相分離法在丙氨酸分離中的應(yīng)用

冷一欣，顧長宏，黃春香

(常州大學(xué)石油化工學(xué)院，江蘇 常州 213164)

相分離法在丙氨酸分離中的應(yīng)用

冷一欣，顧長宏，黃春香

(常州大學(xué)石油化工學(xué)院，江蘇 常州 213164)

采用相分離法分離鹵代酸法生產(chǎn)的丙氨酸。在20℃條件下，粗品與洗滌液質(zhì)量比為1:16，對丙氨酸粗產(chǎn)品進行分離，考察相分離洗滌液循環(huán)次數(shù)對氯化銨脫除率、丙氨酸純度、丙氨酸回收率的影響。結(jié)果表明：洗滌循環(huán)10次時，氯化銨脫除率達到88.0%以上，丙氨酸的純度大于98.0%，平均回收率為93.6%。相分離操作簡單，分離效果較好，適于鹵代酸法生產(chǎn)丙氨酸的分離和純化。

丙氨酸；相分離；氯化銨；提純

丙氨酸是組成人體蛋白質(zhì)的20種氨基酸之一[1]，同時也是一種重要的化工中間體，廣泛應(yīng)用于食品、化妝品和醫(yī)藥領(lǐng)域中[2-4]。在食品領(lǐng)域中，丙氨酸可作為調(diào)味劑來改善醬腌菜、臘肉等腌漬類食品的澀味，調(diào)節(jié)豆豉、泡菜、酸奶等發(fā)酵類食品的酸味，增加肉類、海藻類、果實類等食品的鮮味，緩和柑橘精制品、茶、咖啡等飲料的苦味；丙氨酸可作為防腐劑來用于豆制品、水產(chǎn)品、腌制品等的保鮮和防止蛋黃醬、油類等食品的氧化；丙氨酸也可作為營養(yǎng)劑來保持人體精力、消除人體疲勞、提高人體免疫力；丙氨酸還是合成二肽甜味劑阿力甜的重要原料。

隨著人們對丙氨酸需求量的不斷增加，丙氨酸的分離和純化也受到越來越多的關(guān)注。目前國內(nèi)主要采用鹵代酸法生產(chǎn)丙氨酸，此反應(yīng)液中含有大量銨鹽，與丙氨酸的性質(zhì)十分相似，導(dǎo)致丙氨酸分離困難、成本高、效率低，分離效果不理想。工業(yè)上主要采用甲醇醇析分離法(反應(yīng)母液與甲醇體積比1:(3～4))，此法需消耗大量甲醇，甲醇易燃易爆，易造成毒害及污染環(huán)境。除此之外，丙氨酸分離和純化的方法還有離子交換法[5-6]、膜分離法[7-9]、萃取法[10]和沉淀法[11-13]。離子交換法分離周期長、速度慢、效率低；膜分離法主要用于混合氨基酸的分離；萃取法適合提取濃度較低的氨基酸；沉淀法所得氨基酸雜質(zhì)較多，且沉淀劑難以回收利用。

相分離是二元或多元系統(tǒng)在一定的溫度和成分范圍內(nèi)，存在著兩個成分不同的相的穩(wěn)定平衡，當某一環(huán)境條件變化時，相與相之間出現(xiàn)分離的不穩(wěn)定傾向。針對目前國內(nèi)丙氨酸分離工藝毒性高、污染大的缺陷，以及分離方法效率低、速度慢的不足，本實驗對鹵代酸法合成丙氨酸的反應(yīng)液進行初步分離，然后采用相分離法來分離和純化丙氨酸，該方法簡單、高效、無污染，且國內(nèi)外未見相關(guān)文獻報道，為丙氨酸的工業(yè)化分離和純化提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

高氯酸(分析純) 上海桃浦化工廠；冰醋酸、結(jié)晶紫、氨水(均為分析純)、烏洛托品(化學(xué)純) 國藥集團化學(xué)試劑有限公司；2-氯丙酸(工業(yè)級) 常州大進化工科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

SHZ-E循環(huán)水真空泵 河南鞏義市英峪予華儀器廠；JA2003電子天平 上海良平儀器儀表有限公司；D-8401機械攪拌器 天津市華興科學(xué)儀器廠；RE2000旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海亞榮生化儀器廠；SHA-C臺式恒溫振蕩器 常州國華電器有限公司；DHG-9076A電熱鼓風(fēng)干燥箱 上海精宏實驗設(shè)備有限公司；HJ-4磁力攪拌器 金壇市杰瑞爾電器有限公司。

1.3 丙氨酸的合成及分離流程

1.3.1 丙氨酸的合成

準確稱量5.0g烏洛托品、10.0mL去離子水，室溫下攪拌溶解，加入80.0mL氨水，然后緩慢滴加25.0g 2-氯丙酸，在65℃水浴中反應(yīng)8h，得到丙氨酸的反應(yīng)母液。

1.3.2 丙氨酸的初步分離

反應(yīng)母液經(jīng)濃縮、冷卻、抽濾，濾餅于70℃干燥[14]，得到丙氨酸粗品。

1.3.3 丙氨酸的相分離

實驗中的相分離是指用飽和丙氨酸溶液溶洗丙氨酸粗品，從而除去其中的氯化銨，達到分離和純化丙氨酸的目的。準確稱取10.0g丙氨酸粗品加入到160.0g飽和丙氨酸溶液中，即粗品與洗滌液質(zhì)量比為1:16，20℃攪拌30min，抽濾，濾餅為丙氨酸產(chǎn)品，濾液用作下一次的洗滌液，進行連續(xù)的相分離。

1.4 氯化銨的脫除率及丙氨酸純度的計算

1.4.1 氯化銨脫除率計算公式

式中：Y為氯化銨的脫除率/%；m1為分離前丙氨酸粗品中氯化銨的質(zhì)量/g；m2為分離后丙氨酸產(chǎn)品中氯化銨的質(zhì)量/g。

1.4.2 丙氨酸含量(純度)測定[15]

準確稱取0.2000g丙氨酸，置于干燥的錐形瓶中，加50mL乙酸，加2滴結(jié)晶紫指示液(2g/L)，用0.1mol/L高氯酸標準溶液滴定至溶液呈藍綠色。同時做空白實驗。

丙氨酸含量計算公式：

式中：X為丙氨酸的質(zhì)量分數(shù)/%；V1為高氯酸標準滴定溶液的體積/mL；V2為空白試驗消耗高氯酸標準滴定溶液的體積/mL；c為高氯酸標準滴定溶液的濃度/(mol/L)；0.08909為與1.00mL1.000mol/L高氯酸標準滴定溶液，以克表示丙氨酸的質(zhì)量；m為丙氨酸的質(zhì)量/g。

2 結(jié)果與分析

2.1 丙氨酸的初步分離

鹵代酸法生產(chǎn)丙氨酸的反應(yīng)母液中含有丙氨酸、烏洛托品、氯化銨，其中丙氨酸未達到飽和，不能從母液中直接析出，因此要對其進行濃縮，增大丙氨酸在母液中的濃度，促使丙氨酸析出。初步分離可以除去烏洛托品和大部分的氯化銨，得到丙氨酸粗品。控制結(jié)晶溫度30℃，結(jié)晶時間12h，根據(jù)1.3.2節(jié)方法，考察反應(yīng)母液的濃縮程度對丙氨酸粗品質(zhì)量和純度的影響，結(jié)果見表1。

表1 濃縮程度與粗品質(zhì)量、純度的關(guān)系Table 1 Effect of concentration ratio on the recovery and purity of alanine

從表1可以看出，反應(yīng)母液的濃縮量對丙氨酸粗品質(zhì)量和純度的影響較大。不濃縮時，用鹽酸調(diào)節(jié)pH值到丙氨酸的等電點(pH6.02)使丙氨酸結(jié)晶，所得粗品質(zhì)量較大，這是由于丙氨酸在其等電點時溶解度最低，析出的丙氨酸粗品較多，但在不濃縮時，純度偏低，這是因為調(diào)節(jié)pH值到丙氨酸等電點的過程中，產(chǎn)生了氯化銨，使得母液中的雜質(zhì)氯化銨的濃度增加，導(dǎo)致丙氨酸粗品純度偏低。隨著母液濃縮量從10%增加，丙氨酸粗品的質(zhì)量也逐漸增加，純度降低。當濃縮量達到40%和45%時，母液稠化嚴重，結(jié)晶時易于形成聚結(jié)體，中間夾雜母液，導(dǎo)致產(chǎn)品的純度大大降低。因此，在兼顧產(chǎn)品質(zhì)量和純度的情況下，選用濃縮量為35%的丙氨酸進行相分離。

2.2 丙氨酸的相分離

2.2.1 洗滌液中物質(zhì)濃度的變化及過程分析

在對丙氨酸進行分離的整個洗滌過程中，丙氨酸洗滌液質(zhì)量為160.0g保持不變，丙氨酸在洗滌液中的初始質(zhì)量分數(shù)為其飽和溶液13.6%(D點)，隨著過程的進行，洗滌液溶解粗品中的氯化銨，洗滌液中氯化銨的質(zhì)量分數(shù)在緩慢增加，而丙氨酸質(zhì)量分數(shù)由于氯化銨的溶入而緩慢變小(從D點到E點)，氯化銨飽和溶液的質(zhì)量分數(shù)為27.1%(E點)。這可由三元相圖解釋，如圖1所示。

圖1 20℃，Ala-NH4Cl-H2O三元相圖Fig.1 Ternary phase diagram of Ala-NH4Cl-H2O at 20 ℃

丙氨酸粗品中丙氨酸純度82.7%為圖中x0點，D和F分別是純丙氨酸和純氯化銨在水中的溶解度，E為同時飽和了丙氨酸和氯化銨的飽和溶液的相點。區(qū)域ADEFA是含有丙氨酸和氯化銨的不飽和溶液單相區(qū)，區(qū)域DBED是固相B(Ala)丙氨酸與其飽和溶液共存的二相區(qū)，區(qū)域FECF是固相C(NH4Cl)氯化銨與其飽和溶液共存的二相區(qū)。

在丙氨酸粗品中加入純水洗滌，洗滌過程的狀態(tài)點沿x0A移動；若粗品中加入飽和丙氨酸溶液洗滌，其狀態(tài)點將沿x0D移動，Q1的位置與飽和丙氨酸溶液的量和粗品的量有關(guān)，符合杠桿定律。即對粗品丙氨酸進行第1次洗滌時，m(丙氨酸粗品):m(洗滌液)＝Q1D:x0Q1，此時體系固液兩相平衡，平衡兩相的組成由連接線的兩端點所確定，連BQ1線并延長交DC線得N1點，B點為純的丙氨酸晶體，N1點為濾出丙氨酸晶體后的洗滌液1。固液兩相的量服從杠桿規(guī)則，兩相的質(zhì)量比m(丙氨酸):m(洗滌液1)＝Q1N1:BQ1，完成一次相分離。第2次洗滌時，過程的狀態(tài)點將沿著x0N1移動，Q2的位置與洗滌液1的量和粗品的量有關(guān)，符合杠桿定律，m(丙氨酸粗品):m(洗滌液1)＝Q2N1:x0Q2，同樣連BQ2線并延長交DC線得N2點，N2點為濾出丙氨酸晶體后的洗滌液2。此時體系固液兩相平衡，兩相的量服從杠桿規(guī)則，兩相的質(zhì)量比m(丙氨酸):m(洗滌液2)＝Q2N2:BQ2，完成第二次相分離……第t次時，過程狀態(tài)點沿著x0Nt-1移動到達Qt，兩相的量同樣服從杠桿規(guī)則。

用過濾后的溶液(洗滌液1、洗滌液2、……、洗滌液t)作為循環(huán)用的洗滌液順序洗滌，對丙氨酸進行相分離，洗滌完成后濾出固體丙氨酸，液相組成會沿著N1、N2、…、Nt點向E點移動并最終到達E點，此刻洗滌液里面的氯化銨已經(jīng)達到飽和，洗滌液不能繼續(xù)使用。由圖1可知，在洗滌的前幾次，洗滌液能完全溶解而除去丙氨酸粗品中的氯化銨，對分離結(jié)果幾乎沒有影響，隨著循環(huán)次數(shù)增加，洗滌液中氯化銨的濃度會增大并最后達到飽和，此后，洗滌液對氯化銨雜質(zhì)失去了脫除作用。因此，相分離的洗滌液應(yīng)該在達到E點之前結(jié)束使用。

2.2.2 洗滌液循環(huán)次數(shù)對氯化銨脫除率的影響

氯化銨脫除率對丙氨酸的分離純度有直接的影響，氯化銨脫除率越大，分離效果越好，丙氨酸純度越高?？刂茰囟?0℃，用飽和丙氨酸溶液160.0g洗滌丙氨酸粗品10.0g，洗滌時間30min，考察相分離過程中洗滌液循環(huán)次數(shù)對氯化銨脫除率的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 洗滌液循環(huán)次數(shù)對氯化銨脫除率的影響Fig.2 Effect of repeated washing number on the removal rate of ammonium chloride

由圖2可知，隨著洗滌次數(shù)的增加，氯化銨的脫除率在逐漸降低。這是因為隨著洗滌次數(shù)的增加，丙氨酸粗品中的氯化銨溶解到洗滌液中，導(dǎo)致洗滌液中氯化銨的濃度增大，從而阻礙了對氯化銨的脫除。洗滌20次后，脫除率仍然比較理想為77.0%，說明相分離能有效地除去混晶中的氯化銨雜質(zhì)。當洗滌循環(huán)到第10次時，氯化銨脫除率為88.0%，此時脫除效果較好，所以實驗中洗滌液循環(huán)洗滌10次較為適宜。

2.2.3 洗滌液循環(huán)次數(shù)對丙氨酸純度的影響

控制溫度20℃，用飽和丙氨酸溶液160.0g洗滌丙氨酸粗品10.0g，洗滌時間30min，考察相分離過程中洗滌液循環(huán)次數(shù)對丙氨酸純度的影響，結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，隨著洗滌液循環(huán)次數(shù)的增加，分離后丙氨酸的純度在逐漸降低，但降低程度不明顯。隨著洗滌的進行，洗滌液中氯化銨的濃度逐漸增大，但是還未達到飽和。混晶中的氯化銨已經(jīng)被完全溶解而除去，但洗滌液里面溶解的氯化銨粘附在丙氨酸晶體表面，導(dǎo)致了丙氨酸純度的降低。丙氨酸的純度，從第1次洗滌后的99.8%到第20次洗滌后的94.8%，僅下降了5%，表明相分離法分離的效果較好。實驗中洗滌循環(huán)到第10次時，分離后純度為98.0%仍較為理想，所以循環(huán)洗滌10次之內(nèi)為佳。

圖3 洗滌液循環(huán)次數(shù)對丙氨酸純度的影響Fig.3 Effect of repeated washing number on the purity of alanine

2.2.4 洗滌液循環(huán)次數(shù)對丙氨酸回收率的影響

控制溫度20℃，用飽和丙氨酸溶液160.0g洗滌丙氨酸粗品10.0g，洗滌時間30min，考察洗滌液循環(huán)次數(shù)對丙氨酸回收率的影響。每次相分離完成，得到丙氨酸的回收率如圖4所示。

圖4 洗滌次數(shù)對丙氨酸回收率的影響Fig.4 Effect of repeated washing number on the recovery rate of alanine

從圖4可以看出，第1次相分離丙氨酸回收率達到102.9%，高于平均值93.6%，這是因為用飽和丙氨酸溶液洗滌丙氨酸粗品時，洗滌中的丙氨酸由于過飽和而析出一部分；第2次丙氨酸的回收率小于平均值，這是由于洗滌液里丙氨酸由于析出而不再飽和，從而使產(chǎn)品里面的丙氨酸溶解到洗滌液中，導(dǎo)致回收率的降低。在20次的相分離分離過程中，丙氨酸的回收率趨于穩(wěn)定為93.6%，說明洗滌的次數(shù)對丙氨酸的回收率基本沒有影響。

3 結(jié) 論

實驗主要采用相分離法分離鹵代酸法生產(chǎn)的丙氨酸，在20℃，粗品與洗滌液質(zhì)量比1:16，洗滌循環(huán)10次時，氯化銨脫除率達到88.0%以上，丙氨酸的純度大于98.0%，平均回收率為93.6%。相分離法設(shè)備簡單廉價，操作簡單快速，而且處理量大、效率高、損失小、沒有任何污染，洗滌液可以循環(huán)使用，是一種高效的綠色分離方法，為鹵代酸法生產(chǎn)丙氨酸的分離提供了一定的工業(yè)參考價值。

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Application of Phrase Separation in Alanine Purification

LENG Yi-xin，GU Chang-hong，HUANG Chun-xiang
(School of Petrochemical Engineering, Changzhou University, Changzhou 213164, China)

This work reports the application of phase separation for the separation of alanine produced with halogenated carboxylic acid. The purification of crude alanine with washing solution at a solid-to-solvent ratio of 1:16 was carried out under the condition of 20 ℃ to investigate the effect of number of washing cycles on the removal rate of ammonium chloride and the recovery and purity of alanine. Over 88.0% of the impurity ammonium chloride was removed after the tenth washing cycle and the purity and average recovery of alanine were larger than 98.0% and equal to 93.6%, respectively. The process of phase separation was easy, effective and suitable for the separation and purification of alanine produced by halogenated carboxylic acid method.

alanine；phrase separation；ammonium chloride；purification

TB14；TS201.2

A

1002-6630(2012)18-0250-04

2011-07-18

冷一欣(1961—)，女，教授，博士，研究方向為綠色化學(xué)及藥物中間體。E-mail：rxslyxcn@yahoo.com.cn