CN113087647A

CN113087647A - 一种半胱氨酸的制备方法

Info

Publication number: CN113087647A
Application number: CN201911338507.7A
Authority: CN
Inventors: 凡佩; 舒敏; 黄蕾; 朱程军; 杨磊; 唐鹏; 何嘉俊; 郭丽平; 梅雪臣; 黄佳琪
Original assignee: Wuhan Grand Hoyo Co ltd
Current assignee: Wuhan Grand Hoyo Co ltd
Priority date: 2019-12-23
Filing date: 2019-12-23
Publication date: 2021-07-09
Anticipated expiration: 2039-12-23
Also published as: CN113087647B

Abstract

本发明公开了一种半胱氨酸的制备方法。本发明的制备方法包括以下步骤：1)在双极膜电渗析装置的极液贮存罐中加入极水溶液，酸室贮存罐加入纯水，碱室贮存罐中加入半胱氨酸盐酸盐水溶液；2)接通电源，启动各室驱动泵开启循环回路，向膜堆施加电压电流，在酸室贮存罐内电导率为200～396ms/cm时换水，当碱室内电导率降到0.3～30ms/cm时断电，取出碱室料液；3)将上述碱室料液进行后处理，即可。本发明的制备方法首次将双极膜电渗析系统应用于半胱氨酸的生产，可大大降低产品中半胱氨酸氯离子含量、节省成本和环保。

Description

一种半胱氨酸的制备方法

技术领域

本发明涉及一种半胱氨酸的制备方法。

背景技术

L-半胱氨酸是一种生物体内常见的氨基酸，是人体非必需氨基酸之一，学名2-氨基-3-巯基丙酸，可与胱氨酸互相转化。L-半胱氨酸由于能参与细胞内还原过程和肝脏的磷脂代谢，可作为护肝药品，是一种氨基酸类解毒药，还有它的衍生物也能应用于医药领域。除此之外，由于它还具有美白、抗氧化等功能，因此也广泛用于化妆品等其他领域。随着L-半胱氨酸需求量的不断增长，需要合适的生产工艺来提高生产效率及品质来满足需求。

电渗析技术是在离子交换法的基础上发展起来的一种分离方法，是膜分离技术的一种，它的工作原理是将阴、阳离子交换膜交替排列于正负电极之间，并用特制的隔板将其隔开，组成淡化和浓缩两个系统，在直流电场作用下，利用离子交换膜的选择透过性(其实质是反扩散)，一部分水淡化，一部分水浓缩，把电解质从溶液中分离出来，从而实现溶液的浓缩、淡化、精制和提纯过程。

电渗析的膜分为合金膜(异相膜)、均相膜(阴阳离子膜)、双极膜等。双极膜是由阴离子交换树脂层、阳离子交换树脂层和中间催化层组成。在直流电场的作用下，阴、阳膜复合层间的H₂O解离成H⁺和OH^-并分别通过阳膜和阴膜，作为H⁺和OH^-离子源，双极膜能将水直接离解成H⁺和OH^-，从而实现对无机盐的劈裂式分解，制得相应的酸和碱。不同的膜根据用途可以选择组成不同的隔室与膜堆，从而应用到不同的用途中。例如，利用电渗析装置将海水脱盐处理(参见李卜义，王建友，浓海水处理及综合利用技术的新进展[J]化工进展2014(11)；孙炳、陈超核、王宏，非饮用简易海水淡化技术与应用[J]《实验室研究与探索》2011(6))，不仅能得到高品质的淡化水，还能得到可回收利用的酸碱，达到绿色环保工艺要求。

氨基酸分子结构中由于同时有氨基和羧基，它在不同的pH下带不同的电荷，因此可通过调节氨基酸溶液的pH改变它在电场作用下的迁移方向。也有文献(参见双极膜电渗析技术处理氨基酸废水的研究太原理工大学硕士学位论文；范爱勇氨基酸发酵液电渗析脱盐的研究中国海洋大学硕士学位论文)报道了利用电渗析装置将氨基酸废水脱盐处理的工艺，回收高价值的氨基酸。电渗析技术在氨基酸领域的应用主要是分离、纯化(陈艳、张爱萍、岳明珠，电渗析技术在氨基酸生产中的应用[J]水处理技术2011(11))，从简单的二室、三室单极膜系统发展到多隔室双极膜电渗析系统，实现了在常温、无相变的条件下分离物质，并且不产生污染物，是一种绿色环保工艺。

现有的L-半胱氨酸的制备方法(具体参见CN201410258617)采用常规釜式反应器中进行，放热量大，控温难度较大，并且产品中含盐量高，需额外用大量纯水或乙醇淋洗控制氯化物含量，产品中氯化物含量越低，淋洗的溶剂消耗量越大，即使这样，产品氯化物含量只能做到400～2000ppm标准。

因此本领域急需一种成本低、更环保、产品品质更高的半胱氨酸的制备方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于为了克服现有技术中已有的半胱氨酸的制备方法采用常规釜式反应器进行反应，放热量大，控温难度较大，并且产品中含盐量高，需额外用大量纯水或乙醇淋洗控制氯化物含量，产品中氯化物含量越低，淋洗的溶剂耗量越大，即使这样，产品氯化物含量只能做到400～2000ppm标准等缺陷，因而提供了一种半胱氨酸的制备方法。本发明的制备方法成本低、更环保、产品氯化物含量符合标准，品质更高。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的。

本发明采用二隔室的双极膜电渗析系统生产半胱氨酸，完全避免了以上现有技术中常规酸碱中和法生产出现的问题。

本发明提供了一种半胱氨酸的制备方法，其包括以下步骤：

1)在双极膜电渗析装置的极液贮存罐中加入极水溶液，酸室贮存罐加入纯水，碱室贮存罐中加入半胱氨酸盐酸盐水溶液；

2)接通电源，启动各室驱动泵开启循环回路，向膜堆施加电压电流，在酸室贮存罐内电导率为200～396ms/cm时换水，当碱室内电导率降到0.3～30ms/cm时断电，取出碱室料液；

3)将上述碱室料液进行后处理，即可；

式中，n为0或1。

本发明中，所述的双极膜电渗析装置为本领域常规所述。本发明所使用的双极膜电渗析装置具体地可由膜堆、阴阳极板构成，电渗析膜堆由双极膜、阴离子交换膜、阳离子交换膜按照一定顺序依次叠加构成；阳离子交换膜朝向极板，极板与阳离子交换膜之间形成极室；阴离子交换膜与阳离子交换膜之间形成酸室，与双极膜之间形成碱室。极室连通于极液贮存罐，酸室、碱室分别连通于酸液、碱液贮存罐，各室内溶液与贮存罐分别靠驱动泵驱动，并形成各自的循环回路。极室、酸室、碱室都配有电导率仪，可随时监控各室内溶液电导率变化。本发明中具体可适用的双极膜电渗析装置可如图1所示。其中BM代表双极膜、AM代表阴离子交换膜、CM代表阳离子交换膜。

本发明中，所述的半胱氨酸盐酸盐水溶液的来源不需进行特别限定，本领域中常规可在溶于水后转化为半胱氨酸盐酸盐水溶液的半胱氨酸盐酸盐或其常规摩尔配比的水合物均包括在本发明范围内。其中，所述的半胱氨酸盐酸盐或其水合物(例如半胱氨酸盐酸盐一水合物)均可参考本领域相关文献报道自行制备，或直接购买，其结构如下所示。

本发明中，所述的半胱氨酸盐酸盐水溶液中的半胱氨酸可为L-半胱氨酸或D-半胱氨酸，或二者的混合物，且该混合物不限定其中二者配比；本发明中例如可为L-半胱氨酸。

步骤1)中，所述的极水溶液可采用本领域此类装置常规所用，为可导电的强电解质溶液即可，具体可以是稀硫酸、稀硝酸、氢氧化钠水溶液、稀盐酸中的一种或多种；本发明优选稀硫酸、稀硝酸或稀盐酸。

步骤1)中，所述的极水溶液的质量分数可采用本领域此类装置常规所用，本发明中具体可例如为1～2％。

步骤1)中，所述的极水溶液的用量可采用本领域此类装置常规所用，只要能满足设备管道循环所需要的最小体积即可。本发明中具体可例如为1～3L，或1.5～2L，又或者可为150L。

步骤1)中，所述的半胱氨酸盐酸盐水溶液的摩尔浓度可采用本领域此类装置常规所用，本发明中具体可例如为1.5～1.7mol/L，或者1.63～1.68mol/L，例如1.65mol/L。

步骤2)中，所述的电压可采用本领域此类装置常规所用，本发明中具体可例如为24～28V，又或者可为220V。

步骤2)中，所述的电流可采用本领域此类装置常规所用，本发明中具体可例如为21～25A，又或者可为125A。

步骤2)中，所述的换水时的酸室贮存罐内电导率又可为200～390ms/cm，例如300ms/cm。

步骤2)中，所述的换水次数可采用本领域此类装置常规所用，本发明中具体可例如为1～6次，又如1～4次，又如1～2次。

步骤2)中，还可在所述的碱室内电导率降到0.3～10ms/cm时断电，或在所述的碱室内电导率降到0.3～0.5ms/cm时断电。

步骤2)中，所述的运行时间可采用本领域此类装置常规所用，本发明中具体可例如为30～80min，又如36～65min，又如47～55min，又或者为9～10h。

步骤2)中，所述的膜堆温度可采用本领域此类装置常规所用，本发明中具体可例如为30～40℃。

步骤3)中，所述的后处理可采用本领域此类反应常规所用，本发明中具体可包括减压浓缩、低温结晶、抽滤干燥。

其中，所述的减压浓缩即指本领域常规所述，减压浓缩时间和减压浓缩温度均不需进行特别控制，本发明中例如可为80℃下0.5～1h，或80℃下5～7h。

其中，所述的低温结晶即指本领域常规所述，所述低温结晶时间和低温结晶温度均不需进行特别控制，本发明中例如可为10～20℃下0.5h，或10～20℃下2～3h。

其中，所述的抽滤干燥即指本领域常规所述，所述抽滤干燥时间和温度以及压力均不需进行特别控制。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明所用试剂和原料均市售可得。

本发明的积极进步效果在于：

1、本发明的制备方法可以直接用半胱氨酸盐酸盐或半胱氨酸盐酸盐水合物通过双极膜电渗析装置来生产半胱氨酸，节省了原料成本；

2、本发明的制备方法减少了废水废物的产生，更环保；

3、本发明的制备方法得到的半胱氨酸产品氯离子含量可达到小于50～200ppm标准，且粗产品收率(得到的半胱氨酸量与原料半胱氨酸盐酸盐或半胱氨酸盐酸盐水合物的比值)介于45～58％，现有方法无法达到；

4、本发明的制备方法利用电化学原理，使用电渗析技术分离半胱氨酸和氯离子，带负电荷的氯离子在直流电源的作用下，透过膜往阳极转移，达到分离效果。

附图说明

图1为本发明实施例所使用的双极膜电渗析装置。

其中，BM代表双极膜、AM代表阴离子交换膜、CM代表阳离子交换膜；

为碱室料液循环回路、为酸室料液循环回路、

为极室料液循环回路。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。

本发明下述实施例中，如无特别说明，产品中氯离子含量是根据药典检测标准检测所得，实施例中产品收率均在50％左右是多次实验的统计结果。残渣指灼炽残渣，其检测指标及方法参照日本药典中规定检测。

本发明下述实施例1～4中所适用的双极膜电渗析装置中，BM代表的双极膜和AM代表的阴离子交换膜重复叠装10次；本发明下述实施例5～6中所适用的双极膜电渗析装置中，BM代表的双极膜和AM代表的阴离子交换膜重复叠装50次。

本发明下述实施例中以半胱氨酸盐酸盐一水合物为原料，产品收率以下述公式计算：

A％＝m1/m2*100％；

其中，m1为半胱氨酸质量(g)，m2为半胱氨酸一水盐酸盐质量(g)，理论收率最大为69％。

本发明下述实施例中，氯离子脱除率以下述公式计算：

B％＝n1/n2*100％；

其中，n1为产品半胱氨酸中氯离子摩尔量，n2为原料中半胱氨酸一水盐酸盐中氯离子摩尔量。

本发明下述实施例中所涉及的转化过程如下式所示：

实施例1

配制1％稀硝酸1.5L，加入双极膜电渗析装置的极液贮存罐；酸室贮存罐加入纯水；称量L-半胱氨酸一水盐酸盐1000g，加纯水溶解至其在纯水中的摩尔浓度1.68mol/L，加入到双极膜电渗析装置的碱室贮存罐；

接通电源，启动各室驱动泵开启循环回路，向膜堆施加28V电压和25A电流，控制膜堆温度30～40℃，在酸室贮存罐内盐酸电导率为390ms/cm时换水2次，碱室内电导率降到0.3ms/cm时断电，运行55min；

取出料液，80℃减压浓缩0.5～1h，10～20℃低温结晶0.5h，抽滤干燥得到产品500g，半胱氨酸氯离子含量50ppm～200ppm，氯离子脱除率99.9％，产品收率50％。

实施例2

配制1％稀硫酸1.5L，加入电渗析设备极液贮存罐；酸室贮存罐加入纯水；称量L-半胱氨酸一水盐酸盐1000g，加纯水溶解至其在纯水中的摩尔浓度1.65mol/L，加入到电渗析设备碱室贮存罐；

接通电源，启动各室驱动泵开启循环回路，向膜堆施加24V电压和21A电流，在酸室贮存罐内盐酸电导率为300ms/cm时换水1次，碱室内电导率降到10ms/cm时断电，运行65min；

取出料液，80℃减压浓缩0.5～1h，10～20℃低温结晶0.5h，抽滤干燥得到产品500g，半胱氨酸氯离子含量200ppm～400ppm，氯离子脱除率99.8％，产品收率48％。

实施例3

配制1％稀硫酸1.5L，加入电渗析设备极液贮存罐；酸室贮存罐加入纯水；称量DL-半胱氨酸一水盐酸盐1000g，加纯水溶解至其在纯水中的摩尔浓度1.5mol/L，加入到电渗析设备碱室贮存罐；

接通电源，启动各室驱动泵开启循环回路，向膜堆施加24V电压和21A电流，在酸室贮存罐内盐酸电导率为200ms/cm时换2次水，碱室内电导率降到0.5ms/cm时断电，运行36min；

取出料液，80℃减压浓缩0.5～1h，10～20℃低温结晶0.5h，抽滤干燥得到产品450g，氯离子脱除率99.5％，DL-半胱氨酸氯离子含量<200ppm，产品收率45％。

实施例4

配制1％稀硫酸1.5L，加入电渗析设备极液贮存罐；酸室贮存罐加入纯水；称量D-半胱氨酸一水盐酸盐1000g，加纯水溶解至其在纯水中的摩尔浓度1.5mol/L，加入到电渗析设备碱室贮存罐；

接通电源，启动各室驱动泵开启循环回路，向膜堆施加24V电压和21A电流，在酸室贮存罐内盐酸电导率为200ms/cm时换2次水，碱室内电导率降到0.5ms/cm时断电，运行47min；

取出料液，80℃减压浓缩0.5～1h，10～20℃低温结晶0.5h，抽滤干燥得到产品480g，D-半胱氨酸氯离子含量<200ppm，氯离子脱除率99.3％，产品收率48％。

实施例5

配制1％稀硫酸150L，加入双极膜电渗析装置的极液贮存罐；酸室贮存罐加入纯水；称量L-半胱氨酸一水盐酸盐500kg，加纯水溶解至其在纯水中的摩尔浓度1.63mol/L，加入到双极膜电渗析装置的碱室贮存罐；

接通电源，启动各室驱动泵开启循环回路，向膜堆施加220V电压和125A电流，控制膜堆温度30～40℃，在酸室贮存罐内盐酸电导率为390ms/cm时换水2次，碱室内电导率降到0.3ms/cm时断电，运行9h；

取出料液，80℃减压浓缩5～7h，10～20℃低温结晶2～3h，抽滤干燥得到产品241g，半胱氨酸氯离子含量50ppm～200ppm，氯离子脱除率99.9％，产品收率46.2％。

实施例6

配制1％稀硫酸150L，加入双极膜电渗析装置的极液贮存罐；酸室贮存罐加入纯水；称量L-半胱氨酸一水盐酸盐525kg，加纯水溶解至其在纯水中的摩尔浓度1.70mol/L，加入到双极膜电渗析装置的碱室贮存罐；

接通电源，启动各室驱动泵开启循环回路，向膜堆施加220V电压和125A电流，控制膜堆温度30～40℃，在酸室贮存罐内盐酸电导率为396ms/cm时换水1次，碱室内电导率降到0.3ms/cm时断电，运行10h；

取出料液，80℃减压浓缩5～7h，10～20℃低温结晶2～3h，抽滤干燥得到产品273g，半胱氨酸氯离子含量50ppm～200ppm，氯离子脱除率99.9％，产品收率52.0％。

对比例1

称量1000g L-盐酸半胱氨酸原料，加纯水1500mL溶解，加热至60±5℃使物料充分溶解。将溶液通过10μm精过滤器过滤，过滤完毕，向过滤液中缓慢滴加质量分数为30％的氢氧化钠溶液，加碱液过程中即开始控温、调节加碱液速度，控制反应液温度在80～90℃，至pH 3.5～5.0停止加碱液。用循环水缓慢降温至5℃以下，搅拌至物料结晶完全。抽滤时用纯水淋洗，干燥得到产品500g，产品氯离子含量1000ppm～2000ppm，产品收率50％。

对比例2

称量1000g L-盐酸半胱氨酸原料，加纯水1500mL溶解，加热至60±5℃使物料充分溶解。将溶液通过10μm精过滤器过滤，过滤完毕，向过滤液中缓慢滴加质量分数为30％的氢氧化钠溶液，加碱液过程中即开始控温、调节加碱液速度，控制反应液温度在80～90℃，至pH 3.5～5.0停止加碱液。用循环水缓慢降温至5℃以下，搅拌至物料结晶完全。抽滤时用乙醇淋洗，干燥得到产品430g，半胱氨酸氯离子含量400ppm，产品收率43％。

对比例3：参见CN201410258617实施例

将1000kg L-胱氨酸与盐酸按一定比例混合，调节pH 0.9～1.1之间，升温到60℃左右加活性炭脱色，再将脱色液送入电解槽电解，得到L-半胱氨酸盐酸溶液，向L-半胱氨酸盐酸溶液中缓慢加入一定浓度的氢氧化钠溶液与之发生中和反应，控制反应温度在80～90℃，调控混合液pH 3.5～5.0，然后缓慢降温结晶，抽滤，烘干得到L-半胱氨酸产品365g，半胱氨酸氯离子含量400ppm～2000ppm，产品收率41％。

对比例4

配制1％稀硫酸1.5L，加入电渗析设备极液贮存罐；酸室贮存罐加入纯水；称量L-半胱氨酸一水盐酸盐1000g，加纯水溶解至其在纯水中的摩尔浓度1.73mol/L，加入到电渗析设备碱室贮存罐；

接通电源，启动各室驱动泵开启循环回路，向膜堆施加24V电压和21A电流，在酸室贮存罐内酸水电导率为190ms/cm时换水1次，后期再换水3次，碱室内电导率降到20.9ms/cm时断电，运行68min；

取出料液，80℃减压浓缩0.5～1h，10～20℃低温结晶0.5h，抽滤干燥得到产品155g，半胱氨酸氯离子含量1000ppm～2000ppm，氯离子脱除率85％，产品收率26％。

对比例5

配制1％稀硫酸1.5L，加入电渗析设备极液贮存罐；酸室贮存罐加入纯水；称量L-半胱氨酸一水盐酸盐1000g，加纯水溶解至其在纯水中的摩尔浓度1.70mol/L，加入到电渗析设备碱室贮存罐；

接通电源，启动各室驱动泵开启循环回路，向膜堆施加24V电压和21A电流，在酸室贮存罐内酸水电导率为190ms/cm时换水1次，后期再换水3次，碱室内电导率降到20.3ms/cm时断电；

运行80min，取出料液，80℃减压浓缩0.5～1h，10～20℃低温结晶0.5h，抽滤干燥得到产品155g，半胱氨酸氯离子含量3000ppm～5000ppm，原料氯离子脱除率76％，产品收率43％。

效果实施例1

本效果实施例中所进行的以下产品各项标准检测方法和过程均参照日本药典中规定进行。具体检测结果如下表1所示。

表1各实施例和对比例所制备得到的产品检测结果

表2分别为日本味之素企业(AJI97，氨基酸行业翘楚)和日本药典中的L-半胱氨酸产品检测标准表。通过将本申请实施例产品的各项检查结果与二者进行比较，可以发现通过本发明的制备方法所得到的产品的各项重要指标均已达到了该企业和日本药典的标准要求。

表2 AJI97和日本药典中的L-半胱氨酸产品检测标准表

备注：“--”表示该项标准工具书中没有提到。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims

1.一种半胱氨酸的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：

3)将上述碱室料液进行后处理，即可；

式中，n选自0或1。

2.如权利要求1所述的制备方法，其中，所述的半胱氨酸一水盐酸盐中，所述的半胱氨酸为L-半胱氨酸、D-半胱氨酸、或其混合物。

3.如权利要求1所述的制备方法，其中，步骤1)中，

所述的极水溶液选自稀硫酸、稀硝酸、氢氧化钠水溶液、稀盐酸中的一种或多种；优选稀硫酸、稀硝酸或稀盐酸；

和/或，

所述的极水溶液的质量分数为1～2％；

和/或，

所述的极水溶液的用量为1～3L，或1.5～2L，或150L；

和/或，

所述的半胱氨酸盐酸盐水溶液的摩尔浓度为1.5～1.7mol/L，或1.63～1.68mol/L，或1.65mol/L。

4.如权利要求1所述的制备方法，其中，步骤2)中，

所述的电压为24～28V，或220V；

和/或，

所述的电流为21～25A，或125A；

和/或，

所述的换水时的酸室贮存罐内电导率为200～390ms/cm，或300ms/cm；

和/或，

所述的换水次数为1～6次，1～4次，或1～2次；

和/或，

在所述的碱室内电导率降到0.3～10ms/cm时断电，或在所述的碱室内电导率降到0.3～0.5ms/cm时断电；

和/或，

所述的运行时间为30～80min，或36～65min，或47～55min或9～10h；

和/或，

所述的膜堆温度为30～40℃。

5.如权利要求1所述的制备方法，其中，步骤3)中，所述的后处理包括减压浓缩、低温结晶、抽滤干燥。

6.如权利要求5所述的制备方法，其中，所述的减压浓缩时间和减压浓缩温度为80℃下0.5～1h，或80℃下5～7h。

7.如权利要求5所述的制备方法，其中，所述的低温结晶时间和低温结晶温度为10～20℃下0.5h，或10～20℃下2～3h。

8.如权利要求1所述的制备方法，其中，所述的双极膜电渗析装置由膜堆、阴阳极板构成，电渗析膜堆由双极膜、阴离子交换膜、阳离子交换膜按照一定顺序依次叠加构成；阳离子交换膜朝向极板，极板与阳离子交换膜之间形成极室；阴离子交换膜与阳离子交换膜之间形成酸室，与双极膜之间形成碱室；极室连通于极液贮存罐，酸室、碱室分别连通于酸液、碱液贮存罐，各室内溶液与贮存罐分别靠驱动泵驱动，并形成各自的循环回路；极室、酸室、碱室都配有电导率仪，随时监控各室内溶液电导率变化。

9.如权利要求8所述的制备方法，其中，所述双极膜和阴离子交换膜重复叠装4～50次，或10～50次。