消旋工藝優(yōu)化措施分析

周多祥

（安徽泰格生物科技有限公司，安徽蚌埠 233705）

D-泛酸鈣（維生素B5）為白色粉末，無臭，味微苦，有引濕性，水溶液顯中性或弱堿性，在水中易溶，在甲醇、乙醇中微溶，是輔酶A的組成部分，參與糖、脂肪、蛋白質(zhì)的代謝。DL-泛解酸內(nèi)酯是合成D-泛酸鈣的主要原料，D-泛酸鈣的合成路線有兩種，前拆分法將DL-泛解酸內(nèi)酯拆分為D-泛解酸內(nèi)酯和L-泛解酸內(nèi)酯，D-泛解酸內(nèi)酯與3-氨基丙酸鈣的甲醇溶液反應(yīng)，經(jīng)過結(jié)晶、離心、烘干得到D-泛酸鈣[1]；后拆分法將DL-泛解酸內(nèi)酯與3-氨基丙酸鈣的甲醇溶液進(jìn)行反應(yīng)，生成DL-泛酸鈣，去拆分制得到D-泛酸鈣。兩種方法產(chǎn)生的中間品即L-泛解酸內(nèi)酯和L-泛酸鈣均需要進(jìn)行消旋，制得外消旋體——DL-泛解酸內(nèi)酯和DL-泛酸鈣，再去拆分。后拆分法相對收率低、產(chǎn)量小，多數(shù)廠家使用前拆分法生產(chǎn)D-泛酸鈣。消旋試劑的選擇、回用會影響企業(yè)生產(chǎn)效率。文章研究L-泛酸鈣消旋和L-泛解酸內(nèi)酯的消旋工藝，為優(yōu)化D-泛酸鈣生產(chǎn)流程提供參考。

1 采用后拆分法時(shí)，對L-泛酸鈣的消旋

L-泛酸鈣分子式為L-(C9H16NO5)2Ga，常溫下為固體結(jié)晶粉末，除比旋度不同外，其他物理性質(zhì)與D泛酸鈣相同。L-泛酸鈣沒有生理活性，必須進(jìn)行消旋，成為DL-泛酸鈣，再去拆分，循環(huán)利用。

反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，約50%的L-泛酸鈣轉(zhuǎn)變?yōu)镈-泛酸鈣，一般選用甲醇鈉或乙醇鈉作為催化劑，為使工藝簡單，一般采用固體甲醇鈉或甲醇鈉甲醇溶液。

L-泛酸鈣消旋投料清單如表1所示。

表1 L-泛酸鈣消旋投料清單

將甲醇鈉甲醇溶液抽入消旋釜，攪拌，快速投入L-泛酸鈣干粉，開啟夾套蒸汽加熱回流3～6 h，檢測比旋度，合格則關(guān)蒸汽閥，開循環(huán)水冷卻降溫至30～40 ℃，開啟氮?dú)忾y將消旋液壓入中和釜；中和釜料液使用冰水降溫至0～10 ℃，滴加鹽酸，中和至pH值約7，中和溫度小于20 ℃，離心除鹽，濾液加活性炭脫色過濾，濾液去結(jié)晶釜降溫結(jié)晶，離心，得DL-泛酸鈣濕品，收率超過60%，母液用于回收甲醇。

固體甲醇鈉或甲醇鈉甲醇溶液法均需要將L-泛酸鈣烘干，控制其水分低于0.5%。L-泛酸鈣吸濕性強(qiáng)、堆密度小、體積大、操作不方便、回收率低。21世紀(jì)初期，僅上海等地個別小規(guī)模企業(yè)采用L-泛酸鈣消旋，其產(chǎn)量小、收率低、物料消耗高，現(xiàn)已被淘汰。

2 采用前拆分法時(shí)，對L-泛解酸內(nèi)酯的消旋

L-泛解酸內(nèi)酯常溫下為固體，分子式C6H10O3，分子量130.14，熔點(diǎn)90～94 ℃，密度1.1 g/mL，溶于水。生產(chǎn)過程中，L-泛解酸內(nèi)酯與D-泛解酸內(nèi)酯分離后，L-泛解酸內(nèi)酯需要經(jīng)過消旋回用，L-泛解酸內(nèi)酯和萃取劑混合液經(jīng)過釜內(nèi)加熱升溫脫溶、脫水，加入消旋試劑，可以采用不同的消旋試劑，一般選擇價(jià)廉、易得的物質(zhì)進(jìn)行外消旋化，如甲醇鈉法、磷酸鈉法、碳酸氫鈉法等。L-泛解酸內(nèi)酯中含有氫原子和羰基的手性碳原子，很容易受到甲氧基等負(fù)碳離子的攻擊，形成不穩(wěn)定的中間體，形成各占50%的D、L外消旋體[2]。

2.1 甲醇鈉法

工業(yè)生產(chǎn)中使用固體甲醇鈉或甲醇鈉甲醇溶液，甲醇鈉甲醇溶液內(nèi)的甲醇要在后工序進(jìn)行分離，故多數(shù)采用固體甲醇鈉消旋。甲醇鈉常溫下為固體粉末狀，閃點(diǎn)11 ℃，比重1.3，具有引濕性、腐蝕性、自燃性，主要用于醫(yī)藥工業(yè)，有機(jī)合成中用作縮合劑、化學(xué)試劑、食用油脂處理的催化劑等。脫溶釜脫水后，檢測水分合格，迅速將固體甲醇鈉按一定比例（2%）投入釜內(nèi)，升溫至100 ℃，保溫3～4 h，檢測比旋度，低于+1°為合格；降溫加稀硫酸中和，將中和反應(yīng)生成的甲醇蒸餾出，以免影響后續(xù)工序。甲醇鈉法的缺點(diǎn)為需要蒸餾分離甲醇；甲醇鈉吸水性強(qiáng)，在夏季生產(chǎn)使用時(shí)，吸水性強(qiáng)導(dǎo)致消旋能力下降；收率低，甲醇鈉法的收率約80%。

2.2 磷酸鈉法

磷酸鈉為無色或白色結(jié)晶，含1～12分子的結(jié)晶水，無臭，加熱至212 ℃以上成為無水物，易溶于水（28.3 g/100 mL），不溶于乙醇、二硫化碳。通常選用無水磷酸鈉作為消旋試劑，按照與2.1相同的步驟加入一定比例（2%～4%）無水磷酸鈉，升溫至120 ℃，保溫3～5 h，檢測比旋度合格后，降溫加稀硫酸中和。磷酸鈉法的缺點(diǎn)為保溫時(shí)間長、溫度高、含磷廢水會造成環(huán)保問題。因此，磷酸鈉法不是最佳消旋方法。

2.3 碳酸氫鈉法

與甲醇鈉、磷酸鈉相比，碳酸氫鈉具有價(jià)格優(yōu)勢和環(huán)保優(yōu)勢。甲醇鈉容易吸水，消旋時(shí)間長，后期酸中和后，若不分離甲醇，與DL-泛解酸內(nèi)酯一起拆分，會影響生物法中酶的使用；磷酸鈉會對后期廢水的治理帶來一定的影響。

碳酸氫鈉法裝置如圖1所示。

圖1 碳酸氫鈉法裝置

中試生產(chǎn)時(shí)，稀硫酸中和后直接轉(zhuǎn)料去蒸餾釜，L-泛解酸內(nèi)酯脫除溶劑，檢測水分合格后，按一定比例將1%～3%消旋液體積的碳酸氫鈉加入脫溶釜，升溫反應(yīng)，溫度保持為130～140 ℃，保溫2 h，取樣檢測比旋度+1°以下為合格，降溫至80～90 ℃，加50%稀硫酸，中和至pH值低于7，將釜內(nèi)外消旋體轉(zhuǎn)移至下道工序蒸餾。釜內(nèi)含有大量硫酸鈉（稀硫酸與碳酸氫鈉中和反應(yīng)生成硫酸鈉），直接轉(zhuǎn)料容易堵塞管道，需要補(bǔ)加自來水溶解。經(jīng)過試驗(yàn)，外消旋體直接去拆分，含有的硫酸鈉對拆分酶有一定影響，中和后外消旋體去蒸餾釜蒸餾，產(chǎn)生的廢水COD高，甚至含有少量的氰根（中試原料DL-泛解酸內(nèi)酯由氫氰酸或氰化鈉法合成），為后續(xù)廢水治理帶來壓力。

3種L-泛解酸內(nèi)酯消旋方法對比如表2所示。

表2 3種L-泛解酸內(nèi)酯消旋方法對比

3種L-泛解酸內(nèi)酯消旋方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，在確定采用收率高的碳酸氫鈉法消旋的基礎(chǔ)上，通過反復(fù)實(shí)踐，提出更好的改進(jìn)措施。

3 改進(jìn)后的碳酸氫鈉過濾或套用法消旋

消旋前，釜內(nèi)水分已經(jīng)降低至0.5%以下，碳酸氫鈉消旋時(shí)部分溶解，大部分碳酸氫鈉為粉末狀或融熔融狀，加入稀硫酸，碳酸氫鈉溶解反應(yīng)。生成的硫酸鈉留在料液中會影響后續(xù)拆分，考慮在消旋后不加稀硫酸中和，直接過濾或靜置后上清液轉(zhuǎn)入蒸餾釜，可以節(jié)約物料和熱能，效益十分可觀。

兩種改進(jìn)的消旋方法對比如圖2所示。

圖2 兩種改進(jìn)的消旋方法對比

3.1 第1種方法

安裝過濾器，其容積按照碳酸氫鈉體積計(jì)算，稍大于計(jì)算的溶容積數(shù)值，保證消旋合格后，過濾器能夠容納碳酸氫鈉，整個管路增加伴熱保溫。脫溶釜需要降溫的熱量，通過小的設(shè)備改動，轉(zhuǎn)移至蒸餾釜內(nèi)，可以節(jié)約熱能；碳酸氫鈉過濾后，可以重復(fù)使用，降低物料消耗；未添加自來水，減少了后續(xù)蒸水工藝和廢水治理和排放步驟。

經(jīng)計(jì)算，一臺15 m3脫溶釜，脫溶消旋后釜內(nèi)溫度高達(dá)140 ℃，降溫至80 ℃，釜內(nèi)容積約12 m3。

式中：Q——熱量（kJ）；C——比熱容[kJ/(kG·℃)]；M——質(zhì)量（kg）；T1——初始溫度（℃）；T2——結(jié)束溫度（℃）。

（1）節(jié)約蒸汽量。

Q為3 024×103kJ（比熱容C按照4.2 kJ/(kg·℃)計(jì)算）。100 ℃蒸汽汽化熱為2 258 kJ/kg時(shí)[3]，蒸汽重量為1 339 kg。1 kg標(biāo)準(zhǔn)煤熱值約29 300.96 kJ，可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤102 kg。

（2）節(jié)約自來水量。

混旋泛解酸內(nèi)酯在水中具有一定溶解性，為了將消旋中和后的硫酸鈉完全溶解，180 kg碳酸氫鈉需要加自來水1 800 kg，確保排放不堵塞管路。

（3）節(jié)約物料。

180 kg碳酸氫鈉可以重復(fù)使用，減少50%稀硫酸投料，約210 kg。

（4）減少廢水排放。

蒸餾過程中，至少將1 800 kg（含稀硫酸中水分）水蒸餾出去，同時(shí)帶走部分雜質(zhì)，為環(huán)保處理增加負(fù)擔(dān)。

假設(shè)每天消旋24 m3L-泛解酸內(nèi)酯，按照混旋泛解酸內(nèi)酯拆分率80%、結(jié)晶收率80%計(jì)算，1 tD-泛解酸內(nèi)酯可以生產(chǎn)1.5 tD-泛酸鈣，等同于年產(chǎn)泛酸鈣5 000 t的生產(chǎn)線，每年可節(jié)約61.2 t標(biāo)準(zhǔn)煤。按照每噸標(biāo)準(zhǔn)煤排放3 t CO?計(jì)算，CO?排放量可以減少183.6 t。

3.2 第2種方法

脫溶釜內(nèi)加插入管，插入管距離釜底約50 cm，插入管外接自吸泵一臺，管路全部保溫，自吸泵出口接下道工序蒸餾釜。消旋結(jié)束后，脫溶釜攪拌關(guān)閉，開啟自吸泵，將脫溶釜內(nèi)經(jīng)過消旋的混選泛解酸內(nèi)酯趁熱轉(zhuǎn)入蒸餾釜。插入管未直接插入脫溶釜底部，釜內(nèi)碳酸氫鈉沉在釜底，上清液轉(zhuǎn)完后，下層含碳酸氫鈉混合液，可以繼續(xù)為新料消旋。本方法可以節(jié)約物料、節(jié)約熱能、減少廢水排放與治理。

4 結(jié)語

采用碳酸氫鈉，利用過濾（第一種方法）或套用（第二種方法）的消旋方法完全可以實(shí)施。改進(jìn)過的方法可以降低物料消耗，節(jié)約能源，減少二氧化碳排放，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。