Overview
资料来源: 凯瑞先生和迈克尔 g. 本顿, 路易斯安那州立大学化学工程系, 巴吞鲁日, LA
加工生化涉及的单位操作, 如结晶, 离心, 膜过滤, 和制备色谱, 所有这些都有共同的需要分离大的小分子, 或固体从液体。其中, 从吨位的角度来看, 结晶是最重要的。由于这个原因, 它通常被用于制药、化学和食品加工行业。重要的生物化学例子包括手性分离,1纯化抗生素,2从前体分离氨基酸,3和许多其他药剂,4-5食品添加剂,6-7和农用化学品净化.8晶体形态和尺寸分布的控制是过程经济学的关键, 因为这些因素影响下游加工操作的成本, 如干燥、过滤和固体输送。有关结晶的更多信息, 请参考专业教科书或单元操作教科书。9
结晶器单元 (图 1) 能够研究: (a) 主要参数, 如过饱和和冷却/升温速率, 对固体含量, 形态和晶体尺寸分布的影响;(b) 和对结晶过程的在线控制。过饱和度可以通过搅拌速率和温度等改变条件来控制。不同的结晶分类包括冷却、蒸发、pH 摆动和化学改性。在这个实验中, 离线显微镜将测量从大小从10-1000 μ m, 一个典型的大小范围为生物制品。
图 1:& 标识示意图 (左) 和结晶器 (右图)。请单击此处查看此图的较大版本.
这项实验将显示 "化学修饰", 或 "pH 摆动" 结晶, 以产生水杨酸 (萨尔) (前体阿司匹林) 晶体的水溶液的快速反应碱性水杨酸钠 (鼻), 这是基本的,硫酸 (H2,4) 在任何地方从 40-80 ° c。11
Na+萨尔+ 0.5 H24 SAL (ppt) + Na+ + 0.5 所以42-
副产物硫酸钠仍然是可溶解的。该装置由两个进给罐, 三变速 (蠕动) 泵, 结晶器 (搅拌槽, 以接近均匀的温度和浓度, 〜5升), 一个循环浴缸的温度控制, 功率控制器, 产品罐, 和用氢氧化钠溶液进行饲料再生的化妆箱 (如果需要)。用紫外-可见光谱仪对水杨酸的残留可溶性离子进行分析, 并对水杨酸结晶产物进行干燥和称量。pH 探针可用于确定反应条件改变时的稳态。
Principles
混合悬浮, 混合产品去除 (MSMPR) 结晶器类似于一个连续搅拌槽反应器-完全混合固体和液体阶段假设。工业结晶很少 (如果曾经) 接近 MSMPR 的行为, 但这个概念是有用的在板凳和试点规模单位。这是因为它提供了一个简单的方法来估计关键参数, 如增长率, G, 和成核率, B0。现有的晶体和其他固体表面, 如搅拌器, 催化成核。晶体的数密度, n, 是一个概率密度相对于 L, 主要晶体尺寸。因此, n dl/(Σn dl) 代表的部分晶体 oflength l + dl。在标准文本它显示, 为 MSMPR 结晶器, 一般人口平衡模型的解答为 n 是:
(1)
其中, B0是 mols/卷/时间内的 crystalnucleation 函数, G 是晶体的生长速率, dL/dt。方程 (1) 预测 MSMPR 中产生的数密度的指数分布。使用第零号 (与晶体的浓度有关) 和第一个 (与晶体平均大小有关的) 时刻的分布, B0和 G 是:
(2)
(3)
当 Cs是固体晶体在浆料中的浓度时, τ是停留时间, 它是近似地液体容量除以饲料容积流速, 并且是平均长度在一个数字依据, 在显微镜下被确定
.
因此, 对于 MSMPR 结晶器, 其生长和成核速率由正常的控制参数 (搅拌速度、温度、流速等) 决定。然而, 分布应始终是指数, 任何偏离指数分布代表不完全混合的固体或液体。MSMPR (搅拌槽) 结晶器不适合工业结晶, 因为它提供了一个指数分布的晶体大小, 而在大多数应用一个相对狭窄, 高斯, 分布是理想的产品均匀性.它的研究是相关的, 因为: (a) 它几乎总是一个更大的结晶器设计的元素;(b) 它非常适合于台式和先导装置的工作, 因为可以很容易地从原始数据中提取过饱和度、生长和成核率;和 (c) 这是最简单的例子, 其中几何可以链接到晶体大小分布。
对于恒温和搅拌器转速, B0和 G 都与过饱和ΔC 直接相关, 这是结晶的传质驱动力:12
(4)
功率 b 和 g 是系统的具体, 可以在很大范围内变化 (例如, 1-7. 2 为 g)。12
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Procedure
有机 (水杨酸钠, 鼻) 和酸 (硫酸, 0.25 米 = 0.50 N) 溶液将被送入结晶器。在处理鼻腔、水杨酸或其溶液时, 一定要戴上乳胶手套, 并且0.25 米的硫酸。
整个系统是由使用商用分布式控制器的 PC (与图 1中的接口类似) 控制的。所有的关闭或3路电磁阀和控制器设置点可以使用此接口操作和更改。示意图显示了与该单元相关联的模拟值 (流速、温度) 的趋势。
1. 启动结晶器
在运行开始时, 所有连续控制器都应处于手动模式, 所有电磁阀都应关闭 (关) 或回收 (3 路) 模式。
- 确保结晶器是满溢的水平, (〜4.15 升) 表明在搅拌槽, 与水和水杨酸浆 (在结晶, 泥浆通常称为 "岩浆")。如果未满, 则通过加法端口添加这些。
- 打开搅拌器的结晶器和 thethermostated 的浴缸和泵。
- 设定温度控制器为浴温度对自动和设定到期望温度。推荐的温度为50° c 结晶器53°C。
- 使用接口设置泵的转速 (例如, 30% 打开)。知道饲料的浓度, 设置的流量率的化学计量当量的基础上的方程式 (1)。
- 确认产品箱未满, 排水阀关闭。
- 对光谱仪设备进行通电, 并与控制台提供的链接建立通信。光谱仪程序详细的操作手册 (SpectraSuite)。提供了光谱仪的校准。
2. 操作结晶器
- 根据需要提高泵的输出量, 以达到所需的流量。对于酸性溶液, 这是〜25-35 毫升/分钟。对于鼻腔, 它是由化学计量当量决定的。
- 在两个3路阀门上切换到馈电模式。这是一个实验的时间零。
- 定期检查溢出线。在某些情况下, 它可能会堵塞。如果是这样, 使用一块钢管, 以使生产线进入产品罐。
- 使用宽口吸管从结晶器中直接收集五样品, 并将其转移到15毫升测试或离心管。把两套样品分开10-15 分钟左右。
- 在其他两个宽间隔的居住时间重复, 通过改变容积流速来控制 (停留时), 但保持化学计量等价.
3. 关闭结晶器
- 关闭系统, 设置3路阀门回收和泵的输出到0%。
- 将温度控制器返回到手动0% 输出, 并关闭泵、搅拌器和温控浴缸。
- 如果使用分光光度计, 记得关灯。
4. 分析
通过紫外/可见光谱可以同时测定溶解鼻腔和水杨酸的浓度。吸收的溶出水杨酸和水杨酸可作为添加剂, 因为同样的团被观察到。附录 A 中还包括了进一步的说明。水杨酸浓度也可以确定 gravimetrically 的单位公斤/米3浆料。
- 离心15毫升管5分钟和记录的液体样品的体积迁检索。倒液可用于鼻腔分光光度分析。
- 在70ºC 的对流炉中, 用两天的时间来烘干含有固体的试管。
- 称量, 清理管子, 然后再重新干燥, 然后再重新称量, 以获得晶体的重量。
工业结晶用于化合物和混合物的分离和纯化。为了设计经济系统, 必须对各种参数进行研究。结晶用于手性化合物和氨基酸的分离, 或用于抗生素、食品添加剂和农药化合物的纯化。不同的结晶方式包括冷却、化学改性、蒸发或 pH 摆动。结晶器可用于研究影响晶体发育的关键参数, 如冷却、速率或过饱和。利用显微镜, 可以监测晶体的大小和形态, 并观察各种因素的依赖性。在本实验中, 水杨酸钠与硫酸反应, 导致水杨酸沉淀, 这是阿司匹林的前驱物。样品的分析, 紫外线, 重量分析和显微镜。该视频将说明一个结晶器单元的概念、分析和应用。
对于一个结晶器的规模, 重要的是要估计关键参数。可以使用 MSMPR 单元进行研究。虽然工业结晶真的表现得像 MSMPRs, 但这个概念仍然与板凳和试点规模单位有关。MSMPR 结晶器类似于一个连续的搅拌槽反应器。它假定固体和液相的完美混合。MSMPRs 是用来评估关键的结晶参数, 如晶体成核率, 这也被称为出生函数和晶体生长率。成核是由现有的晶体和固体表面, 如反应堆的墙壁催化。MSMPR 结晶器的一般种群平衡模型产生晶体的数密度 N, 这是一个关于初生晶维的概率密度。在 MSMPR 中, 数字分布被预测为指数分布。使用此分布的零和第一时刻可以确定生育功能和生长速率。最重要的是, 它们也可能与过饱和有关, 即在结晶过程中的传质驱动力, 而这又取决于搅拌速度和温度。对于恒温和搅拌器转速, 出生函数和生长速率都与过饱和度直接相关, 而幂 B 和 G 可以通过线性回归来确定。根据 MSMPR 模型, 晶体的数密度随长度呈指数递减。与指数分布的背离意味着固体或液体的不完全混合。在工业应用中, 需要相对较窄的晶体尺寸的高斯分布, 而不是指数的。尽管如此, MSMPR 模型仍然有用, 特别是在试验工厂, 因为它能够确定生长和出生率, 以及从原始数据的过饱和度。现在您已经熟悉了 MSMPR 模型, 让我们将这个概念应用到实验中。
在处理水杨酸钠和硫酸溶液时要穿戴适当的 PPE。记下水杨酸的基本物理性质以备日后使用。在开始之前, 要熟悉结晶系统。该装置由两个进料罐、变速泵、一个五升结晶器搅拌槽、一个用于温度控制的循环浴、功率控制器、产品罐和一个用于饲料再生的制造罐, 使用氢氧化钠溶液。该系统使用分布式控制系统和图形界面进行操作, 从该接口可以控制阀门的温度和流量。一个示意图输出提供了流速和温度的趋势也可以。
检查所有连续控制器是否设置为手动模式, 并且所有电磁阀都处于闭合、双向或回收的三路模式。确保结晶器充满水和一些水杨酸浆到溢出水平的大约4.15 公升, 如表明在搅拌槽。如果油箱不满, 加水和水杨酸。打开搅拌器为结晶器和温控浴和泵。设定温度控制器为浴温度到自动, 并且设定点到期望温度, 通常大约53摄氏度为50摄氏度结晶器。设置泵的速度, 以提供约25至35毫升每分钟的酸性溶液。对于水杨酸钠, 流速是由化学计量当量确定的。使用已知的进料浓度, 设置化学计量当量的流速。确保产品罐不满, 排水阀关闭。然后, 打开光谱仪, 并在控制台中使用提供的链接来检查设备之间的通信是否已建立。
在两个三路阀门上切换到馈电模式。这为实验设置时间零。定期检查溢出线是否有任何堵塞。使用一根钢管来遥控进入产品罐的管线, 如果检测到堵塞, 则使用所提供的孔。一小时后, 使用宽口吸管插入到结晶器的样品端口。收集足够的样品, 以填补五前称重的15毫升离心机或试管。把两套样品分开10到15分钟。变化的容积流量控制拖车和调整两个其他广泛间隔居住时间。保持化学计量当量, 并像以前一样收集样品。完成后, 将泵的输出设置为零, 将三路阀门回收。将温度控制器返回到手动的零百分比输出, 并关闭泵、搅拌器和温控浴缸。
水杨酸离子浓度可通过紫外相对测定, 固体水杨酸浓度可 gravimetrically 为每米立方浆料的公斤数。在分析之前, 先将离心机取样五分钟, 然后醒酒液体。记录所检索样本的总体积。将液体样品从给定的集合中混合, 稀释50到100倍。对于液体, 用紫外可见光谱仪测定水杨酸钠和水杨酸的吸光度。由于两个样品都检测到相同的团, 因此假定吸光度是添加剂。对于重量测定, 使用离心机或试管中剩余的固体。将在对流炉中直立的管子在摄氏70度处干燥两天。然后称量冷却试管, 以确定晶体的重量和浓度公斤每升。最后, 用显微镜测定了针状水杨酸晶体的长度分布。
通过重量法计算所有运行的固体晶体浓度。在水杨酸上产生质量平衡。然后计算过饱和和停留时间。接下来, 使用产品的摩尔、饲料和溶解的水杨酸产品, 确定饲料和产品的结晶率。利用晶体浓度、晶体尺寸和停留时间来解决生育功能和生长速率。然后通过对数函数的线性回归估计出 G 和 B 的幂。这里是一个50摄氏度的结晶的例子。B 的功率是 G 的两倍, 表明过饱和影响出生率大于生长速率。如果过饱和度不变, 这些权力将被用于扩大规模。与其他实验的比较可以确定影响生长和出生功能的因素, 如配制水中的混合、pH 和离子杂质不足。
工业结晶被广泛应用于制药、化工和食品加工业, 用于各种化合物的分离和纯化。唑是用于治疗子宫内膜异位症的合成类固醇。与许多其他药剂化合物一样, 唑是疏水性和不溶于水。因此, 原唑产品最初溶解在乙醇, 然后再结晶混合与一些水, 生产纯净, 小颗粒大小的产品晶体。工业化结晶可用于溶酶体的生产。该装置可以设计成一个非常狭窄的晶体大小的分布, 通过在热交换器的应用, 这略微提高了温度, 以溶解最小的晶体。尺寸分布可以通过在其末端速度的基础上分离出晶体颗粒来调节。这一概念也在无机盐的结晶中得到应用。
你刚刚看了朱庇特对工业结晶的介绍。您现在应该了解 MSMPR 结晶器模型, 如何操作结晶单元以及如何分析结果。谢谢收看
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Results
图 2显示了具有代表性的数据, 表明即使在相对较高的速度和低的进料浓度下, MSMPR 理想的晶体尺寸分布也有适度的偏差。
图 2.晶体大小分布为 0.16 M 鼻饲料, 540 rpm, 60 ° C
从这个实验形成的晶体通常是针状的, 长度分布可以在显微镜下确定。典型晶体尺寸尺寸 (微米) 的样本长度如图 3所示。正常和首选的晶体范围是100-1000 微米。
图 3.放大的水杨酸晶体。尺寸是微米.请单击此处查看此图的较大版本.
假设 MSMPR 结晶器 (1-4) 的方程, 并使用在水杨酸的质量平衡, 运行在岩浆 (C萨尔) 的固体晶体的浓度, 居住时间 (τ), 生长速率函数 G, 在水相中的过饱和量ΔC 在摩尔基础上, 核函数 B0, 并确定了产品和饲料基础上的晶体产量。利用尺寸分布方程 (3) 计算了 G 函数。并且过饱和和质量平衡等式是:
(5)
(6)
其中 q1是鼻腔溶液的容积流量, qt是总容积流量, (c鼻)0是进料浓度为鼻腔中的 q1, 而 c鼻和 c萨尔是产品可溶性水杨酸和晶体的浓度分别为。Ceq是水杨酸的平衡 (界面) 浓度, 在本演示中使用的温度范围为2.2 克/升。
产量在饲料依据被定义了如下:
(7)
并以产品为基础:
(8)
如果在水杨酸的质量平衡中的% 误差很大, 那么可能是 cSAL或 c鼻音错误, 因为两者都难以准确测量。通过观察 Y1 和 Y2 的值 (在这方面给出更合理的趋势), 可以确定错误的主要来源。
从 g 和 b0的值中, 方程 (4) 中的幂 "g" 和 "b" 用线性回归估计。弗兰克和 al. 报告了 ~ 6 的 ~ 3 和 "b" 的幂 "g" 为这个系统11使用高度无菌条件和高搅拌器速度。确定实验性的 "g" 和 "b" 与弗兰克 et al. 的区别, 有助于确定可能影响生长和成核功能的因素。表1中显示了具有0.35 米 (鼻) 和0.25 米 (H2, 所以4) 的50° c 结晶的代表性数据。
表1。结晶数据
| 流量, 毫升/分钟 | τ | |
C鼻音 | CSAL | Y1 | Y2 | |
| 鼻 | H2, 因此4 | 分钟 | 毫米 | 摩尔/L | g/毫升 | % | % |
| 119 | 59。5 | 23。3 | 700 | 0.063 | 0.022 | 69 | 72 |
| 85 | 42。5 | 32。6 | 876 | 0.059 | 0.026 | 81 | 76 |
| 51 | 25。5 | 54。3 | 1190 | 0.055 | 0.026 | 81 | 77 |
这些数据也用来解决 g 和 b0和线性回归, 以确定权力 "g" 和 "B" 使用线性化方程 (4)。对数函数的线性回归 (如图 4所示) 给出了 g = 1.1 和 b = 2.4。虽然权力的趋势 (b 约两倍大的 g) 是相同的观察在弗兰克和 al., 权力本身的差异显著, 和过度饱和ΔC 的依赖性要小得多。这表明, 除ΔC 以外的其他因素可能影响生长和成核率, 如混合不充分, 相对较高的 ph 值 (摩尔饲料 ph 值在 2.2-2.4), 离子杂质引入水 (市政供应)。这些实验性的权力将用于任何规模的计算, 因为除了ΔC, 这些因素可能会出现在试点规模和工业设计。
图4。生长速率 G 作为过饱和ΔC 函数的线性回归
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Applications and Summary
本实验演示了如何进行原料浓度、流量和温度测量, 并利用 MSMPR 理论来估计设计大型复杂的结晶器系统所需的关键参数。探讨了居住时间在获得高晶体产量和控制晶体平均尺寸方面的关键作用。通常有一个最佳的居住时间, 因为非常大的晶体是很少可取的。同样的, 混合混合必须是足够的, 以保持固体晶体从沉淀到底部, 但在同一时间, 搅拌器的速度往往是一个显着的运行成本。
本单元经常遇到的一些问题--由于颗粒团聚造成的部分堵塞, 由于不完美的混合而难以获得均匀过饱和, 以及长时间达到稳态--都是设计良好的工业结晶.这就是为什么在制造商的文献中看到的结晶器设计往往是惊人的复杂。
这一过程类似于其他生物制品的结晶, 如 l-鸟氨酸 l-天门冬氨, 用于治疗慢性肝功能衰竭。5前体 l-鸟氨酸盐酸盐的成本 > $ 300/千克, 难以回收, 因此高结晶率的设计是至关重要的。溶剂的一个例子, 而不是 pH 摆动, 生物结晶是细化唑, 一种合成类固醇用于治疗子宫内膜异位症。13许多药物都是疏水性的, 在水中溶解度很低。通过将原唑产品溶解于乙醇中, 再将其与水混合后再结晶, 即可获得更纯净、更小的粒度晶体产品。蛋白质的结晶是另一个重要的应用, 一个例子是溶菌酶的生产。14
工业结晶可以设计成非常狭窄的晶体尺寸分布通过应用的罚款去除 (例如, 一个 pumparound 的热交换器, 稍微提高温度溶解最小的晶体) 和大小分类 (例如, 一种 "淘洗的腿", 它根据它们的终点速度来分离粒子, 只收集最大的种群)。这些设计概念被开发为无机盐结晶, 但现在进入生物领域。
材料列表
| 名称 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
| 搅拌器, 150 W | Caframo | BDC 3030 | 在反应器 |
| 循环加热器 | Neslab | RTE 110 | 0-100°C, 用于反应堆 |
| 蠕动泵 (2) | 科尔-cole-parmer | Masterflex 升/秒 7550-60, 1.6-100 rpm, 0.1 hp | 对于鼻和 H2, 以便4源 |
| 离心泵 | 科尔-cole-parmer | 7553-00, 6-600 rpm | 用于产品回收 |
| 紫外可见分光光度计 | 海洋光学 | USB 2000 | 可溶鼻腔分析 |
| UV 供电电源 | 海洋光学 | DT1000 CE | 与 USB 2000 一起使用 |
附录 A-使用光谱仪
- 打开 SpectraSuite 软件。对光源上的紫外线和可见光开关进行切换。使用后一定要关灯。将购置模式设置为作用域(工具栏上的蓝色 S 按钮)。
- 在工具栏上, 将集成时间更改为250 毫秒,扫描的平均值为25,车厢宽度到2。检查频闪/灯启用、电暗校正和杂散光校正的复选框。
- 准备深色频谱和参考频谱文件。光谱仪需要生成深色光谱文件和参考频谱文件。
- 将探头浸入装有 DI 水的试管中。
- 要创建深色频谱文件, 请从光源 (白色框) 中拔出探测器。该图应几乎跟踪 x 轴。要保存新创建的深色频谱, 请单击灰色灯泡, 然后选择 "文件 > 存储 > 存储" 深色光谱。
- 要创建参考频谱文件, 请将探头连接插入光源。一些峰值应出现在图中的 SpectraSuite。要保存此参考频谱, 请单击黄色灯泡, 然后选择 "文件 > 存储 > 存储" 参考频谱。
- 如果更改了任何设置 (例如, 集成时间等), 则必须再次生成暗频谱和引用频谱。
- 从作用域切换到吸光度(A) 模式。对于鼻腔溶液, 吸光度应在 ~ 300-330 nm。
只有当鼻腔/水杨酸溶液遵循啤酒-兰伯特定律 (A 在线性区域) 中时, 才可能进行量化. 对于水杨酸离子, 该地区是一个 < 〜 0.9-1。鉴于过去的结果, 这一标准表明, 鼻解决方案必须稀释 (与 DI 水) 到0.05 克/升或更少的量化。然后, 可以通过比较适当稀释的标准溶液的吸光度来量化未知的溶液:
其中 C 是浓度, 吸光度, "u" 一个未知, 和 s 一个标准的鼻腔解决方案. 请注意, "u" 和 "s" 必须在线性范围内显示吸光度。
在光谱学中, 吸光度取决于两个因素: 化学类型和浓度, 以及流体的路径长度。通过稀释来改变浓度。
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References
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