维生素C冷却结晶研究

孙莉

(江苏江山制药有限公司 江苏靖江 214500)

维生素C的生产主要是由莱切斯坦法和二步发酵法来进行工业生产的。由于莱切斯坦法在生产中操作难度大,生产过程中需要具有毒性和腐蚀性的介质,因此,研究出新的维生素C合成工艺后逐渐将莱切斯坦法代替。二步发酵法是由众多科研机构共同开发的维生素C合成新工艺。在上个世纪末还未投入工业生产中,而在本世纪成为了众多生产维生素C厂家共同使用的方法。在维生素C生产过程中,其结晶是影响维生素C质量的关键,因此,国家对维生素C结晶的研究一直都投入了大量关注。本文将就此研究维生素C冷却结晶。

1 维生素C的物质化

1.1 维生素C 的晶体结构

晶体的性质是由内部结构来决定的,两种相同的物质,在生产条件不同时,其晶体结构也会发生不同。在化学医药物品中,化学成分或化学分子相同,但是分子的结晶结构发生了差异,就会导致药物效果降低或没有效果。维生素C分子中具有碳原子和几个异构体,其中S-异构体的抗血酸能力较强,而L-异构体得抗血酸能力差,其他的异构体不具备药物效果。由著名学者康库林等人对生物体内注入维生素C对其机理产生的变化进行了研究和关注。

梅伦德斯和莫拉等人采用了几何计算法,使用几种不同的晶体仪器对维生素C的内部晶体结构进行研究,在研究中发现了维生素C晶体分子中的空间结构,维生素C晶体属于倾斜晶系,为P43空间类别,其晶体细胞参数为:

c=1.245lan;z=0.9256lan;s=1.0426lan与g=97.28°

晶体细胞体积为:0.52476lan(β=245G)。

1.2 维生素C 结晶溶剂

结晶物质是结晶工艺和结晶设计过程的重要依据。维生素C在生产中所需溶剂为水或其他混合物。维生素C和水的物系属于低共溶物系。由于低碳醇的存在,减小了L-抗坏血酸在水中的溶解度,在同一温度下,醇的质量温度每增加10%(wt%,下同),L-抗坏血酸的溶解度分别减少2.2%(甲醇)、3.3%(乙醇)和3.8%异丙醇。因此,在L-抗坏血酸结晶过程中,向L-抗坏血酸水溶液里加入低碳醇可以降低结晶母液的浓度,从而提高L-抗坏血酸的一次结晶收率。在上个世纪八十年代末,由部分学者通过实验,在维生素C的生产中,使用水与乙醇等物作为混合剂,测定出维生素C可以与水和乙醇等化学物产生类似二元化固体液态相同的数据。从数据中看,维生素C在水中或水与乙醇的混合液体中的溶解度高,对冷热比较敏感,比维生素C在水系物质液体中的熔点低,水和乙醇的混合物在低温中从化学水合物中分解出来,因此,维生素C在水与乙醇的混合固态液体中低熔点不是一个稳定值,维生素C与水和乙醇混合物不是低熔点物质体系[3]。

1.3 维生素C 结晶物质的介稳区

工业生产中,结晶的变化过程一般是在介稳区来进行的,极限冷度数据是结晶设计的基础。在维生素C与水的物质系以及维生素C与水和乙醇的混合物质体系中,使用激光检测法来检测。通过实验可以得到数据,在极限冷度中,维生素C的水溶液:Gmax=44.854K;维生素C与水和乙醇的混合物:Gmax=28.632K。因此,维生素C与水和乙醇混合剂中,其介稳区相对比维生素C在水中的宽度窄,因为水的氢作用比乙醇高,乙醇在混合剂中降低了维生素C与水的相促进作用,使内核分子壁垒降低,直接使介稳区变窄。而在研究中,对维生素C水中物质系和维生素C水与低碳醇结构物质系进行实验,在维生素C与水和乙醇的体系中,极限冷度和冷却的关系为:KT=91.23KT1.23。在低温速度测试中为:KT=4.48×8K/c,维生素C、乙醇、水的质量分别在43.4%、13.2%、43.4%,在加入其他晶体的条件下,溶液在极限冷度中为KT=18.021K/c,与用经验式计算法计算的极限冷却数值基本相同。

2 维生素C结晶的动力学

维生素C结晶动力学是对维生素C结晶过程的分析、操作等基础,部分学者对维生素C在低碳醇水溶液中产生的结晶动力学都进行了研究。在结晶产生的过程中对比了维生素C浓度变化和各项操作的关系。根据试验得出的数据对比,得到乙醇与水的混合剂中维生素C的结晶动力学中公式为:

在异丙醇与水的混合剂中维生素C的结晶动力学公式为:

在发现维生素C结晶成核的同时对结晶动力学展开了研究,发起结晶成核率与溶液极限冷度速率具有函数关系。部分学者将成核率与过度饱和度关联在一起。在进行结晶动力学研究中,对反馈回来的数据进行分析研究后可以发现,维生素C在水溶液中初次成核和第二次成核后,饱和值分别为:3.24和2.63,并且,由于晶体产品的每个粒度都大致算出维生素C的平均生长速度为10-5m/s。通过考察间歇冷却结晶过程的溶剂组成,可以对结晶动力学产生影响,并且,分别测试出水与甲醇、水与乙醇、水与异丙醇的溶液系统中,维生素C的结晶成长速度率和成核的速度率[2]。

在运用间歇动态法中的拉式变换法测试了维生素C在水和乙醇的溶剂中结晶动力学指数。根据试验中的固定乙醇和水的比例,分别使用搅拌速度、过度饱和率及温度等操作,对维生素C在水和乙醇混合液中结晶速度率和成核生长率产生影响,根据试验后的数据得到动力学公式为:

结晶速度率:G=1.22exp(3.3×10-5/PT)△c0.23;

成核生长率:B=4.6×84exp(1.47×10-5/PT)△c1.33MT3-4.2

3 维生素C冷却结晶的发展

评定结晶产品质量的主要参考数据为晶体粒度分布、晶体的稳定性等。晶体收获率直接影响了生产成本和效益的获得。维生素C结晶时,需要采用结晶操作方式、溶剂的选择、冷却降温的确定、增减晶种等多种因素,可以对维生素C产品的收获率、稳定性等都具有影响,也就是说,结晶工艺的发展直接影响着结晶需要的成本以及收获后效益的增减,因此,对于结晶工艺发展的研究,是多年来企业和工业研究领域的重要一项科目。

维生素C结晶产生的过程中需要进行提纯,而在提纯的过程中,对操作技术的要求是非常高的,一步出错,都会影响维生素C产品的质量和收获。并且,在维生素C结晶前,需要对其进行仔细检查,避免温度过高和保持室内常态湿度,这样可以避免维生素C在结晶的过程中加速降解,使结晶收获降低。

在维生素C结晶过程中影响最后结晶收获率和产品粒度的因素有很多,在经过不同程度的维生素C冷却结晶测试后发现,要得到维生素C结晶的粒度分布大且均匀的维生素C,需要维生素C的质量数值在40%—55%左右为最佳,在冷却中速率要在0.6°C/min以内,这样产出的结晶收获率比较高,可在90%以上[4]。

关于维生素C结晶工艺的研究目前也得到了极大发展,获得了众多的经验和相关数据,但是由于维生素C结晶的物质构成比较复杂,因此,对其有关内部结构和工艺水平上来说,还需要进一步发展,才能使维生素C结晶对社会发展起到积极作用。

4 结语

长久以来,虽然我国是维生素C生产大国,但是,我国在维生素C生产上面对着设备旧、效率低、成本高、质量低等问题。在产品的收获率和质量以及操作技术水平等比国际上维生素C生产技术档次低,为此,解决其核心问题是目前改变这一状况的最根本方法。在经过众多研究机构的发展和探索中,研究出了维生素C在结晶过程中的新工艺,并逐渐的在生产单位中陆续投入使用,这也使经济的发展得到提高。

[1]尹秋响,仲维正,王胜春,王静康.小粒度维生素C冷却结晶动力学[J].天津大学学报,2010,5(12):22-25.

[2]王胜春,尹秋响,王静康,张晓风,王立群.维生素C冷却结晶研究进展[J].化学工业与工程,2012,12(23):15-18.

[3]王胜春,李保升,田永淑.小粒度维生素C结晶过程动力学的测定[J].河北理工学院学报,2010,8(34):12-14.

[4]王敬臣,崔凤霞,任保增.维生素C合成工艺研究[J].安徽农业科学[J].安徽农业科学,2012,6(12):20-23.