CN101747376B

CN101747376B - 一种应用双极膜电渗析提取抗坏血酸-2-磷酸酯的方法

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Publication number: CN101747376B
Application number: CN2010100341826A
Authority: CN
Inventors: 谭天伟; 宋爽
Original assignee: Beijing University of Chemical Technology
Current assignee: Beijing University of Chemical Technology
Priority date: 2010-01-15
Filing date: 2010-01-15
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2030-01-15
Also published as: CN101747376A

Abstract

本发明公开了一种应用双极膜电渗析技术分离获得高纯AMP的方法，利用5，6-O-异丙基抗坏血酸磷酸酯与Cl^-在电渗析膜组中迁移速度的明显差异有效脱除AMP反应液中的Cl^-，并应用双极膜电渗析对阴阳离子的拆分作用分离AMP反应液中的碱金属阳离子与阴离子以得到酸式脱保护的AMP并回收碱金属碱循环用于AMP合成反应。酸式脱保护AMP与碱土金属氧化物成盐形成稳定的AMP碱土金属盐，同时可沉淀除去溶液中未完全脱除的磷酸根离子。最后通过浓缩、脱色、结晶及干燥可获得高纯度AMP碱土金属盐成品。

Description

一种应用双极膜电渗析提取抗坏血酸-2-磷酸酯的方法

技术领域

本发明涉及一种应用双极膜电渗析技术提取高纯抗坏血酸-2-磷酸酯的新方法，属于药物提取分离领域。

技术背景

抗坏血酸(ascorbic acid)，又名维生素C(Vitamin C，VC)，是一种人体必须的维生素，在食品、医药、饲料、化工等领域有广泛而重要的用途。但由于其具有高度的氧化还原活性，使得应用受到限制。抗坏血酸-2-磷酸酯(ascorbyl monophosphate，AMP)具有不易氧化、耐碱、耐金属离子的特点，是化学性质最稳定的VC衍生物之一。AMP进入人体后可迅速酶解出游离VC，是理想的稳定水溶性VC源，因此已经在食品、医药、化妆品、洗涤剂、饲料等行业作为VC的替代品广泛使用。

目前AMP主要是通过化学方法进行合成，生产方法有直接合成法(JP 43-9218，US 3,671,549，JP 52-18191)及基团保护法(JP43-9219，JP 45-4497，JP 45-30328，JP 48-72163，US 4,179,445，CN 1025858C)两种。直接合成法直接对抗坏血酸的2位羟基进行磷酸化，合成抗坏血酸磷酸酯；基团保护法通过基团保护反应先将抗坏血酸的5，6位羟基保护起来，然后对2位羟基进行磷酸化，所合成产物为5，6-O-异丙基-抗坏血酸磷酸酯。直接合成法转化率低、副产物多，而基团保护法转化率高、副反应少，因此基团保护法在生产上具有明显优势，已取代直接合成法成为目前的主流生产方法。

基团保护法合成的反应液中主要杂阴离子为氯离子及磷酸根离子，主要阳离子为碱金属离子。因此L-抗坏血酸磷酸酯的分离主要需解决以下几个问题：脱除碱金属离子，脱除磷酸根离子，脱除氯离子，以及脱去5，6-O-异丙基保护基团。目前最常见的AMP提纯工艺有以下四种：

工艺一：使用MgCl₂饱和溶液沉淀磷酸根离子后，使用强酸性阳离子交换树脂脱除碱金属阳离子并降低反应液pH以脱去5，6-O-异丙基保护基团，最后通过多次重结晶降低产品中的氯含量并提高产品纯度(CN 1221559C)。该工艺为目前最常见VC磷酸酯后处理工艺。

工艺二：在工艺一基础上进行改进，使用MgCl₂饱和溶液沉淀磷酸根离子后，浓缩溶液并用醇沉淀出碱金属氯化物，降低溶液中无机盐含量。再使用强酸性阳离子交换树脂脱除钾离子并降低反应液pH以脱保护，最后通过重结晶获得纯品(US 4999437)。

工艺三：强酸性阳离子交换树脂脱碱金属离子并脱保护后，使用碱性阴离子交换树脂吸附脱盐后的反应液中的阴离子，并使用碱金属氢氧化物水溶液洗脱，收集含有L-抗坏血酸磷酸酯的洗脱液(CN1159325C)。

工艺四：以钙盐形式沉淀抗坏血酸磷酸酯，从而达到与无机盐分离的目的(US 6121464)。之后使用阳离子交换树脂再生氢型抗坏血酸磷酸酯。

目前分离L-抗坏血酸-2-磷酸酯的几种工艺均存在以下几个问题：

(1)脱氯问题：

高纯度AMP产品对氯含量有严格规定，即≤0.35％。在传统AMP的提取过程中，反应中产生的Cl^-十分难以分离。工艺一完全没有脱去Cl^-；工艺二只能除去部分Cl^-，但消耗大量醇；工艺三使用碱液洗脱仍难以实现AMP与Cl^-的有效分离，部分Cl^-与AMP同时被洗脱下来；工艺四能够脱去大部分Cl^-，但氢型AMP的再生比较困难，而且会降低AMP收率。分离工艺不能有效脱除Cl^-，直接导致产品氯含量超标，后期需要通过重结晶逐步降低产品中的氯含量以达到产品要求，一般至少需要两级以上结晶。重结晶提高产品纯度的效率低下，且使得分离工艺冗长、产品损失严重、有机溶剂用量大、废液产量高。因此十分需要找到一种能够有效脱除Cl^-的分离工艺，以提高生产效率和降低成本。

(2)废水问题

传统工艺都需要使用离子交换树脂脱除反应液中金属阳离子，并达到降低反应液pH脱保护的目的。离子交换树脂的使用和再生都需要消耗大量水、酸并产生大量废水，对环境造成很大危害，且需要投入大量人力物力进行废水的治理。

(3)收率问题

传统分离工艺工艺流程冗长，直接导致产品分离收率难以提高且造成仪器、人力、场地等资源的浪费。

国内已有利用电渗析技术制备其他有机酸的报道，如利用电渗析技术分离制备乳酸(CN 101294169A、CN 101392273A、CN 101234961A)、L-抗坏血酸(CN 86104638)以及利用电渗析技术分离生物质水解液中的糖和酸(CN 1477107A)。在有机酸分离的大量实例中可以发现，普通电渗析处理有机酸盐分离提取有机酸，其过程相对简单，能耗较少，且膜成本较低，但普通电渗析处理不能自行产生H⁺，无法直接获得目标有机酸，无法分离阴阳离子，仍会产生大量的盐废液，造成污染。而三室双极膜电渗析技术可以有效的分离阴阳离子并通过水的电离自动产生H⁺及OH^-，虽然能耗及膜成本稍高，但可直接获得目标有机酸，并有效分离阴阳离子形成酸和碱，有效回收利用，大大减少了盐废液的污染及原料成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用双极膜电渗析技术提取AMP方法，以解决传统分离工艺脱氯不充分、废水产量大、工艺冗长、产品收率低及资源浪费等问题，为L-抗坏血酸磷酸酯的生产提供一种清洁绿色的分离提纯工艺。

本发明采用的技术方案如下：

本发明，一种应用双极膜电渗析技术分离获得高纯AMP的方法，利用5，6-O-异丙基抗坏血酸磷酸酯与Cl^-在电渗析膜组中迁移速度的明显差异有效脱除AMP反应液中的Cl^-，并应用双极膜电渗析对阴阳离子的拆分作用分离AMP反应液中的碱金属阳离子与阴离子以得到酸式脱保护的AMP并回收碱金属碱循环用于AMP合成反应。酸式脱保护AMP与碱土金属氧化物成盐形成稳定的AMP碱土金属盐，同时可沉淀除去溶液中未完全脱除的磷酸根离子。最后通过浓缩、脱色、结晶及干燥可获得高纯度AMP碱土金属盐成品。

本发明具体工艺过程包括：

(1)一级电渗析：本发明所使用的电渗析器的膜池构型为由阳、阴、双极性膜分隔成的酸/盐/碱三室式。制备时，将合成的混合溶液送入盐室，水或质量浓度0.1-2％稀HCl溶液送入酸室，水或质量浓度0.1-2mol/L稀碱金属碱溶液送入碱室，在循环泵作用下物料做循环流动，流速40-100L/h，稳定电压2-10V/单位膜组，控制电流密度不超过100mA/cm²，操作温度10-60℃，并使用5-10M碱金属碱溶液控制盐室pH在7-13之间；

其中，所述的碱金属碱包括氢氧化钾、氢氧化钠等用于AMP合成反应pH控制的碱；

(2)脱保护：使用离子色谱检测Cl^-迁移完成后，用质量浓度1-10％磷酸溶液调节盐室pH至1-3并静置20-40min以脱保护；

(3)二级电渗析AMP：以水替换酸室中酸液，或将盐室溶液引入酸碱室均为水的串联二级电渗析器，在循环泵作用下物料做循环流动，流速40-100L/h，稳定电压2-10V/单位膜组，控制电流密度不超过50mA/cm²，操作温度10-60℃，反应0.5-6h，直至通过高效液相检测到AMP全部迁移至酸室转化为酸式AMP；

(4)与碱土金属碱成盐：分离完成后收集酸室溶液与碱土金属碱成盐并沉淀除去磷酸根离子。碱土金属碱用量为AMP摩尔含量的1-4倍，成盐后抽滤除去沉淀；

其中，所述的碱土金属碱包括MgO、CaO、Ca(OH)₂等；

(5)浓缩、有机溶剂结晶及干燥：100-150℃真空蒸馏浓缩，并加入0.1-1g/ml浓缩液的活性炭进行脱色。滤除活性炭后使用短链醇类析晶，最后冻干或30-60℃烘干得到高纯AMP成品。

其中，所述短链醇类包括甲醇、乙醇、丙醇等。

其中，所用的电渗析器由固定在隔板上的双极膜、阳离子交换膜和阴离子交换膜按设定的膜池构型组成一个单位模组。基本膜池构型为酸/盐/碱三室式，如图1所示。在阳极板与阴极板间的电渗析膜排列顺序为双极膜、阴离子膜、阳离子膜、双极膜，所形成的相应仓室顺序为：阳极室、酸室、盐室、碱室及阴极室。其中，阳极室连接电源阳极，阴极室连接电源阴极，两极室均充入0.5M NaOH溶液。

其中，二级电渗析器可与一级电渗析器为同一电渗析器或与一级电渗析器串联形成两级串联电渗析器。

一个或多个单位模组可组装在一对电极之间，形成并联双极膜电渗析膜堆装置，应用在上述方法中。

电离度不同的离子在电渗析膜组中的迁移速度不同，5，6-O-异丙基-AMP极性较小，在水溶液中电离度小，无法电离出大量自由离子，因此其在电渗析膜组中的迁移速度远远低于Cl^-的迁移速度。利用这一特性可分离Cl^-与5，6-O-异丙基-AMP。

酸室中酸液达到一定浓度时，H⁺会向盐室渗漏回迁，降低盐室pH。酸性环境下，5，6-O-异丙基-AMP会脱去缩酮保护基团成为AMP，AMP可电离出大量自由离子并在电渗析膜组中大量迁移。因此在Cl-完成迁移前需控制盐室pH＞7，在Cl^-完成迁移后调节盐室pH至酸性以脱保护。以水替换酸室中酸液或将盐室溶液引入酸碱室均为水的串联二级电渗析器，继续进行电渗析，完全脱去碱金属阳离子得到酸式AMP。

磷酸根的迁移速度与AMP相近，所以无法在电渗析阶段完全除去磷酸根离子，但由于AMP产品多为AMP的碱土金属盐类，磷酸根可在与碱土金属碱成盐时转化为沉淀分离除去。

双极性膜是一种新型的离子交换复合膜，由阳离子交换层和阴离子交换层复合而成，这一特殊结构赋予双极性膜的新的传质特性。在直流电场作用下，双极性膜可将水离解，在膜的两侧分别得到氢离子和氢氧根离子，并分别与透过阴离子交换膜的阴离子和透过阳离子交换膜的阳离子形成相应的酸和碱。本发明即利用双极性膜的这种阴、阳离子拆分作用，获得酸式AMP并分离回收碱金属碱重复用于AMP的合成反应。

有益效果：本发明利用双极膜电渗析技术分离制备抗坏血酸磷酸酯(AMP)，能够高效脱除AMP反应液中的Cl^-并脱保护，同时回收碱金属氢氧化物循环用于AMP合成过程中的pH调控，在与碱土金属成盐过程中沉淀除去剩余磷酸根离子，最终达到分离AMP的目的。这一分离工艺获得的AMP溶液经浓缩、脱色、结晶及干燥可直接获得AMP成品，纯度90％以上。与传统工艺相比，本发明大大缩短了制备AMP的分离工艺流程，显著提高AMP的分离收率(获得90％以上纯度AMP的收率可达70-80％，而传统工艺获得相同纯度AMP的收率在60％以下)；避免使用离子交换树脂而大幅缩减酸碱盐废水产量；回收利用多种生产原料，降低AMP生产的原料成本。整个电渗析分离系统采用闭式循环，无污染物排放，是一项绿色分离工艺，具有显著的工业应用价值和环境效益。

附图说明

附图1为酸/盐/碱三室电渗析单元膜组

B：双极性电渗析膜；A：阴离子交换膜；C：阳离子交换膜

附图2为重复单元膜组并联电渗析器，由三组单元模组并联组成。

附图3为单元膜组两级串联电渗析器，两级电渗析器均为单组单元膜组。

附图4为重复并联单元膜组两级串联电渗析器，两级电渗析器均由三组单元膜组并联组成。

具体实施方法

下面结合实施例进一步描述本发明。

实施例1：

将合成的混合溶液通入酸/盐/碱三室电渗析器(附图1)的盐室，并以50L/h的速度循环流动。再分别将500ml去离子水通入酸、碱两室，分别以50L/h的速度循环流动。使用5mol/L KOH溶液通过电位滴定仪稳定控制盐室pH＝9。控制电压为10V，最大电流密度为10mA/cm²，操作温度为30℃，反应2h后，离子色谱检测Cl^-残留量为6.2g去除率为83.5％。

向盐室滴加10％H₃PO₄溶液调整pH至1，并静置30min。使用300ml去离子水替换酸室中HCl溶液后，进行二级电渗析。控制电压为10V，最大电流密度为10mA/cm²，操作温度为30℃，反应2h，酸室中AMP含量为24.5g，收率为98.4％，PO₄ ^3-含量20.0g。

收集二级电渗析的1100ml酸室溶液，加入30g MgO成盐，过滤获得35g沉淀，溶液中PO₄ ^3-含量＜1g，去除率＞95％。

130℃真空蒸馏浓缩溶液至300ml，同时加入15g活性炭进行脱色，滤除活性炭后加入1倍体积甲醇进行结晶，获得AMPMg成品20.6g，纯度92％，AMP分离提纯总收率76％。

实施例2：

与实施例1的方法相同，所不同的是选择不同实验条件进行分离。结果如表1-3所示。

表1不同预处理及一级电渗析条件下的Cl-去除率

表2不同脱保护、二级电渗析及成盐条件下的AMP收率

注：*N_AMP：AMP摩尔数的倍数

表3不同浓缩、脱色、结晶及干燥条件所得产品纯度及分离总收率

实施例3：

与实施例1的方法相同，所不同的是电渗析器为组装在一对电极间三组附图1所示的重复单元膜组，形成多个隔室，如附图2所示，其隔室组合为阳极室/酸室/盐室/碱室/酸室/盐室/碱室/酸室/盐室/碱室/阴极室。盐室均灌入反应液(5，6-O-异丙基-AMP：25.2g；Cl^-：47.5g；PO₄ ^3-：20.6g)共590ml。一级电渗析控制电压为18V，最大电流密度为30mA/cm²，反应1.5h，Cl^-残留量为3.1g，去除率为93.4％。二级电渗析条件与一级电渗析一致，反应2h后，酸室溶液AMP含量为24.7g，收率98％。与MgO成盐后溶液中PO₄ ^3-含量＜1g，去除率＞95％。结晶得到AMPMg成品21.8g，纯度93％，AMP分离提纯总收率80.4％

实施例4：

与实施例1方法相同，所不同的是二级电渗析在串联的二级电渗析器中进行，如附图3所示。二级电渗析器与一级电渗析器结构相同。一级电渗析器盐室中注入390ml反应液(5，6-O-异丙基-AMP：27.2g；Cl^-：46.0g；PO₄ ^3-：19.5g)，一级电渗析后Cl^-残留量为3.3g，去除率93％。一级电渗析盐室溶液通入二级电渗析盐室中并进行脱保护后，进行二级电渗析。二级电渗析结束后，酸室溶液AMP含量为25.7g，收率94.5％。与MgO成盐后溶液中PO₄ ^3-含量＜1g，去除率＞95％。结晶得到AMPMg成品22.4g，纯度89％，AMP分离提纯总收率73.3％

实施例5：

与实施例3方法相同，所不同的是所使用的电渗析器与实施例2相同，均为组装在一对电极间三组附图1所示的重复单元膜组，形成多个隔室，如附图4所示。盐室均灌入反应液(5，6-O-异丙基-AMP：26.8g；Cl^-：38.8g；PO₄ ^3-：18.7g)共390ml。一级电渗析控制电压为18V，最大电流密度为30mA/cm²，反应1h，Cl^-残留量为1.6g，去除率为96％。二级电渗析条件与一级电渗析一致，反应2h后，酸室溶液AMP含量为24.6g，收率92％。与MgO成盐后溶液中PO₄ ^3-含量＜1g，去除率＞95％。结晶得到AMPMg成品22.0g，纯度90％，AMP分离提纯总收率74％

Claims

1.一种应用双极膜电渗析提取抗坏血酸-2-磷酸酯的方法，其特征在于，利用5，6-O-异丙基抗坏血酸磷酸酯与Cl^-在电渗析膜组中迁移速度和双极膜电渗析对阴阳离子的拆分作用，其具体工艺过程包括：

(1)一级电渗析：所使用的电渗析器的膜池构型为由阳、阴、双极性膜分隔成的酸/盐/碱三室式；制备时，将合成的混合溶液送入盐室，水或质量浓度0.1-2％稀HCl溶液送入酸室，水或质量浓度0.1-2mol/L稀碱金属碱溶液送入碱室，在循环泵作用下物料做循环流动，流速40-100L/h，稳定电压2-10V/单位膜组，控制电流密度不超过100mA/cm²，操作温度10-60℃，并使用5-10M碱金属碱溶液控制盐室pH在7-13之间；

(3)二级电渗析抗坏血酸-2-磷酸酯：以水替换酸室中酸液，或将盐室溶液引入酸碱室均为水的串联二级电渗析器，在循环泵作用下物料做循环流动，流速40-100L/h，稳定电压2-10V/单位膜组，控制电流密度不超过50mA/cm²，操作温度10-60℃，反应0.5-6h，直至通过高效液相检测到抗坏血酸-2-磷酸酯全部迁移至酸室转化为酸式抗坏血酸-2-磷酸酯；

(4)与碱土金属碱成盐：分离完成后收集酸室溶液与碱土金属碱成盐并沉淀除去磷酸根离子；碱土金属碱用量为抗坏血酸-2-磷酸酯摩尔含量的1-4倍，成盐后抽滤除去沉淀；

(5)浓缩、有机溶剂结晶及干燥：100-150℃真空蒸馏浓缩，并加入0.1-1g/ml浓缩液的活性炭进行脱色；滤除活性炭后使用短链醇类析晶，最后冻干或30-60℃烘干得到高纯抗坏血酸-2-磷酸酯成品。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电渗析器由固定在隔板上的双极膜、阳离子交换膜和阴离子交换膜按设定的膜池构型组成一个单位模组；基本膜池构型为酸/盐/碱三室式，在阳极板与阴极板间的电渗析膜排列顺序为双极膜、阴离子膜、阳离子膜、双极膜，所形成的相应仓室顺序为：阳极室、酸室、盐室、碱室及阴极室；其中，阳极室连接电源阳极，阴极室连接电源阴极，两极室均充入0.5MNaOH溶液。

3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，二级电渗析器与一级电渗析器为同一电渗析器。

4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，二级电渗析器与一级电渗析器串联形成两级串联电渗析器。

5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的碱土金属碱为MgO、CaO、Ca(OH)₂。

6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述短链醇类为甲醇、乙醇、丙醇。