CN106380433B - 一种n‑乙酰‑d,l‑甲硫氨酸的分离纯化方法 - Google Patents

一种n‑乙酰‑d,l‑甲硫氨酸的分离纯化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种N‑乙酰‑D,L‑甲硫氨酸的分离纯化方法，包括如下步骤：1）使用乙酰化试剂与甲硫氨酸盐乙酰化反应后，用酸化试剂调节反应液pH值为3～5，保持反应液温度为50℃‑75℃，然后将反应液进行脱色处理；2）以水作为洗脱剂，将经过脱色处理的反应液通过连续色谱分离系统进行连续色谱分离分别得到N‑乙酰‑D,L‑甲硫氨酸水溶液和含有醋酸钠的盐水溶液。该方法能够高纯度分离N‑乙酰‑D,L‑甲硫氨酸，完全有效的将N‑乙酰‑D,L‑甲硫氨酸与有机无机盐分离，避免了传统生产工艺有毒有害的有机溶剂的使用，能耗低，生产效率高，操作简单，提高了产品收率和纯度，并且绿色环保。

Description

一种N-乙酰-D,L-甲硫氨酸的分离纯化方法
技术领域
本发明属于化工领域，具体涉及一种N-乙酰-D,L-甲硫氨酸的分离纯化方法。
背景技术
甲硫氨酸是动物的必需氨基酸，尽管瘤胃微生物具有利用硫、氨和碳水化合物合成甲硫氨酸的能力，然而，大量的研究结果发现，瘤胃微生物提供的甲硫氨酸相对较少，瘤胃微生物蛋白的第一限制性氨基酸是甲硫氨酸。甲硫氨酸是生长期反刍动物、泌乳期奶牛和产毛绵羊等动物蛋白质合成的重要限制性氨基酸之一。
N-乙酰-DL-甲硫氨酸作为甲硫氨酸的化学衍生物之一，关于它的研究除了在人类、猴子、鸡和大鼠的营养方面研究较多，杨开伦等最近研究发现添喂N-乙酰-DL-甲硫氨酸可显著提高绵羊对纤维素和半纤维素的消化量，其中提高绵羊对纤维素的消化率22.4％左右，对半纤维素的消化率12.4％左右，添喂N-乙酰-DL-甲硫氨酸还可提高钙的保留率16.8％,钙的保留量24.7％。因此，N-乙酰-DL-甲硫氨酸可以作为饲料添加剂，作为商品出售。
N-乙酰-DL-甲硫氨酸除了作为饲料添加以外，N-乙酰-D,L-甲硫氨酸是制备L-甲硫氨酸的中间产物，目前常用的手段是将N-乙酰-D,L-甲硫氨酸进行酶拆分或酶裂解，然后结晶得到L-甲硫氨酸晶体，如US6114163和US6524837的美国专利中，分别是采用酶拆分D,L-乙酰基-甲硫氨酸、酶裂解D,L-甲基硫乙基乙内酰脲的方法制备L-甲硫氨酸。
目前，N-乙酰-D,L-甲硫氨酸主要有以下几种制备方法：(1)D,L-甲硫氨酸与氢氧化钠中和，生成D,L-甲硫氨酸钠，再与醋酐反应生成N-乙酰-D,L-甲硫氨酸钠，加酸中和、冷却结晶，得到N-乙酰-D,L-甲硫氨酸晶体(美国专利US6114163)；(2)以醋酸为溶剂，D,L-甲硫氨酸直接与醋酐反应，生成N-乙酰-D,L-甲硫氨酸，将醋酸蒸干，然后加入水，再将水和醋酸蒸除，结晶，得到N-乙酰-D,L-甲硫氨酸晶体(专利CN102051401A)；(3)以水作为溶剂，D,L-甲硫氨酸直接与醋酐反应，生成N-乙酰-D,L-甲硫氨酸，将水和醋酸蒸除，将得到N-乙酰-D,L-甲硫氨酸粗品经过阳离子交换树脂吸附未反应的D,L-甲硫氨酸，纯化得到N-乙酰-D,L-甲硫氨酸晶体(专利CN1504577A)；(4)以甲硫氨酸皂化液为原料，与醋酐反应生成N-乙酰-D,L-甲硫氨酸钠，加酸中和、浓缩至几乎无水，然后加入甲醇等有机溶剂洗盐，蒸除有机溶剂，得到N-乙酰-D,L-甲硫氨酸固体(专利CN103408474B)。但是，在这些传统合成N-乙酰-D,L-甲硫氨酸的方法中，多会产生大量的酸性母液，而且酸性母液往往由于成分复杂，回收成本高而直接排放或者简单的处理后排放，这样会造成严重的环境污染同时，这该酸性液中还存在一定量的N-乙酰-D,L-甲硫氨酸；如果直接排放掉，不仅仅浪费了资源提高了生产成本，而且影响了环境；另外，传统合成N-乙酰-D,L-甲硫氨酸的方法，其结晶收率不高，而N-乙酰-D,L-甲硫氨酸的收率直接决定L-甲硫氨酸的收率。
专利CN103408474B公开了一种利用有机溶剂如甲醇提纯N-乙酰-D,L-甲硫氨酸的方法，但是该方法需要使用有毒的有机溶剂，这会导致溶剂的损失和溶剂的精馏能耗高，这都会导致N-乙酰-D,L-甲硫氨酸分离纯化成本高，以及产品N-乙酰-D,L-甲硫氨酸残留少量的有机溶剂可能使拆分时氨基转化酶失活。
由于N-乙酰-D,L-甲硫氨酸能够溶于水中，并且随着温度的升高，N-乙酰-D,L-甲硫氨酸在水中的溶解度也增加(如表1所示)。因此，传统的生产工艺中，N-乙酰-D,L-甲硫氨酸不仅仅收率低，而且含量比较低，其原因是当酸化后降温结晶N-乙酰-D,L-甲硫氨酸时，溶液中副产大量的醋酸钠和氯化钠也会随着N-乙酰-D,L-甲硫氨酸的析出而析出(如表2和表3所示)，要得到高纯度的N-乙酰-D,L-甲硫氨酸，就得采用先浓缩至无水状态，然后加有机溶剂如甲醇等洗盐，回收甲醇，得到N-乙酰-D,L-甲硫氨酸固体，但这种工艺虽然可以高收率得到高纯度的N-乙酰-D,L-甲硫氨酸，但是有机溶剂的回收及其纯化会带来有机溶剂的损失，增加N-乙酰-D,L-甲硫氨酸的生产成本。
表1 N-乙酰-D,L-甲硫氨酸在水中不同温度下的溶解度(g/100g水)
温度(℃) 20 30 40 50 60 65 70 75
溶解度(g) 9.12 15.65 30.70 41.40 50.21 55.43 58.76 64.55
表2醋酸钠在水中不同温度下的溶解度(g/100g水)
温度(℃) 21.5 26 30 34.5 40.5 49.5 50.5
溶解度(g) 20.01 32.62 35.04 38.07 42.1 47.13 66.34
表3氯化钠在水中不同温度下的溶解度(g/100g水)
温度(℃) 10 20 30 40 50 60 70 80
溶解度(g) 35.8 36.0 36.3 36.6 37.0 37.3 37.8 38.4
因此，寻找高效高纯度的N-乙酰-D,L-甲硫氨酸的分离纯化方法至关重要。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种N-乙酰-D,L-甲硫氨酸的分离纯化方法，该方法可以克服传统N-乙酰-D,L-甲硫氨酸生产方法结晶收率低，能源浪费的难题，并且可避免使用有毒的有机溶剂。该方法操作简单、成本低、原材料利用率高，可高效、高纯度得到N-乙酰-D,L-甲硫氨酸晶体或者水溶液，并且对环境友好。
为达到上述目的，本发明提供了如下的技术方案：
一种N-乙酰-D,L-甲硫氨酸的分离纯化方法，包括如下步骤：
1)使用乙酰化试剂与甲硫氨酸盐乙酰化反应后，用酸化试剂调节反应液pH值为3～5，保持反应液温度为50℃-75℃，然后将反应液进行脱色处理；
2)以水作为洗脱剂，将经过脱色处理的反应液通过连续色谱分离系统进行连续色谱分离分别得到N-乙酰-D,L-甲硫氨酸水溶液和含有醋酸钠的盐水溶液。
优选的，步骤2)所述连续色谱分离系统为填充有钠型、钾型、铵型或钙型强酸性色谱树脂中的一种或几种的连续色谱分离系统。
优选的，步骤2)所述连续色谱分离条件为：分离温度为30℃-75℃，色谱填料的pH值为3～5。
进一步优选，步骤2)所述连续色谱分离条件为：分离温度为50℃-75℃，色谱填料的pH值为4～5。
优选的，所述连续色谱进料流速10-30ml/min，进洗脱液流速20-70ml/min，出料流速14-20ml/min，洗脱液流出流速18-28ml/min。
优选的，所述甲硫氨酸盐为甲硫氨酸钠、甲硫氨酸钾中的一种或几种，或者为甲硫氨酸钠、甲硫氨酸钾的一种或几种与碳酸钠、碳酸钾、甲酸钠、甲酸钾水溶液的一种或几种的混合物；所述乙酰化试剂为醋酸酐、乙酰氯、冰醋酸一种或几种；所述酸化试剂为盐酸、硫酸、磷酸、醋酸中的一种或者几种。
优选的，所述脱色处理使用活性炭脱色，所述活性炭与反应液的质量比为0.05～0.1％。
优选的，所述方法还包括步骤3)：将N-乙酰-D,L-甲硫氨酸水溶液进一步浓缩得到N-乙酰-D,L-甲硫氨酸。
优选的，所述步骤3)为将N-乙酰-D,L-甲硫氨酸水溶液蒸发浓缩、冷却结晶、干燥得N-乙酰-D,L-甲硫氨酸。
优选的，还包括将含有醋酸钠的盐水溶液蒸发结晶得到醋酸钠的步骤。
本发明的有益效果在于：1)本发明的方法减少了N-乙酰-D,L-甲硫氨酸的损失，N-乙酰-D,L-甲硫氨酸的收率能够达到98％～99％，几乎没有损失，N-乙酰-D,L-甲硫氨酸含盐低，纯度高达99％；2)本发明的方法操作简单、成本低、原材料利用率高，可高效、高纯度得到N-乙酰-D,L甲硫氨酸晶体；3)本发明的方法避免了大量酸液的产生和排放，对环境友好；4)工业色谱分离技术替代了有机溶剂洗盐及其直接浓缩结晶的传统生产工艺，以水作为助推剂，避免了有机溶剂的使用、有机溶剂回收再精馏，发挥了清洁生产的功效。同时工业色谱的高效分离，能够去除少量未反应的甲硫氨酸原料，产品的纯度比有机溶剂洗盐及其直接浓缩结晶的传统生产工艺的纯度明显提高。
具体实施方式
下面对本发明的优选实施例进行详细的描述。实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。
本实施例中所述皂化液由以下组分组成：质量百分数为17％±4％的D,L-甲硫氨酸钠或者D,L-甲硫氨酸钾，质量百分数为11％±4％的碳酸钠或者碳酸钾，含有质量百分数0.1％-1.0％的甲酸钠或者甲酸钾，及余量的水介质。由以下方法制备：将所述5-(2-甲硫乙基)-乙内酰脲，加入氢氧化钠、氢氧化钾或者碳酸钾后，对水解反应系统加热至185℃至充分水解即得到皂化液，得到的皂化液经过汽提氨，可直接用于下面实施例中生产N-乙酰-D,L-甲硫氨酸。
实施例1
取上述提及的皂化液200克，分析皂化液的组成：D,L-甲硫氨酸钠的质量百分数为15％，碳酸钠质量百分数为10％，含有0.5％的甲酸钠，余量为水。向皂化液中缓慢滴加27克醋酐，进行乙酰化反应，控制反应温度在45℃，在反应过程中主要控制滴加速度以避免产生过多的气泡，当滴加醋酐的体积降至1/2时，会产生大量的二氧化碳气泡；反应时间为5小时，生成N-乙酰-D,L-甲硫氨酸钠、醋酸钠的水溶液。
反应进程用薄层色谱层析法进行观察，展开剂体积比为：正丁醇：水：乙酸＝4:1:1，显色剂用茚三酮显色法，层析板用二氧化硅层析板。监测皂化液中D,L-甲硫氨酸钠的乙酰化率为99.2％。然后加入浓盐酸酸化pH至4.5，保温70℃，得到含N-乙酰-D,L-甲硫氨酸、醋酸钠的氯化钠水溶液，为均一体系；加入活性炭脱色，以质量分数计，活性炭的用量为物料0.1％，过滤活性炭，得到400ml的料液，保温在70℃，用100ml的填料为钠型色谱树脂的色谱柱分离，用水量600ml，色谱柱温70℃，分别得到N-乙酰-D,L-甲硫氨酸清液和醋酸钠-氯化钠清液，N-乙酰-D,L-甲硫氨酸的回收率达到99％(N-乙酰-D,L-甲硫氨酸折百为33.5克)，脱盐率达到98％以上。
色谱分离时保持：进料流速12-18ml/min，进洗脱液流速20-30ml/min，出料流速14-20ml/min，洗脱液流出流速18-28ml/min。
将N-乙酰-D,L-甲硫氨酸清液进行浓缩至浓度为60％，然后冷却至5℃左右结晶，抽滤、烘干，得到N-乙酰-D,L-甲硫氨酸产品，纯度为99.5％；结晶母液用碱调节pH＝7，然后加入氨基转化酶，在37℃-40℃条件下进行拆分制备L-甲硫氨酸产品。
实施例2
取上述提及的皂化液200克，分析皂化液的组成：D,L-甲硫氨酸钾的质量百分数为16.3％，碳酸钾质量百分数为11％，含有0.8％的甲酸钾，余量为水。向皂化液中缓慢滴加27克醋酐，进行乙酰化反应，控制反应温度在45℃，在反应过程中主要控制滴加速度以避免产生过多的气泡，当滴加醋酐的体积降至1/2时，会产生大量的二氧化碳气泡；反应时间为5小时，生成N-乙酰-D,L-甲硫氨酸钾、醋酸钾的水溶液。
反应进程用薄层色谱层析法进行观察，展开剂体积比为：正丁醇：水：乙酸＝4:1:1，显色剂用茚三酮显色法，层析板用二氧化硅层析板。监测皂化液中D,L-甲硫氨酸钾的乙酰化率为99.5％。然后加入浓盐酸酸化pH至4.5，保温70℃，得到含N-乙酰-D,L-甲硫氨酸、醋酸钾的氯化钾水溶液，为均一体系；加入活性炭脱色，以质量分数计，活性炭的用量为物料0.05％，过滤活性炭，得到400ml的料液，保温在70℃，用100ml的填料为钠型色谱树脂的色谱柱分离，用水量800ml，色谱柱温70℃，分别得到N-乙酰-D,L-甲硫氨酸清液和醋酸钾-氯化钾清液，N-乙酰-D,L-甲硫氨酸的回收率达到99％(N-乙酰-D,L-甲硫氨酸折百为33.5克)，脱盐率达到98％以上。
色谱分离时保持：进料流速12-18ml/min，进洗脱液流速20-30ml/min，出料流速14-20ml/min，洗脱液流出流速18-28ml/min。
将N-乙酰-D,L-甲硫氨酸清液进行浓缩至浓度为60％，然后冷却至5℃左右结晶，抽滤、烘干，得到N-乙酰-D,L-甲硫氨酸产品，纯度为99.5％；结晶母液用碱调节pH＝7，然后加入氨基转化酶，在37℃-40℃条件下进行拆分制备L-甲硫氨酸产品。
实施例3
取上述提及的皂化液200克，分析皂化液的组成：D,L-甲硫氨酸钠的质量百分数为15％，碳酸钠质量百分数为10％，含有0.4％的甲酸钠，余量为水。向皂化液中缓慢滴加27克醋酐，进行乙酰化反应，控制反应温度在45℃，在反应过程中主要控制滴加速度以避免产生过多的气泡，当滴加醋酐的体积降至1/2时，会产生大量的二氧化碳气泡；反应时间为5小时，生成N-乙酰-D,L-甲硫氨酸钠、醋酸钠的水溶液。
反应进程用薄层色谱层析法进行观察，展开剂为正丁醇：水：乙酸＝4:1:1，显色剂用茚三酮显色法，层析板用二氧化硅层析板。监测皂化液中D,L-甲硫氨酸钠的乙酰化率为99.2％。然后加入浓盐酸酸化pH至4.5，保温70℃，得到含N-乙酰-D,L-甲硫氨酸、醋酸钠的氯化钠水溶液，为均一体系；加入活性炭脱色，活性炭的用量为物料0.1％，过滤活性炭，得到400ml的料液，保温在70℃，用100ml的填料为钾型色谱树脂的色谱柱分离，用水量600ml，色谱柱温70℃，分别得到N-乙酰-D,L-甲硫氨酸清液和醋酸钠-氯化钠清液，N-乙酰-D,L-甲硫氨酸的回收率达到99％(N-乙酰-D,L-甲硫氨酸折百为33.5克)，脱盐率达到98％以上。
色谱分离时保持：进料流速18-30ml/min，进洗脱液流速30-70ml/min，出料流速14-20ml/min，洗脱液流出流速18-28ml/min。
将N-乙酰-D,L-甲硫氨酸清液进行浓缩至浓度为30％左右，用碱调节pH＝7，然后加入氨基转化酶，在37℃-40℃条件下进行拆分制备L-甲硫氨酸产品。
实施例4
取上述提及的皂化液200克，分析皂化液的组成：D,L-甲硫氨酸钠的质量百分数为15％，碳酸钠质量百分数为10％，含有0.6％的甲酸钠，余量为水。向皂化液中缓慢滴加27克醋酐，进行乙酰化反应，控制反应温度在45℃，在反应过程中主要控制滴加速度以避免产生过多的气泡，当滴加醋酐的体积降至1/2时，会产生大量的二氧化碳气泡；反应时间为5小时，生成N-乙酰-D,L-甲硫氨酸钠、醋酸钠的水溶液。
反应进程用薄层色谱层析法进行观察，展开剂为正丁醇：水：乙酸＝4:1:1，显色剂用茚三酮显色法，层析板用二氧化硅层析板。监测皂化液中D,L-甲硫氨酸钠的乙酰化率为99.2％。然后加入浓盐酸酸化pH至4.5，保温70℃，得到含N-乙酰-D,L-甲硫氨酸、醋酸钠的氯化钠水溶液，为均一体系；加入活性炭脱色，活性炭的用量为物料0.1％，过滤活性炭，得到400ml的料液，保温在70℃，用100ml的填料为钾型色谱树脂的色谱柱分离，用水量600ml，色谱柱温70℃，分别得到N-乙酰-D,L-甲硫氨酸清液和醋酸钠-氯化钠清液，N-乙酰-D,L-甲硫氨酸的回收率达到99％(N-乙酰-D,L-甲硫氨酸折百为33.5克)，脱盐率达到98％以上。
色谱分离时保持：进料流速18-30ml/min，进洗脱液流速30-70ml/min，出料流速14-20ml/min，洗脱液流出流速18-28ml/min。
将N-乙酰-D,L-甲硫氨酸清液进行浓缩至浓度为60％，然后冷却至5℃左右结晶，抽滤、烘干，得到N-乙酰-D,L-甲硫氨酸产品，纯度为99.5％；结晶母液循环至下一批次N-乙酰-D,L-甲硫氨酸清液的浓缩步骤。
需要说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，事实上，当所述连续色谱分离系统为填充有钠型、钾型、铵型或钙型强酸性色谱树脂中的一种或几种的连续色谱分离系统；连续色谱分离条件为：分离温度为30℃-75℃，色谱填料的pH值为3～5；所述甲硫氨酸盐为甲硫氨酸钠、甲硫氨酸钾中的一种或几种，或者为甲硫氨酸钠、甲硫氨酸钾的一种或几种与碳酸钠、碳酸钾、甲酸钠、甲酸钾水溶液的一种或几种的混合物；所述乙酰化试剂为醋酸酐、乙酰氯、冰醋酸一种或几种；所述酸化试剂为盐酸、硫酸、磷酸、醋酸中的一种或者几种时；均能够实现本发明的目的。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (9)

1.一种N-乙酰-D,L-甲硫氨酸的分离纯化方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）使用乙酰化试剂与甲硫氨酸盐乙酰化反应后，用酸化试剂调节反应液pH值为3~5，保持反应液温度为50℃-75℃，然后将反应液进行脱色处理；
2）以水作为洗脱剂，将经过脱色处理的反应液通过连续色谱分离系统进行连续色谱分离分别得到N-乙酰-D,L-甲硫氨酸水溶液和含有醋酸钠的盐水溶液；所述连续色谱进料流速10-30ml/min，进洗脱液流速20-70ml/min，出料流速14-20 ml/min，洗脱液流出流速18-28 ml/min。
2.根据权利要求1所述一种N-乙酰-D,L-甲硫氨酸的分离纯化方法，其特征在于，步骤2）所述连续色谱分离系统为填充有钠型、钾型、铵型或钙型强酸性色谱树脂中的一种或几种的连续色谱分离系统。
3.根据权利要求1所述一种N-乙酰-D,L-甲硫氨酸的分离纯化方法，其特征在于，步骤2）所述连续色谱分离条件为：分离温度为30℃-75℃，色谱填料的pH值为3~5。
4.根据权利要求1所述一种N-乙酰-D,L-甲硫氨酸的分离纯化方法，其特征在于，步骤2）所述连续色谱分离条件为：分离温度为50℃-75℃，色谱填料的pH值为4~5。
5.根据权利要求1所述一种N-乙酰-D,L-甲硫氨酸的分离纯化方法，其特征在于，所述甲硫氨酸盐为甲硫氨酸钠、甲硫氨酸钾中的一种或几种，或者为甲硫氨酸钠、甲硫氨酸钾的一种或几种与碳酸钠、碳酸钾、甲酸钠、甲酸钾水溶液的一种或几种的混合物；所述乙酰化试剂为醋酸酐、乙酰氯、冰醋酸一种或几种；所述酸化试剂为盐酸、硫酸、磷酸、醋酸中的一种或者几种。
6.根据权利要求1所述一种N-乙酰-D,L-甲硫氨酸的分离纯化方法，其特征在于，所述脱色处理使用活性炭脱色，所述活性炭与反应液的质量比为0.05~0.1%。
7.根据权利要求1所述一种N-乙酰-D,L-甲硫氨酸的分离纯化方法，其特征在于，所述方法还包括步骤3）：将N-乙酰-D,L-甲硫氨酸水溶液进一步浓缩得到N-乙酰-D,L-甲硫氨酸。
8.根据权利要求7所述一种N-乙酰-D,L-甲硫氨酸的分离纯化方法，其特征在于， 所述步骤3）为将N-乙酰-D,L-甲硫氨酸水溶液蒸发浓缩、冷却结晶、干燥得N-乙酰-D,L-甲硫氨酸。
9.根据权利要求1所述一种N-乙酰-D,L-甲硫氨酸的分离纯化方法，其特征在于，还包括将含有醋酸钠的盐水溶液蒸发结晶得到醋酸钠的步骤。
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