辅酶Q10结晶过程研究优秀毕业论文.pdf

辅酶辅酶 q10结晶过程研究结晶过程研究 a study on crystallization process of coenzyme q10 学科专业 化学工程 研 究 生 赵胤 指导教师 陈巍 副教授 企业导师 张美景 高级工程师 天津大学化工学院 二零一二年六月 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 天津大学天津大学 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 学位论文作者签名 签字日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 天津大学天津大学 有关保留 使用学位论文的规定 特授权 天津大学天津大学 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 学位论文作者签名 导师签名 签字日期 年 月 日 签字日期 年 月 日 摘摘 要要 辅酶 q10是一种重要的营养素 同时还是重要的抗氧化剂 主要用于化妆品 治疗心脑血管疾病等 目前 国内厂家在生产辅酶 q10的过程中存在着诸如原料 消耗量大 成本过高 纯度不够 粒度分布不均 晶体不够大 晶习不良以及破 碎聚结等问题 严重影响了辅酶 q10的生产销售和药品质量 导致国内产品的市 场占有率低 针对这些问题 本文对辅酶 q10的冷却结晶过程进行了较系统的研 究 采用 cosmo rs 模型预测了辅酶 q10在多种溶剂中的溶解度 采用称重法 测定了 270 15k 320 15k 之间 辅酶 q10在乙酸乙酯 正己烷 正丁醇 正丙醇 异丙醇以及乙醇纯溶剂中的溶解度 并选用 apelblat 简化经验方程对实验数据结 果进行关联 得到了相应的溶解度方程 为研究辅酶 q10冷却结晶过程最优化工 艺条件提供了热力学依据 采用间歇动态法测定了辅酶 q10结晶动力学参数 通过回归得到了辅酶 q10 冷却结晶动力学方程 利用实验室现有的 tg 设备对辅酶 q10进行了热分解分析 考察了辅酶 q10 的热稳定性等 通过实验分析了温度 晶种 搅拌速率等实验条件参数变化对辅酶 q10在乙 醇溶液当中冷却结晶过程的影响 得到了优化后的实验参数 对辅酶 q10冷却结 晶过程进行了优化 并通过运用 dsc xrd 以及偏振光显微镜等手段对优化后 的冷却结晶过程进行了表征 实验得到的产品与厂家样品相比粒度分布更好 晶 型更完整 纯度更高 收率更大 所有相关研究内容均尚未见到有关文献报道 关键词 关键词 辅酶 q10 结晶热力学 热分析动力学 结晶动力学 结晶过程优化 abstract the ubiquinone which mainly used for cosmetics and treatment of the cardiovascular and cerebrovascular diseases is an important nutrient and antioxidant at present there are some problems in the production process of the coenzyme q10 such as the largely consumed raw materials the high cost the low purity bad crystal size distribution and so on these problems seriously affected the production sales and pharmaceutical quality of the coenzyme q10 resulting in a low market share in order to solve these problems this paper systematically studied the cooling and crystallization process of the coenzyme q10 the cosmo rs model is used to predict the solubility of the coenzyme q10 in a variety of solvents the solubilities of the coenzyme q10 in ethyl acetate hexane butanol propanol isopropanol and ethanol at different temperatures are measured by the weighing method respectively the solubility data were correlated with apelblat model the experimental data was studied to obtain the solubility equation provided the thermodynamic data for the study of the optimization cooling crystallization conditions of the coenzyme q10 the cooling crystallization kinetics of hydroquinone in ethanol solution was experimentally measured by the batch transient method the kinetics equation is obtained by regression method thermal decomposition stability of the coenzyme q10 was investigated by tg the optimized operational conditions are confirmed by studying the effects of temperature seed and stirring rate on the cooling crystallization process of the coenzyme q10 in the ethanol solution and obtained optimized experimental parameters to optimize the process of cooling crystallization of the coenzyme q10 and optimized cooling crystallization process was characterized by dsc xrd polarized light microscopy and so on by comparing with commercial productions the experimental samples have the excellent crystal size distribution a higher purity and a greater yield the above mentioned research has not been reported key words coenzyme q10 crystallization kinetics thermal analysis kinetics crystallization thermodynamics crystallization process optimization i 目目 录录 第一章 前言 1 1 1 实验课题相关背景的研究 1 1 2 辅酶 q10的简介 2 1 3 辅酶 q10产品的国内外相关研究现状 3 1 4 国内辅酶 q10生产工艺存在的主要问题 4 1 5 本文的主要研究工作 5 第二章 辅酶 q10的结晶热力学研究 7 2 1 文献综述 7 2 1 1 有关固液两相平衡的理论基础 7 2 1 2 实验室溶解度的测定方法 9 2 1 3 溶解度实验数据与数学方程的关联 10 2 1 4 过饱和以及介稳区 14 2 2 实验研究 17 2 2 1 cosmo rs 方法预测溶剂中辅酶 q10溶解度 17 2 2 2 纯溶剂中辅酶 q10溶解度的测定 17 2 3 结果与讨论 19 2 3 1 辅酶 q10的溶解度 19 2 3 2 辅酶 q10溶解度数据的关联 21 2 4 小结 22 第三章 辅酶 q10结晶动力学研究 24 3 1 相关理论基础 24 3 1 1 成核 24 3 1 1 1 初级成核 25 3 1 1 2 二次成核 26 3 2 晶体生长 27 3 3 结晶动力学测试方法 33 3 3 1 连续稳态法 34 3 3 2 连续动态法 34 3 3 3 间歇动态法 35 3 4 结晶动力学实验 37 3 4 1 实验样品与实验仪器 37 3 4 2 实验步骤与相关计算 38 3 4 3 结果与讨论 38 ii 3 5 小结 39 第四章 辅酶 q10热分解研究 40 4 1 文献综述 40 4 1 1 热分析动力学 40 4 1 2 热分析动力学基本分析方法 41 4 2 辅酶 q10热分解动力学研究 45 4 2 1 热分解动力学方程推导 45 4 2 2 实验药品及仪器 45 4 2 3 结果与讨论 45 4 3 小结 48 第五章 辅酶 q10冷却结晶工艺研究 49 5 1 概述 49 5 1 1 晶体与晶习 49 5 1 2 影响晶体纯度的因素 50 5 1 3 操作参数对晶体粒度及晶形的影响 51 5 2 实验装置及步骤 52 5 3 实验结果与讨论 54 5 3 1 温度对于辅酶 q10结晶过程的影响 54 5 3 2 晶种对于辅酶 q10冷却结晶过程的影响 55 5 3 3 搅拌速率对于辅酶 q10冷却结晶过程的影响 56 5 4 小结 57 第六章 结论与建议 59 6 1 结论 59 6 2 建议 59 参考文献参考文献 62 附录一附录一 辅酶辅酶 q10热分解动力学数据热分解动力学数据 66 附录二附录二 辅酶辅酶 q10冷却结晶动力学数据冷却结晶动力学数据 68 发表论文和科研情况说明发表论文和科研情况说明 73 致致 谢谢 74 第一章 前言 1 第一章 前言 1 1 实验课题相关背景的研究 泛醌 ubiquinone 缩写 uq 又被称为辅酶 q coenzyme q 是 一类广泛存在于自然界中的脂溶性醌类物质的总称 其结构与维生素 e 维 生素 k 等结构相类似 泛醌分子中 含有一个由多个异戊二烯单元组成的 与对苯醌母核相 连接的侧链 该侧链的长度 随着泛醌来源的不同而有所区别 一般含有 6 10 个异戊二烯单元 对于哺乳动物来说 n 10 故又称为辅酶 q10 q10 在人类身体细胞内参与能量的制造以及活化过程 是目前预防动脉硬化形 成最为有效的抗氧化物质 1 辅酶 q10功能比较特殊 它能够加快氧化磷酸反应的进行 还可以保护生物 体内生物膜结构的完整性 它在人体呼吸链中电子传递与质子移位的过程当中 有着相当重要的作用 激活细胞呼吸及代谢 是一种重要营养素 同时还是重要 的抗氧化剂 2 其主要的生理作用是辅助催化线粒体中的 atp 三磷酸腺苷 还 原 令细胞能量供应系统迅速的恢复活化状态 辅酶 q10还具有预防和减少紫外 线损伤皮肤 阻碍黑色素的生成 加速角质新陈代谢 提高肌肤弹性等功效 辅酶 q10固体能够以不同固体形态存在 3 既可能是乱序的无定形形态 也 可能是有序的晶体形态 结晶 是微观粒子按照一定的空间排列次序从蒸汽 溶液或者熔融物中析出 而形成固体的过程 4 在结晶技术诞生的早期 人们主要将结晶技术用于分离与 提纯 但是随着近现代超分子化学的发展 越来越多的人意识到 结晶技术不仅 仅是目前获取高纯化学品最有效 最经济的途径 同时它也能指导我们获取具有 特定晶体形态学指标 如晶型 晶习 粒度分布 的晶体 由于工业结晶与其他 分离技术手段相比有着效率高 能耗低 污染少以及产品纯度高等优点 故而其 应用领域正在迅速扩大 5 如何通过特定的结晶手段获得特定结构的晶体 并且 使这种晶体结构在生产 运输以及使用的时间段保持稳定而不发生转变 这是研 究结晶过程的人们所面临的新挑战 目前 结晶技术不仅在传统领域诸如化肥制 造 农药合成 无机盐生产 石油化工领域 食品加工制造业 医药工业等方向 应用日渐成熟 并已成功地扩展到了许多新兴领域 例如纳米晶体的生产 超分 子结构薄膜材料的研究 生命科学领域 生化医药领域的半合成抗生素生产制造 激素的生产 天然物如胡萝卜素的提取 材料科学领域一些特殊材料的制造 高 第一章 前言 2 速光敏感的照相感光材料的生产以及无溶剂材料的制备 随着结晶学的概念理论 基础 技术手段 方法在世界范围内保持高速发展 结晶业已成为现代高科技技 术的重要支撑之一 6 随着世界各国环境污染的越来越严重以及全球能源危机的临近 结晶科学也 面临着巨大的挑战 因此以 工业生态学 的基本科学思想为原则 深入开发绿色 结晶工艺及过程的研究 从源头上消除污染 提高原材料利用率 降低能源消耗 最终实现可持续发展成为了结晶学领域的重要课题 随着世界上愈演愈烈的环境污染和全球能源危机的临近 结晶 也面临着一 个巨大的挑战 因此将 工业生态学 的科学思想为原则 深入探索开发绿色环保 的工业结晶技术过程以达到从源头上杜绝污染 提高原材料的利用率 降低能耗 并最终实现可持续发展的目标 已成为了当前晶体学领域的首要问题 在这方面比较著名的例子是利托那韦 ritonavir 这种抗艾滋病药物因为 没有注意到药物长时间在溶液中放置而发生的晶型转变问题 使得它的发明人美 国雅培 abbott 公司为此大约损失了 2 5 亿美元 本文以辅酶 q10为研究对象 从药物结晶热力学 结晶动力学以及结晶工艺优化等多方面展开研究 希望可以 为医药结晶技术当中目前存在的问题提供部分理论依据 1 2 辅酶 q10的简介 辅酶 q10 ubidecarenone 化学名称为 2 3 7 11 15 19 23 27 31 35 39 癸甲 基 2 6 10 14 18 22 26 30 34 38 四十癸烯基 5 6 二甲氧基 3 甲基 p 苯醌 2e 6e 10e 14e 18e 22e 26e 30e 34e 3 7 11 15 19 23 27 31 35 39 deca methylte traconta 2 6 10 14 18 22 26 30 34 38 decaenyl 5 6 dimethoxy 3 methylcyclohexa 2 5 diene 1 4 dione 分子式为 c59h90o4 分子量约为 863 36 cas 号为 303 98 0 结构式如图 1 1 o o o o 图 1 1 辅酶 q10的分子结构 fig 1 1 structure of ubidecarenone 第一章 前言 3 辅酶 q10 黄色或浅黄色结晶固体粉末 熔点约 50 左右 无嗅 无味 易 溶于氯仿 苯 四氯化碳 可溶于丙酮 乙醚 石油醚 微溶于乙醇 不溶于水 和甲醇 见光分解成红色物质 对温度和湿度较稳定 7 辅酶 q10是一种人类健康不可或缺的重要生理活性物质 它具有增强抗氧化 能力 延缓衰老 提高人体免疫力等功能 因而辅酶 q10越来越受到市场关注 目前已被广泛应用于营养 化妆品等方面 尤其在营养补充方面 已成为未来的 主要发展趋势 根据不完全统计 目前全球范围内辅酶 q10的供应规模已超过了 7 亿美元 在美国与欧洲国家 辅酶 q10不仅作为原料药广泛应用在医药领域 还可作 为一种维生素用于食品添加剂的制备 还在超市以及药店内自由出售 无需医生 处方 在欧美发达国家的消费基础很高 8 日本也是世界上较早研究和普及推广辅酶 q10的国家之一 日本的辅酶 q10 提纯技术与辅酶 q10的产量目前处于世界领先地位 产品同样已经普遍应用于药 品 食品 化妆品领域 辅酶 ql0被认为是二十一世纪细胞 生命化学治疗研究领域的 开路先锋 补充和延伸了现代化的医疗技术手段 随着各种辅酶 ql0产品的问世及推广应用 人类迎来了一个辅酶 ql0的健康新时代 9 1 3 辅酶 q10产品的国内外相关研究现状 辅酶 q10于 1957 年由弗莱德里克 克莱恩 美国威斯康星州立大学的生物化 学教授从实验动物心肌细胞中首次分离得到纯品 由于其存在范围非常广泛 弗 莱德里克 克莱恩将其命名为 泛醌 意思是无处不在的醌 10 1958 年 辅酶 q10研究之父 来自美国得克萨斯大学的卡鲁 福鲁卡斯博士确定了辅酶q10的 化学结构 并因此获得了美国化学学会的最高荣誉 priestly medal 辅酶 q10 的发现和结构的确定被世界生理学界认作是上世纪 50 年代以来最为重要的生理 发现之一 此后的几十年间 研究人员对辅酶 q10做出了大量的研究工作并发 现其许多方面的用途 参与体内多种重要的生化反应 生成多种酶以最终合成包 括 atp 在内的多种重要物质 在细胞线粒体内将碳水化合物等营养物质转化成 能量以及保持细胞的柔韧性 出色的自由基捕捉功能等 1978 年英国爱丁堡大学的米切尔博士 peter dennis mitchell 发现了辅酶 q10 的确切功效 在此基础上解释了线粒体产生能量的化学渗透理论 并因此获得了 当年的诺贝尔化学奖 11 第一章 前言 4 据统计 全球大约有 90 的辅酶 q10产于日本 全球产量排在前三名的公司 依次为清渊化工 日清制粉 协和发酵株式会社 世界范围内辅酶 q10的主要消 费集中在欧美 日本以及澳大利亚等发达国家 其中仅美国市场的消费能力就占 到了 33 以上 12 在我国 辅酶 q10的开发和应用起步较晚 最初仅限于医药领域的应用 目 前随着越来越多的人意识到辅酶 q10的功效和商机 正逐步扩展到食品工业 医 疗保健 药品和化妆品行业 市场需求也不断扩大 在医药行业 辅酶 q10的针 剂 胶囊 片剂都有生产国际国内市场都长期处于供不应求的状态 辅酶 q10已 成为备受关注的重要原料药品之一 13 1 4 国内辅酶 q10生产工艺存在的主要问题 国内某生物制药公司生产的辅酶q10产品的高效液相色谱曲线以及显微镜照 片如图 1 2 和 1 3 所示 与厂家提供的日本产品相比 国产辅酶 q10目前主要存 在以下问题 1 现行工艺制备辅酶 q10的纯度不够高 从高效液相色谱曲线中可以看出 该厂制备的辅酶 q10产品有杂质峰 较日本产品明显 2 产品破碎与聚结现象十分严重 该公司生产的辅酶 q10产品的显微镜照 片如图 1 3 所示 从图上可以看出 q10晶体破碎相当严重 且破碎后产生的小 晶体都粘附在大晶体之上 造成聚结 聚结的发生伴随着溶剂包藏现象 导致降 低产品的干燥速率 使得整个药物制备过程的时间增加 整个生产周期变长 3 产品晶习不是很理想 厂家产品属于片状方晶 厚度不足 因此易受力 破碎然后发生聚结现象 图 1 2 国内某厂生产的辅酶 q10产品高效液相色谱曲线 fig 1 2 hplc curve of coenzyme q10 第一章 前言 5 图 1 3 国内某厂生产辅酶 q10产品的显微镜照片 fig 1 3 microscope photo of coenzyme q10 通过以上分析可以看出 辅酶 q10在其生产过程中存在着诸多问题 因此要 想改变目前的生产状况 提高辅酶 q10产品纯度和质量 必须对其结晶过程和晶 体性质进行深入研究 1 5 本文的主要研究工作 基于该厂辅酶 q10生产中存在的上述一些问题 本文从以下几个方面对辅酶 q10结晶过程进行了较系统的研究 主要有以下几个方面 1 结晶热力学研究 用 cosmo rs 模型模拟预测了辅酶 q10在多种纯溶剂当中不同温度下的溶 解度曲线 并采用静态法 重量法测定了辅酶 q10的真实溶解度 为研究辅酶 q10 产品的结晶工艺优化提供了相关理论依据和数据基础 2 结晶动力学研究 分析考察辅酶 q10本征动力学以及物理化学条件对辅酶 q10结晶过程的影响 及影响程度 3 测定辅酶 q10 的热分解动力学数据 利用无模型热分解动力学模型研究测定了辅酶 q10的热分解动力学数据 得 到了研究了分解活化能与转化率之间的关系 根据非模型动力学法得出了辅酶 q10热分解的活化能 得到热分解的恒温转化率图 4 结晶工艺过程研究 第一章 前言 6 在前面工作的基础上 考察搅拌速率 晶种比例 温度 降温速率等因素对 产品粒度和晶体形态等方面的影响 以确定辅酶 q10冷却结晶过程最终的工艺条 件 以上本文主要研究内容均尚未见文献报道 第二章 辅酶 q10结晶热力学研究 7 第二章 辅酶 q10的结晶热力学研究 结晶 是微观粒子按照一定的空间排列次序从蒸汽 溶液或者熔融物中析出 而形成固体的过程 14 结晶过程与物系的流体力学 相平衡关系有着紧密的联系 作为复杂的传热传质以及表面反应过程 结晶过程的主要推动力来源于物系热力 学上的非平衡特性 因此 溶解度 熔化焓 介稳区及诱导期等结晶热力学数据 不仅是结晶器设计的重要参数 还是选择结晶操作方式的依据 同时 实验物系 的相平衡数据决定了整个结晶过程得到产品的收率 15 本章运用 cosmo rs 模型模拟预测了辅酶 q10在不同纯溶剂当中不同温度 下的溶解度 并采用重量法测定出这些数据 并拟合了参数方程 2 1 文献综述 2 1 1 有关固液两相平衡的理论基础 根据相平衡理论 当固液两相达到平衡时有如下关系 sl tt 2 1 sl pp 2 2 sl ii 2 3 式中t代表温度 p代表压力 代表化学势 s和l分别代表固液两相 即固 液相平衡的条件为 固液两相的温度相等 压力相等 各组分化学势相等 混合物中 i组分的化学势与逸度两者之间的关系为 ln iii rtft 2 4 式中 i f为组分i在混合物中的逸度 r为气体常数 i t 是温度的函数 当温度恒定时 根据相平衡 能够得到 sl ii ff 2 5 假设溶剂无法进入溶质内部时 溶质的逸度即为纯固体的逸度 可用活度系 数表示 即有 sll iiiii ffx f 2 6 式中 s i f 纯固体i的逸度 l i f 纯固相在过冷或理想液体当中的逸度 i 为组分i的活度系数 第二章 辅酶 q10结晶热力学研究 8 进一步变化可以得到溶质在溶液当中溶解度的通式如下 s i i l ii f x f 2 7 由此可知 溶质在溶剂中的溶解度是由逸度比 sl ii ff以及活度系数 i 决定 的 因此 需要对这两个量分别求解 逸度比 sl ii ff的通式已知 111 expln1 s tpptptp i tp l iitp hctt fv pp frttrttrt 2 8 式中 l i f 过冷溶液当中溶质逸度 tp t 三相点温度 tp h 在三相点处的溶质摩尔相变焓 p c 固液两相恒压热容差 v 体积变化 将上式带入溶解度通式 2 7 得到 16 111 expln1 tpptptp tp itp i hctt v pp rttrtt x rt 2 9 当忽略压力与热容差的影响时 2 9 简化为 111 exp t i i p tp h rt x t 2 10 物质处于三相点上的物化数据一般来说是未知的 而知道熔点接近于三相 点 故而常用熔化焓和熔点来代替三相点处的摩尔相变焓和三相点温度 则上式 改为 111 exp m im i h rtt x 2 11 对于理想溶液来说 其活度因子 i 1 11 exp m m i h rtt x 2 12 式 2 12 用于计算溶剂在理想溶液当中的溶解度 当压力影响较小或较稳定时 常用经验方程关联温度与溶解度的关系 lnln b xact k t k 2 13 式中 a b c均为溶解度回归参数 实验测得溶解度曲线数据后通过软件回归拟合得到对应 a b c值 进而求得 溶解度的计算值 第二章 辅酶 q10结晶热力学研究 9 2 1 2 实验室溶解度的测定方法 溶解度是指在某一温度下 物质在特定的纯溶剂或者几种混合溶剂当中固液 相达到平衡时候的饱和溶液的浓度 由于工业结晶的物系种类众多 且大多数都属于基础研究阶段 当需要使用 准确的溶解度数据时 往往很难从以往的文献中查找到 而且对于固液相平衡的 研究目前还不如气液相平衡那么充分 数据的评价与收集还不够完整 意味着实 验测定溶解度数据有着重要的意义 实验室用来测定溶解度的方法有很多 大体上来说可以将它们分成静态法和 动态法两种 静态法指的是在一定的温度 压力以及组成条件下 将适量溶剂与绝对过量 的待测溶质相混和 经过长时间搅拌使溶液达到平衡 静置一段时间后取样上层 清液 然后运用各种方法来分析测定清液中的溶质浓度 或通过测定沉淀未溶解 部分的质量来间接的反推溶液中溶质浓度的方法 动态法则是在待测物系固液相组成比例已知的情况下 通过逐渐改变体系的 温度或者溶剂溶质组成条件 观察待测固体消失来测定溶质溶解度的 如下表 2 1 所示 静态法和动态法各有优劣 并无能够通用于所有物系的溶 解度测定方法 因此 应当结合待测物系的物理性质 分析手段以及现有设备来 选择溶解度曲线的测定方法 表 2 1 两种溶解度测定方法的比较 table 2 1 compare of different methods for measuring solubility 测定方法 优点 缺点 测定方法 静态法 操作容易 设备简单 不限制达到固液相平 衡的速度 对不同溶 解速率的物系均能适 用 测得的溶解度数 据比较可靠 需要等待时间较长 周期长 测定效率较 低 样品与试剂的用 量比较大 静态 紫外法 静态 色谱法 静态 重量法 动态法 测定效率较高 周期 短 样品消耗较少 不用建立对应物系的 专门分析方法 对于溶解速率小的物 系不适用 平衡存在 时间短 不易确认是 否达到真正的平衡 目测法 激光法 热 量法 第二章 辅酶 q10结晶热力学研究 10 由于辅酶 q10在待测溶剂当中的溶解速率不算太快 且辅酶 q10待测溶解度 的温度范围较窄 使用动态法易产生误差 故本文使用的是静态重量法来测定辅 酶 q10的溶解度 2 1 3 溶解度实验数据与数学方程的关联 溶解度的相关研究归根结底属于研究固液相平衡的问题 之前已经有大量关 于溶液相平衡的理论模型 例如正规溶液理论 wilson 方程 固液平衡理论 van lear 理论 h 方程 unifac 方程等 17 这些方程可以分为状态方程法 活度系数法和经验方程法三大类 状态方程法来源于气体 pvt 性质的研究 经过修正后已经可以成功的应用 于固液平衡性质的研究 主要包括 patel teja 方程 martin hou 方程 redlich kwong soave 方程等 活度系数法应用也很广泛 主要的活度系数法模 型有 unifac 方程 wilson 方程 nrtl 方程等 但是 这两类方法的计算过 程比较复杂 运算量较大 且需要很多相关的模型参数和物理性质参数 使其在 实际应用过程中受到限制 相比之下 根据大量的固液相平衡实验数据总结得到 的简化经验方程关联精度高 计算简单 目前在固液相平衡的实验数据处理应用 最为普遍 1 apelblat 简化经验方程 apelblat 等人假定溶液的焓变只与温度有关 他们从 clausius clapeyron 方 程推出了式 2 14 中的方程 即为 apelblat 溶解度方程 18 ln lnxab tct 2 14 式中 x 溶质在溶剂当中的摩尔溶解度 t 绝对温度 a b c 方程参数 2 h 方程 当溶质分子之间有相互缔合作用时 其非极性溶剂当中的溶解度由其活度系 数所决定 1980 年 buchowski 等通过研究溶解度 溶剂活性与温度的关系 根 据普遍化溶解度方程式推导出了适用于分子之间存在缔合作用的溶质或形成了 低共熔体系的溶解度的 h 方程 19 1111 exp 1 1 m xh tt 2 15 式中 t 绝对温度 m t 溶质的熔点温度 饱和溶液的非理想性程度因子 第二章 辅酶 q10结晶热力学研究 11 由于基本热力学数据的缺乏 通常由实验数据回归得到 h的值 h定义 如下 1 e mt hrhhx 2 16 式中 mt h 熔化焓 e h 混合焓 3 cnibs redlich kister 方程 还有 acree 等人提出的 cnibs redlich kiste 溶解度方程 该方程主要用于 溶质在二元溶剂体系当中溶解度的计算 20 方程表达式如下 000000 0 lnlnln n abacabcibc bc i xxxxxx xsxx 2 17 式中 i s 模型参数 m x 溶质在二元溶剂体系中摩尔溶解度 0 b x和 0 c x分别为二元溶剂当中各个组分的摩尔百分率 a x 溶质 a 的摩尔溶解度 n 可取 0 1 2 3 随着 n 的取值不同 得到的方程也不同 当 n 2 时 00 1 cb xx 式 2 17 可整理转化为 0020304 01234 ln acccc xbb xb xb xb x 2 18 式中 0 b 1 b 2 b 3 b 4 b为待定方程参数 4 正规溶液理论 hildebrand 等人定义正规溶液为 当极少量的一个组分从理想溶液迁移到 相同组成的真实溶液中时 如果没有熵的变化 并且总的体积不变 则此真实溶 液为正规溶液 正规溶液与理想溶液的区别在于其混合热不为零 21 根据 hildebrand 等人的正规溶液理论 可以推出超额吉布斯自由能 eee ghu 2 19 他们假设 分子之间的相互作用力主要是色散力 hildebrand 等人从内聚能 密度的定义式推导出了混合热 从混合热的表达式推导 得到了正规溶液方程 2 1 12 21 212 e mm uxvx v 2 20 其中 1 1 1 1 12 2 m mm xv xvx v 2 21 2 2 2 1 12 2 m mm x v xvx v 2 22 1 2 1 2 111 1 v m u c v 2 23 第二章 辅酶 q10结晶热力学研究 12 1 2 1 2 222 2 v m u c v 2 24 式中 1 2 组分 1 与组分 2 的体积分数 1 2 组分 1 与组分 2 的溶解度参数 m v 液体摩尔体积 11 c 22 c 分子 1 之间 分子 2 之间相互作用 v u 在等温条件下 从饱和的液体汽化完全达到理想气体所需能量 则组分的活度系数可表示为 2 2 1 1 212 ln m vrt 2 25 2 2 2 2 112 ln m vrt 2 26 正规溶液理论方程适用于正偏差混合物 该方程计算简单 参数容易得到 该方程在多元物系当中仍然能够保持简单的特性 5 wilson 方程 wilson 应用局部构成概念 结合无热溶液表达式 推导出了自己的溶解度 求解方程 称为 wilson 方程 wilson 在 1964 年提出了局部构成的概念 在二元 混合物中 由于同种分子之间 异种分子之间的相互作用 在任何分子附近局部 的组成不一定等同于混合物的总体组成 22 wilson 方程式如下 1221 111222 1122221 1 lnln xxx xxxx 2 27 1221 2221 11 1122221 1 lnln xxx xxxx 2 28 式中 12 21 为 wilson 参数 只是温度相关的函数 2 121211 1 exp m m v ggrt v 2 29 1 212122 2 exp m m v ggrt v 2 30 该方程实用性强 可应用于非理想系统 特别能很好的关联醇烃混合物系 6 redlich kister 方程 redlich kister 23 方程是在 van der waals 方程 berthlot 方程 dictrici 方程 的基础上推导的 然而这些方程的准确率不太高 特别高压低温情况下与实际偏 差较大 而 redlich kister 方程的系数是通过实验数据拟合得到的 准确率较高 常用的 redlich kister 方程二元参数式如下 2 12121 ln41xaax 2 31 第二章 辅酶 q10结晶热力学研究 13 2 21121 ln43xaax 2 32 7 真实溶液类导体屏蔽模型 真实溶液类导体屏蔽模型 conductor like screening model for realistic solvation 简称 cosmo rs 模型 是在量子化学的计算基础上使用统计热力学 方法来预测流体混合物的热力学平衡性质 在工业上能够得到广泛应用 可以快 速高效地预测出混合物的蒸气压 活度系数 气液平衡等各种性质 准确度也较 商 可以节省大量的实验成本 具有较高的实用价值 cosmo rs 的一个特点即是减少了当一个分子处于理想导体中 这个分子 便能够屏蔽它的电子可能的分布情况 例如分子中电子的 表征图 表征图 便可以用来估计物质和溶剂之间的交换能量 在 cosmo rs 理论中 每个分子均由其表观电荷 描述 为了进行有效的 统计热力学计算 分子表面被分成若干面积的小块 并且认为这些小块之间是相 互独立的 每个小块的表观电荷是由量子化学中 cosmo 方法计算得到 这样 由这些小块的表观电荷密度构成的整个分子的表观电荷密度分布可由一个一维 柱状图表示 这种图被称为 表征图 图 2 1 表观电荷分布以及 表征图 fig 2 1 apparent charge distribution and the characterization 得到各个分子的表观电荷分布和 表征图之后 根据 cosmo rs 理论 流 体中的相互作用可表示为分子表面的局部接触作用 分子间的相互作用表示为虚 拟的分子导电接触面 双层 的相互作用 分子间相互作用能量由下式获得 intmisfith bond eee 2 33 第二章 辅酶 q10结晶热力学研究 14 2 2 h bondh bond min 0 2 c 2 34 在得到分子间相互作用能量之后 经过一系列严格的统计热力学理论计算 可以得到系统中各组分的化学势 在此基础上 系统的活度系数以及其他的一些 热物理性质 例如剩余焓 熵 蒸气压等都可以获得 这种新颖的统计热力学运算法则比基团贡献法更加准确 并且避免了任何范 围意义上的假设 使得此方法在有限浓度和无限稀释的模型中同样可靠 此外 可以将 nrtl 三参数方程用于计算固液相平衡的活度系数 估算非 电解质溶液的活度系数可以使用在基团贡献法基础上发展起来的的 unifac 方 程 2 1 4 过饱和以及介稳区 溶液的浓度等于溶质的溶解度 溶液中固液两相达到平衡状态 并将此平衡 保持一段时间 即称为饱和溶液 当溶液的浓度大于溶质的溶解度 溶液中固液 相达到平衡并保持一段时间 即称为过饱和溶液 过饱和溶液是溶液结晶操作的 必要条件 是过程的推动力 根据在过饱和情况下晶核是否能够自发形成 可以 将过饱和溶液分为介稳态和不稳态 溶质在溶剂当中的超溶解度曲线就是介稳态 与不稳态之间的界线 溶解度曲线与超溶解度曲线之间的区域称为介稳区 24 超 溶解度曲线是标识溶液过饱和状态下可以自发形成晶核的极限浓度曲线 丁绪淮 指出 超溶解度曲线与溶解度曲线不同 溶解度曲线在特定溶质溶剂时只有一条 固定曲线 与物系的理化性质及温度有关 25 而超溶解度曲线受到很多因素的影 响 例如搅拌速率 冷却速率 有无晶种存在以及是否存在电磁场等 所以超溶 解度曲线应当被视作一组曲线 这样介稳区的宽度就会随着超溶解度曲线改变而 改变 介稳区宽度描述的是物系的溶解度与超溶解度之间的距离 曲线间的垂直 距离表示最大过饱和度 max c 水平距离表示的是最大过冷却度 max t maxmax dc ct dt 2 35 式中 c 为溶液饱和浓度 在工业上 结晶过程的实际操作一般都会控制在介稳区内进行 这样生产得 到的晶体的晶习好 粒度均匀 过程容易控制 如果过程没有控制在介稳区内时 控制比较困难 就容易导致产品的质量不高 所以物系的介稳区数据作为设计结 晶器重要的参数之一 可以作为选择适宜操作条件的依据 根据经典的成核理论 成核速率 0 b可用下式来表示 0 0max mn bkcn 2 36 第二章 辅酶 q10结晶热力学研究 15 式中 max c 最大过饱和度 n 搅拌速率 0 k 成核速率常数 m n 动力学参数 nyvlt 26 通过冷却结晶实验总结出 通过降温得到过饱和度时 结晶的成核 速率可以过饱和度产生速率来表示 0 bqb 2 37 式中 b 降温速率 bdt dt q 单位质量溶液降低单位温度析晶质量 m qdcdt 11oc o o为不含结晶水的晶体分子量与含结晶水晶体的分子量之 比 在实验中 max t 容易得到 联立得到 0max m n mm dcdt bkdcdttn 2 38 左右同时取对数 得到 max lnlnlnbkmtnn 2 39 式中 0 1 ln lnln m kmdcdtk 当搅拌速率一定时 上式可以简化为 max1 1 lnlntkb m 2 40 当降温速率一定时 可简化为 max2 lnln n tkn m 2 41 介稳区的测定方法根据判断晶核出现时机的方法不同大致分为三类 1 直接法 直接法通过直接观察微小晶体从溶液当中出现的时机 来判断确定物系溶解 度与超溶解度曲线 常用的直接法如 coulter 计数法 激光法 目测法等 目测法的原理是 将待测的饱和溶液与过量溶质固体借助搅拌使其达到均匀 混合 运用线性控温系统 使体系以一定的降温速率冷却 通过肉眼观察首批晶 核出现的时机 从而测得介稳区宽度 但由于受到人眼鉴别能力的限制 目测法 仅能够检测到直径大于 5 10 m 的粒子 目测法实验结果有一定机械误差 重现 性差 人眼观察到的首批晶核的出现时机明显滞后于其真实出现时机 coulter 计数法是通过 coulter 计数仪来检测过饱和溶液中 首批晶核出现的 时机 coulter 计数仪能够检测出的晶体最小粒度约为 1 2 m 但在测量粒子时 coulter 计数仪本身噪音很大 导致其测量的精度比较差 激光法根据记录下由于透过过饱和溶液的激光强度变化而引起的记录仪电 压突变来监测首批晶核的出现时机 从而确定介稳区 具有灵敏度高 简便易行 第二章 辅酶 q10结晶热力学研究 16 动态响应快等特点 但对于溶解度相对较小的物系 晶核的生成量比较小 晶核 刚出现时不足以影响通过激光的强度 这会增大测量的误差 2 间接法 由于溶液的一些物理性质会随着溶液浓度改变而发生相应的变化 因此通过 跟踪检测这些物性的变化 就可以确定溶液的介稳区宽度 常用的间接法有 折 射率测定法 电导率测定法 浊度测定法等 电导率测定法通过测定电导率持续变化 检测随着晶核出现溶液浓度发生的 变化 该法从理论上来说是比较方便的 但由于在实际中不能使用定型电桥 导 致该法在实际使用时有一定的局限性 浊度测定法通过测定浊度变化 检测随着晶核出现溶液浊度发生的变化 当 溶液中未出现晶核时 浊度几乎为零 当晶核开始出现时 浊度计读数将会发生 突变 折射率测定法是在已知浓度的溶液内放置一面棱镜 使溶液与棱镜的表面相 接触 调节棱镜上光线入射角度 再测定出全反射角 就能计算出折射率 从折 射率可以推算出溶液的浓度 随着溶液冷却到开始有晶核出现时 把折射率随着 温度变化而改变的各点连接起来得到一曲线 该曲线上的突变点即为晶核的出现 的时机 由于首批出现晶核都很小 总质量太小 不足以引起溶液浓度的明显变化 因此上述间接法都很难准确的判断出首批晶核出现的真实时机 3 诱导期法 诱导期法根据成核诱导期来确定介稳区 该方法的理论依据如下 lnln indindn tkks 2 42 ln kn indnb kcm k c 2 43 式中 ind t 诱导期 i n d k 诱导期常数 n k 成核阶数 s 过饱和度比 n m 晶核质量 b k 成核速率常数 诱导期法需要通过实验方法来测定结晶过程的精确诱导期 但是这是很难办 到的 seifert 等人 27 进行了方法改进 通过快速降温等方法使溶液迅速达到饱和 测定诱导期 溶液的过饱和度越大 其诱导期就越短 将通过实验得到的溶液诱 导期 ind t 与其过饱和度作图 外推至 ind t 趋近于无穷大处 相对应的过饱和度即为 第二章 辅酶 q10结晶热力学研究 17 精确的极限过饱和度 28 实际操作当中 诱导期法的主要问题同样是在于如何测 定出首批晶核出现的真正时机 2 2 实验研究 2 2 1 cosmo rs 方法预测溶剂中辅酶 q10溶解度 标准的 cosmo rs 预测计算过程包括两个主要步骤 量子化学计算步骤与 adf 软件中 cosmo rs 预测模块的应用 adf amsterdam density functional 是基于密度泛函理论 dft 的量化计算软件 由于辅酶 q10分子中有 150 多个原 子 如果直接使用 cosmo rs 计算辅酶 q10的密度泛函优化过程将会比较漫长 故首先运用 gaussian03 软件用密度泛函 b3lyp 方法在 6 311 g 基组水平上计 算并进行了结构优化 然后将结果导入 adf 软件计算辅酶 q10分子在溶液中的 总能量与分子表面 3d 极化密度分布 cosmo 计算运用 bp 密度泛函理论和 tzvp 基组 2 2 2 纯溶剂中辅酶 q10溶解度的测定 实验试剂 辅酶 q10 神舟生物科技有限责任公司 经过两次重结晶得到 质量纯度大 于 99 乙醇 正丙醇 异丙醇 正丁醇 正己烷 乙酸乙酯等 分析纯 天津科威 化学试剂厂 去离子水 市售 实验装置 超级恒温器 501a 型 上海实验仪器厂有限公司 温度控制精度 0 05k 结晶器 100 ml 玻璃夹套式结晶器 电子天平 pl203 型 瑞士 metler toledo 公司 温度计 精密水银温度计 精度为 0 1 磁力搅拌器 cjj85 2 型 上海司乐仪器厂 真空干燥箱 101 a 上海盛鑫仪器仪表厂 实验装置如下图所示 第二章 辅酶 q10结晶热力学研究 18 图 2 2 辅酶 q10溶解度测定实验装置图 fig 2 2 schematic setup for the coenzyme q10 solubility measurement 实验步骤 1 开启超级恒温器 按预定的温度保持