CN103265467A - 一种冷却结晶精制l-脯氨酸的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冷却结晶精制L-脯氨酸的方法。该方法将L-脯氨酸粗品原料加入结晶釜中，加入乙醇溶液为溶剂，溶解L-脯氨酸；自然降温至55～65℃析晶；设置结晶釜温度70～75℃，达设置温度后保持5～10min，降温过程按函数T(t)＝(T₁(t)+T₂(t))/2进行，T(t)为降温时刻t溶液温度，设定降温总时间t₀＝360～400min，初始温度T_i＝70～75℃，终止温度T_f＝5～10℃；常压过滤，真空干燥即可得到针状L-脯氨酸晶体产品。本发明通过L-脯氨酸冷却结晶过程降温曲线的优化，很好地控制了晶核析出与晶体生长，从而使L-脯氨酸产品纯度、晶形与粒度得到显著提高。

Description

一种冷却结晶精制L-脯氨酸的方法

技术领域

本发明涉及一种L-脯氨酸的提纯精制方法，具体地说，是涉及一种冷却结晶精制L-脯氨酸的工艺方法。

背景技术

L-脯氨酸(L-Proline，C₅H₉NO₂)又称吡咯烷酮羧酸，是一种含有亚氨基的环状中性氨基酸，构成蛋白质的20种基本氨基酸之一，属人体非必需氨基酸。其天然品存在于明胶、干酪索、面筋等，在胶原蛋白中的含量较多；作为植物蛋白质的组分之一，可以游离状态广泛存在于植物体中，其含量可以作为植物抗寒性强弱的衡量标准。L-脯氨酸的用途十分广泛，主要为氨基酸类药，是复方氨基酸大输液原料之一，用于营养不良、蛋白质缺乏症、严重肠胃道疾患，烫伤及外科手术后的蛋白质补充，作为药物合成的中间体，广泛地使用在新药的研究开发上。其味甜可作为食品添加剂，与糖共热发生氨基-羰基反应，可生成特殊的香味物质，按我国GB2760-86规定可用作香料。此外，在合成工业上，脯氨酸可参与诱导不对称反应，可作为氢化、聚合、水介等反应的催化剂，它作为此类反应的催化剂时，具有活性强，立体专一性好等特点。

目前，L-脯氨酸主要有三种生产方法即化学合成法、天然蛋白质水解液提取法以及直接发酵法。其中直接发酵法是应用最广泛的L-脯氨酸工业生产方法。直接发酵法中，以葡萄糖和其他生物营养添加物为底料并在微生物发酵菌作用下发酵生产L-脯氨酸，故最终含有L-脯氨酸发酵液中含有大量生物质杂质需要纯化分离除去。

在当前涉及L-脯氨酸提纯精制的专利申请中，公开号为CN102675180A的专利申请提出将发酵液通过阴阳离子交换柱的方法，使得后期的洗脱过程中混浊物大大减少，脯氨酸的吸附能力提高，但是该专利并没有涉及脯氨酸固态纯化精制；发明专利CN1063280A中利用水和低碳醇的混合物将L-脯氨酸晶体析出，发明专利CN101633634A中发酵液首先经过微滤过滤、超滤过滤和反渗透浓缩，得到反渗透透析液，进而按照常规方法将反渗透透析液蒸发浓缩后降温结晶得到粗品L-脯氨酸，但以上三项发明专利研究重点并非在结晶精制，对于L-脯氨酸冷却结晶工艺没有系统性研究。

然而L-脯氨酸是所有氨基酸中溶解度最大的一种氨基酸(154.56g/100ml水，20℃)，并且是惟一可溶解于乙醇的氨基酸，由于脯氨酸的这一特性，使得纯化精制的难度加大。L-脯氨酸的高溶解度使其在冷却结晶过程中极易爆发成核，晶核生长不够成分，致使最终产品粒度较小，晶形的完整均一性不佳，并且伴随结晶产品成片结块黏贴在结晶釜壁上，从而致使最终结晶产品收率不高、质量品质欠佳。

公开号CN101348453A的中国发明专利申请公开了脯氨酸粗品的制备工艺，该工艺发酵液经过酸化过滤、两次阳离子交换和浓缩脱水制得脯氨酸粗品；该L-脯氨酸粗品为深色无定形固体，在颜色、晶形、粒度方面均达不到质量要求，需要利用行之有效的重结晶工艺纯化组成、改善色泽及晶形、提高L-脯氨酸晶体平均粒径以获得符合要求的L-脯氨酸产品。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的缺点，提供一种使L-脯氨酸晶体的晶形、粒度、纯度得到有效改善，提高L-脯氨酸晶体的平均粒径，产品收率达到70～75％的冷却结晶精制L-脯氨酸的方法。

常规的L-脯氨酸冷却结晶采用结晶釜夹套循环冷冻水的方式降温，其降温曲线为自然降温，然而该降温冷却结晶过程有不可避免弊端：前半程降温速率过快引起爆发成核，晶体聚结在搅拌桨叶片上且成片结块粘贴结晶釜壁，导致釜内均匀流动性被严重削弱；后半程降温速率过低，不能为爆发成核的小晶体生长提供足够的过饱和度，故而自然降温冷却结晶得到的产品干燥后结块、晶形不规整、粒径小(FBRM测得平均粒径42μm)。本发明提供一种行之有效的冷却结晶控温优化方案和有效控温养晶的结晶工艺方法。

L-脯氨酸粗品原料为L-脯氨酸粗品；是由L-脯氨酸和色素其它氨基酸的混合物，其中L-脯氨酸的质量含量＞98％、色素的质量含量小于0.5％。可由公开号CN101348453A的中国发明专利申请制备。

本发明目的通过如下技术方案实现：

一种冷却结晶精制L-脯氨酸的方法，包括如下步骤：

(1)配料与溶解：将L-脯氨酸粗品原料加入结晶釜中，加入乙醇溶液为溶剂，每克L-脯氨酸原料加入乙醇溶液1.7～2.2毫升，在结晶釜温度为78～80℃，搅拌转速为250～300r/min条件下溶解L-脯氨酸；

(2)自然降温析晶：调节搅拌转速至170～190r/min，自然降温至55～65℃之后维持5～10min析晶；

(3)回温促溶：维持搅拌转速170～190r/min，设置结晶釜温度70～75℃，温度回升过程小颗粒不断溶解，大颗粒作为内生晶种，达设置温度后保持5～10min；

(4)混合曲线控制降温：降温过程按函数T(t)＝(T₁(t)+T₂(t))/2进行，T(t)为降温时刻t溶液温度，t＝0～t₀，单位为分钟；设定降温总时间t₀＝360～400min，初始温度T_i＝70～75℃，终止温度T_f＝5～10℃；其中，由初始温度T_i沿光滑曲线降温至终止温度T_f的控制降温曲线T₁(t)＝T_i-(t/t₀)³×(T_i-T_f)；由初始温度T_i沿直线降温至终止温度T_f的线性降温线T₂(t)＝T_i-(t/t₀)×(T_i-T_f)；

(5)过滤干燥：将经步骤(4)得到的L-脯氨酸晶体常压过滤，真空干燥即可得到针状L-脯氨酸晶体产品。

进一步地，所述的乙醇溶液中乙醇的体积百分比优选为90～96％。所述调节搅拌转速优选至180r/min。所述的降温总时间t₀＝360min。步骤(2)自然降温至60℃之后维持5～8min析晶。步骤(5)真空干燥的温度优选为35℃。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

(1)本发明中改变常规结晶工艺中自然降温方式，采用先降温后升温然后再降温的复合降温结晶步骤，一种冷却结晶精制L-脯氨酸的方法技术方案步骤(2)、(3)中先降温后升温步骤在结晶釜中引入内生晶种，晶种的内生引入为后期降温过程有效避免爆发成核、晶体聚结现象起到关键作用，确保了结晶产品质量的稳定性。

(2)本发明中所述的最终降温方式采取混合曲线降温形式，即按照函数T(t)＝(T₁(t)+T₂(t))/2进行，该降温曲线是利用直线降温曲线T₂(t)对控制降温曲线(CCP)T₁(t)进行加和取平均修正，修正后前半程降温速率较为缓慢促进晶体生长压制爆发成核，后半程降温速率加快以满足晶体不断生长及生成对过饱和度的需求，从而确保获得白色松散且晶形规整、粒径分布符合要求结晶产品。

具体实施方式

为更好理解本发明，下而结合实施例对本发明作进一步介绍，但需要说明的是，本发明所要求的保护的范围并不局限于实施例所表述的范围。

本发明产品的透光率是利用紫外可见分光光度计在固定波长下测定，含量是利用高效液相色谱在固定波长下测定，平均粒径由聚焦光束反射测量仪FBRM测得。

以下实施例及对比例中所用L-脯氨酸粗品原料工艺制备方法见公开号CN101348453A的中国发明专利，该原料粗品是由L-脯氨酸和色素其它氨基酸的混合物，其中L-脯氨酸的质量含量＞98％、色素的质量含量小于0.5％，该L-脯氨酸粗品为深色无定形固体，在颜色、晶形、粒度方面均达不到质量要求。

实施例1

称取L-脯氨酸粗品原料210g，量取462ml体积分数91％的乙醇一并投入结晶釜中，设置转速300r/min，循环水浴温度80℃，高温溶解至L-脯氨酸完全溶解后，设置转速180r/min，循环水浴温度78℃，并稳定搅拌30min，然后自然降温至60℃并稳定5min，此养晶过程中晶体颗粒逐渐增多至观察不到搅拌桨位置，转而升温至75℃稳定5min后实施混合曲线降温。

混合曲线控制降温步骤：按降温过程按函数T(t)＝(T₁(t)+T₂(t))/2进行；T(t)为降温时刻t时的溶液温度，t＝0～t₀，单位为分钟；设定初始温度T_i＝75℃，终止温度T_f＝5℃；设定降温总时间t₀＝400min，设定由初始温度T_i沿光滑曲线降温至终止温度T_f的控制降温曲线T₁(t)＝T_i-(t/t₀)³×(T_i-T_f)，设定由初始温度T_i沿直线降温至终止温度T_f的线性降温线T₂(t)＝T_i-(t/t₀)×(T_i-T_f)；分别计算出t＝0、5、10、15、20......395、400min时T₁与T₂之值，取平均值可得对应降温时刻t溶液设置温度T(t)，如此每隔5min设置相应下一时刻循环水浴温度，前期自然降温，后期采用间断性制冷方式降温以追踪混合曲线降温设置要求温度。

本实施例中，达到t＝t₀＝400min对应的终止温度T_f＝5℃时结束结晶实验。结晶产品浆液经常压过滤，35℃真空干燥24h即可得到晶形良好的针状L-脯氨酸晶体产品。经检测，最终降温阶段并没有出现晶体聚结连片黏贴釜壁现象，故爆发成核得到有效压制。本实施例产品较为松散，白色针状晶形完整，透光率为98.5％，纯度为99.0％，60目标准检验筛透过率3.2％，平均粒度为100.02μm，收集产品152.25g，收率为72.50％。

实施例2

称取L-脯氨酸粗品原料210g，量取462ml体积分数96％的乙醇一并投入结晶釜中，设置转速250r/min，循环水浴温度80℃，高温溶解至L-脯氨酸完全溶解后，设置转速190r/min，循环水浴温度78℃，并稳定搅拌30min，然后自然降温至65℃并稳定5min。此养晶过程晶体颗粒密度不断增加使得搅拌桨观察视线变得模糊，转而升温至75℃稳定10min后实施混合曲线降温。

混合曲线控制降温步骤：按降温过程按函数T(t)＝(T₁(t)+T₂(t))/2进行；T(t)为降温时刻t时的溶液温度，t＝0～t₀，单位为分钟；设定初始温度T_i＝75℃，终止温度T_f＝5℃；设定降温总时间t₀＝360min，设定由初始温度Ti沿光滑曲线降温至终止温度T_f的控制降温曲线T₁(t)＝T_i-(t/t₀)³×(T_i-T_f)；设定由初始温度T_i沿直线降温至终止温度T_f的线性降温线T₂(t)＝T_i-(t/t₀)×(T_i-T_f)；分别计算出t＝0、5、10、15、20......355、360min时T₁与T₂之值，取平均值可得对应降温时刻t溶液设置温度T(t)，如此每隔5min设置下一时刻相应循环水浴温度，前期自然降温，后期采用间断性制冷方式降温以追踪混合曲线降温设置要求温度。

本实施例中，达到t＝t₀＝360min对应的T_f＝5℃时结束结晶实验。结晶产品浆液经常压过滤，35℃真空干燥24h即可得到晶形良好的针状L-脯氨酸晶体产品。经检测，最终降温阶段并没有出现晶体聚结连片黏贴釜壁现象，故爆发成核得到有效压制。本实施例产品较为松散，白色针状晶形完整，透光率为98.2％，纯度为98.5％，60目标准检验筛透过率8.4％，平均粒度为65.96μm，收集产品147.88g，收率70.42％，符合质量要求。

实施例3

称取L-脯氨酸粗品原料210g，量取462ml体积分数91％的乙醇一并投入结晶釜中，设置转速300r/min，循环水浴温度80℃，高温溶解至L-脯氨酸完全溶解后，设置转速180r/min，循环水浴温度78℃，稳定搅拌30min，然后自然降温至60℃并稳定5min，此养晶过程中晶体颗粒逐渐增多至观察不到搅拌桨位置，转而升温至75℃稳定10min后实施混合曲线降温。

混合曲线控制降温步骤：按降温过程按函数T(t)＝(T₁(t)+T₂(t))/2进行；T(t)为降温时刻t时的溶液温度，t＝0～t₀，单位为分钟；设定初始温度T_i＝75℃，终止温度T_f＝10℃；设定降温总时间t₀＝360min，设定由初始温度T_i沿光滑曲线降温至终止温度T_f的控制降温曲线T₁(t)＝T_i-(t/t₀)³×(T_i-T_f)；设定由初始温度T_i沿直线降温至终止温度T_f的线性降温线T₂(t)＝T_i-(t/t₀)×(T_i-T_f)；分别计算出t＝0、5、10、15、20......355、360min时T₁与T₂之值，取平均值可得对应降温时刻t溶液设置温度T(t)，如此每隔5min设置下一时刻相应循环水浴温度，前期自然降温，后期采用间断性制冷方式降温以追踪混合曲线降温设置要求温度。

本实施例中达到t＝t₀＝360min对应的T_f＝10℃时结束结晶实验。结晶产品浆液经常压过滤，35℃真空干燥24h即可得到晶形良好的针状L-脯氨酸晶体产品。经检测，最终降温阶段并没有出现晶体聚结连片黏贴釜壁现象，故爆发成核得到有效压制。本实施例产品较为松散，白色针状晶形完整，透光率为98.5％，纯度为98.8％，60目标准检验筛透过率5.6％，产品平均粒度为83.43μm，收集产品150.15g，收率71.50％，符合质量要求。

实施例4

称取L-脯氨酸粗品原料210g，量取462ml体积分数96％的乙醇一并投入结晶釜中，设置转速250r/min，循环水浴温度80℃，高温溶解至L-脯氨酸完全溶解后，设置转速170r/min，循环水浴温度78℃，并稳定搅拌30min，然后自然降温至55℃(此过程已经有大量晶体颗粒产生)，稳定10min后的晶体群已经足够多以至于看不见搅拌桨位置，然后升温至70℃稳定5min后实施混合曲线降温。

混合曲线控制降温步骤：按降温过程按函数T(t)＝(T₁(t)+T₂(t))/2进行；T(t)为降温时刻t时的溶液温度，t＝0～t₀，单位为分钟；设定初始温度T_i＝75℃，终止温度T_f＝5℃；设定降温总时间t₀＝360min，设定由初始温度T_i沿光滑曲线降温至终止温度T_f的控制降温曲线T₁(t)＝T_i-(t/t₀)³×(T_i-T_f)；设定由初始温度T_i沿直线降温至终止温度T_f的线性降温线T₂(t)＝T_i-(t/t₀)×(T_i-T_f)；分别计算出t＝0、5、10、15、20......355、360min时T₁与T₂之值，取平均值可得对应降温时刻t溶液设置温度T(t)，如示每隔5min设置下一时刻相应循环水浴温度，前期自然降温，后期采用间断性制冷方式降温以追踪混合曲线降温设置要求温度。

本实施例中达到t＝t₀＝360min对应的T_f＝10℃时结束结晶实验。结晶产品浆液经常压过滤，35℃真空干燥24h即可得到晶形良好的针状L-脯氨酸晶体产品。经检测，最终降温阶段并没有出现晶体聚结连片黏贴釜壁现象，故爆发成核得到有效压制。本实施例产品较为松散，白色针状晶形完整，透光率为98.0％，纯度为98.5％，60目标准检验筛透过率6.2％，产品平均粒度为71.83μm，收集产品156.43g，收率74.49％，符合质量要求。

对比例1

称取L-脯氨酸粗品原料210g，量取462ml体积分数91％的乙醇一并投入结晶釜中，设置转速300r/min，循环水浴温度80℃，高温溶解至L-脯氨酸完全溶解后，设置转速180r/min，循环水浴温度75℃，并稳定搅拌30min，然后自然降温380min至18℃，制冷降温25min达到5℃后结束结晶实验。

对比例所得产品与实施例1-4的比较如表1所示。由表1可知，本发明所采用的复合降温方式能够显著提高结晶产品平均粒径，60目标准筛透过率均小于10％，结晶产品晶形良好且松散不结块，透光率及纯度指标均优于原工厂工艺。

表1

Claims (6)

1.一种冷却结晶精制L-脯氨酸的方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)配料与溶解：将L-脯氨酸粗品原料加入结晶釜中，加入乙醇溶液为溶剂，每克L-脯氨酸原料加入乙醇溶液1.7～2.2毫升，在结晶釜温度为78～80℃，搅拌转速为250～300r/min条件下溶解L-脯氨酸；

(2)自然降温析晶：调节搅拌转速至170～190r/min，自然降温至55～65℃之后维持5～10min析晶；

(3)回温促溶：维持搅拌转速170～190r/min，设置结晶釜温度70～75℃，温度回升过程小颗粒不断溶解，大颗粒作为内生晶种，达设置温度后保持5～10min；

(4)混合曲线控制降温：降温过程按函数T(t)＝(T₁(t)+T₂(t))/2进行，T(t)为降温时刻t溶液温度，t＝0～t₀，单位为分钟；设定降温总时间t₀＝360～400min，初始温度T_i＝70～75℃，终止温度T_f＝5～10℃；其中，由初始温度T_i沿光滑曲线降温至终止温度T_f的控制降温曲线T₁(t)＝T_i-(t/t₀)³×(T_i-T_f)；由初始温度T_i沿直线降温至终止温度T_f的线性降温线T₂(t)＝T_i-(t/t₀)×(T_i-T_f)；

(5)过滤干燥：将经步骤(4)得到的L-脯氨酸晶体常压过滤，真空干燥即可得到针状L-脯氨酸晶体产品。

2.根据权利要求1所述的冷却结晶精制L-脯氨酸的方法，其特征在于：所述的乙醇溶液中乙醇的体积百分比为90～96％。

3.根据权利要求1所述的冷却结晶精制L-脯氨酸的方法，其特征在于：所述调节搅拌转速至180r/min。

4.根据权利要求1所述的冷却结晶精制L-脯氨酸的方法，其特征在于：所述的降温总时间t₀＝360min。

5.根据权利要求1所述的冷却结晶精制L-脯氨酸的方法，其特征在于：步骤(2)自然降温至60℃之后维持5～8min析晶。

6.根据权利要求1所述的冷却结晶精制L-脯氨酸的方法，其特征在于：步骤(5)真空干燥的温度为35℃。