維生素C冷卻結(jié)晶研究

孫莉

(江蘇江山制藥有限公司 江蘇靖江 214500)

維生素C的生產(chǎn)主要是由萊切斯坦法和二步發(fā)酵法來進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)的。由于萊切斯坦法在生產(chǎn)中操作難度大,生產(chǎn)過程中需要具有毒性和腐蝕性的介質(zhì),因此,研究出新的維生素C合成工藝后逐漸將萊切斯坦法代替。二步發(fā)酵法是由眾多科研機(jī)構(gòu)共同開發(fā)的維生素C合成新工藝。在上個(gè)世紀(jì)末還未投入工業(yè)生產(chǎn)中,而在本世紀(jì)成為了眾多生產(chǎn)維生素C廠家共同使用的方法。在維生素C生產(chǎn)過程中,其結(jié)晶是影響維生素C質(zhì)量的關(guān)鍵,因此,國(guó)家對(duì)維生素C結(jié)晶的研究一直都投入了大量關(guān)注。本文將就此研究維生素C冷卻結(jié)晶。

1 維生素C的物質(zhì)化

1.1 維生素C 的晶體結(jié)構(gòu)

晶體的性質(zhì)是由內(nèi)部結(jié)構(gòu)來決定的,兩種相同的物質(zhì),在生產(chǎn)條件不同時(shí),其晶體結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生不同。在化學(xué)醫(yī)藥物品中,化學(xué)成分或化學(xué)分子相同,但是分子的結(jié)晶結(jié)構(gòu)發(fā)生了差異,就會(huì)導(dǎo)致藥物效果降低或沒有效果。維生素C分子中具有碳原子和幾個(gè)異構(gòu)體,其中S-異構(gòu)體的抗血酸能力較強(qiáng),而L-異構(gòu)體得抗血酸能力差,其他的異構(gòu)體不具備藥物效果。由著名學(xué)者康庫(kù)林等人對(duì)生物體內(nèi)注入維生素C對(duì)其機(jī)理產(chǎn)生的變化進(jìn)行了研究和關(guān)注。

梅倫德斯和莫拉等人采用了幾何計(jì)算法,使用幾種不同的晶體儀器對(duì)維生素C的內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,在研究中發(fā)現(xiàn)了維生素C晶體分子中的空間結(jié)構(gòu),維生素C晶體屬于傾斜晶系,為P43空間類別,其晶體細(xì)胞參數(shù)為:

c=1.245lan;z=0.9256lan;s=1.0426lan與g=97.28°

晶體細(xì)胞體積為:0.52476lan(β=245G)。

1.2 維生素C 結(jié)晶溶劑

結(jié)晶物質(zhì)是結(jié)晶工藝和結(jié)晶設(shè)計(jì)過程的重要依據(jù)。維生素C在生產(chǎn)中所需溶劑為水或其他混合物。維生素C和水的物系屬于低共溶物系。由于低碳醇的存在,減小了L-抗壞血酸在水中的溶解度,在同一溫度下,醇的質(zhì)量溫度每增加10%(wt%,下同),L-抗壞血酸的溶解度分別減少2.2%(甲醇)、3.3%(乙醇)和3.8%異丙醇。因此,在L-抗壞血酸結(jié)晶過程中,向L-抗壞血酸水溶液里加入低碳醇可以降低結(jié)晶母液的濃度,從而提高L-抗壞血酸的一次結(jié)晶收率。在上個(gè)世紀(jì)八十年代末,由部分學(xué)者通過實(shí)驗(yàn),在維生素C的生產(chǎn)中,使用水與乙醇等物作為混合劑,測(cè)定出維生素C可以與水和乙醇等化學(xué)物產(chǎn)生類似二元化固體液態(tài)相同的數(shù)據(jù)。從數(shù)據(jù)中看,維生素C在水中或水與乙醇的混合液體中的溶解度高,對(duì)冷熱比較敏感,比維生素C在水系物質(zhì)液體中的熔點(diǎn)低,水和乙醇的混合物在低溫中從化學(xué)水合物中分解出來,因此,維生素C在水與乙醇的混合固態(tài)液體中低熔點(diǎn)不是一個(gè)穩(wěn)定值,維生素C與水和乙醇混合物不是低熔點(diǎn)物質(zhì)體系[3]。

1.3 維生素C 結(jié)晶物質(zhì)的介穩(wěn)區(qū)

工業(yè)生產(chǎn)中,結(jié)晶的變化過程一般是在介穩(wěn)區(qū)來進(jìn)行的,極限冷度數(shù)據(jù)是結(jié)晶設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。在維生素C與水的物質(zhì)系以及維生素C與水和乙醇的混合物質(zhì)體系中,使用激光檢測(cè)法來檢測(cè)。通過實(shí)驗(yàn)可以得到數(shù)據(jù),在極限冷度中,維生素C的水溶液:Gmax=44.854K;維生素C與水和乙醇的混合物:Gmax=28.632K。因此,維生素C與水和乙醇混合劑中,其介穩(wěn)區(qū)相對(duì)比維生素C在水中的寬度窄,因?yàn)樗臍渥饔帽纫掖几?乙醇在混合劑中降低了維生素C與水的相促進(jìn)作用,使內(nèi)核分子壁壘降低,直接使介穩(wěn)區(qū)變窄。而在研究中,對(duì)維生素C水中物質(zhì)系和維生素C水與低碳醇結(jié)構(gòu)物質(zhì)系進(jìn)行實(shí)驗(yàn),在維生素C與水和乙醇的體系中,極限冷度和冷卻的關(guān)系為:KT=91.23KT1.23。在低溫速度測(cè)試中為:KT=4.48×8K/c,維生素C、乙醇、水的質(zhì)量分別在43.4%、13.2%、43.4%,在加入其他晶體的條件下,溶液在極限冷度中為KT=18.021K/c,與用經(jīng)驗(yàn)式計(jì)算法計(jì)算的極限冷卻數(shù)值基本相同。

2 維生素C結(jié)晶的動(dòng)力學(xué)

維生素C結(jié)晶動(dòng)力學(xué)是對(duì)維生素C結(jié)晶過程的分析、操作等基礎(chǔ),部分學(xué)者對(duì)維生素C在低碳醇水溶液中產(chǎn)生的結(jié)晶動(dòng)力學(xué)都進(jìn)行了研究。在結(jié)晶產(chǎn)生的過程中對(duì)比了維生素C濃度變化和各項(xiàng)操作的關(guān)系。根據(jù)試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)對(duì)比,得到乙醇與水的混合劑中維生素C的結(jié)晶動(dòng)力學(xué)中公式為:

在異丙醇與水的混合劑中維生素C的結(jié)晶動(dòng)力學(xué)公式為:

在發(fā)現(xiàn)維生素C結(jié)晶成核的同時(shí)對(duì)結(jié)晶動(dòng)力學(xué)展開了研究,發(fā)起結(jié)晶成核率與溶液極限冷度速率具有函數(shù)關(guān)系。部分學(xué)者將成核率與過度飽和度關(guān)聯(lián)在一起。在進(jìn)行結(jié)晶動(dòng)力學(xué)研究中,對(duì)反饋回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究后可以發(fā)現(xiàn),維生素C在水溶液中初次成核和第二次成核后,飽和值分別為:3.24和2.63,并且,由于晶體產(chǎn)品的每個(gè)粒度都大致算出維生素C的平均生長(zhǎng)速度為10-5m/s。通過考察間歇冷卻結(jié)晶過程的溶劑組成,可以對(duì)結(jié)晶動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生影響,并且,分別測(cè)試出水與甲醇、水與乙醇、水與異丙醇的溶液系統(tǒng)中,維生素C的結(jié)晶成長(zhǎng)速度率和成核的速度率[2]。

在運(yùn)用間歇?jiǎng)討B(tài)法中的拉式變換法測(cè)試了維生素C在水和乙醇的溶劑中結(jié)晶動(dòng)力學(xué)指數(shù)。根據(jù)試驗(yàn)中的固定乙醇和水的比例,分別使用攪拌速度、過度飽和率及溫度等操作,對(duì)維生素C在水和乙醇混合液中結(jié)晶速度率和成核生長(zhǎng)率產(chǎn)生影響,根據(jù)試驗(yàn)后的數(shù)據(jù)得到動(dòng)力學(xué)公式為:

結(jié)晶速度率:G=1.22exp(3.3×10-5/PT)△c0.23;

成核生長(zhǎng)率:B=4.6×84exp(1.47×10-5/PT)△c1.33MT3-4.2

3 維生素C冷卻結(jié)晶的發(fā)展

評(píng)定結(jié)晶產(chǎn)品質(zhì)量的主要參考數(shù)據(jù)為晶體粒度分布、晶體的穩(wěn)定性等。晶體收獲率直接影響了生產(chǎn)成本和效益的獲得。維生素C結(jié)晶時(shí),需要采用結(jié)晶操作方式、溶劑的選擇、冷卻降溫的確定、增減晶種等多種因素,可以對(duì)維生素C產(chǎn)品的收獲率、穩(wěn)定性等都具有影響,也就是說,結(jié)晶工藝的發(fā)展直接影響著結(jié)晶需要的成本以及收獲后效益的增減,因此,對(duì)于結(jié)晶工藝發(fā)展的研究,是多年來企業(yè)和工業(yè)研究領(lǐng)域的重要一項(xiàng)科目。

維生素C結(jié)晶產(chǎn)生的過程中需要進(jìn)行提純,而在提純的過程中,對(duì)操作技術(shù)的要求是非常高的,一步出錯(cuò),都會(huì)影響維生素C產(chǎn)品的質(zhì)量和收獲。并且,在維生素C結(jié)晶前,需要對(duì)其進(jìn)行仔細(xì)檢查,避免溫度過高和保持室內(nèi)常態(tài)濕度,這樣可以避免維生素C在結(jié)晶的過程中加速降解,使結(jié)晶收獲降低。

在維生素C結(jié)晶過程中影響最后結(jié)晶收獲率和產(chǎn)品粒度的因素有很多,在經(jīng)過不同程度的維生素C冷卻結(jié)晶測(cè)試后發(fā)現(xiàn),要得到維生素C結(jié)晶的粒度分布大且均勻的維生素C,需要維生素C的質(zhì)量數(shù)值在40%—55%左右為最佳,在冷卻中速率要在0.6°C/min以內(nèi),這樣產(chǎn)出的結(jié)晶收獲率比較高,可在90%以上[4]。

關(guān)于維生素C結(jié)晶工藝的研究目前也得到了極大發(fā)展,獲得了眾多的經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)數(shù)據(jù),但是由于維生素C結(jié)晶的物質(zhì)構(gòu)成比較復(fù)雜,因此,對(duì)其有關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工藝水平上來說,還需要進(jìn)一步發(fā)展,才能使維生素C結(jié)晶對(duì)社會(huì)發(fā)展起到積極作用。

4 結(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)久以來,雖然我國(guó)是維生素C生產(chǎn)大國(guó),但是,我國(guó)在維生素C生產(chǎn)上面對(duì)著設(shè)備舊、效率低、成本高、質(zhì)量低等問題。在產(chǎn)品的收獲率和質(zhì)量以及操作技術(shù)水平等比國(guó)際上維生素C生產(chǎn)技術(shù)檔次低,為此,解決其核心問題是目前改變這一狀況的最根本方法。在經(jīng)過眾多研究機(jī)構(gòu)的發(fā)展和探索中,研究出了維生素C在結(jié)晶過程中的新工藝,并逐漸的在生產(chǎn)單位中陸續(xù)投入使用,這也使經(jīng)濟(jì)的發(fā)展得到提高。

[1]尹秋響,仲維正,王勝春,王靜康.小粒度維生素C冷卻結(jié)晶動(dòng)力學(xué)[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào),2010,5(12):22-25.

[2]王勝春,尹秋響,王靜康,張曉風(fēng),王立群.維生素C冷卻結(jié)晶研究進(jìn)展[J].化學(xué)工業(yè)與工程,2012,12(23):15-18.

[3]王勝春,李保升,田永淑.小粒度維生素C結(jié)晶過程動(dòng)力學(xué)的測(cè)定[J].河北理工學(xué)院學(xué)報(bào),2010,8(34):12-14.

[4]王敬臣,崔鳳霞,任保增.維生素C合成工藝研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2012,6(12):20-23.