（化学工程专业论文）肌酸冷却结晶过程研究.pdf

摘要 肌酸是人体的一种活性物质，可用作人体能量的补充剂。通过对肌酸冷却结 晶过程的系统实验研究和理论分析，揭示了其过程机理，测试了相应基础数据， 并对工艺进行了优化。 实验测定了肌酸水溶液物系的理化性质和热力学性质。运用离子平衡的方法 考察了肌酸的等电点，实验证明肌酸的结构以及溶液行为类似于普通的氨基酸， 在溶液中主要以两性离子、正离子和负离子等形式共存，肌酸水溶液物系的等电 点随温度的不同而变化。采用激光法测定了肌酸水溶液物系的溶解度及介稳区， 并利用a p e l b l a t 提出的公式和a h 方程对溶解度数据进行了关联；实验测定了肌 酸结晶诱导期及固液晃面张力。 推导了存在粒子聚结的结晶动力学模型，在结晶成核和生长动力学模型中， 过饱和度、悬浮密度和搅拌速率的影响以幂函数的形式表达的，温度的影响则以 a r r e n i u s 形式体现。采用间歇动态实验法，测定了不同条件下肌酸结晶成长速率、 成核速率以及聚结速率常数。运用最小二乘法对得到的结晶动力学实验数据进行 了多元线性回归分析，得到了实验条件下的结晶动力学参数。 利用b f d h 和a e 模型及c e r i u s 2 软件对一水肌酸在真空条件下的晶形进行 了模拟。通过实验对比，发现a e 模型的模拟效果较为理想。另外还实验考察了 有机混合溶剂和过饱和度对一水肌酸晶习的影响，并运用c e r i u s 2 软件解释了不 同有机溶剂对一水肌酸各晶面的作用。 针对肌酸生产时对产品质量的要求，采用正交实验法，系统研究了结晶液浓 度、搅拌速率、p h 值、降温速率、晶种加入量及加入时机、养晶时问等工艺条 件对产品粒度分布、晶习及堆密度的影响。利用方差分析法对实验数据进行了处 理，提出了较优工艺条件。 关键词：肌酸粒度分布冷却结晶结晶热力学结晶动力学晶习 a b s t r a c t c r e a t i n ei sah u m a na c t i v i t ym a t e r i a la n dc a na c ta sas u p p l e m e n to ff l e s he n e r g y t h i st h e s i sf o c u s e do nt h er e s e a r c ho fc o o l i n gc r y s t a l l i z a t i o np r o c e s so fc r e a t i n e o n t h eb a s i so fl a b o r a t o r ye x p e r i m e n t sa n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s 血ef u n d a m e n t a ld a t ao f t h ec r y s t a l l i z a t i o nk i n e t i c sa n dt h e r m o d y n a m i c so fc r e a t i n ew e r em e a s u r e d ，a n dt h e p r o c e s sm e c h a n i s mw a se x p l o r e d a ne x p e r i e n t i a lo p t i m u mo p e r a t i o ns c h e d u l ew a s f i n a l l yp u tf o r w a r d f i r s t l y ，t h ep h y s i c a l - c h e m i c a ld a t aa n dt h et h e r m o d y n a m i c sp r o p e r t i e s w e r e m e a s u r e db ye x p e r i m e n t s t h ei s o e l e c t r i cp o i n t sw a sd e r i v e df r o mt h ei o nb a l a n c e m o d e la n dd e t e r m i n e db ye x p e r i m e n t s i ti ss h o w nt h a ta sa na m p h o l y t e ，c r e a t i n ec a n e x i s ti nt h es o l u t i o na sac o m b i n a t i o no fa n i o n i c ，z w i t t e r i o n i ca n dc a t i o n i cs p e c i e sa n d t h ei s o e l e c t i cp o i n t sc h a n g ew i t ht h et e m p e r a t u r ei nt h ew a t e rs o l u t i o n s e c o n d l y , t h e s o l u b i l i t yo fe r e a t i n ei nw a t e ra n dt h em e t a s t a b l ez o n eo fi t sw a t e rs o l u t i o nw e r e m e a s u r e db yt h el a s e rm e t h o da n dw e r ef i r e db yf o r m u l ai n t r o d u c e db ya p e l b l a ta n d t h e he q u a t i o nr e s p e c t i v e l y f i n a l l y , t h ei n d u c t i o np e r i o d so ft h ec r y s t a l l i z a t i o n p r o c e s so fc r e a t i n ea n dt h es u r f a c et e n s i o nb e t w e e nt h ec r y s t a la n dt h es o l u t i o nw e r e e x p e r i m e n t a l l ym e a s u r e d t h ec r y s t a l l i z a t i o nk i n e t i cm o d e l sw i t ha g g l o m e r a t i o no fp a r t i c l e sw e r ed e r i v e d t h er a t e so fc r y s t a lg r o w t ha n dn u c l e a t i o no fe r e a t i n ea r ed e s c r i b e db yt h e c o n v e n t i o n a lp o w e r - l a wr e l a t i o n s a n dt h et e m p e r a t u r ed e p e n d e n c 3o fe a c hk i n e t i c r a t ei sd e s c r i b e db ya r r h e n i u sr e l a t i o n t h ek i n e t i c so fn u c l e a t i o n c r y s t a lg r o w t ha n d a g g l o m e r a t i o no fc r e a t i n ew e r em e a s u r e d f r o maf u r t h e rs e r i e so fe x p e r i m e n t sb y m e a n so fb a t c hd y n a m i cm e t h o d b yu s eo ft h el e a s ts q u a r em e t h o df o r 山e m 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 ek i n e t i cp a r a m e t e r su n d e rt h ec o n s i d e r e d e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n sw e r eo b t a i n e d t h em o r p h o l o g yo fc r e a t i n em o n o h y d r a t eu n d e rv a c u u mc o n d i t i o nw a ss i m u l a t e d b yc e r i u s 2s o f t w a r ew i t ht h eb f d hm o d e la n dt h ea em o d e l a f t e rc o m p a r i n gw i t h t 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 ep e r f o r m a n c eo ft h ea em o d e lw a sb e t t e r t h a nt h a to ft h eb f d hm o d e l t h ee f f e c t so fo r g a n i cs o l v e n t sa n ds u p e r s a t u r a t i o no n t h em o r p h o l o g yo fc r e a t i n em o n o h y d r a t ew e r ee x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e da n dt h e e f f e c t so fo r g a n i cs o l v e n t so ne a c hc r y s t a ls u r f a c ew e r ea l s oe x p l a i n e db yc e r i u s 2 s o f t w a r e a i m e da tt h eq u a l i t yd e m a n do ft h ee r e a t i n ec r y s t a lp r o d u c t t h ee f f e c t so ft h e c o n c e n t r a t i o no ft h ef e e ds o l u t i o n ，t h es t i rs p e e d ，t h ev a l u eo fp h ，t h ec o o l i n gr a t e ，t h e q u a n t i t ya n dt h ep u t i nt i m eo fs e e d sa n dt h ec u l t u r ed u r a t i o no nt h ec r y s t a lh a b i t p u r i t y , c s da n dt h es p e c i f i cd e n s i t yo ft h ep r o d u c tw e r es y s t e m a t i c a l l yi n v e s t i g a t e d b yt h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n tm e t h o d a f t e rt h ev a r i a n c ea n a l y s i so ft h eo r t h o g o n a l e x p e r i m e n t d a t a ，a ne x p e r i e n t i a lo p t i m u mt e c h n o l o g yf o rt h ec o o l i n gc r y s t a l l i z a t i o n p r o c e s so fc r e a t i n ew a sf i n a l l 3p u tf o r w a r d k e y w o r d s ：c r e a t 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 o o l i n gc r y s t a l l i z a t i o n t 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 ，c r y s t a lh a b i t 天津人学研究生论文第一章前言 第一章前言 1 1 国内外肌酸的研究进展 肌酸又称肌肉素，大量存在于肉类和鱼类食品中，另外它还是人体的一种活 性物质 1 1 ，具有修复细胞的功能，能加速人体蛋白的合成，还可用作人体能量的 补充剂，适量补充肌酸可增加人体的力量和忍耐性，推迟疲劳产生【2 】。肌酸还是 合成香料及药物的原料，还可作为食品添加剂。肌酸作为人体固有的一种生理活 性物质，它的来源分为内源性肌酸和外源性肌酸，内源性肌酸主要是由肾脏产生， 肝与胰也能少量产生；外源性肌酸通过食物( 主要是鱼、肉和其他动物性食品) 获取，人体会根据外源性肌酸的量自动调节自身产生的内源性肌酸的量，如果人 们经常摄食大量鱼类、鱼肉和其它动物食品，则自身合成肌酸的量会相应减少： 反之，如果人们以素食为主则体内产生的肌酸量会多一些j 。 随着运动医学科学的迅猛发展，开发专供运动员( 或体育业余爱好者) 专用 的“运动饮料”已成为全新科研课题，其中最令人关注的便是肌酸类口服液。在 过去l o 年中美国与欧洲的食品商至少开发出数十种肌酸或肌酸与其它营养成分 的“运动饮料”口j 。因此近几年肌酸成为西方运动员和体育爱好者最普及的一 种“大众型饮料”。所以营养学家认为【3j ，开发含适量肌酸与其它可提高人的肌 肉耐力的植物性成分或电解质的新型运动饮料将有广阔的市场前景。肌酸从 1 9 9 3 年开始进入竞技体育界，1 9 9 4 年成为最流行的能力增强剂，1 9 9 5 年传入我 国，但在我国的发展水平较慢。可是由于全世界有数千万的运动员以及运动爱 好者的庞大群体，故肌酸类运动饮料和食品无疑将具有巨大的市场潜力。这也为 研制开发肌酸的生产工艺提出了新的要求和挑战。 肌酸最早是由法国化学家谢弗罗尔于1 8 3 2 年从肉汤中分离出来的，1 8 4 4 年 德国化学家佩腾克费尔从人尿中发现肌酸酐，后来李比希测定了肌酸和肌酸酐分 子组成，分别是c 4 h 9 n 3 0 2 和c 4 h 7 n 3 0 ，并发现后者是一强碱，在肌酸晶体中 每个肌酸分子和一个结晶水结合，当把它加热到1 0 0 。c 时便会失去这一结晶水 7 1 。 关于肌酸的制备方法文献中报道较多，根据原料路线不同，下面分别讨论： 1 以肌氨酸和氰胺为原料 肌氨酸( c h s n h c h 2 c o o h ) 和氰胺( n h 2 c n ) 经加热反应而得肌酸产品， 这是一种基本的合成方法。但该法由于肌氨酸的价格昂贵以及肌酸的收率较低， 而没能发展成为经济上合算的肌酸生产工艺。 当肌酸需要量较少，而且所需的是有特殊的用途时，比如说用于放射性检测， 便可以通过下式合成出特定功能的肌氨酸，进而制取特定功能的肌酸【8 】。 天淬人学研究生论文 第一章前言 cs 0 2 c n h 2 c h 2 c o o h _ + c 旦c h 3 n h c h 2 c o o h + c ( c h 3 0 2 s 0 2 s 0 2 n h c h 2 c o o 卜卜 c c h 3 s 0 2 n c h 2 c 0 0 h 2 以肌酸纳和氰氨为原料 欧洲专利e p0 7 5 4 6 7 9 中【2 】公开了一种用肌酸钠水溶液和氰胺水溶液反应来 制取肌酸的方法。这种方法制取肌酸的成本也比较高，而且在反应过程中由于氰 胺的存在，使得在生成肌酸的同时还会生成双氰胺等含氰根的杂质。 3 以氯乙酸和甲胺为原料 中国专利c n1 2 4 0 2 0 7 a 中i 2 】公丌了一种合成肌氨酸，进而制取肌酸的方法。 首先将氯乙酸水溶液和甲胺水溶液反应生成肌氨酸溶液，经加热脱甲胺浓缩后， 加入氰胺水溶液反应后便可得到肌酸粗品，反应式如下： 2 c h 3 n h 2 + c 1 c h 2 c o o h c h 3 n h c h 2 c o o h + c h 3 n h 3 c 1 c h 3 n h c h 2 c o o h + n h 2 c n - - - n h 2 c ( n h ) n ( c h 3 ) c h 2 c o o h 该方法省去了将肌氨酸或肌氨酸纳提纯后再与氰胺反应的步骤，降低了成 本。在文献【2 中还提出可通过加入一种脱苦味剂来消除肌酸产品的苦味。这也 说明有必要进一步深入研究结晶提纯。 1 2 本文研究工作 目前我国生产的肌酸在质量上与国外相比较还一定的差距。国内的肌酸产品 粒度较小，粒子分布不均匀，而且产品结晶度较低。另外，对于某些肌酸产品由 于涉及到胶囊的装填，所以对堆密度的要求较高，如松装堆密度和墩实堆密度的 要求，但是大部分国内肌酸生产厂产品的堆密度都较小，不能满足用户的要求。 目前国际医药市场上对肌酸产品粒度及密度指标是：4 0 目到1 2 0 目之间粒子的 质量百分率达7 5 以j ：，松装堆密度达到5 3 0 5 5 0 9 l ，墩实堆密度达到6 5 0g i 以上。与国际产品相比较，国内大部分肌酸j t 品不能达到这个标准。因此对肌酸 结晶过程进行迸一步的深入研究，对于解决上述问题具有重要的应用价值。 本文在研究肌酸结晶热力学、结晶动力学的基础上，深入研究结晶过程中物 理化学环境对一水肌酸结晶生长行为、晶习以及晶形的影响，并从理论上探讨改 善肌酸产品晶形所需的工艺条件；最后，采用证交实验的方法，对肌酸结晶工艺 条件进行了优化，在小试规模实验中制备了满足国际用户要求的晶体产品。 天津大学w f 究生论文第二章删l 泼的理化性质和肌酸水溶波热= _ f _ f 学的撑 究 第二章肌酸的理化性质和肌酸水溶液热力学的研究 从工业生产的角度来说，只有对肌酸水溶液物系的溶解度、介稳区和诱导期 有一定的认识，才能更好实现肌酸冷却结晶过程。另外由于肌酸是一种两性物质， 所以有必要考察它的两性性质，如等电点等。本章将着重进行这些方面的研究。 2 1 肌酸的物化性质 2 1 1 肌酸的物理性质 肌酸又称为甲胍基乙酸，其分子结构如图2 - i 所示，肌酸微溶于冷水，易溶 于热水，肌酸在水中具有中等溶度，不溶于乙醚、丙酮等有机溶剂。肌酸的物理 性质具体如表2 1 所示。 表2 - 1 肌酸物性数据 分子式：分子量c 4 h 9 n 3 0 2 ：1 3 1 1 4 ：c 4 h 9 n 3 0 2 h 2 0 ：1 4 91 5 1 9 1 性状白色结晶或结晶形粉末，无臭i i o 晶体形状单斜；通常为片状，有时为针状p o 熔点 2 9 5 3 0 3 c t o l 密度1 3 3 9 m f i l l 解离常数3 2 8 ( 酸性，4 0 ) 1 9 】 1 0 0 9 水中溶解1 4 9 ( 1 8 c ) 9 1 溶解度 1 0 0 9 水中溶解0 0 1 9 ( 1 7 c ) f 9 】 不溶于乙醚、丙酮1 9 1 生成焓- - 5 3 72k j t o o l 9 1 燃烧焓 5 5 98 c a l k g 1 c o o h n h 2 幽2 - 1 肌酸分子结构式 f i g 2 - it h ec h e m i c a ls t r u c t u r eo fc r e a t i n e 、 一o ， f41t31、rcth。，。qntuii1 ，：”j c 2 ， 1 2 山 、h 于 p h 幽2 2 一水肌酸的两性离子结构式 从水溶液中结晶得到的肌酸晶体以一水合物的形式存在。在一水肌酸的分子 结构中，羧基和胍基所在的平面交叉于图2 2 中的c ( 3 1 ，呈8 4 5 。的角。一水肌 酸晶体属于单斜晶系，晶胞参数为口= 1 2 5 l o ( 6 ) a ，b = 5 0 4 8 ( 1 ) k ，c = 1 2 1 9 1 ( 1 ) a ， 5 = 1 0 8 9 ( 1 ) 。，为p 2 l c 空问群，一个晶胞中含有四个分子。从图2 - 2 中可知 州 - y 灭津夫学研究生论文第二章胍酸的理化性质j 雕竣水溶液热力学豹研究 一水肌酸分子中羧基上的氢离子转移到了胍基上，故表现为两性离子的形式1 1 2 1 。 2 1 2 肌酸的药性作用机理 肌酸存在于所有脊椎动物的肌肉中，在哺乳动物和鸟类的肌肉中每l 克肌 肉约含4 5 0 毫克肌酸，在爬行动物和两栖动物肌肉中含量相对较少。人体内的 肌酸数量大约保持在1 2 5 m m o l k g 干肌左右，但至今尚无法确定人的肌肉中 肌酸的准确含量【l l 。人体内肌酸生成的一般过程是将精氨酸的部分胍基转变成甘 氨酸( 氨基乙酸) ，之后再经甲基化而形成肌酸。肌酸失水后生成肌酸酐，肌酸 酐的结构式如图2 3 所示，它是体内新陈代谢的废物，通过尿排除体外【7 , 1 5 。 未代谢时肌酸9 8 存储在肌肉组织内，且肌肉内的肌酸至少有3 0 为“游 离酸”形式，其余的则以“磷酸肌酸”的形式存在，它由肌酸与磷酸结合形成， 其结构如图2 - 4 所示，它是肌肉和脑组织中能量的存储形式l l “。当磷酸肌酸水解 时释放出能量，供肌肉收缩，然后它们重新结合。运动中的肌肉在收缩过程中( 运 动状态) ，磷酸肌酸能以每公斤体重2 0 r a g 的速率水解释能( 即以“罗赫曼”反 应转化为肌酸) 【3 】。在静止的肌肉中超量的肌酸0 i 影响三磷酸腺苷( a t p ) 的浓 度，a t p 为肌肉收缩的直接能量来源i l “。如果绌胞内存储的a t p 浓度下降， 人们便会感觉到疲劳。肌酸和a t p 在肌肉收缩过程中的生化作用方式可以用下 列两式表示： a t p 一+ a d p ( 二磷酸腺苷) + p ( 磷) p c r ( 磷酸肌酸) + a d p + h + + a t p + c r ( 肌酸) 由此可知当机体消耗a t p 而导致a d p 增多时。磷酸肌酸将高能磷酸基团 a d p 生成a t p 再供生理活动使用 1 6 1 。值得注意的是在上述转化过程中必须有肌 酸激酶的参与【31 4 】。由于酶反应很快，所以在较剧烈的运动( 如赛跑、摔跤等竞 技比赛) 中肌肉的磷酸肌酸可在短时问内降至为零，使肌肉产生疲劳感【3 , 6 1 。此 时补充外源性肌酸无疑有益于疲劳感的消除。对于正常人，在饮食中添加的肌酸 量应控制在总摄入量的1 5 2 5 之间1 6 j ，另需要蜕明的是补充肌酸不是对所有 人都有用，通常只对骨骼肌中肌酸浓度低于1 2 0 m m o | k g 干肌的个体起作用 1 4 1 。 n hh o 宁i h 3 n h0 h 。p n h c 8 n c h 2 c o o h 幽2 - 3 肌酸酐的分子结构式 f i g 2 - 3t h ec h e m i c a ls t r u c t u r eo f c r e a t i n i n e 图2 - 4 磷酸肌酸的结构式 f i g 2 4t h ec h e m i c a ls t r u c t u r eo f c r e a t i n e c o m b i n e dw i t hp h o s p h o r i ca c i d 天津大学研究生论文第二章肌酸的理化性质和肌酸水溶液热力学的研究 2 1 3 肌酸的化学性质 2 ，1 3 1 肌酸的等电点 肌酸是一种两性物质，其分子中存在= n h 基和一c o o h 基。由于亚氨基存 在于胍基上，当亚氨基锝电子后，电子便均匀分布于胍基的三个氮原子上，因此 氨基没有得电子的可能。目前除文献 9 】给出了肌酸在4 0 下的酸性解离常数值 外，文献上没有肌酸等电点数掘的报道。本文考虑通过实验的方法来确定，如下。 2 1 3 1 、1 理论分析 1 宏观徽元平衡分析 本文用a 一表示离子：h2 n 一： 一 ? 一c h ：一o 。在水溶液中， n hc h3 肌酸以h ，a + ，h a 及a 一三种微元形式存在，各微元之间存在以下的平衡关系： h a + 耋h a 耋a 一 ( 2 - 1 ) +铮 一 其中平衡常数分别为： k ：鱼：生( 2 2 ) c h ，a + 如：盥( 2 3 ) c h a 又出p h 值和解离常数的定义可知； 口h + = 1 0 9 片 ( 2 4 ) k i = 1 0 p ( 2 5 ) k 2 = l o 瞄 ( 2 6 ) 联立式，可得到肌酸等电点p l 的理论式： p ，：丛善堕 ( 2 卅 同时，在任何p h 值下，溶液中三种微元的浓度相加应为肌酸的总浓度s ，即 s ，= 【h 2 a + + 【h a 】+ 【a _ ( 2 8 ) 当溶液达到饱和状态时，将式( 2 - 2 ) ( 2 6 ) 代入式( 2 8 ) 中，得溶质饱和浓度品： s ，= s n n + 1 0 一p ”+ p 。十1 0 v h p 符，) ( 2 9 ) 天津人学研究生论文 第一章肌酸的理化性质和肌酸水溶液热力学的研究 其中s o 表示h a 的浓度，又称为本征溶解度，经证明1 8 , 1 9 , 2 0 】它的值仅与测量时的 温度有关，不受p h 值变化的影响故而在确定温度下本征溶解度是一个常数。 由此可通过实验数据拟合求出相应的系数。 2 微观离子平衡分析 n o 0 - - c h 2 一岂一。一 h a 【： 图2 - 5 肌酸微观离子的微观解离平衡幽 f i g 2 5m i c r o s p e c i e sa n dm i e r o c o n s t a n t ss c h e m eo f c r e a t i n e 在肌酸水溶液中可能存在四种微观离子，它们之间的解离平衡关系如图2 - 5 所示。各微观平衡常数表达式为： 岛2 可蒜 q 一 驴善 ( 2 _ 1 1 ) c 【：c h + 。 c 。 妈= = 兰( 2 一1 2 ) 3 吒c “+ 、 t 42 c b l c l h ( 2 - 13 ) 宏观微元h a 1 8 1 包括中性分子和两性离子，即： s o = ：】+ ：】( 2 1 4 ) 因此可将宏观离子平衡常数与微观离子平衡常数联系起来，得： nic+_ 一 畦0 c 6 n 一 o 天津人学研究生论文 第二章肌酸的理化性质和肌酸水溶液热力学的研究 臣：上+ 上 k lk 4 ( 2 1 5 ) 了1 ：t 2 + k 3 ( 2 1 6 ) k 2 。 、 另根据d a r m a 0 9 1 的假设，当两性物质分子中的酸性官能团和碱性官能团之间 的空间距离较大时，可认为它们之间没有相互作用，即在微观状态下，当其中一 个官能团变化时，另一个官能团的状态不受影响。于是有： k l = k 3( 2 1 7 ) k 2 = k 4 联立式( 2 8 ) 、( 2 一l o ) ( 2 * 1 3 ) 、( 2 - 1 5 ) 、 在溶液中相对浓度分率的理论计算式： 1 z 止= ( 2 18 ) ( 2 1 6 ) ，并整理后可得到各种微观离子 1 + k i 日+ + 世r 1 k i l + 】2 ( 2 1 9 ) 饥= 而羔 p ：。， 丑：一百刁面巧i 面丽 “卅唧 z 畔= k 1 h + 】 1 + k 一【日+ 】+ 世r 1 k i l 【月+ 】2 ( 2 2 1 ) 而1 x h 糕x h pz z ， + 足i 1+ + k i l k i l+ 】2 ”7 2 1 3 ，1 ，2 实验方法的选定 由上述可知，只要确定肌酸水溶液物系在不同温度和p h 值下的溶解度，便 可以得到肌酸等电点的数据。本文选用重量法测定肌酸的溶解度，即在设定温度 及p h 值条件下，让过量肌酸与水在搅拌下达到溶解平衡，根据溶解的肌酸质量 及水的量来确定溶解度。采用重量法时必须注意过滤温度应与溶解温度一致，为 此事先将过滤漏斗在设定温度下预热，并快速过滤。本文将重量法的测量结果与 激光法”j 的测量结果进行了比较，证明结果基本一致，而且重量法达平衡时间要 比激光法快的多。 实验中使用的药品和仪器有，自行提纯的肌酸( 纯度可达9 9 8 ) ，去离子 水，市售n a o h 和h ，s o 。，以及m p 2 3 0p h 计等。 2 1 3 1 3 结果处理与讨论 天津人学研究生论文第二章肌酸的理化性质和肌酸水溶液热力学的研究 2 5456 58 51 051 2 5f 衡d h 值 图2 - 6 不同温度下肌酸在水中的溶解度随p h 值变化关系 f i g2 6s o l u b i l i t yo f c r e a t i n ea saf u n c t i o no f p ha t2 0 。c ( ) t3 0 c ( ) ，4 0 ( 7 ( ) 1 肌酸的解离常数和等电点 根据以得的溶解度数据应用最小二乘法对式( 2 9 ) 进行拟合，从而得到模型中 的参数。之后再通过式( 2 7 ) 便可求得相应温度下肌酸的等电点。不同温度下肌酸 溶液的等电点及本征溶解度数掘如表2 - 2 所示。 表2 - 2 实验拟合得到的肌酸本征溶解度和等电点数据 t a b2 2i n t r i n s i cs o l u b i l i t ya n dl s o e l e c t r i c sp o i n to f c r e a t i n e s o 温度 c p k ， p kzd l拟台相关系数 ( g 质幢剂) 2 02 6 51 3 48 0 3 00 1 3 5 0 9 8 3 4 3 02 7 91 2 9 07 8 40 0 1 6 70 9 9 8 5 4 03 2 51 2 0 17 6 30 0 2 7 00 9 3 4 2 文献【9 】给出了4 0 时肌酸酸性解离常数为3 2 8 ，与表2 2 对应的实验拟合值 3 2 5 基本一致，相对偏差为o 9 。 2 不同p h 值下肌酸微元的浓度分率 由己确定的酸性和碱性解离常数，便可应用式( 2 1 9 ) ( 2 2 2 ) 求得各微观离子 的浓度分率，其结果如图2 7 所示( 以2 0 为例) 。 从图2 7 中，可以发现中性离子在全程p h 值下的浓度分率均很低，可以忽 略不计。但两性离子的浓度分率很高，尤其在等电点附近，这说明在等电点附近 溶液中的肌酸主要是以两性离子存在的。另外从图2 7 中还可看出正离子和负离 子分别主要存在于酸性和碱性较强的水溶液中，并且是主要的存在形式。 2 1 3 2 肌酸浓度的分析测定方法 肌酸物质的分析测定具有重要的临床意义，故文献报道较多。归结起来主要 有以下几种方法： 第一种是通过酶活性法测定肌酸的含量。如郭占君【2 l j 报道了一种灵敏度较高 o 拌d c 水州 邶 m 毫! 叭 叭 洲龇m 。 。 。 。 。 。 。 天津_ 人学研究生论文 第二章肌酸的理化性质和肌酸水溶液热力学的研究 浓度分率 o 9 0 8 0 7 0 6 0 5 0 4 o3 o 2 0l 0 l234567891 01 11 2l31 4 口h 值 圈2 72 06 cr 肌酸各微观离子相对浓度分率随p h 值的变化芙系图 f i g 2 - 7r e l a t i v ec o n c e n t r a t i o n so f a l lc r e a t i n em i c r o - s p e c i e si ns o l u t i o na sf u n c t i o no f p ha t2 0 c 的测定肌酸的方法。应该指出，虽然酶法测量具有专一性好，精确程度高的优点， 但其操作复杂，试剂和工具酶等的价格昂贵，而且使用不同的酶时测定精度会存 在差别，不利于推广b ”。 第二种是应用h p l c 法测定肌酸的含量的方法。如周永国【2 3 1 报道了h p l c 法 同时测定血清中肌酸和肌酐的方法，张晓平【”j 报道了h p l c 法测定一水肌酸含 量的方法。h p l c 法测定肌酸的方法较准确的，但是色谱条件要求较严格，成本 较高。 第三种是应用化学反应法确定肌酸的含量。在实验室中比较常用的测定肌酸 浓度的方法是比色法，它主要是通过发生显色的化学反应来确定肌酸的含量。比 色法分为直接和间接法。间接法是在酸性条件下加热使肌酸转化为肌酸酐，之后 用j a f f e 。氏反应( 即肌酐与碱性苦味酸发生反应并显红色) 测定加热前后肌酐 的差而求得 8 , 2 5 ，但浚法的灵敏度低，主要是由于肌酸加热脱水时需要时涮较长 且常脱水不完全【2 “。直接法是利用肌酸与联乙酰一a 一萘酚的反应后显红色得现象 ( 即b a r r i t t 反应) 2 7 1 但该反应的特异性不高，一般在实验室中通常采用l i p k 推荐的联乙酰a 一萘酚法作为测定方法【2 2 1 ，显色反应的波长通常为5 2 0 n m 。 根据实验室的实际条件，本文采用第三种方法来实现肌酸含量的表征，测定 相应的摩尔吸光系数f = 1 7 0 6 1 0 3l m o l 1 c m 一，其批内重复率为c v = 2o 。 2 133 肌酸在p h 值变化或受热条件下的脱水反应 肌酸在p h 值变化或受热条件f 易脱水，在水溶液中通常存在肌酸和肌酸酐 天津大学研究生论文 第一章肌酸的理化性质和肌酸水溶液热力学的研究 一c ? 当一 洲一( 切， 、一c o o hn e h 2 c h 3c h 3 而且它们之间为单分子转化，上述平衡受溶液的温度及p h 值的影响。早在 1 9 2 5 年e d g e r 2 5 l 就发现，当温度越高时，平衡越容易向肌酸酐的方向转化，而且 温度越高达平衡的时间也越短，如1 0 0 c 及2 0 。c 下达平衡的时间分别需要4 小时 和3 个月：c a n n a na n db s h o r e z 9 1 发现，当p h 值1 5 3 0 时，k 值较大，也就是 说生成肌酸酐的趋势明显，而当p h 值大于4 0 时，k 值较小，另外他们还发现 p h 值越小达平衡所需的时间越短。因此生产肌酸时要注意p h 值的调节和温度 的控制。另外一水肌酸比无水肌酸转化为肌酐的可能性要小 1 5 。 2 2 肌酸水溶液结晶热力学- 陛质 2 2 1 结晶热力学研究进展 结晶过程是一个复杂的传热、传质过程，在不同的物理化学环境下，结晶过 程的控制步骤可能改变，表现为不同的结晶行为。因此对于特定物系结晶过程的 研究，首先应该从研究该物系在操作条件下结晶热力学入手，其中包括溶解度、 介稳区和诱导期的性质等。 2 2 1 1 溶解度的测定及常用的拟合方程 近年来，结晶工作者在结晶溶液体系的溶解度特性的研究方面取得了很大的 进展，提出了不少的实验测定方法，归纳起来，可以大致分为三类，它们的测定 与超溶解度曲线的测定相类似，后文将做解释，此处不赘述。 关于溶解度数据的拟合形式，文献中报道较多，现将其中几种应用较广的形 式综述如f 。 在恒压下，v a n sh o f f 等容方程可表示为如下的精确形式： d i n 饯?圳、 育2 市( 2 - 2 4 ) 其中口? “表示溶质的活度，仍表示溶质在溶液中的偏摩尔焓。 当假设溶质在溶液中的偏摩尔焓h 2 为温度的线性关系时，式f 2 2 4 ) 经积 分后可得： 1 n 5 = 一旦土+ 一b i n t + cf 2 2 5 ) 天津人学研究生论文 第二章儿儿酸的理化性质和肌睦水溶液热力学的研究 其中，a 、b 、c 为常数。它的形式与a p e l b l a t a l 3 1 1 从c l a u s i u s - - c l a p e y r o n 方程， 并假定溶液的热焓随温度呈线性变化时，推得溶解度随温度的变化关系相一致。 若假设溶质在溶液中的偏摩尔焓飓与温度的关系满足h 2 = t ac + p 2 ，则式 ( 2 - 2 5 ) 变为1 9 5 2 年h i l d e r a n d l 3 2 1 提出的方程，即： l n s ：皂1 n t + c ( 2 2 6 ) r 若假设4 奶与温度无关，则式( 2 2 5 ) 变为v a n sh o f f i ”j 推得等容方程，即 l n j ：一旦土+ c r 2 2 7 ) r7 经过对比分析后，文献【3 0 】认为式( 2 2 5 ) 的拟合性比式( 2 2 6 ) 和( 2 2 7 ) 的拟合性 要好的多。 1 9 8 0 年b u c h o w s k i 等人【3 5 】首次针对缔合物系的固液平衡提出了ah 方程 i n 1 + 五( - - x i ) x 】_一一吲) a h ( t ( 2 - 2 8 ) 式中 、h 为方程的参数， 无因次，表示饱和溶液的非理想性，对理想缔合物 系可以认为是平均缔合参数，可由下式确定： ? 旦_ 一x a ：五 ( 2 2 9 ) l 一口口x 8 其中a 表示溶质，b 表示溶剂。h 的单位为k ，定义为： h r = 。h j + h 6 x $ 4 4 2 l( 2 3 0 ) 其中a m 日! 为溶质的熔化焓，序为混合过程的过量焓。出于缺乏这些热力学数 据，所以参数a 、h 通常是由实验数据回归确定。 由于a h 方程的形式简单，参数较少，物性数据仅要求熔点数据，因此倍受 研究者关注( 3 6 1 。而且d o m a n s k a ”1 发现用a h 方程关联固液平衡数据时，即使对 极性物系，结果往往比w i l s o n 方程还好，但 h 方程不具有预j 9 1 4 功能。 尽管已有文献1 1 0 】给出了肌酸在水中的少量溶解度数据，但由于物质的溶解度 受到p h 值、可溶性杂质的影响，所以当外界环境发生改变时必须重新测定溶解 度数值。本文系统测定了肌酸在水溶液中的溶解度数据。并且基于以上关于处理 溶解度数据的分析，采用方程( 2 2 5 ) 和( 2 2 8 ) 分别对肌酸溶解度数掘进行拟合。 2 2 1 2 介稳区测定方法 介稳区在工业结晶中是一个很重要的概念，它是指平衡溶解度一温度曲线上 的饱和点到自发成核点之间的浓度区域。在介稳状态下系统的稳定性呵用两个数 值来表示：介稳区宽度以及在不平衡状态下不发生明显变化的停留时问即诱导 期。介稳区宽度是极限浓度( 高于此浓度立即开始自发结晶) 与平衡浓度( 即溶 解度) 之差。至于稳定时问的长短主要取决于介稳区内溶液的过饱和度。过饱和 天津人学研究生论义第二章肌酸的理化性质和肌酸水溶液热力学的研究 度越接近于极限，则稳定时间越短：反之，过饱和度越接近于介稳区的界限，则 稳定时间越长。 按照w z o s t w a l t 的理论1 3 ，结晶介稳区宽度可以用极限过饱和c k 。或 口。表示： c _ 。= ( d c t d 日，目。( 2 3 1 ) 式中：c + 为溶液的平衡浓度，( d c * d 目) 为溶解度曲线的斜率。 对于工业结晶过程中溶液的过饱和度和结晶的关系，丁绪淮”曾经进行了开 拓性的研究工作。他指出，超溶解度曲线与溶解度曲线有所不同，一个特定的物 系只有一条明确的溶解度曲线，而超溶解度曲线的位置却受到很多因素的影响， 例如有无搅拌、搅拌强度的大小、有无晶种、晶种的大小以及多寡、冷却速度的 快慢等，所以应将超溶解度曲线视为一簇曲线。 e b 哈姆斯基更明确的指出，溶液介稳系统有两个界限特征，即第一介稳 区和第二介稳区。工业上，第一介稳区和第二介稳区分别对应有无晶种存在的两 种状况。 自w z o s t w a l t 之后，g w p r e c k s n o t “1 ，j n y v l t 4 2 1 ，g m a t z 4 3j 以及j w m u l l i n 4 4 】 等先后对介稳区的研究做了一系列的工作，并提出了一些测定溶液介稳区的方 法。归纳起来，这类测定方法大致可以分成三类： 第一类是直接法：此类方法通过直接观察微小细晶的出现来确定介稳区，如 目测法【4 5 1 和c o u l t e r 计数法【4 6 】等。 第二类是间接法：此类方法的原理在于溶液的某些物理性质，如折射率，电 导率等会随溶液的浓度变化而发生变化，通过测定这些物理性质，即可确定溶液 的介稳区宽度。 第三类是诱导期法：诱导期通过测量不同的过饱和系数下的诱导期，州，利 用图解法来确定极限过饱和度，进而求得介稳区宽度。该法由s i e f e r t 4 7 1 提出。 分析起来，这些方法均难以准确的判断出过饱和溶液中首批晶核出现的真实 时机，因此有待于改进。根据姜岳、谈道“”等人的工作，认为用激光法能够比较 准确的探测出饱和溶液中首批晶核出现的时间。因此本论文选用激光法测定一水 肌酸的介稳区数据。 介稳区的宽度与物系溶解温度有关，但是由于溶液粘度、离子运动的能量的 影响以及溶艉度的变化，使得介稳区宽度的绝对变化与温度的关系较小，所以通 常情况下溶解度曲线和超溶解度曲线基本平行。搅拌强度对于过饱和溶液的介稳 区是有重要影响的，一般来说，增加