t e n t i a lf o r i n d u s t r i a la p p l i c a t i o n t h el e a c h i n g - a d s o r p t i o np r o c e s sw a ss t u d i e di nd e t a i l t h e i s o t h e r m a la d s o r p t i o ne q u i l i b r i u mo fh e pa n de p0 1 1d i f f e r e n ta d s o r b a t e sw e r e d e t e r m i n e d s c r e e n i n go fa d s o r b a t e ，s o l v e n ta n dd i l u t i n gs o l v e n tw e r ep e r f o r m e d a l s ot h ea d s o r p t i o nk i n e t i c so f 髓pa n de po nt h es e l e c t e da d s o r b e n tw e r em e a s u r e d t h es e p a r a t i o no fh e pa n de pb yf i x e db e da d s o r p t i o nw a ss t u d i e d t h e b r e a k t h r o u g ha n de l u t i o nc u v v e sw e r ed e t e r m i n e d , t h ep r o c e s sp a r a m e t e r sw e r e o p t i m i z e d h e pw a sp u r i f i e dt h r o u g ho n c el e a c h i n ga n do n c ef o l l o w i n ga d s o r p t i v e s e p a r a t i o n t h em o d e l i n gf o rt h ef i x e db e da d s o r p t i o nw a sp e r f o r m e da n ds o l v e d t h i sw o r ka f f o r d sb a s i cd a t aa n di m p o r t a n tf o u n d a t i o nf o rt h es c a l i n gu po ft h e p r o c e s s a l lt h ec o n t e n t sa b o v eh a v en e v e rb e e nf o u n d e di na n yt y p ed o c u m e n t s k e y w o r d s ：11 a - h y d r o x y 一1 6 a ，1 7 c t - e p o x y p r o g e s t e r o n e ；s o l i ds o l u t i o n ； r e l a t i v es o l u b i l i t y ；e x t r a c t i v ed r o w n i n go u tc r y s t a l l i z a t i o n ； a d s o r p t i v es e p a r a t i o n ；a d s o r p t i o ne q u i l i b r i u m ；b r e a k t h r o u g hc u r v e ； 独创性声明 本人声明所呈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，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁盗盘堂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：耍詹签字日期：乒叼年厂月( 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁鲞蕉鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁鲞苤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： 瑗绣 导师签名： 签字日期：也哆年，月，f 日 签字日期：2 。6 _ 丁年p r 月，厂日 天津大学博士学位论文 1 1 化工分离过程 第一章绪论 化工分离过程是指化工生产过程所产生的混合物分离与提纯过程。化工分 离过程的需求与开发合成方法同样重要。在所有合成反应达到理想化之前( 原 子经济性，无副产品) ，所需产品的分离纯化是必需的。在某些生产过程，分离 过程已成为成本最高的环节，特别是药物的生产。因此，与分离相关的问题有 两个：一个是学会如何高效分离和纯化所需要的化合物；另一个就是开发不需 要这些分离过程的合成路线n 1 。尽管原子经济性是我们最终的目标，但是这个目 标的完全实现恐怕还需要一段相当长的时间。因此，分离和纯化的作用仍然是 不可替代的。 分离剂 图卜1 分离过程的一般原则 f i g 1 1g e n e r i cu n i to p e r a t i o nf o ras e p a r a t i o n sp r o c e s s 图1 - 1 表示了物理分离过程的一般原则幢3 ，其中原料是某种混合物。随着原 料种类和对分离的要求不同，所选用的分离过程、设备以及分离媒介也各不相 同。此处所指的分离媒介可以是某种形式的能量，也可以是某种物质。如在蒸 发过程中，原料是液体，分离媒介是热能；在液液萃取过程中，原料是液体， 分离媒介则是与原料液不相混溶的液体( 即萃取剂) ；在离子交换或吸附过程中， 分离媒介是固体。 第一章绪论 1 1 1 常见化工分离技术 由于化工分离技术的应用领域十分广泛，决定了分离技术的多样性。按机 理划分，分离技术大致可分成5 类：生成新相以进行分离( 如蒸馏、结晶) ； 加入新相进行分离( 如萃取、吸收) ；用隔离物进行分离( 如膜分离) ；用 固体试剂进行分离( 如吸附、离子交换) ；用外力场和梯度进行分离( 如离心 萃取分离和电泳等) ，不同分离方法的特点和设计方法有所不同。 研究资料表明，精馏、萃取、吸收、结晶等仍是当前应用最多的分离技术n j l ， 而吸附分离、膜分离、超临界萃取等技术也得到了快速发展。随着能源、资源、 环境、新材料等基础工业和高新技术的发展，分离技术面临着新的机遇和挑战。 石化领域的分离过程必需进一步节能和降耗，充分利用能源和资源。生产装置 大型化步伐正在加快，能耗和成本不断降低。 鉴于不同的分离方法应用领域的限制，每种分离方法都有一定的应用范围。 对于固体混合物的分离过程，可能应用到的分离技术主要有浸取、萃取、吸附、 结晶以及膜分离等分离方式，下面作一个简单概述。 ( 1 ) 浸取1 ， 浸取过程，也常称为浸出过程，是用某种溶剂把某种物质从固体原料中提 取到溶液中的过程。浸取的原料多数是溶质与不溶性固体所组成的混合物( 如矿 石) ，所得的产物为浸出液，不溶性固体常被称为残渣。浸取过程是历史悠久且 常见的分离过程，日常生活中的人们喝的茶水以及生病时喝的汤药即为茶叶和 中草药的的热水浸取液。在湿法冶金工业中，用浸取过程把矿石中的有用成分 与脉石分开。在食品、医药和化工业中，浸取过程也常作为提取有效成分的有 力武器。在复杂的分离流程中，浸取过程常常是分离过程的第一步，它既可起 到把有用物质从固体转到溶液中的作用，又可起到分离作用。浸取过程中通常 还要考虑溶剂的选择以及固体原料的预处理等。 ( 2 ) 萃取分离州副 一般地说，萃取是指溶于某一液相( 如水相) 的一个或多个组分，在与第二 相( 如有机相) 接触后转入后者的过程，所加入的第二相( 如有机溶剂) ，通常 称为萃取剂。萃取过程的两个液相必须是不相混溶或部分混溶的。显然，萃取 过程是液、液相之间的传质过程，所以通常又称为液一液萃取。又因为用于萃取 的试剂常为有机溶剂，故又常称为溶剂萃取。 萃取过程大多不涉及化学反应的物质传递过程，利用溶质在两种不相溶的 液相中不同的分配关系将其分离出来。溶剂萃取分离是一种低能耗和操作简便 2 天津大学博士学位论文 的方法，广泛应用于原子能、有色金属冶炼、石油、炼焦、油脂以及医药工业 当中。近年来又出现了很多新兴的萃取技术，不仅拓展了萃取这种分离技术的 应用领域，而且使得萃取过程变得更加绿色和环保。新型萃取技术有超临界流 体萃取n 1 1 ，胶体( 胶团) 萃取n 2 1 以及双水相萃取n 们等。 ( 3 ) 膜分离u 叫 膜分离是借助于膜的选择渗透作用，对混合物中溶质和溶剂进行分离、分 级、提纯和富集的方法。膜分离技术的基本原理一是根据物理性质的不同，如 体积、质量和几何尺寸差异，用过筛的办法将其分离；二是根据混合物化学性 质的不同而引起透过膜速率的差异，从而实现混合物的分离。膜分离过程一般 在常温或温度不太高的条件下操作，既节约能量又适用于热敏件物料的处理， 因而在生物、食品、医药、化工、水处理过程中倍受欢迎。大多数膜分离过程 都不发生“相 的变化，并且通常是在室温下进行，特别适用于对热敏物质的 分离。膜分离且还适用于许多特殊溶液体系的分离，如溶液中大分子的分离、 无机盐的分离、一些共沸物和近沸点物系的分离等。分离过程中一般无需从外 界加入其他物质，可以实现同时分离与浓缩。膜分离技术具有成本低、能耗少、 效率高、无污染并可回收有用物质等优点。膜催化反应可以“超平衡”地进行， 提高反应的选择性和原料的转化率，节省资源，减少污染。因此，膜技术是重 要的绿色化工技术。用膜分离有机物是一个重要的发展方向。目前广泛应用的 膜分离技术有以下几种：反渗透，超滤，电渗析以及渗透气化( p e r v a p o r a t i o n ) 等。 ( 4 ) 吸附分离p 。 吸附过程是指固体颗粒有选择地把流动相( 气相或液相) 中一定组分累积 和凝聚在其内外表面上的过程。当两相组成一个体系时，其组成在两相界面与 相内部是不同的，处在两相界面上的成分产生了积蓄，这种现象称为吸附；在 两相界面上，被吸附的物质称为被吸附物，也称为吸附物；而吸附相称为吸附 剂。吸附剂一般具有多孔结构，很大的比表面积，甚至超过1 0 0 0 m 2 g 。吸附分 离通过混合物中不同组分与吸附剂的物理、化学作用不同，从而吸附选择性不 同而实现分离。 化工吸附分离成为大型工业的生产工艺和完整的单元操作过程，是在2 0 世 纪六十年代。由于世界能源短缺，急需探索节能的工艺和化工单元操作，同时， 对环境污染治理的要求也越来越多，一些新兴的食品和轻工等行业也提出了更 高的分离要求，使化工吸附分离这一学科日益得到重视。另一方面，合成材料 3 第一章绪论 有了新的发展，许多性质优良的吸附剂不断出现。特别是高分子合成树脂的出 现，不仅取得了活性炭那样的较大的比表面积，还解决了活性炭吸附剂的不可 逆吸附所导致的吸附剂的不可再生性，从而从根本上改变了吸附分离技术的格 局。合成树脂的这种容易脱附的性质对于分离和回收那些有价值的物质是非常 重要的。在上述两方面的基础上，吸附分离技术得到了突飞猛进的发展，出现 了如变压吸附、模拟移动床、色谱分离等一些先进的技术，同时取得了工业装 置上的成功。目前吸附分离技术已经广泛应用于环保，石油化工，制药以及海 水与湿法冶金等工业中。 ( 5 ) 结晶分离 结晶是固体物质以晶体状态从蒸汽、溶液或熔融物中析出的过程n 利。结晶 在物质的分离纯化过程中有着重要的作用。随着工业的发展，高效低耗的结晶 分离技术在石油、化工、生物技术及环境保护等领域的应用越来越广泛n 8 1 。结 晶分离技术近年来发展很快，传统结晶法进一步得到发展与完善，新型结晶技 术也正在工业上得到应用或推广。随着国际化工市场的竞争日趋激烈，要求化 工产品的质量不断提高而成本则不断降低，因此，新型结晶分离技术不断得到 开发和应用。结晶分离与其他分离方式的集成与耦合越来越引起人们的关注， 如蒸馏、萃取等与结晶耦合的分离工艺。 1 - 1 2 化工分离科学发展趋势 化工分离科学表现出以下趋势强1 ： 1 过程强化。过程强化包括很多方面，最重要的就是要提供当前过程所不 具有的收益。如改善化学过程，强化安全性，改进工艺操作和装置，节约能量， 环保，降低成本与投入等。这是化工分离技术发展的重要趋势之一。 2 过程集成。对化学化工过程进行优化，从概念到过程流程的综合考虑等。 3 超纯化合物的需求。电子工业、光纤、纳米、制药与食品工业等经常会 有生产超纯产品的要求。 4 对新的分离材料的需要。分离过程的质量分离剂是对分离过程非常重要 的，开发新型材料，使之具有更高的装载能力、更好的选择性、更温和的条件 以及耐受更宽的化工环境等，并具有更好的机械性能与化学稳定性将对分离过 程的改善大有裨益。 5 新型分离设备与装置。任何能使设备小型化、能量高效化和有利于可持 续性发展的化工分离新技术均属于分离过程的强化之列。 4 天津大学博士学位论文 6 复合分离技术 在一个分离过程中运用两种或多种分离剂，将不同的分离技术耦合、集成， 以提高分离过程的处理能力和分离效率，已经成为化工分离的一个趋势。充分 利用两种或多种分离方法的优势，互相促进、互相补充，提高分离效率，降低 过程费用。复合分离技术如今已得到很大的发展，膜精馏、吸附精馏、反应萃 取、络合吸附、膜萃取、膜结晶、萃取结晶等新型耦合分离技术得到了长足的 发展，并实现了工业化。耦合分离技术可能解决许多传统分离难以完成的任务。 1 2 本文研究背景及工作 1 2 1 课题研究体系与要求 在化工产品和药物生产过程中，分离过程往往是影响产品成本的重要因素。 纯度是描述产品质量的一个重要指标，因为杂质的存在可能会严重影响产品的 性能甚至是安全。在产物的分离纯化过程中，经常要用到多种分离技术，当最 终产品是固体形态的时候，结晶往往是产品的分离纯化过程的最后一步n l l 9 ，捌。 为了提高分离过程效率，基于不同分离过程的耦合分离工艺越来越显示出其优 越性。， 本文工作的重点在于研究两种结构相似的甾体化合物：1 1 旷羟基1 6 a ，1 7 旷 环氧黄体酮( 以下简称h e p ) 和1 6 a ，1 7 旷环氧黄体酮( 以下简称e p ) 的分离过 程研究与工艺开发上。h e p 和e p 是工业上应用的两种重要的激素药物中间体， 是合成可的松、强的松以及肤轻松等皮质激素药物的重要原料晗1 捌，h e p 和e p 的化学结构式如图卜2 所示，主要物理性质列于表1 - 1 中。其中h e p 是通过微 生物黑根霉菌发酵转化e p 得到的，将e p 经过羟基化成为h e p 后能够用于合成 更多的激素药物，因此h e p 是本文研究中希望得到的产品，而e p 则希望在分离 过程中得到回收利用。 图卜2 微生物转化e p 制备h e p f i g 1 - 2p r e p a r a t i o no fh e p f r o me pb ym i c r o b i a lf e r m e n t a t i o n 5 第一章绪论 表1 - ih e p 和e p 的主要性质比较 ! 盐! 曼! ：! 堡垒婴型! 塑q 婴垫巳翌巳型箜笪壁里幽墼 e ph e p 1 2 2 课题背景与国内外研究现状 1 9 5 5 年，p e t e r s o n 等人晗3 3 与e r c o l i 等人协1 几乎同时提出了用微生物转化 的方式来实现了从e p 到h e p 的转变，从此拉开了从h e p 合成各种激素类药物的 序幕。我国黄鸣龙教授等人于1 9 5 8 年用黑根霉菌对e p 进行1 1 a 羟基化，从而 研究成功从薯蓣皂素合成可的松的七步法合成路线，实现了我国第一个用于甾 体药物生产的微生物合成堙副。在接下来的时间里，大部分的研究都集中在如何 提高微生物羟基化过程的转化率上，在这方面我国学者研究较多一1 。1 9 5 8 年， 我国开始采用发酵的溶媒法生产。1 9 7 5 年东北制药总厂采用微粒法投料生产。 1 9 8 0 年代后期，西方发达国家受到该工艺原材料薯蓣皂素大幅提价的影响以及 对于该合成路线改进的失望，相继放弃了这一合成激素药物中间体的路径，开 始寻求从胆固醇和b 一谷甾醇为原料的替代路线。但是由于我国已大量种植用来 提取薯芋皂素的黄姜，这条生产工艺在我国有充足的资源，所以使用至今。 由于受生物发酵过程的选择性和条件的限制，由e p 制备h e p 过程转化率一 直不是很高，而且转化率和发酵过程的底物浓度有关。以底物浓度0 1 投料， 转化率可达8 5 左右。但若以1 投料，并在使用分散剂来强化转化过程的情 况下，转化率仅为5 5 乜k 3 副。经过多年的研究，工业生产中，采用2 的e p 浓 度，微粒投料法从e p 生产h e p ，但是转化率一直没有突破5 0 。目前国内做的 较好的天津药业集团，其单程转化率仅为4 0 4 5 左右。 由于在转化率的提高上一直没有太大的突破，发酵产物中含有大量的未反 应完的e p ，必须对产品进行进一步分离精制得到较纯的h e p 产品晦1 。因此，分 离和纯化h e p 的主要目的就是要将h e p 和e p 分离，得到e p 含量小于1 的h e p 精品和h e p 含量小于7 的e p 回收品。 由于在 i e p 的下游产品合成路线中，其纯度质量决定着下游产品的最终质 量和药效，从而影响着产品的国际竞争力。所以h e p 与e p 的分离过程已经成为 6 天津大学博士学位论文 改善产品质量的关键步骤。 然而由于h e p 与e p 在分子结构上的相似性，二者的分离并不容易。目前工 业上从粗品( e p 约占5 5 5 9 ，h e p 约占4 1 - 4 5 ) 开始，使用氯仿与甲苯混 合溶液作为溶媒，采用5 次蒸发重结晶进行分离纯化，最终得到e p 含量低于1 的h e p 精品。由于蒸发结晶消耗能量较大，而且5 次重结晶不仅耗时耗力， 而且增加了大量的辅助操作，如过滤、干燥、洗涤等，严重影响了后续产品的 成本和质量。据有关资料统计，分离纯化等后处理的费用往往会占到产品总成 本的4 0 - - 6 0 ，甚至更高，因而成为整个生产工艺成本无法降低的瓶颈。 1 2 3 课题的意义与研究内容 鉴于h e p 生产和分离过程的现状，开发新型的分离纯化工艺来提高产品质 量并有效的降低生产成本与能耗，不仅具有十分重要的理论和应用价值，而且 成为提高我国激素药物行业在国际上的竞争力的重中之重。受我国最大的皮质 激素药物及中间体生产企业天津药业的委托，本实验室承担了研究和开发 新型工艺来分离纯化h e p 和e p 并最终实现工业应用的这一研究项目。 为解决h e p 在生产中存在的问题，本文对h e p 和e p 的分离过程进行了较系 统的研究，对各种可能的分离工艺进行了分析，筛选，最后确定了一条可行的 分离方案。其具体内容如下： 1 对h e p 和e p 的晶体结构进行测定和表征，提出并证明了h e p 和e p 在溶液结 晶过程中形成了有机固体溶液型混晶体系。从而判断采用传统的结晶方式需 要多级结晶才能实现h e p 的纯化。 2 测定了h e p 和e p 在不同的溶剂中的溶解度，研究了溶液热力学对于h e p e p 固体溶液体系分离纯化的影响。为结晶分离工艺的优化和设计提供了基础数 据。 3 根据热力学对结晶分离过程影响的研究结果，优选溶剂系统，优化和改进结 晶分离过程，以结晶纯度和收率为主要目标，结晶形态和粒度分布为次要目 标，采用优化的溶析一蒸发结晶法通过3 4 次重结晶实现了h e p 的分离纯化。 4 为了强化分离过程，本文提出了将萃取分离与溶析结晶分离相耦合的新型分 离工艺一萃取溶析结晶技术。该工艺表现出分离难分离化合物的优势和潜力， 这一过程尚属首次提出并用于h e p 和e p 的分离纯化。实验过程可行，技术经 济较为合理。 5 提出了用浸取分离对原料进行预处理的方法。继而通过与其他分离技术组合， 7 第一章绪论 显著提高分离过程效率。将浸取过程与溶析一蒸发结晶过程组合，先一次浸 取预处理，再两次重结晶实现了h e p 的纯化，该工艺较工厂生产工艺减少两 次溶解，两次结晶和一次过滤操作，节约成本2 5 3 0 左右。而对经过浸取 分离预处理的原料经甲醇溶解后采用吸附分离的浸取一吸附分离工艺，表现 出很大的应用潜力。 6 对有工业应用潜力的吸附法分离工艺进行了较为详细的研究。测定了h e p ，e p 在不同树脂的吸附等温线，筛选吸附剂，溶剂和洗脱剂。同时研究了h e p 和 e p 在所选树脂的吸附动力学曲线，得出吸附过程吸附质在吸附树脂内的扩散 系数，为吸附过程设计和模拟提供基础数据。 7 测定了固定床吸附分离过程的穿透曲线和洗脱曲线，优化工艺条件；对进行 吸附过程建模、求解，从而为实现工业放大奠定了基础。 上述研究内容尚未见有关文献报道。 天津大学博士学位论文 第二章h e p i e p 二组元固体溶液型混晶的形成 在第一章我们介绍了目前依靠结晶的方法来分离h e p 与e p 是非常困难的。 对于发酵后的产物( h e p 和e p 的混合物) ，通过甲苯一氯仿体系重结晶一次所得 到的产品纯度不到8 0 。因此，在本章中我们进行了一系列的结晶实验以及晶 体结构测定与表征，提出并证明了造成h e p 和e p 通过结晶的方法难以分离的主 要原因是在结晶的过程中，h e p 和e p 形成了固体溶液，从而使得必须依靠多级 结晶才能达到比较纯的产品。 2 1 理论基础 2 1 1 二组元固体溶液及相图 二元固体溶液( 又称混晶) 指的是晶体a 中溶解了大小适合并均一分布的另 一种物质b ，形成均一稳定的固态溶液的单相晶态固体n 7 。3 9 1 。 从晶体结构的观点看固体溶液可分为三类：分别是取代型、填隙型和缺位 型固体溶液【柏】。所有这三种固体溶液都有一个共同特点，即第二组分( 溶质) 的原 子( 分子或离子) 在第一组分的晶体中的分布是完全无秩序的。如果考虑两种 组分互溶的程度，那么又可能有两种不同的情况：两种组分可以以任何比例 互溶，就好象水和乙醇一样：两种组分的互溶是有限度的，a 晶格中只能容纳 有限数目的b 原子，b 晶格中亦只能容纳有限数目的a 原子，就如同水和乙醚的 情况那样。在前一种情况下，生成的是连续型固体溶液；而在后一情况时，则 只能生成有限型固体溶液。这种有限有限型固体溶液在结构上和相应的纯组分 的晶型相同，只是晶胞参数略有不同。 溶解度不同则会产生不同类型的相平衡状态图。所以下面将按生成连续型 固体溶液或生成有限型固体溶液，对较为常见的几种r o o z e b o o m 相图进行简单 的介绍啪一。 1 当生成连续混溶型固体溶液时，根据液相线的变化方向，可以有三种类 型的状态图： 在一个组分附近，液相线上升，而在另一组分附近则下降；或者说，加 9 第二章h e p e p 二组元固体溶液型混晶的形成 入一种组分使体系熔点升高，而加入另一组分则使之降低。这种类型的状 态图如图2 - 1 中i 所示。 么夕 一 飞迎乡7 斩 湃 图2 - 1 描述固体溶液体系的五种r o o s e b o o m 型相图i 一固态无限混溶型； 一带转熔点的有限互溶型；v 一带低共熔点的有限互溶型。 f i g 2 - 1f i v et y p e sr o o s e b o o mp h a s ed i a g r a mo f s o l i ds o l u t i o ns y s t e m ，i ，i i ，m - - u n l i m i t e d s o l u b i l i t yi ns o l i ds t a t e ；n - - l i m i t e ds o l u b i l i t yw i t hp c r i t e c f i cp o i n t ；v l i m i t e ds o l u b i l i t yw i t h e u t c c f i cp o i l l t 加入任一组分都使熔点升高，因而液相线离开纵轴时总是上升的。这时 图形上将将有一最高点，如图2 - i 中i i 所示。 在任一纯组分中加入第二组分都使熔点降低，显然，这时的液相线将下 降而在图形中出现最低点，如图2 - i 中i i i 所示。 在这三种图上，温度较高的都表示固一液平衡时液相组成的液相线，而温度 较低的则是相应的表示固相组成的固相线。 2 当生成有限混溶型固体溶液时，只有两种类型的状态图：加入一个组 分使液相线降低而加入另一组份使之升高的转熔型( 图2 1 中i v ) ；任一纯组 分中加入其他组分都使液相线降低的低共熔型( 图2 一l 中v ) 。 相图的测定常用热分析法m 4 1 3 。物质在发生相变时要释放( 或吸收) 热量， 热分析法就是通过测定热量的变化来确定相变化，测定相变温度的。热分析法 测量速度快、准确，样品消耗量少，是一种比较理想的测定手段。 差示扫描量热法( d s c ) 是国际上通用的热分析法，已广泛用于多种物系的 测定工作中h 羽。d s c 装置中的实验样品和参比物具有各自的热输入，参比物的 温度采用程控匀速变化，而改变实验样品的热输入量，在测定过程中始终维持 1 0 天津大学博士学位论文 样品和参比物的温度相同。样品温度和向实验样品和参比物输入的热流量的差 值( 即热流量差) 由记录仪记录。它是一种将与物质内部相转变有关的热流作 为时间和温度的函数进行测量的热分析技术。这些测量能提供物质在物理和化 学的变化过程中热效应变化，包括吸放热、热容变化的定量或定性的信息。此 法分析速度快，样品用量少且制作简便，对固液体皆适用，有较宽的测温范围 及优良的定量能力，是近年来最为广泛应用的热分析技术。 差式扫描量热法的基本原理池1 是把试样及参比物放在热环境中以相同的速 率升温或降温，随着温度的变化记录单位时间内试样和参比物两者从周围热环 境中所吸收的热量差。在程序升温或降温的情况下，若样品不发生任何物理或 化学变化，单位时间内试样和参比物从外界所吸收的热量差应该是相同的；当 样品发生了某些物理或化学变化时，如样品熔化、分解或晶体结构发生变化等， 由于样品在变化过程中的热效应，它和参比物从外界吸收放出的热量差就会发 生突变，在记录仪上出现偏离基线的峰。而且在样品组成出现变化的时候，能 够在d s c 的出峰位置与峰形上出现相应的变化。从而根据温度一组成的关系可 以确定相图。 2 1 2 形成有机分子固体溶液的条件 3 7 , 3 8 对有机分子晶体的表征使得我们能够对有机物质在固态中的相互溶解行为 有更深一步的研究。1 9 5 6 年，k i t a i g o r o d s k y 提出了形成固体溶液体系的几何 条件，但是这个普遍性的条件被证明不能应用于那些原子间的电荷作用远大于 对称性和密集堆积效应( c l o s e p a c k i n gf a c t o r s ) 的影响的那些化合物。很明 显，对于两种有机物质来说，要想形成固体溶液，只能靠分子取代的形式。实 际上，有机分子晶体分子排列的堆积系数( p a c k i n gc o e f f i c i e n t ) 一般在0 6 0 8 左右，说明晶体结构中分子的排列是很紧密的，分子间空隙相对于分子来说 是很小的，因此形成填隙型固体溶液的可能性是很小的。下面我们将只就分子 取代型固体溶液体系进行讨论。 根据k i t a i g o r o d s k y 的论述，有机物质之间形成固体溶液型晶体的充要条 件是各组分分子的形态和尺寸上具备高度的相似性口们。因为只有在这种条件下， 发生分子取代时才不会造成晶体中分子间作用和距离的太大变化，从而不会引 起溶液晶体的总体自由能的升高。研究表明，当两种或几种分子间距离比原来 纯物质时的分子间距降低3 0 时候( 如蒽在氮蒽中) ，- 种物质在另一种物质间 的溶解就会马上停止。因此，对于小分子取代大分子晶体的可能性最大。 第二章h e p e p 二组元固体溶液型混晶的形成 对于形成连续型固体溶液，除了堆积系数外，其它的必需条件如对称性等 也是也必要的：即混合的两种物质的晶体必须是同晶型的；换句话说，他们必 须不仅空间群相同，晶胞内的分子数相同，而且分子的堆积方式也要相似。如 果这些条件不能同时满足的话，那么溶解度曲线上将出现不连续的现象。 2 1 3 有机分子混晶及鉴别 相比于简单的无机盐类，有机分子形成固体溶液的机会大大减小。因为有 机分子结构之间的差异要远远超过那些相同价态的简单离子。2 0 世纪中期以来， 关于有机分子混晶的报道越来越多。其中绝大部分关于有机分子混晶的报道是 关于有机光学材料方向的，通过控制混晶中组分的相对比例，人们得到了具有 更加优越光学性能的材料h 3 。4 8 1 。但是除了材料学方面报道的这些主动制备的大量 混晶物系外，其他的关于混晶体系的报道则相对较少，如在化工分离过程心玎 和生物发酵过程拍妯3 1 中的一些意外发现。由于有机固体溶液体系所涉及的范围相 当的广泛，从烷烃衍生物嘲1 、芳香化合物嵋胡到杂环化合物m 3 ，甚至到近年来热 门的足球烯类c 6 0 c 7 0 嘲3 的混晶体系均有报道。鉴于本文的研究体系为甾体化合 物，以下集中介绍一下关于甾体化合物混晶体系的一些报道。 在甾醇和甾体物质的微生物发酵过程中，在底物和产物间形成混晶很早就 被提出和证明了。d a v i s 啼钉以及k a r p u j 哺8 1 发现胆固醇和谷甾醇的l ：l ( 质量比) 混合物从溶液中结晶析出时，能形成混晶。g o e t s c h e l 和b a r 踌2 1 以及m a x o n 等人 发现甾微生物转化过程中形成混晶，而且这种混晶的形成阻碍和影响了发酵 过程，造成了转化率的降低。近年来，c h r i s t i a n s e n 等人拍掣1 报道了缓慢蒸发 胆固醇和谷甾醇混合物的乙醇溶液的方法得到了不同比例的胆固醇和谷甾醇混 晶。m e l n i k o v 等人甚至发现胆固醇可以在肠道内与植物甾醇形成混晶而影响胆 固醇的吸收饰u 。但是，目前还没有关于h e p 和e p 形成混晶及固体溶液的报道， 无论是结晶过程还是微生物转化过程。 对于固体溶液型混晶的鉴别，x 射线衍射技术和热分析技术是两种重要的分 析手段。x 射线衍射技术能够监测形成混晶后晶体结构所发生的变化，而热分析 技术能够对形成的混晶熔点及熔化行为进行分析测定，从而判断是否形成固体 溶液。这两种技术能够提供必要的互补性信息，已经成功用于多个固体溶液型 混晶的判定晦棚瑚，。同时应用高效液相色谱对晶体产品的组分进行含量测定也有 利于鉴别混晶形成以及不同组分在混晶中的含量。 1 2 天津大学博士学位论文 2 2 实验研究 实验用h e p 和e p ( 纯度大于9 9 0 ) 由天津天药股份公司提供，d m f 溶剂 购自天津化学试剂厂，分析纯，去离子水。 ( 1 ) h e p 和e p 单晶的制各 h e p ，e p 单晶的培养采用蒸发溶剂的方法。将h e p 或e p 溶解于甲醇，丙酮和 氯仿等有机溶剂，置于烧杯中。在杯口盖上一层滤纸或有小孔的塑料膜，防止 灰尘落入，静置，让溶液缓慢蒸发。当溶液达到饱和时，就会自动地结晶出单 晶体，待晶体长大到合适的尺寸后取出进行结构测定。本文曾通过改变溶剂和 结