CN105031963B - 一种集成反溶剂-真空蒸发-冷却或反溶剂的结晶方法 - Google Patents
一种集成反溶剂-真空蒸发-冷却或反溶剂的结晶方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种集成反溶剂‐真空蒸发‐冷却或反溶剂的结晶方法。该方法步骤如下步骤：(1)初步反溶剂结晶：将待结晶的氨基酸物料置于结晶器中，加入溶剂水使其充分溶解，升温至30～80℃，将反溶剂加入到结晶器中，充分搅拌，使溶液中溶质部分结晶析出；待结晶物料；(2)真空蒸发‐冷却或反溶剂结晶：继续搅拌，将所得固液体系在绝对压力为20～60kPa下蒸发，将所得固液体系冷却或加入与步骤(1)相同的反溶剂，促使晶体继续生长；重复步骤(2)1～3次；(3)过滤干燥：采用过滤、洗涤、干燥，制得结晶产品。本发明方法具有操作便捷、产率高和易于实现工业规模生产的优点，能获得粒度分布窄、粒径大的结晶产品。
Description
技术领域
本发明涉及一种反溶剂结晶的方法，特别是涉及一种集成反溶剂‐真空蒸发‐冷却或反溶剂的结晶方法，通过调控反溶剂结晶中的晶粒尺寸，制备粒度分布窄、粒径大的晶体产品，特别适合于具有反溶剂正常沸点低于水的反溶剂水溶性氨基酸结晶体系。
背景技术
高纯度氨基酸是多种活性生物、医药组分的重要合成原料。结晶是获得高纯度氨基酸固体产品的有效方法，而晶体粒径、分布和晶型对晶体产品的品质有着极为重要的影响。为此，制备粒径大、分布窄的氨基酸晶体对现代生物、医药和功能保健品生产具有重要意义。
反溶剂结晶是一种高效、环保、节能的分离和纯化方法，通过将溶质溶解于水或其他有机溶剂中，然后加入某种溶剂使溶质在原溶剂中的溶解度降低，从而使溶质析出的结晶过程。加入的溶剂被称作反溶剂或沉淀剂，反溶剂可以是气体，也可以是液体。反溶剂结晶的机理是在溶液中原来与溶质分子作用的溶剂分子部分或全部被新加入的其它溶剂分子所取代，使溶液体系的自由能大大提高，导致溶液过饱和而使溶质析出。选择适合的溶剂和反溶剂，可以获得较高收率以及较高的结晶产品纯度。反溶剂结晶具有操作温度低、能耗少，广泛应用于医药和精细化学品的生产研究领域。
晶体粒度及其分布是结晶产品的关键指标，在反溶剂结晶过程中，反溶剂加入和混合过程中，极易因局部混合不均匀引发爆发成核，从而造成晶体粒度小且分布宽，同时杂质也容易夹带进晶体产品中，影响产品的纯度。合理控制晶体的生长以得到较大的平均粒径和较窄的分布，不仅能够提高有效成份的含量和产品品质，而且能使产品的分离、洗涤、包装、运输和贮藏得到不同程度的改善。因此，工业生产过程中晶体粒径及其分布的控制十分重要。
现有的反溶剂结晶产品质量控制方法主要是过饱和度控制、直接成核控制和多参数调控。由于饱和度是晶体生长的直接动力，过饱和度越小，生长速率越慢，有利于形成颗粒大、粒度分布窄结晶产品；过饱和度越大，晶体生长过程中极易出现爆发成核进而影响结晶产品质量。反溶剂结晶过程中通过控制反溶剂的加入速率或者降温速率使得过饱和度保 持在一个稳定的范围，以便晶体稳定的生长。由于反溶剂结晶中反溶剂的加入会无可避免地造成局部区域的大过饱和度，从而造成爆发成核，使晶体小颗粒增加、粒度分布不均，影响其产品质量。
发明内容
本发明针对现有反溶剂结晶技术存在的产品小颗粒晶体较多、粒度分布不均的问题，提供一种操作简便、纯度高、收率高的集成反溶剂-真空蒸发-冷却或反溶剂的结晶方法，所得结晶产品粒径大、分布窄。
本发明对氨基酸通过真空蒸发‐冷却(或反溶剂)循环操作，实现对晶体小颗粒的溶解以及晶体生长的控制，从而获得粒径大、分布窄的结晶产品。这种粒径大、分布窄的晶体产品不仅能够提高纯度和结晶过程收率，而且有利于产品的分离、洗涤、包装、运输和贮藏。
本发明的原理如下：当反溶剂相对溶剂沸点较低时，采用真空蒸发可使结晶液相体系中的溶剂浓度增加，从而促进溶质溶解。由于晶体小颗粒具有较大的比表面积而先溶解，进而通过降温或者继续添加反溶剂获得大尺寸晶体，由此实现晶体小颗粒的晶体减少、大颗粒的晶体增加。通过真空蒸发‐冷却(或反溶剂)循环操作，实现对晶体小颗粒的溶解以及晶体生长的控制，最终获得粒径大、分布窄的结晶产品。对于待结晶的氨基酸物料，相关的工艺条件是本发明的关键措施之一。
本发明目的通过如下技术方案实现：
一种集成反溶剂‐真空蒸发‐冷却或反溶剂的结晶方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)初步反溶剂结晶：将待结晶的氨基酸物料置于结晶器中，加入溶剂水使其充分溶解，控制溶液浓度为10g/L～500g/L；升温至30～80℃，将反溶剂加入到结晶器中，控制反溶剂与溶剂体积比为1:4～2:1，充分搅拌，使溶液中溶质部分结晶析出，得结晶物料；
(2)真空蒸发‐冷却或反溶剂结晶：继续搅拌，将步骤(1)所得固液体系在绝对压力为20～60kPa下蒸发，控制蒸发量为步骤(1)所述反溶剂加入量的1/40～1/4后，将所得固液体系冷却或加入与步骤(1)相同的反溶剂，促使晶体继续生长；
重复步骤(2)1～3次，使结晶产品达到预定的晶粒尺寸；
(3)过滤干燥：将步骤(2)所得固液体系过滤后取出结晶固体；加入步骤(1)所述相同的反溶剂洗涤晶体固体，控制反溶剂加入量为固体晶体质量的1～2倍；干燥24小时后制得结晶产品；
选用的反溶剂的正常沸点温度低于溶剂的正常沸点；所述反溶剂为水溶性醇。
为进一步实现本发明目的，优选地，所述氨基酸为甘氨酸、5′肌苷酸钠或5′‐呈味核苷酸二钠。
优选地，步骤(2)冷却结晶过程控制结晶温度降低5～50℃。
优选地，步骤(2)反溶剂结晶过程中反溶剂加入量为步骤(1)所述反溶剂加入量的1/5～1/2。
优选地，步骤(1)控制溶液浓度为50g/L～200g/L。
优选地，步骤(2)控制蒸发量为步骤(1)所述反溶剂加入量的1/20～1/10。
优选地，所述水溶性醇为乙醇
相对于现有技术，本发明具有如下优点：
(1)本发明真空蒸发能有效地控制晶体产品中小颗粒比例，克服反溶剂结晶中反溶剂加入过程中产生的局部浓度不均匀所引发的晶粒尺寸小、分布不均的问题。
(2)本发明通过简单便捷的真空蒸发‐冷却(或反溶剂)循环操作，实现对晶体小颗粒的溶解以及晶体生长的控制，不仅能够显著提高产品纯度和结晶过程收率，而且有利于产品的分离、洗涤、包装、运输和贮藏，从而有效实现粒径大、分布窄的结晶产品工业化生产。
(3)本发明通过加入反溶剂、真空蒸发以及冷却的方式控制结晶物料的粒径和粒径分布，工艺过程容易实现，成本低，便于连续化生产。
(4)通过采用本发明方法可使氨基酸晶体平价颗粒尺寸增加20％以上、粒径分布标准方差降低25％以上，实现粒径大、分布窄的氨基酸晶体产品制备。
附图说明
图1为本发明集成反溶剂‐真空蒸发‐冷却或反溶剂的结晶方法的流程框图。
图2为实施例2IMP结晶产品显微图片。
图3为对比例2IMP结晶产品光学显微图片。
图4为实施例1甘氨酸结晶产品光学显微图片。
图5为对比例1甘氨酸结晶产品光学显微图片。
具体实施方式
为更好理解本发明，下面结合实施例对本发明作进一步介绍，但需要说明的是，本发明所要求的保护的范围并不局限于实施例所表述的范围。
实施例1
称取20g甘氨酸，量筒量取100mL水，二者充分混合后加入到结晶釜中，水浴升温至 60℃，300r/min的搅拌速度下搅拌使得甘氨酸充分溶解。以3mL/min的添加速率加入反溶剂无水乙醇300mL，溶液中有晶体析出，充分搅拌10min，以便晶体充分生长。降低体系压力至45‐55kPa，挥发液体体积为30mL，充分搅拌5min，以便晶体小颗粒的充分溶解。然后分别采用冷却结晶(即降温至50℃)或反溶剂结晶(即继续以3mL/min的添加速率加入反溶剂无水乙醇170mL)两种方式促进晶体生长。进而降低体系压力至35‐45kPa，挥发液体体积为10mL，充分搅拌5min，以便晶体小颗粒的充分溶解。在布氏漏斗中减压抽滤获得甘氨酸晶体，加入30mL无水乙醇洗涤，在绝对压力为40kPa、温度为60℃下干燥24小时，制得甘氨酸晶体产品。
所得甘氨酸晶体产品在Olympus BX41偏光显微镜上进行形貌观测，如图4所示，结果表明晶体产品具有较好的晶体形貌。在Malvern Mastersizer 2000中测得采用反溶剂‐真空蒸发‐冷却或反溶剂制得的晶体平均粒径分别为300.1和325.4μm，标准方差分别为±85.9和±79.5μm。
实施例2
称取20g 5′肌苷酸钠(IMP)，量筒量取200mL水，二者充分混合后加入到结晶釜中，水浴升温至60℃，300r/min的搅拌速度下搅拌使得IMP充分溶解。以3mL/min的添加速率加入反溶剂无水乙醇300mL，溶液中有晶体析出，充分搅拌10min，以便晶体充分生长。降低体系压力至40‐50kPa，挥发液体体积为30mL，充分搅拌5min，以便晶体小颗粒的充分溶解。降温至50℃，降低体系压力至30‐40kPa，挥发液体体积为10mL，充分搅拌5min，以便晶体小颗粒的充分溶解。在布氏漏斗中减压抽滤获得IMP晶体，加入30mL无水乙醇洗涤，在绝对压力为40kPa、温度为60℃下干燥24小时，制得IMP晶体产品。如图2所示。
所得IMP产品在Malvern Mastersizer 2000中测得晶体平均粒径为164.4μm，标准方差为±85.9μm。与直接反溶剂结晶方法(如对比例2所述)所得产品(如图3所示，晶体平均粒径为113.6μm，标准方差为±119.7μm)对比可知：按本发明方法实施所得IMP产品的平均粒径增加了约51μm，标准方差减小约34μm，由此表明本发明方法能获得晶粒尺寸更大、分布更均匀的结晶产品。
实施例3
称取20g 5′‐呈味核苷酸二钠(I+G)，量取200mL水，二者充分混合后加入到结晶釜中，水浴升温至60℃，300r/min的搅拌速度下搅拌使得I+G充分溶解。以3mL/min的添加速率加入反溶剂无水乙醇300mL，溶液中有晶体析出，充分搅拌10min，以便晶体充分生长。降低体系压力至40‐50kPa，挥发液体体积为30mL，充分搅拌5min，以便晶体小颗粒的充 分溶解。降温至50℃，降低体系压力至30‐40kPa，挥发液体体积为10mL，充分搅拌5min，以便晶体小颗粒的充分溶解。在布氏漏斗中减压抽滤获得I+G晶体，加入30mL无水乙醇洗涤，在绝对压力为40kPa、温度为60℃下干燥24小时，制得I+G晶体产品。
在Malvern Mastersizer 2000中测得采用反溶剂‐真空蒸发‐冷却(或反溶剂)制得的I+G晶体平均粒径及标准方差为99.4±44.9μm。
对比例1
称取20g甘氨酸，量取90mL水，二者充分混合后加入到结晶釜中，水浴升温至60℃、300r/min的搅拌速度下搅拌使甘氨酸充分溶解。以3mL/min的添加速率加入反溶剂无水乙醇270mL，然后在布氏漏斗中减压抽滤获得甘氨酸晶体，加入30mL无水乙醇洗涤，在绝对压力为40kPa、温度为60℃下干燥24小时，制得甘氨酸晶体产品。
在与实施例1相同的仪器上，采用相同的放大倍率观测甘氨酸晶体产品的形貌，如图5所示。对比实施例1产品，对比例产品的晶粒尺寸较小，而且晶粒间尺寸差异较大。对比例1所得产品尺寸在Malvern Mastersizer 2000中测得为243.1±101.3μm。
对比例2
称取20g IMP，量取190mL水，二者充分混合后加入到结晶釜中，水浴升温至60℃、300r/min的搅拌速度下搅拌使IMP充分溶解。以3mL/min的添加速率加入反溶剂无水乙醇270mL，然后在布氏漏斗中减压抽滤获得IMP晶体，加入30mL无水乙醇洗涤，在绝对压力为40kPa、温度为60℃下干燥24小时，制得IMP晶体产品。
对比例2所得产品尺寸在Malvern Mastersizer 2000中测得为113.6±119.7μm。
对比例3
称取20g I+G，量取190mL水，二者充分混合后加入到结晶釜中，水浴升温至60℃、300r/min的搅拌速度下搅拌使I+G充分溶解。以3mL/min的添加速率加入反溶剂无水乙醇270mL，然后在布氏漏斗中减压抽滤获得I+G晶体，加入30mL无水乙醇洗涤，在绝对压力为40kPa、温度为60℃下干燥24小时，制得I+G晶体产品。
对比例3所得产品尺寸在Malvern Mastersizer 2000中测得为57.9±60.4。
实施例1‐3所得结晶产品分别与对比例1‐3结晶产品进行比较，实施例1对应对比例1，实施例2对应对比例2，实施例3对应对比例3，见表1。由表1可知，实施例1‐3均为真空蒸发‐冷却或反溶剂循环用于反溶剂结晶，对比例1‐3均为直接加入反溶剂结晶。实施例1‐3中甘氨酸、IMP和I+G的平均粒径均显著大于对比例1‐3，而实施例1‐3中标准差均小于对比例1‐4，由此表明实施例比对比例的产品粒度更大、尺寸分布更均匀。故此采用本发 明方法能显著增大结晶产品粒径、减少粒度分布不均，从而得到质量较好的结晶产品。
表1实施例与对比例效果对比
表1为真空蒸发‐冷却或反溶剂循环用于反溶剂结晶对比直接反溶剂加入结晶。从表1可以看出，当反溶剂相对溶剂沸点较低时，采用真空蒸发可使结晶液相体系中的溶剂浓度增加，从而促进溶质溶解。由于晶体小颗粒具有较大的比表面积而先溶解，进而通过降温或者继续添加反溶剂获得大尺寸晶体，由此实现晶体小颗粒的减少、大颗粒的增加。通过真空蒸发‐冷却或反溶剂循环操作，实现对晶体小颗粒的溶解以及晶体生长的控制，最终获得粒径大、分布窄的结晶产品。
晶体粒度及其分布是结晶产品的关键指标，在反溶剂结晶过程中，反溶剂加入和混合过程中，极易因局部混合不均匀引发爆发成核，从而造成晶体粒度小且分布宽，同时杂质也容易夹带进晶体产品中，影响产品的纯度。合理控制晶体的生长以得到较大的平均粒径和较窄的分布，不仅能够提高有效成份的含量和产品品质，而且能使产品的分离、洗涤、包装、运输和贮藏得到不同程度的改善。本发明方法真空蒸发能有效地控制晶体产品中小颗粒比例，克服了溶剂或反溶剂加入过程中产生的局部浓度不均匀问题、温度控制的滞后效应问题、升温溶解小颗粒能耗高且在反溶剂结晶过程中适用范围较窄等问题。
本发明通过简单便捷的真空蒸发‐冷却或反溶剂循环操作，实现对晶体小颗粒的溶解以及晶体生长的控制，制备粒径大、分布窄的氨基酸晶体。采用本发明方法不仅能够提高纯度和结晶过程收率，而且有利于产品的分离、洗涤、包装、运输和贮藏，对现代生物、医药和功能保健品生产具有重要意义。
Claims (7)
1.一种集成反溶剂‐真空蒸发‐冷却或反溶剂的结晶方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)初步反溶剂结晶：将待结晶的氨基酸物料置于结晶器中，加入溶剂水使其充分溶解，控制溶液浓度为10g/L～500g/L；升温至30～80℃，将反溶剂加入到结晶器中，控制反溶剂与溶剂体积比为1:4～2:1，充分搅拌，使溶液中溶质部分结晶析出，得结晶物料；
(2)真空蒸发‐冷却或反溶剂结晶：继续搅拌，将步骤(1)所得固液体系在绝对压力为20～60kPa下蒸发，控制蒸发量为步骤(1)所述反溶剂加入量的1/40～1/4后，将所得固液体系冷却或加入与步骤(1)相同的反溶剂，促使晶体继续生长；
重复步骤(2)1～3次，使结晶产品达到预定的晶粒尺寸；
(3)过滤干燥：将步骤(2)所得固液体系过滤后取出结晶固体；加入步骤(1)所述相同的反溶剂洗涤晶体固体，控制反溶剂加入量为固体晶体质量的1～2倍；干燥24小时后制得结晶产品；
选用的反溶剂的正常沸点温度低于溶剂的正常沸点；所述反溶剂为水溶性醇。
2.根据权利要求1所述的集成反溶剂‐真空蒸发‐冷却或反溶剂的结晶方法，其特征在于：所述氨基酸为甘氨酸、5′肌苷酸钠或5′‐呈味核苷酸二钠。
3.根据权利要求1和2所述的集成反溶剂‐真空蒸发‐冷却或反溶剂的结晶方法，其特征在于：步骤(2)冷却结晶过程控制结晶温度降低5～50℃。
4.根据权利要求1所述的集成反溶剂‐真空蒸发‐冷却或反溶剂的结晶方法，其特征在于：步骤(2)反溶剂结晶过程中反溶剂加入量为步骤(1)所述反溶剂加入量的1/5～1/2。
5.根据权利要求1所述的集成反溶剂‐真空蒸发‐冷却或反溶剂的结晶方法，其特征在于：步骤(1)控制溶液浓度为50g/L～200g/L。
6.根据权利要求1所述的集成反溶剂‐真空蒸发‐冷却或反溶剂的结晶方法，其特征在于：步骤(2)控制蒸发量为步骤(1)所述反溶剂加入量的1/20～1/10。
7.根据权利要求1所述的集成反溶剂‐真空蒸发‐冷却或反溶剂的结晶方法，其特征在于：所述水溶性醇为乙醇。
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