长链二元酸的水相反应结晶过程研究

龚俊波，朱明河，张 辉，尹秋响

(天津大学化工学院，天津 300072)

长链二元酸是指碳链中含有10个以上碳原子的脂肪族二羧酸，是一类有着重要工业用途的精细化工产品．长链二元酸在自然界中不单独存在，其中不饱和长链二元酸是无法在化学工业中合成的，饱和二元酸中也只有十二碳二元酸(dodecanedioic acid，DDDA)可以通过化学法工业生产．十二碳二元酸作为一种长碳链二元酸，是化工过程中重要的中间原料，可以合成聚酰胺、聚酯、增塑剂、金属沉淀剂、润滑油、香料、粉末涂料以及 1，12-十二次甲基二胺等[1]，有着广泛的工业应用前景．

十二碳二元酸的生产一般有化学合成和生物发酵两种方法[2]．化学合成法由于存在加氢反应需防火、防爆、防毒，另外必须在高温、高压等苛刻的反应条件下进行，导致了环境污染严重及生产成本高等问题，限制了其工业应用．近年来，中国科学院微生物所经过微生物发酵路线合成了十二碳二元酸[3]，该工艺简单、条件温和、规模大、收率高、成本低、无污染，是一种环境友好产品．不足之处是发酵产物中含有少量的菌体蛋白、色素以及铁离子化合物等，并混杂着其他种类的长链二元酸，因此精制提纯工艺成为微生物发酵法制备十二碳二元酸的重要环节，直接影响到整个工艺的收率及产品质量[4]．

目前，长链二元酸的提纯方法主要有溶剂法与水相法两种．其中发展较早的溶剂法虽然能一定程度地改善产品质量，但由于所用的有机溶剂大多数对设备的密封性、材质有较高要求，对生产装置的安全、环保、职业卫生有特殊要求，而且有机溶剂的价格较高、损耗较大，致使产品精制的成本居高不下，缺乏市场竞争力．另外产品中会残留有机溶剂和烷烃，使得该方法的使用受到了很大的限制[5-6]．相比溶剂法，传统水相法无疑克服了一些缺陷，但是目前的水相结晶产品晶形、晶体粒度差，易于聚团，难分离，产品总酸、单酸、总氮等含量指标不能满足要求，因此迫切需要对长链二元酸的水相结晶技术开展研究．

本文以十二碳二元酸为研究模型，采用静态分析法测定了十二碳二元酸在水中的溶解度，研究确定了水相反应结晶中最佳的原料流加方式；并探究了一系列的实验条件对十二碳二元酸结晶产品的影响，通过过程优化制备出满足质量要求的十二碳二元酸产品.

1 实验材料与方法

1.1 溶解度的测定

1.1.1 药品和试剂

十二碳二元酸购买自上海晶纯生化科技股份有限公司，纯度大于99%,，水为市售去离子水．

1.1.2 实验装置与流程

采用静态分析法[7-8]测定十二碳二元酸的溶解度，实验装置如图 1所示，具体实验步骤为：①调试各实验仪器，保证其正常运行，安装好实验装置；②打开超级恒温水浴(CHY-1015，上海舜宇恒平科学仪器有限公司)，调至测定温度，开通循环水，使100,mL的结晶器恒温；③向结晶器内加入适量去离子水，打开磁力搅拌器(CJJ-85-2，上海司乐仪器厂)，转速为 300,r/min，使搅拌均匀，用磨口塞子将结晶器密封以防止溶剂挥发；④待温度稳定后，向水中加入过量的十二碳二元酸，保证不能完全溶解，恒温搅拌18,h使其达到平衡；⑤停止搅拌，静置 2,h；⑥用同温度的注射器吸取上层清液，迅速用 0.45,µm的同温度针膜过滤到预先用电子分析天平(AB204-N，瑞士Mettler Toledo 公司)称重的培养皿中，并记录滤液与培养皿总重，每个实验点重复 3次；⑦将装有滤液的培养皿放入干燥箱(DZF-6020，上海一平科技有限公司)中在 40,℃下真空干燥 20,h，之后每 2,h称重 1次，直至质量保持不变，记录质量；⑧改变温度，测下一个数据点．

图1 溶解度测定实验装置Fig.1 Experimental setup for the determination of solubility

由实验得到的某一温度下十二碳二元酸在纯水中的摩尔溶解度x1[9]为

式中：m1和m2分别为溶质和溶剂的质量；M1和M2分别为溶质和溶剂的摩尔质量．

1.2 结晶工艺优化实验

1.2.1 药品和试剂

十二碳二元酸二钠盐水溶液(8%)和浓硫酸(98%)购于天津科威试剂有限公司，水为市售去离子水．

1.2.2 实验装置与流程

结晶实验装置如图 2所示，具体实验步骤为：①将水浴温度调至反应温度，恒温，按装置图安装好实验仪器；②称取适量十二碳二元酸二钠盐水溶液，配置一定质量一定浓度的稀硫酸；③用蠕动泵将十二碳二元酸二钠盐水溶液或(和)稀硫酸流加到500,mL的结晶器中，反应结晶；④出晶后停止流加，养晶；⑤继续流加至反应结束后，迅速降温至 20,℃，过滤，用蒸馏水洗涤 2次，常压干燥；⑥考察原料流加方式、流加速率、pH 值(pH 计，METTLER-SG2，瑞士 Mettler Toledo公司)、反应温度、搅拌速率(机械搅拌器，JHS-90，杭州仪表电机有限公司)等参数对晶体产品质量的影响．为了分析每个实验因素对结晶产品的影响，每次实验仅改变一个条件，其他条件为最优条件．

图2 结晶实验装置Fig.2 Experimental setup for crystallization

1.3 晶体产品的表征方法

粒度分布[10]指各种粒径的晶体占晶体粒子数的比例．本文选用 Malvern Mastersizer 激光法来测定十二碳二元酸的粒度分布，主要参数为平均粒度(medium size)d和变异系数(coefficient of variation)β．其中，d相当于筛下累积质量为 50%,的筛孔尺寸值，用来表征晶体粒度大小．β用来表征粒度分布宽度[11]，其计算式为

式中PDn%指筛下累积质量为 n%,的筛孔尺寸值．β,越小，说明晶体粒度分布越窄．

2 结果与讨论

2.1 溶解度的测定

十二碳二元酸在水中的溶解度的测定值如表 1所示．从表中数据可以看出，十二碳二元酸在水中的溶解度非常小，且随着温度的升高而缓慢增大．另外，十二碳二元酸的水相结晶过程为反应结晶过程，溶剂为水，原料为硫酸和十二碳二元酸二钠盐水溶液．由于十二碳二元酸在水中的溶解度很小，因此水相结晶收率高．但是该体系化学反应速率快，诱导期短，极易导致反应体系局部产物过饱和度过高，从而使整个反应体系内成核速率和生长速率不均，晶体聚结，包藏杂质，进而影响产品质量[12-13]．

表1 十二碳二元酸在水中的溶解度Tab.1 Solubility of DDDA in water

2.2 结晶工艺优化

基于上述分析，为了得到优质的十二碳二元酸产品，就必须控制影响十二碳二元酸结晶过程的主要因素——过饱和度．而工业上，过饱和度的直接监测和调控很难实现，因此，要通过控制优化影响过饱和度的操作条件，来实现过饱和度的监控．为了使得到的产品晶体平均粒度大于 50,µm，变异系数小于 60%，且产品收率不低于 99%,，本文主要考察了影响过饱和度的操作因素(原料流加方式、流加速率、结晶温度、pH 值等)对产品质量的影响，从而得到优化工艺的操作条件及流程．

2.2.1 原料流加方式的影响

本文的结晶为反应结晶，结晶过程中的总反应为

该反应分两步进行：

原料的流加方式可分为 3种(无论何种流加方式，都已预先向结晶器中加入了等量的水)：正向流加，即将十二碳二元酸二钠盐水溶液加入到水中，之后将硫酸流加到结晶器中；反向流加，将硫酸加入到水中，之后将十二碳二元酸二钠盐水溶液流加到结晶器中；双向流加，将硫酸和十二碳二元酸二钠盐水溶液同时流加到结晶器中．不同的流加方式会影响产品的收率、粒度分布等指标，实验结果如表 2和图 3所示．

表2 原料流加方式对十二碳二元酸产品性能的影响Tab.2 Effect of different adding ways of raw materials on properties of DDDA products

图3 原料流加方式对十二碳二元酸产品粒度分布的影响Fig.3 Effect of adding ways of raw materials on CSD of DDDA products

从表2和图3可知，在其他操作参数相同的情况下，双向流加原料得到的产品平均粒度最大，β,值最小；反向流加原料得到的产品平均粒度最小，并且β,值大于 60%，这导致了产品杂质包藏严重；正向流加原料得到的产品平均粒度达标，但β,值过大；由于十二碳二元酸在水中的溶解度极小，因此收率均能达到99.0%,以上．综合上述分析可知，双向流加原料得到的产品粒度分析最佳．本文讨论其他操作参数时，选取双向流加为原料流加方式进行研究．

2.2.2 硫酸质量分数的影响

从表3看出，产品的平均粒度随着硫酸质量分数的降低而增大．当硫酸质量分数小于30%,时，十二碳二元酸的各项指标均达标．当硫酸质量分数过小时，十二碳二元酸的生产能力会随之降低，因此，硫酸质量分数应根据实际生产能力要求而确定．综合考虑晶体产品质量和生产能力等因素，硫酸质量分数确定为 15%,．

表3 硫酸质量分数对十二碳二元酸产品性能的影响Tab.3 Effect of mass fraction of sulfuric acid on properties of DDDA products

2.2.3 反应结晶温度的影响

反应结晶温度对晶体形态和粒度均有影响[14].结合图4和表4可知，反应结晶温度越低，产品的平均粒度越小，粒度分布越宽．低温下形成的高过饱和度会引起爆发成核，并导致晶体产品聚结，如 30,℃和 50,℃下得到的产品粒度分布均出现了双峰，即说明了十二碳二元酸产品发生了严重的聚结．当温度高于 70,℃时，十二碳二元酸产品的各项指标均达到出厂要求，由于高温有利于细晶的消除，所以温度越高，平均粒度也越大，粒度分布也越窄．但高温的能耗相对较大，因此，综合分析产品性能和能耗，可知反应结晶温度应确定在80,℃．

图4 反应结晶温度对十二碳二元酸产品粒度分布的影响Fig.4 Effect of reaction crystallization temperature on CSD of DDDA products

表4 反应结晶温度对十二碳二元酸产品性能的影响Tab.4 Effect of reaction crystallization temperature on properties of DDDA products

2.2.4 pH值的影响

为了得到十二碳二元酸，反应结晶过程中的 pH值[15]应控制在 pK1以下，此时，溶液中存在HOOC—(CH2)10—COOH 和 HOOC—(CH2)10—COO-两种粒子形式，两种粒子的相对含量决定了溶液中十二碳二元酸的过饱和度．从表5可以看出，pH值为2.0～4.5时，得到的十二碳二元酸产品各项指标达标，但随着pH值降低，溶液中十二碳二元酸的过饱和度增大，产生大量成核，从而使得到的粒子平均粒度减小．此外，pH值过小，硫酸的消耗量增大，成本也会升高．因此，pH值应确定在4.0．

表5 pH值对十二碳二元酸产品性能的影响Tab.5 Effect of pH on properties of DDDA products

2.2.5 原料流加速率的影响

反应结晶过程中的过饱和度是通过十二碳二元酸二钠盐水溶液和硫酸反应生成十二碳二元酸而产生的，因此原料液的流加速率直接影响结晶过程和晶体产品的性能[16-18]．从表6和图5可以看出，原料液的流加速率越大，晶体产品平均粒度越小，粒度分布越宽．粒度大小又直接影响着产品的纯度和后续过滤工序．

表6 原料流加速率对十二碳二元酸产品性能的影响Tab.6 Effect of adding rates of raw materials on properties of DDDA products

图5 原料流加速率对十二碳二元酸产品粒度分布的影响Fig.5 Effect of adding rates of raw materials on CSD of DDDA products

结晶开始时，原料流加速率慢，可避免爆发成核；随着反应的进行，晶核大量析出，并开始生长，消耗掉体系内的大量过饱和度，导致过饱和度降低，为了适应晶体的生长，应增快原料的流加速率．若始终保持低流速的原料流加可大量减少二次成核，使较低的过饱和度尽量用于晶体生长，可得到较大晶体．但流速过慢，结晶耗时长，生产成本增大．因此，综合考虑，初始阶段的原料流加速率应为 0.6,mL/min，养晶后应将流速调至0.8,mL/min．

2.2.6 搅拌速率的影响

十二碳二元酸晶体为薄片状，极易破碎，因此，应考虑搅拌对晶体的产品的影响[19]．从表 7可以看出，随着搅拌速率的增大，晶体的平均粒径减小．当搅拌速率不高于 200,r/min时，得到的产品符合出厂指标．若搅拌速率过低，会导致搅拌不均．综合考虑，搅拌速率应确定为200,r/min．

表7 搅拌速率对十二碳二元酸产品性能的影响Tab.7 Effect of stirring rates on properties of DDDA products

2.2.7 十二碳二元酸反应结晶过程优化

综合以上研究结果，本文设计了一个优化的十二碳二元酸水相反应结晶过程，具体工艺条件见表8．

表8 十二碳二元酸水相反应结晶工艺操作条件Tab.8 Operation conditions for DDDA reaction crystallization process in water

使用该优化工艺过程得到的十二碳二元酸产品与传统过程得到的十二碳二元酸产品的实物照片和粒度分布对比如图 6和图 7所示．对比可知，传统过程得到的十二碳二元酸产品结块严重，其平均粒度小，粒度分布宽；使用本文优化过程制备得到的十二碳二元酸产品分散性好，平均粒度大，粒度分布窄．

图6 不同十二碳二元酸产品形貌照片Fig.6 Morphology photos of different DDDA products

图7 不同十二碳二元酸产品粒度分布Fig.7 CSD profiles of different DDDA products

3 结 论

(1) 本文测定了十二碳二元酸在水中的溶解度，可以看出十二碳二元酸在水中的溶解度极小，因此在水相反应结晶过程中，极易导致反应体系局部产物过饱和度过高，从而爆发成核，晶体聚结，包藏杂质，进而影响产品质量．

(2) 通过对不同的原料流加方式进行筛选比较，得出选用双向流加反应原料的方式可以有效控制局部产物过饱和度，提高产品质量，是一个改善产品质量的关键步骤．

(3) 基于参数对比研究，本文设计了一个优化的十二碳二元酸水相反应结晶过程．使用该优化过程生产的十二碳二元酸产品粒度大、分布集中、分散性好，较传统技术制备的产品，在形态和性质上都有了很大的改善．

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