雜質(zhì)對1，3-二羥基丙酮結(jié)晶過程的影響

凌翔，錢剛

(華東理工大學(xué) 化工學(xué)院，上海 200237)

甘油(GLY)是一種重要的生物質(zhì)平臺化合物，其選擇性催化氧化制高附加值的1，3-二羥基丙酮(DHA)近年來引起了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注[1-4]。該過程中除了生成主產(chǎn)物DHA外，也會產(chǎn)生甘油醛(GLYD)和甘油酸(GLYA)等副產(chǎn)物。因此，如何高效地將DHA從反應(yīng)產(chǎn)物中分離具有非常重要的意義。目前，有關(guān)DHA分離提取方法的報(bào)道大多集中于甘油的生物轉(zhuǎn)化過程[5-11]，而有關(guān)甘油催化轉(zhuǎn)化過程的相對較少。

為此，本文重點(diǎn)考察了不同含量的GLY、GLYD和GLYA對DHA結(jié)晶產(chǎn)品的純度、收率、晶體形貌以及粒徑大小的影響，以期獲得高收率、高質(zhì)量的DHA產(chǎn)品，并為DHA大規(guī)模的分離提純提供良好的基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

1，3-二羥基丙酮(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99%)、乙醇(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.5%)、甘油醛溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%)均為分析純；甘油(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.5%)，優(yōu)級純；甘油酸溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%)，化學(xué)純；超純水，實(shí)驗(yàn)室自制。

DC-1006低溫恒溫槽；Huber CC-415加熱制冷循環(huán)儀；812型恒溫磁力攪拌器；SHB-Ⅲ型循環(huán)水式多用真空泵；BINDER VDL23真空干燥箱；METTLER TOLEDO ME104電子分析天平；Agilent 1100高效液相色譜儀；Nova NanoSEM 450型場發(fā)射掃描電鏡；MS-3000型激光粒度分析儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

首先在夾套結(jié)晶器中配制35 ℃的以質(zhì)量分?jǐn)?shù)90%的乙醇水溶液為溶劑的DHA飽和溶液，加入一定量的雜質(zhì)(GLY、GLYD或GLYA)，攪拌使其完全溶解，隨后加入平均粒徑為52.8 μm的DHA晶種0.2 g，在35 ℃ 下恒溫10 min以溶解過細(xì)的晶種，然后以一定的降溫速率將該體系降溫到5 ℃，并在此溫度下養(yǎng)晶30 h。所有結(jié)晶過程均在攪拌下進(jìn)行，攪拌速率為620 r/min。結(jié)晶結(jié)束后，迅速抽濾，將所得固體產(chǎn)品置于45 ℃真空干燥箱內(nèi)干燥3 h后稱重。取一定量結(jié)晶所得DHA晶體溶于超純水中，并用高效液相色譜分析其純度。

1.3 分析方法

1.3.1 DHA收率及純度分析 利用高效液相色譜測定DHA晶體的純度，色譜分析條件見表1。DHA晶體純度以其質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)。

表1 高效液相色譜分析條件Table 1 Analysis conditions of high performanceliquid chromatography

DHA的結(jié)晶收率計(jì)算公式為：

1.3.2 DHA結(jié)晶產(chǎn)品的形貌分析 利用場發(fā)射掃描電鏡分析DHA晶體的形貌。

1.3.3 DHA結(jié)晶產(chǎn)品的粒度分析 利用激光粒度分析儀分析DHA晶體的粒度及分布。DHA晶體的粒度主要通過中值粒度和變異系數(shù)來體現(xiàn)，其中中值粒度是指晶體粒度分布中體積百分比累計(jì)達(dá)50%對應(yīng)的粒度；變異系數(shù)(CV，%)通過以下公式進(jìn)行計(jì)算。

其中，Dv(84)、Dv(16)和Dv(50)分別表示粒度累計(jì)體積為84%，16%和50%時(shí)對應(yīng)的粒度值。晶體粒度分布CV值越小，其粒度分布范圍越窄，即晶體產(chǎn)品的粒度越均一。

2 結(jié)果與討論

2.1 降溫速率對DHA結(jié)晶過程的影響

先前的研究表明，DHA在乙醇-水溶液中冷卻結(jié)晶時(shí)介穩(wěn)區(qū)較寬，結(jié)晶的速率相對較慢[12-13]。因此，如何控制結(jié)晶過程的推動(dòng)力——溶液的過飽和度，來提高結(jié)晶過程的速率顯得尤其重要。冷卻結(jié)晶過程中，降溫方式是最為重要的操作因素，決定了溶液的過飽和度[14-16]。為此，首先在不加入任何雜質(zhì)的前提下，考察了降溫速率對DHA結(jié)晶過程的影響：即以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%的乙醇水溶液為溶劑，配制35 ℃的DHA飽和溶液，在加入晶種的情況下，將溶液分別以7.5 K/min以及急冷(從35 ℃恒溫水浴槽中迅速轉(zhuǎn)移至5 ℃恒溫水浴槽中)的降溫方式從35 ℃降溫到5 ℃，并在該溫度下分別養(yǎng)晶一段時(shí)間，測得不同養(yǎng)晶時(shí)間下DHA結(jié)晶產(chǎn)品的收率，結(jié)果見圖1。

圖1 降溫速率對DHA結(jié)晶產(chǎn)品收率的影響Fig.1 Effect of cooling rate on the yield ofDHA crystal products

由圖1可知，盡管在不同的降溫速率下，DHA結(jié)晶產(chǎn)品的收率均與養(yǎng)晶時(shí)長呈正相關(guān)，但兩種情況下的增長速率不同。在養(yǎng)晶時(shí)長為4 h時(shí)，兩種降溫方式下DHA結(jié)晶產(chǎn)品的收率相差不大；但隨著養(yǎng)晶時(shí)間的延長，急冷的降溫方式下DHA結(jié)晶產(chǎn)品的收率相對增加較快，如在養(yǎng)晶時(shí)長為12 h時(shí)，急冷的降溫方式下DHA結(jié)晶產(chǎn)品的收率為70.81%，而降溫速率為7.5 K/min時(shí)相應(yīng)的結(jié)晶收率為 57.25%。這是因?yàn)殡S著降溫速率的增大，DHA溶液過飽和度增加的速率變快，促進(jìn)了晶體的生長，因此，在相同的時(shí)間內(nèi)結(jié)晶產(chǎn)品的收率增加[14-17]。

2.2 雜質(zhì)種類及濃度對DHA結(jié)晶過程的影響

通過分析典型的Pt基雙金屬催化劑上甘油選擇性氧化制備DHA的反應(yīng)結(jié)果[18]，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)溶液中除了主產(chǎn)物DHA外，主要還包含未轉(zhuǎn)化的甘油(GLY)以及副產(chǎn)物甘油酸(GLYA)和甘油醛(GLYD)，其中GLY和GLYA的濃度為幾十g/L，而GLYD的含量較少，濃度僅為幾十mg/L。為此，根據(jù)雜質(zhì)含量的多少將這三種雜質(zhì)分成兩組分別進(jìn)行研究。

2.2.1 甘油和甘油酸對DHA結(jié)晶過程的影響 在相同的結(jié)晶條件(由35 ℃急冷到5 ℃，養(yǎng)晶30 h)下，分別考察了不同濃度的甘油和甘油酸對DHA結(jié)晶產(chǎn)品收率及晶體純度的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 GLY與GLYA對DHA結(jié)晶產(chǎn)品收率及純度的影響Fig.2 Effects of GLY and GLYA on the yield andpurity of DHA crystal productsa.甘油；b.甘油酸

由圖2可知，相對于甘油酸，甘油對DHA結(jié)晶過程的影響較大。當(dāng)結(jié)晶溶液中存在甘油時(shí)，DHA結(jié)晶產(chǎn)品的純度較低，僅為90%左右；而存在甘油酸時(shí)，結(jié)晶產(chǎn)品的純度較高，可以達(dá)到99%。在所考察的雜質(zhì)濃度范圍內(nèi)，DHA結(jié)晶產(chǎn)品的純度變化較小，但隨著雜質(zhì)濃度的增加，在相同的結(jié)晶時(shí)間內(nèi)結(jié)晶產(chǎn)品的收率上升，尤其是在甘油存在的情況。

通常情況下，雜質(zhì)會影響結(jié)晶過程的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)從而影響到最終產(chǎn)品的性能[14-16]。為此，考察了不同溫度下，純DHA以及不同雜質(zhì)存在時(shí)DHA在90%乙醇水溶液中的溶解度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，添加不同濃度的各個(gè)雜質(zhì)時(shí)，DHA的溶解度變化較小。圖3顯示了一個(gè)典型的結(jié)果，可知除了 35 ℃ 下，在其他考察的溫度下，雜質(zhì)對DHA的溶解度影響較小。因此，雜質(zhì)更可能影響到DHA結(jié)晶過程的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。較高濃度的甘油和甘油酸分子的吸附，一方面可能為DHA晶體的生長提供了新的臺階位，另一方面也可能降低了晶體的界面能，并可消弱溶劑的抑制作用[14-16]，從而促進(jìn)了DHA生長單元在晶面的集結(jié)，加快了晶體的生長，提高了相同結(jié)晶時(shí)間內(nèi)結(jié)晶產(chǎn)品的收率。此外，由于在分子結(jié)構(gòu)上，甘油比甘油酸更相似于DHA，因而更有可能嵌入DHA晶體內(nèi)部，導(dǎo)致其純度降低。

圖3 雜質(zhì)對DHA溶解度的影響Fig.3 Effects of impurities on the solubility of DHA

2.2.2 甘油醛對DHA結(jié)晶過程的影響 類似地，在同樣的結(jié)晶條件下，考察了不同濃度的甘油醛對DHA結(jié)晶產(chǎn)品收率及晶體純度的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 GLYD對DHA結(jié)晶產(chǎn)品收率及純度的影響Fig.4 Effect of GLYD on the yield and purity ofDHA crystal products

由圖4可知，在所添加的甘油醛濃度范圍內(nèi)，DHA結(jié)晶產(chǎn)品的純度幾乎不受影響，均能達(dá)到99%左右，但結(jié)晶產(chǎn)品的收率影響較大。在相對較低的雜質(zhì)濃度范圍內(nèi)(50～70 mg/L)，DHA的收率隨著甘油醛濃度的增加而降低；而在較高的雜質(zhì)濃度范圍內(nèi)(70～90 mg/L)，DHA產(chǎn)品的收率反而隨著甘油醛濃度的增加而上升。這一現(xiàn)象與文獻(xiàn)中報(bào)道的L-纈氨酸雜質(zhì)對L-丙氨酸晶體生長速率影響的規(guī)律[19]相似。可能的原因是由于雜質(zhì)對溶質(zhì)分子的生長具有兩方面的影響，一是吸附于臺階位阻礙晶體的生長，另一是可能提供新的生長位，消除溶劑對溶質(zhì)擴(kuò)散的抑制作用，促進(jìn)晶體生長。當(dāng)甘油醛的濃度較低時(shí)，其阻礙效應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)地位[19-20]，DHA晶體生長時(shí)需要替換掉附著的甘油醛，從而導(dǎo)致DHA晶體生長速率變慢，因而在相同結(jié)晶時(shí)間內(nèi)產(chǎn)品收率降低；而當(dāng)甘油醛的濃度較高時(shí)，雜質(zhì)的促進(jìn)效應(yīng)占主導(dǎo)地位[19]，提高了DHA晶體的生長速率，也促進(jìn)了相同時(shí)間內(nèi)結(jié)晶收率的增大。

2.3 雜質(zhì)對DHA晶體形貌和粒度的影響

結(jié)晶產(chǎn)品的形貌及粒度對于后續(xù)的加工過程及產(chǎn)品性能的發(fā)揮都有重要的影響[14-16]，為此，考察了不同雜質(zhì)對DHA結(jié)晶產(chǎn)品形貌和粒度分布的影響。圖5為純DHA晶體和添加不同雜質(zhì)時(shí)DHA結(jié)晶產(chǎn)品的SEM圖。

圖5 雜質(zhì)對DHA晶體形貌的影響Fig.5 Effects of impurities on the morphology ofDHA crystal productsa.無雜質(zhì)；b.添加甘油；c.添加甘油醛；d.添加甘油酸

由圖5可知，純凈的DHA晶體為長條六邊形片狀晶體，且具有比較平坦的表面。添加不同的雜質(zhì)(GLY、GLYD和GLYA)后，單個(gè)晶體的形態(tài)變得不太規(guī)則，而且存在晶體的粘連現(xiàn)象，尤其是添加甘油后，結(jié)晶產(chǎn)品表面變得比較粗糙，可能是由于甘油進(jìn)入到DHA結(jié)晶產(chǎn)品的晶格中，引起晶格畸變，導(dǎo)致晶體形態(tài)的不規(guī)則[21]；此外，在雜質(zhì)存在時(shí)，結(jié)晶產(chǎn)品中出現(xiàn)了較多尺寸較小的晶體。

進(jìn)一步，使用馬爾文粒度分析儀對純DHA晶體以及添加不同雜質(zhì)時(shí)DHA結(jié)晶產(chǎn)品的粒度進(jìn)行了分析，結(jié)果見圖6。

圖6 雜質(zhì)對DHA結(jié)晶產(chǎn)品粒度及分布的影響Fig.6 Effects of impurities on the particle size anddistribution of DHA products

由于DHA在冷卻結(jié)晶時(shí)的介穩(wěn)區(qū)較寬，因此本研究中的結(jié)晶過程均是在添加晶種的條件下進(jìn)行的，由圖6可知，純的DHA晶體和不同雜質(zhì)存在時(shí)結(jié)晶產(chǎn)品的粒度均呈現(xiàn)雙峰分布，可能是由于結(jié)晶過程中產(chǎn)生二次成核導(dǎo)致的[14-16]。表2中列出了各個(gè)情況下結(jié)晶產(chǎn)品的中值粒度以及變異系數(shù)。

表2 不同雜質(zhì)影響下DHA晶體的中值粒度和變異系數(shù)Table 2 The median particle size and coefficientof variation of DHA products in the presenceof different impurities

由表2可知，通過比較，在引入GLY或GLYD雜質(zhì)后，DHA結(jié)晶產(chǎn)品的中值粒度較純物質(zhì)的出現(xiàn)了不同程度的減小，但變異系數(shù)變化不大；而在引入GLYA后，DHA結(jié)晶產(chǎn)品的中值粒度較純物質(zhì)的顯著增大，且變異系數(shù)變小，即粒度分布范圍較窄。

3 結(jié)論

(1)甘油催化氧化反應(yīng)中未轉(zhuǎn)化的甘油會導(dǎo)致DHA結(jié)晶產(chǎn)品純度的降低，而甘油醛和甘油酸對結(jié)晶產(chǎn)品的純度影響較小。

(2)甘油和甘油酸會促進(jìn)DHA晶體的生長，隨著其濃度的增加，在相同的結(jié)晶時(shí)間內(nèi)結(jié)晶產(chǎn)品的收率上升；較低濃度的甘油醛會抑制DHA晶體的生長，而較高濃度的則會促進(jìn)其生長，因而相同結(jié)晶時(shí)間內(nèi)DHA產(chǎn)品的收率隨著甘油醛含量的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。

(3)雜質(zhì)的添加會導(dǎo)致DHA結(jié)晶產(chǎn)品形貌不規(guī)則，結(jié)晶產(chǎn)品的粒度均呈現(xiàn)雙峰分布。