（化学工程专业论文）甘氨酸结晶过程及多晶型现象研究.pdf

摘要 甘氨酸是一种结构最简单的氨基酸，应用领域十分广泛。针对国内甘氨酸生 产存在的晶体形态差，晶型不单一，粒度分布不均匀等问题，本文对甘氨酸的结 晶过程及多晶型现象进行了系统的实验研究和理论分析。 采用动态法分别测定了甘氨酸在纯水和不同配比的水一乙醇溶剂中的溶解度， 甘氨酸在水中的溶解度随温度的变化较好地符合ah 方程，而在水一乙醇混合溶 剂中呈较好的线性关系；采用激光法测定了甘氨酸的结晶介稳区，并分别考察了 降温速率和搅拌速率对其介稳性质的影响；测定了甘氨酸的结晶诱导期及固液表 面张力。 采用间歇动态法分别测定了甘氨酸在纯水及不同配比的水乙醇物系中冷却 结晶的动力学。对甘氨酸冷却结晶动力学实验数据选用a s l 和m j 2 粒度相关生 长模型，通过矩量变换处理，采用线性最小二乘法回归得到了甘氨酸晶体结晶过 程的成核速率方程和生长速率方程。 对甘氨酸的多晶型现象进行了探索研究。单晶培养实验发现，a 晶型的单晶 体可以通过甘氨酸水溶液的缓慢蒸发法得到，而往结晶原料液加入n a c i 或 n a n 0 3 j 。制得r 品型的晶体。分别利用单晶的x 射线衍射、粉术衍射及红外光 谱列晶体进行了鉴别分析，获得了各晶型的晶体结构和晶胞参数。采用d s c 热 分析法研究了。、y 一晶型之间的转变规律，结果表明r 晶型向a 晶型的转化为 对映晶型之间的不可逆吸热过程，且转化过程受温度和晶体的制备过程的影响。 利用c e r i u s 2 软件对甘氨酸晶体的品习进行了理论模拟，分别运用b f d h 和a e 模型进行了模拟计算，相比较而言，a e 模型模拟得到的。一晶体在真空条件下和 在水溶液中的晶习与实际晶习很接近，因此引入水分子与晶面的相互作用对附着 能进行了修正，得到了其在水中的理论晶习，结果与实际基本相同。 针对甘氨酸生产对产品质量的要求，系统的考察了结晶方式、降温速率、搅 拌速率、晶种及乙醇的流加速率等工艺条件对产品的粒度分稚、收率、晶形等的 影 向，并最终确定了甘氨酸生产的经验最优的工艺操作条件。 关键词：甘氨酸粒度分柿结晶热力学结晶动力学 多晶型现象晶习模拟 a b s t r a c t g l y c i n ei st h es i m p l e s ta m i n oa c i da n dc a l lb ea p p l i e di nm a n yf i e l d s b a s e do n t h eq u a l i t yp r o b l e m so ft h eg l y c i n ep r o d u c tm a d ei nc h i n a , s u c ha sp o o rc r y s t a l m o r p h o l o g y , m i x e dp o l y m o r p ha n da s y m m e t r yc s d ，t h ec r y s t a l l i z a t i o np r o c e s sa n d t h ep o l y m o r p h i s mw e r ei n v e s t i g a t e da n da n a l y z e ds y s t e m a t i c a l l y t h es o l u b i l i t yo fg l y c i n ei np u r ew a t e ra n dw a t e r - e t h a n o lo fd i f i e r e n tr a t i ow a s m e a s u r e db yd y n a m i cm e t h o d ，w h i c hw a ss h o w nt h a tt h es o l u b i l i t yi nw a t e rw a sf i t t e d b yahe q u a t i o np r e f e r a b l y , w h i l et h es o l u b i l i t yi nw a t e r - e t h a n o lw a sf i t t e db y1 i n e a r ； t h em e t a s t a b l ez o n ew a sm e a s u r e db yl a s e rm e t h o da n dt h ee f f e c t so f c o o l i n gr a t ea n d a g i t a t i o ns p e e dw e r ei n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l y t h ei n d u c t i o np e r i o d o ft h e c r y s t a l l i z a t i o np r o c e s so fg l y c i n ew a sa l s os t u d i e d ，b yw h i c ht h es u r f a c et e n s i o n b e t w e e nc r y s t a la n ds o l u t i o nw a sc a l c u l a t e d t h ec o o l i n gc r y s t a l l i z a t i o nk i n e t i c so fg l y c i n ei nw a t e ra n dw a t e r - e t h a n o lw e r e m e a s u r e d e x p e r i m e n t a l l yb yb a t c hd y n a m i cm e t h o d 1 1 l ca s la n dm j 2 s i z e d e p e n d e n tm o d e lw e r ec h o s e nt od e a lw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a b ym e a n so f t h em o m e n tt r a n s f o r n lm e t h o d t h ee q u a t i o n so ft h en u c l e a t i o na n dc r y s t a lg r o w t h r a t e si 1 1t h ec r y s t a l l i z a t i o np r o c e s so fg l y c i n ei nw a t e ra n dw a t e r - e t h a n o lw e r e o b t a i n e dt h r o u g ht h el e a s ts q b a r em u l t i v a r i a t el i n e a rr e g r e s s i o n t h ep o l y m o r p h i s mo fg l y c i n ew a st h e ni n v e s t i g a t e d t h ec u l t i v a t i n ge x p e r i m e n t o fs i n g l ec r y s t a ls h o w nt h a tt h ed s i n g l ec r y s t a lc a nb eo b t a i n e db ys l o we v a p o r a t i o n o ft h ew a t e rs o l u t i o no fg l y c i n e w h i l ey s i n g l ec r y s t a lc a nb eo b t a i n e db ya d d i n g n a c lo rn a n 0 1 t h ec r y s t a ls t r u c t u r e sa n dp a r a m e t e r so ft h et w op o l y m o r p h sw e r e g a i n e dt h r o u g hs i n g l ec r y s t a lx - r a yd i f f r a c t i o n ，p o w e rx r a yd i f f r a c t i o na n di r t h e p o l y m o r p h i ct r a n s f o r m a t i o nw a st e s t e db vd s ce x p e r i m e n t 1 1 1 er e s u l t ss h o wt h a t 口 m a dr p h a s ea r eb e l o n gt oe n a n t i o t r o p ya n dt h et r a n s f o r m a t i o nb e t w e e nt h e mi s i r r e v e r s i b l ea n de n d o t h e r m i c t h em o r p h o l o g i e so fg l y c i n eu n d e rv a c u u mc o n d i t i o n a n di nw a t e rs o l u t i o nw e r es i m u l a t e db yc e r i u s 2s o f t w a r ew i t i lb f d ha n da em o d e l s a t i e rc o m p a r i n gw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s i ti sf o u n dt h a tt h em o r p h o l o g i e so fd p l m s es i m u l a t e db va em o d e lq u i t er e s e m b l et h o s eo b t a i n e di nt h ee x p e r i m e n t s a i m e da tt h eq u a l i t yd e m a n do ft h eg l y c i n ec r y s t a lp r o d u c t ，t h ee f f e c t so f o p e r a t i o n a lp a r a m e t e r ss u c ha sc r y s t a l l i z a t i o nm e t h o d ，c o o l i n gr a t e ，a g i t a t i o ni n t e n s i t y ， s e e da n da d d i n gr a t eo fe t h a n o le t c o nt h ec s d ，y i e l da n dm o r p h o l o g yw e r e i n v e s t i g m e ds y s t e m a t i c a l l yb ye x p e r i m e n ta n dt h ee x p e r i m e n t a lo p t i m u mo p e r a t i o n a l c o n d i t i o n sf o rt h ec r y s t a l l i z a t i o no f g l y c i n ew e r ef i n a l l yo b t a i n e d k e y w o r d ：g l y c i n e ，c r y s t a ls i z ed i s t r i b u t i o n ，c r y s t a l l i z a t i o nt h e r m o d y n a m i c s ， c r y s t a l l i z a t i o nk i n e t i c s ，p o l y m o r p h i s m ，m o r p h o l o g ys i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作，暂签名：宋霭梅 签字r 期：。4 年f 月g 几 学位论文版权使用授权书 本学位沦文作者完全了解叁洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤洼盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 一， 学位论文作者签名：牢彦榜 导师签名 签字日期：2 。碑年f 月5 同签字日期 事铭饲 如年年，月6 同 第一章前音 第一章前言 1 1 甘氨酸的生产及应用技术 甘氨酸( g l y c i n e ) ，又名氨基乙酸或乙氨酸，化学结构式为h 2 n c h 2 c o o h ， 分子式为c 2 h 5 n 0 2 。甘氨酸是结构最简单的氨基酸，广泛存在于自然界中。早在 1 8 2 0 年勃拉克诺己从明胶中分离得到甘氨酸，因为它是具有特殊甜味的结晶体， 故又被称为胶糖【jj 。1 8 4 8 年，瑞典的化学家b e r z e l i u s 将其命名为甘氨酸。固态 的甘氨酸为白色单斜晶系或六方晶系的晶体或白色结晶粉末，无臭，无毒，相对 密度1 6 0 7 ，熔点2 3 2 2 3 6 c ( 分解) ，易溶于水，难溶于乙醇、丙酮和乙醚，微溶 于吡啶，可与赫酸反应能生成辅酸盐。 11 1 甘氨酸的应用 近年来，国内外有关甘氨酸的生产工艺与技术的研究丌发取得了瞩目的进展， 其应用领域亦得以进一步的扩展。在医药领域，甘氨酸是人体必需的氨基酸，在 各种氨基酸输液的配方中，基本上都使用甘氨酸，同时它还可用作会霉素缓冲剂： 甘氨酸作为一种重要医药中间体，可用以制各各种有效药剂，例如治疗巴金森氏 病的特效药“l - 多巴”( l - d o p a ) 的主要中问体即是甘氨酸；甘氨酸还可用于合成 d l 苯丙氨酸及l 一苏氨酸等重要氨基酸：甘氨酸常作为制酸剂和解毒剂，3 0 甘氨酸与7 0 碳酸钙的复合调剂，可治疗神经性胃酸过多；甘氨酸与阿斯匹林、 扑热息痛等反应制得的药物，不仅可提高药物的溶解度，增加药效，还可有效抑 制药物产生的副作用。在保健品和生化试剂领域中，甘氨酸在医治蛋白质稀缺方 面，起着不可取代的作用。在食品领域，把甘氨酸添加于食品中可以增加食品中 氨基酸的含量，提高营养成分：同时它还可用作调味品，配制清凉饮料、含醇饮 料及糖精去苦剂：甘氨酸还可用作食品抗氧化剂及防腐剂，以延长食品保质期。 在农药领域，由甘氨酸为起始原料合成的膦制剂草甘膦( g l y p h o s a t e ) 是一种高 效低残毒除草剂：h 氮酸与三氯化磷、甲醛反应制得的植物生长调节剂增甘膦， 施于植物叶面，具有脱叶催熟作用。在饲料领域，甘氨酸用在饲料添加剂中不仅 可以增加饲料的营养成分，还可以防止饲料氧化变质，延长饲料保鲜期。在其他 领域，甘氨酸也具有广泛的应用，例如，可用作有机合成的溶剂，生化试剂，化 肥工业1 ，脱二氧化碳溶剂，制备氟氨基酸类新型表面活性剂。甘氨酸与高级脂肪 酸赫可复配制备高档洗涤剡，甘氨酸在只用化工中也得到了广泛应用，用以配制 第一章前言 染发剂、清洁用品、化妆品等。 11 2 甘氨酸的生产方法 = f 氨酸的工业生产方法主要有三种：天然蛋白质水解法、氯乙酸氨解法和 s t e r c k e r 法。目前国内普遍采用氯乙酸氨解法，国外则以s t e r c k e r 法为主1 2 j 。 1 1 2 1 水解法 以明胶或蚕丝等天然蛋白质为原料，经水解、离交分离、精制过滤、干燥 而得产品。此法因蛋白质原料消耗大，发展受到限制，现己被合成法所取代。 112 2 氯乙酸氨解法 i “氯乙酸与液氨在催化剂乌洛托品存在下反应而制得： c l c h 2 c 0 0 h + n h 3 + h 2 0 十( c h 2 ) i n 4 一型! 争n h 2 c h 2 c 0 0 h + n h 4 c l + h c h o h c h o + n h 3 ( c h 2 ) 6 n 4 + h 2 0 此：i ：艺的优点是氯乙酸容易得到，液氨为化肥厂副产品，合成工艺简单，对 设备要求不高，易操作，基本上无公害( 3 1 。但有两个问题有待解决：一是除去反 应巾q 二成的氯化铵很困难，精制成本高；二是作为催化剂的乌洛托品难以回收循 环使用，造成原料的极大浪费，使生产成本增加。 目 阿除去反应中生成的氯化铵的主要方法有：( a ) 大量添加甲醇或乙醇，使甘 氨酸从浓缩液中逐步析出，( b ) 加入碳酸铅，将n i - h c l 分解为n h 3 和p b c h ，然 后用h 2 s 除去过剩的铅离子。近年还出现了离子交换树脂法。国内当前普遍采 用的是方法( a ) ，但由于甲醇或乙醇耗用量大，成本较高。 1123s t e r c k e r 法 在甲醇溶剂中，以氰化钾( 或氰化钠) 和氯化胺作用f 生成甲叉氨基乙腈， 加入冰醋酸，使之以无色晶体形式析出： 6 h c h o + 3 n a c n + 3 n 4 c l 斗3 ( c h 2 = n c h 2 c n ) + 3 n a c i + 6 h 2 0 将产物过滤，在硫酸存在下加乙醇分解，得到氨基乙腈硫酸盐： 3 ( c h 2 喇一c h 2 c n ) + c 2 h 5 0 h + 3 h 2 s 0 4 _ 3 ( h 2 n c h 2 c n ) h 2 s 0 4 + 3 c h 2 ( c 2 h s ) 2 将上述产物用氢氧化钡分解，得到氨基乙酸钡： 2 ( h 2 n c h 2 c n ) 2 s 0 2 + 3 b a ( o h ) 2 ( n h 2 c h 2 c o o ) 2 b a + 2 b a s 0 4 + 2 n h 3 + 2 i 2 0 然后加入定量的硫酸，使钡定量沉淀、过滤，将滤液浓缩，放置冷却，析出甘氨 酸结晶。 ( n h 2 c h 2 c o o ) 2 b a + h 2 s 0 4 _ 2 n h 2 c h 2 c o o h + b a s 0 4 此工艺路线较长，原料n a c n 为剧毒物，反应后的脱盐操作较复杂，操作条 件较苛刻，其优点是易于精制，成本低，适合于大规模工业化生产。 2 第一章前言 1 1 2 4 氢氰酸法合成甘氨酸新工艺 该工艺以廉价的丙烯腈副产物氢氰酸代替氰化钠，生产成本更低，美国、日 本等普通采用此法生产甘氨酸【4 1 。 我国目前有丙烯腈生产厂2 0 多家，总生产能力接近5 0 0 k 吨年，丙烯腈生产 中副产物的1 0 2 0 为氢氰酸，为氢氰酸法合成甘氨酸提供了丰富价廉的原料。 中科院大连化物所已于9 0 年代仞丌发成功以h c n 为原料合成甘氨酸的工艺。 该工艺以氢氰酸为主体原料，在生产过程中，可直接利用气态h c n 或任意比例 的h c n 水溶液，醛类可利用气体、溶液或高聚物，氨源可用氨加二氧化碳或碳 酸铵、碳酸氢铵等，各原料的投料量近于理论量，产品收率可达7 3 ，产品含 量大于9 5 。 该工艺由丁反应步骤少，因此工艺过程缩短，操作步骤简化，设备投资减少， 生产成本也大大降低，无三废处理，易于放大生产，所得甘氨酸产品质量明显优 于氯乙酸法所得的产品。 1 ，2 本文的研究内容 目前，国内生7 的_ | 寸氨酸在质量上与国外先进厂家的产品相比，还有很大差 距，l ：要表现确：t i t l i 体彤态蓐t 掐形不完整；多为混晶状态，即。晶型和r 一晶型 共存，在储运过种中，剐t 型的相互转化导致结块团聚，使用不便；产品粒度分布 不均匀。目前国际医药市场上，对甘氨酸产品质量要求是：4 0 目 8 0 目之阳j 粒 子的质量分率占7 0 以二：为单一的d 或y 晶型，稳定性好，长期存放不结块。 国内生产的l _ j 。氨酸产品大都不能满足此要求，主要原因是所采用的结晶技术和设 备比较落后。因此，有必要对甘氨酸结晶过程进行深入研究，为国内甘氨酸结晶 技术的提升打下基础。 针对甘氨酸结晶生产过程中存在的问题，本文拟开展以下几项研究工作： l 、1 ：j 氨酸的结品热力学研究，拟采用动态法测定甘氨酸在纯水及不同配比的水一 乙醇混合溶剂中f 1 , 0 溶解度和超溶解度，为结晶工艺的开发及工业放大提供理 论依据： 2 、甘氨酸的结品动j 学研究，拟考察过饱和度、悬浮密度、温度和搅拌速率等 操作条件对结晶成核速率和生长速率的影响，推导出甘氨酸成核和生长动力 学方程； 3 、甘氨酸的多晶捌现象研究，摸索甘氨酸的口和r 单晶的培养方法，并分别测 定其晶体结构，观测两种晶型的甘氮酸在固体状态下的晶型转变现象； 第一章前言 4 、甘氨酸的晶习研究，拟运用c e r i u s 2 软件分别模拟计算甘氨酸在真空和有水 存在条件下的晶习： 5 、在上述工作基础的上，开发冷却和溶析相结合的甘氨酸结晶新工艺，分别考 察品种、降温速率、搅拌速率、溶析剂的流加速率等因素对结晶过程及产品 质量的影响，确定甘氨酸的经验最优生产工艺条件，获得满足国际质量指标 的甘氨酸晶体产品。 4 第二章h 氨酸结品熟力学研究 第二章甘氨酸结晶热力学研究 结晶过程是一个复杂的传质、传热过程，物化条件的改变就会引起结晶过程 控制步骤的改变，表现为不同的结晶行为，因此对特定物系结晶过程行为的研究 应该从该物系的热力学性质入手。结晶热力学是体系内固液各相中分子间相互作 用与分子热运动的综合表征，一般包括基本物性数据、溶解度、介稳区及诱导期 数据等。这些结晶热力学数据的测定将为结晶过程的设计和操作生产提供理论依 据。 2 1 1 溶解度 2 1 文献综述 结晶是从溶液中析出固体的过程，显而易见固体在溶液中溶解度的大小与 溶剂的选择及结晶操作方式的确定密切相关。结晶过程的产量决定于结晶固体与 其溶液之间的相平衡关系，通常可用固体在溶剂中的溶解度来表示这种平衡关 系。溶解度的大小标志着结晶收率的极限，同时溶解度又会受到多种因素的影响， 因此测定不同体系中结晶物质的溶解度，对于如何提高产率并寻找更好的结晶条 件具有很重要的现实意义。 2 ，1 1 1 溶解度的测定方法 目前测定溶解度的方法很多，归纳起来大体上可分为动态法和静态法两类： 静念法是指在一定温度和组成的条件下，将溶剂与被测物系的过量溶质混合，在 某一温度下恒温搅拌趋于平衡，静置一段时间后，分析清液中的溶质浓度即为该 条件下的溶解度，或测定未溶固体的量来反算饱和溶液中的晶体浓度。静态法对 达到溶解平衡的速度没有限制，所以对溶解速度快和慢的物质都可以使用，但是 测定效率较低，耗时长，样品和试剂用量大；动态法是在被测物系组成已经确定 的条件下，逐渐改变条件( 温度、组成等) ，通过测定发生相变时物性的变化来 确定溶解度，比如差热分析法，激光法等。动态法对测定达到平衡较快的物系有 独特优点，样品耗量少，测定效率较高且不必对所测物系建立专门的分析方法。 在溶解度的测量过程中，以下的几个因素必须注意： ( a ) 物质的纯度，杂质的存在会对被测体系的热力学性质产生重大的影响， 并且像电导率等方法会对杂质十分敏感； ( b ) 温度的控制，在溶解度的测定过程中，温度的精确控制和测定是至关重 第二章甘氨酸结晶热力学研究 要的，绝大多数物质的溶解度均是温度的函数： ( c ) 溶解平衡的建立，为了使体系建立充分的溶解平衡，一般都采用充分的 搅拌，同时要保证充分的平衡时间； ( d ) 其他因素，要防止一些外来因素的影响，如操作过程中污染的影响等。 但是由于各个物系的性质不同，溶解特性也各种各样，因此并没有一个普遍 适用于所有系统的方法，需要根据系统的特性、可用的实验设备、分析技术以及 实验的精度要求来选择合适的测量方法。 2 11 2 溶解度的数据关联 迄今为止，人们提出了很多种有关溶液平衡的理论模型，如固液平衡理论、 v a nl e a r 理论、正规溶液理论、无热溶液理论、w i l s o n 方程、 h 方程、 s c a t c h a r d h i l d e r b r a n d 方程、n r t l 方程、u n i q u a c 方程、u n i f a c 方程及 d i s q u a c 方程等。现将其中较为常用的简述如下： 首先从固液平衡的理论出发，得出了描述固液平衡的普遍化溶解度方程【5 1 ： 坂眦，= 半毒一争竿c h 等一和一等c + ， p ， 在一般的情况下，该式中的压力修正项和热容差均可忽略，且三相点的温度通常 很接近于大气压下的熔化温度，故上式可简化为： ，n ( y z z 2 ，= 半c 毒一争 ( 2 - z ， 1 9 8 0 年，b u c h o w s k i 等人6 1 提出了一个新的描述固液平衡的肋方程： i n 1 + 2 ( 1 - x 2 ) ：2 h ( t - i _ 巧1 ) ( 2 - 3 ) 2 其中h 是焓因子，i 是饱和溶液非理想性的量度，定义式分别如下 2 - - - 掣( 2 - 4 ) 1 群 h r = h 。+ h 5 x 尹( 2 - 5 ) 式中a - 、印分别是溶剂和溶质的活度，爿是混合焓，x 是饱和溶液中溶质的摩 尔分率，进一步可推出： 五：# l x 2( 2 6 ) l 一口- x l h r = 脯“( 2 7 ) 6 第二章扑氨酸结品热力学研究 对理想溶液，2 = 1 。如果缔合引起溶液的非理想性，可以用理想缔合溶液理论推 导出： 五：擎 乞 ( 2 8 ) 这时， 是平均缔合数，相当于平均每个多聚体中所包含的单体个数。 可通过 系统溶液和溶剂蒸汽压数据确定 a ：地l ( 2 9 ) a p 1 一工2 p - 、a p 分别是溶剂蒸汽压和溶液、溶剂蒸汽压之差。a 也可以用实测数掘回归。 b u c h o w s k i 等人用该方程关联了六种苯酚及安息香酸在苯、四氯化碳、环己胺这 类非极性溶剂中的溶解度，效果非常好。d o m a f l s k a 等1 7 1 证实对所研究的烃类与 非极性溶剂构成的物系，舳方程的关联效果也确实很好。孔学军 8 】等用肭方程 关联维生素b 6 和维生素b 6 酮的溶解度，结果令人满意。 _ 二十世纪以来研究工作者对氨基酸在水中的溶解特性及关联进行了深入研究 发现，经典的热力学模型，如w i l s o n 方程、n r t l 方程、u n i q u a c 方程、u n i f a c 方程可以得到比较好的拟合效果。 当氨罐酸溶1 二水中时，固液平衡方程为： 础= ； ( 2 1 0 ) 写成等价的逸度的形式为： 片= 兵( 2 1 1 ) 珐= z 。坟 q - 1 2 ) 其中z 。是氨基酸的摩尔分数，。是氨基酸基于摩尔分率的非对称的活度系数。 只是当a 的摩尔分数趋于零时对应的标准态逸度。因此有下式： 露= z a y a 露( 2 1 3 ) k e f f l l 兵i o 与溶解过程中的标准自由能的变化符合下式： a g o = a h o 一丁s o = 一r t i n _ j a 石 ( 2 1 4 ) 务一p c 等一等 弘嘲 其中a s o 和日。是溶解过程中的标准的熵变和焓变。由( 2 1 3 ) 和( 2 1 5 ) 得到： 。一“等一筹) ( 2 - 1 6 ) 文献1 9 峪出了l 一丙胺酸、d l 丙胲酸、l 一脯氨酸和l - 羟基脯氨酸等四种氨基酸的 第二章f r 氮酸结品热力学研究 心。和删。的值。文献1 0 1 利用这些值就预测了它们在水中不同温度下的溶解度数 掘，得到的结果与实验值吻合的很好。 2 1 2 介稳区 标识溶液过饱和而欲自发地产生晶核的极限浓度称为超溶解度，溶解度曲线 与超溶解度曲线之间的区域为结晶的介稳区。关于介稳区的概念，丁绪淮【1 l 】予以 创造性的发展，在工业结晶的过程中，溶液中总有固体悬浮，且有温和的搅拌， 他系统的研究了类似这种状态下的过饱和现象，证明了超溶解度曲线和溶解度曲 线有所不同，一个特定的物系只存在一根确定的溶解度曲线，而超溶解度曲线的 位置要受多种因素的影响，例如有无搅拌及搅拌强度的大小；有无晶种及品种的 大小与多寡；冷却速率的快慢等等，因而超溶解度是一簇曲线。 在介稳区内溶液不会自发成核，而工业结晶要避免自发成核，j 能保证产品 质量，因此应尽量控制在介稳区内结晶爿+ 能达到这一目的【“l 。结晶器的设计也要 求有物系介稳区宽度的数据作为设计中选择适宜操作过饱和度的依据，所以按工 业结晶过程条件测定出超溶解度曲线，进而确定介稳区有重要的实用价值。 2 1 2 1 介稳区自 j i n 定方法 理论上，介稳区可用极限过饱和度或极限过冷度来表示。其测量方法根据 晶核出现时机的判断方法刁i 同大致可分为直接法、问接法和诱导期法： 1 直接法 直接法是通过直接检测结晶系统的中微小细晶出现的时机来确定物质的介稳 区，根据所采用的设备不同又可分为目测法、c o u l t e r 计数法和激光法i l3 1 。目测 法是直接用肉眼束观察系统中微小晶粒出现的时刻，由于受到人眼鉴别能力的限 制，目测法只能检测到粒度在5 1 0 微米以上的晶体，这就造成观察到的首批晶 核出现的时机明显滞后于实际的出品点。所以目测法的重现性较差。c o u l t e r 计 数法是通过c o u l t e r 计数仪来检测过饱和溶液中首批晶核出现的时机，其可检测 到的晶体粒度在l 2 微米以上，因此与目测法相比，测量精度有所提高。但是， 由于c o u l t e r 计数仪在测量微粒子时仪器本身的噪音较大测量精度也较差。激 光法是根掘出品前后透过过饱和溶液的光强度的变化来检测首批晶核出现的真 正时机。该法不仅简便易行，而且动态响应快，灵敏度高，适用范围广+ ，准确度 高，因此得到了越来越广泛的应用。 2 间接法 间接法是通过检测出品点前后结晶物系物理化学性质( 如电导率、折射率、 浊度等) 的变化来确定晶核出现的时机，进而确定介稳区。在实际应用中，由于 首批出现的品核量往往很少，由此而引起的物理化学性质的变化不是很明显，因 第二章氨酸结品热力学研究 此这种方法也很难判断首批晶核出现的真实时机。 3 诱导期法 诱导期法是通过测定成核诱导期来确定溶液的超溶解度，其理论依据是： i n “= k d 一 ，ni n s( 2 - 1 7 ) k m d = l n 6 c ( m n k b c “) 】( 2 - 1 8 ) 其中t 。为成核过程的诱导期；k n 为成核阶数；s 为过饱和度比：肌。为晶核的 质量；凰为成核速率常数。 应用该方法测定物系的介稳区时，需先实验测定不同的过饱和度下的诱导期 。e ，将实验得到的数据用l n 。对相应的过饱和度作图，并将所得图形外推至 l ，| j i d = o 处，此时的横坐标即为极限过饱和度，进而确定介稳区的宽度。 2 1 3 诱导期及表面张力的确定 成核诱导期，。，可定义为从过饱和状态形成的时刻到固体相粒子出现并被检 测到的时刻的时间1 1 ”。这包括过饱和溶液中临界晶核出现的时间和晶核长大到能 检测到的时恻。严格的说，在不加晶种的条件下，间歇结晶的诱导期应在任何条 件下都存在，并日埏续时间可能在很宽的范围内存在，从几分之一秒到几个月甚 夸几年。绣学期会受到温度、过饱和度、搅拌强度、粘度及不同杂质的影响l ”】。 品种的存在通常会缩短诱导期，但不一定消除诱导期。 从成核理论出发，固液表面张力很大程度上决定着晶体的生长机理。表面张 力的值通常是由不同过饱和溶液的诱导期的数据推算而得到。 一殷认为，诱导期与晶体的初级成核速率成反比，即： t i a 。c 占p 。( 2 1 9 ) 根据经典的成核理论： b r = a e x p - 16 ，r t r 3 v 2 3 是7 3 i n 2 s ( 2 - 2 0 ) 式中k 为b o l z m a n n 常数；v 为分子体积：爿为频率因子；s 为过饱和度t ：l 。 由式( 2 - 1 9 ) 和( 2 - 2 0 ) 可以得到如下的关系式： 。邶+ 蒜 ( 2 - 2 ) 式中b 为一常数。在恒定温度下，l n f 砌对i n 之s 做图应该得到一条直线，该宜线 的斜率d 为： 16 石仃3 v 2 瑾31 矿( 2 - 2 2 ) 9 第章l r 氰峨结晶热力学研究 由上式可以求得固液表面张力为： 盯= ( 等厂 盯2 【丽j ( 2 之3 ) 利用式( 2 2 3 ) 可以对固液表面张力进行估算。但是应当指出，该式只有在比较窄 的过饱和度范围内成立，阴为该式只有对真正的均相成核过程才成立。 2 2 甘氨酸结晶热力学性质的测定 l 型2 - 1f f 氩酸的济蝌唆、舟稳i x 及诱导期测定的实验装置幽 f i g 2 1s k e t c ho l l i l t r a ia ll i s , f o rm e a s u r e m e n to f t h es o l u b i l i t y 、 f i r f t “f t l b k ，( j ，l fc i f | ji u d u c t o l 、p e r i o do fg t y c i n e 1 结品器 2 超级恒溢小渐3 激光发射器4 激光接收器 5 记录仪 6 温度汁7 转f8 磁力搅拌器 甘氨酸的溶解度、介稳k 及诱导期实验的主要实验装置均采用图2 1 的装置， 该测量装置主要包括绌f 5 器、 i 湔 系统、激光测量系统及搅拌系统几部分。其中 所用结晶器是容积为l o o m t 的带央套的玻璃结晶器。控温系统为超级恒温水浴， 温度控制精度为士o1 。激光黝量系统包括激光发射器、激光接收器和记录仪三 部分，其中，激光发射器发射的是波长为5 3 1 n m 的氦氖激光，该激光束与其它 普通光源发出的光束州比县有单色性与方向性好、亮度高等优点，激光接收器将 接收到的光信号转化为i u 信号由记录仪记录并输出。搅拌系统采用磁力搅拌器。 实验中，为保证温度测量的准确r e ，采用了最小刻度为o 1 的精密温度计，并 在使用前用冰水混合物，l j 蚶善1 进行了标定。 2 2 1 甘氨酸溶解度的测定 出于胡氨酸在水等溶剂z 溶解速度较快，因此本文采用动态法测定其溶解 度实验装置如图2 1 所示 第二章甘氨酸结晶热力学研究 2 2 1 1 实验步骤 1 ，准确称量一定量的溶剂( 水或水乙醇) ，倒入结晶器中。 2 1 采用精度为o 0 0 0 1 9 的分析天平准确称取一定量的甘氨酸( 纯度为9 9 以上) 。 3 ，升温，开始升温可较快，( 约o 5 k 1 0 m i n ) ，当接近溶解温度时极缓慢升温( 约 0 1 k 1 0 m i n ) 至完全溶解，记录这时的溶解温度。 4 反复测定三次，取平均值即为该温度下的溶解度。 2 21 2 结果与讨论 * 2 谢 膝 虹 掣 琏 妊 01 02 03 04 05 06 07 08 09 01 0 0 温度( ) 图2 - 2 甘氨酸在纯水中的溶解度 f i g 2 - 2t h es o l u b i l i t yo f g l y c i n ei np u r ew a l e l 实验中首先测定了甘氨酸在纯水中的溶解度曲线，结果如图2 2 所示：用 h 方程进行拟合，所得的结果为： 1 n 1 + 塑雩趔 = 1 3 8 7 1 6 6 ( 1 一丽1 t 5 3 31 5 ) 向9 9 8 5 ( 2 _ 2 4 ) z 。 、7 由( 2 2 4 ) 式的相关系数来看，用五h 方程拟合甘氨酸在纯水中的溶解度，结果还 是很令人满意的。 在有些甘氨酸的生产企业，以乙醇为溶析剂采用溶析法生产甘氨酸晶体产 品，因此本文还测定了甘氨酸在不同配比的水乙醇混合溶剂中的溶解度数据， 结果如图2 - 3 所示，从图中可以看出甘氨酸在水乙醇混合溶剂中的溶解度与温 度之间存在较好的线性关系，各条线的拟合结果如下： 水一乙醇体积比为1 0 ：l ： c ：o 5 1 6 4 t + 5 2 7 4 0r 。= o 9 9 9 6 f 2 2 5 ) 水乙醇体积比为3 ：1 ： c = o 3 8 6 4 t + 1 0 2 4 8r 。= o 9 9 1 6 r 2 2 6 ) 水乙醇体积比为2 ：l ： 砷鲫m 0 第二章甘氨酸结晶热力学研究 o1 02 03 04 05 06 07 0 温度( ) 图2 3 甘氨酸在不同配比的水- 乙醇混合溶剂中的溶解度 f i g 2 - 3t h es o l u b i l i t yo f g l y c i n ei nw a t e r - e t h a n o lo f d i f f e r e n tv o l u m er a t i o f = o 2 8 3 8 t + 0 9 4 1 6r 2 = o 9 9 1 0( 2 - 2 7 ) 水一乙醇体积比为1 ：1 ： c = 0 17 6 8 t 0 515 2 r 2 = o 9 9 6 4 ( 2 - 2 8 ) 式中c + 是溶解度，蝇k g 溶剂；t 是相对温度，。 比较以上四条线的斜率可发现，随着水乙醇混合溶剂中的乙醇含量的增加， 对应直线的斜率明显减小，即溶解度的随温度的变化率减小，温度对溶解度的影 响在减小，另外从图中还可以看出，随着乙醇含量的增加，溶解度在不断降低， 这也是可以选择乙醇作为甘氨酸水溶液结晶过程溶析剂的原因。 2 2 2 甘氨酸介稳区的测定及影响因素的考察 2 2 2 1 甘氨酸介稳区的测定 本实验采用激光法测定，实验装露如图2 1 所示，实验步骤与溶解度的测定 实验类似，只不过测定介稳区时是在甘氨酸完全溶解后( 般在溶解温度以上5 保持1 小时) ，按一定的搅拌和降温速率降温，测定晶核出现时的温度。测定 过程中保持搅拌速率为3 5 0 r p m ，降温速率为o 3 k m i n ，分别测定了甘氨酸在纯 水及水一乙醇混合溶剂中的介稳区，结果见图2 - 4 。 介稳区的宽度由甘氨酸的超溶解度与溶解度的差来表示，由图2 - 4 可以看 出，甘氨酸在水中的超溶解度曲线与溶解度曲线大体平行，对超溶解度曲线进行 拟合结果为： c = 1 8 4 9 5 e x p ( 0 0 1 7 t ) r 2 = 0 9 9 4 9( 2 2 9 ) 式中c 为过饱和浓度。 拍 撕 岫 m 0 0 *等。h暑程膈扭)倒琏瓣 第二章甘氟酸结晶热力学研究 同时把介稳区宽度对温度作图如图2 - 5 所示，从图中可以发现，介稳区宽度 有随着温度的升高而变小的趋势。这一规律提醒我们在甘氨酸冷却结晶过程中应 特别注意，在结晶初期，温度较高，介稳区较窄，应控制降温速率不要太大，随 着结晶过程的进行，冷却速率可适当增大。 5 0 4 5 4 0 * 3 5 荸3 0 瓷2 5 涮 晡2 0 正 1 5 1 0 5 0 * 2 锱 晡 血 一 世 琏 吏 02 04 06 08 0 温度( ) 图2 - 4 甘氨酸在纯水中的介稳区 f i g 2 - 4t h em e t a s t a b l ez o n eo f g l y c i n e i np u r ew a l e r 1 1 6 1 1 4 1 1 - 2 ql l = q 1 0 8 1 0 6 1 0 4 1 0 2 02 04 06 08 0 温度( ) 图2 5 介稳区宽度与温度的关系图 f i g 2 - 5 t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n m e t a s t a b l ez o n ew i d t ha n dt e m p e r a t u r e 溶解度曲线 超溶解度曲线 4 0 6 0 温度( ) 图2 - 6 甘氨酸在水一乙醇( 体积比1 ：1 ) 中的介稳区 f i g 2 - 6t h em e t a s t a b l ez o n eo f g l y c i n ei n w a t e r - e t h a n o l ( v o l u m er a t i ol ：1 ) 01 02 0 3 0 4 0 5 0 温艘( ) 图2 7 甘氢酸在水一乙醇( 体积比2 ：1 ) 中的介稳区 f i g 2 - 7t h em e t a s t a b l ez o n eo fg l y c i n ei n w a t e r - e t h a n o l ( v o l u m e m t i o2 ：l 、 由图2 - 6 和2 - 7 可以看出甘氨酸在水，乙醇中的介稳区宽度与在纯水中相比， 明显变窄。这说明溶剂组成对甘氨酸的介稳区会产生重要的影响。分析原因可能 4 2 0 8 6 4 2 0 *暑00_i暑谢顾扛v餐鐾缝 0 l o 第二章甘氨酸结晶热力学研究 是因为乙醇的加入起了诱发成核的作用，缩短了晶体的出晶时间，促进了晶体产 生，从而使溶液的介稳性质变差。 2 2 2 2 介稳区影响因素的考察 由以上的分析可知，介稳区的宽度受降温速率、搅拌速率、杂质及容器壁面 特性等多种因素的影响，其中对于特定的物系，降温速率和搅拌速率是两个最重 要的影响因素，因此本文重点考察了这两个因素对甘氨酸介稳区宽度的影响。 1 降温速率对介稳区的