CN115572222A - 一种柠檬酸钙球形晶体的制备方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种柠檬酸钙球形晶体的制备方法及其应用。所述柠檬酸钙球形晶体的平均粒径为35‑55μm，平均圆度为86‑90％。柠檬酸钙球形晶体的制备方法包括：在搅拌条件下，将柠檬酸溶液滴加到碳酸钙悬浮液中，反应，得到柠檬酸球形晶体。本发明通过结晶工艺优化制备的球形柠檬酸钙工艺相较前人研究工艺原材料成本更低，制备以及后处理过程和操作更简单，无需调节体系pH值来控制反应过程。该方法可能会成为未来食品级柠檬酸钙的主要制备工艺，且球形产品将有更优的粉体性能，有助于柠檬酸钙进入高端补钙品或食品添加剂的行列。

Description

一种柠檬酸钙球形晶体的制备方法及其应用

技术领域

本发明属于生物化工的技术领域中柠檬酸盐的制备，具体涉及一种柠檬酸钙球形晶体的制备方法及其应用。

背景技术

钙是人体必需元素还是骨骼和牙齿的基本结构成分，参与人体整个生命过程中神经肌肉兴奋性、血液凝固、无机离子跨膜转移、激素分泌或细胞酶释放以及信号转导等各种生化和生理过程。每天必须摄入足够的钙量才能维持人体正常的新陈代谢。

相比于碳酸钙，柠檬酸钙(CAS：813-94-5)消化器官对柠檬酸钙有更好的耐受性和生物利用度，更容易被消化系统吸收且对其他微量元素的吸收没有太大影响。因此柠檬酸钙拥有更广阔的市场空间，其大规模食品工业生产也引起越来越多人们的兴趣。

市场上得到的柠檬酸钙产品形貌较差，目前通过反应合成和参数调控制备了多种微观形貌。CN104529754A提供了一种无定型柠檬酸钙的制备方法，无定型产品粒径小，溶解性能较好，但其工艺较为复杂且产品后处理效率较低；CN104355991A提供一种纤维状柠檬酸钙的制备方法，纤维状柠檬酸钙无法直接制得，需要片状柠檬酸钙经过醇类溶剂溶析转化；CN108218694B提供一种直接制备超细柠檬酸钙的方法，产品平均粒径不大于13微米，避免了经过耗能高且粒径不均匀的球磨或气流粉碎的后处理加工。

本发明采用工业上生产柠檬酸钙最常用的柠檬酸和碳酸钙，成本相较其余制备方法更低，且二者反应并不生成多余的物质，利于工业后期的三废处理。采用酸滴钙的反应物滴加方式，不会产生柠檬酸氢钙副产物，可大大提高产品纯度。本制备方法通过控制反应物滴加速率来控制过饱和度分配使得柠檬酸钙以二类球晶的生长方式成球，可提升产品粉体性能，包括提升过滤速率，增加产品均匀度和流动性，同时产品后处理时使用常用的后处理方法(过滤、常用干燥)，适合进行大规模工业生产。

发明内容

为了克服现有柠檬酸钙制备方法的缺陷以及柠檬酸钙粉体性能不佳的问题，以提高柠檬酸钙生产的工艺效率。本发明提供一种基于反应结晶通过控制反应物滴加方式与滴加速率这一核心参数成功得到球形柠檬酸钙产品。制备得到的柠檬酸钙均匀度好，不聚结，流动性好，提升工艺后处理效率，且合成原料价格便宜、实验参数调控便捷、工艺绿色环保，适合进行大规模食品工业生产。

本发明生产的球形柠檬酸钙，其平均直径为35-55μm，球形产品的平均圆度为86％-90％，休止角为30-35°，实验室真空过滤速率相较目前市售的柠檬酸钙更快。

进一步的，上述球形柠檬酸钙由较大长径比的片状晶体以Ⅱ类球晶生长方式成球。具体方式为沿球形中心以不同的角度向多个方向生长，由于生长角度不同，在不同分支晶体的前端可以观察到小的角状分支。随着时间的推移，晶体以两个扇形展开，直到它们从中心向各个方向填充，形成完整的球形晶体。

在本发明中，柠檬酸钙球形晶体的制备方法包括：在搅拌条件下，将柠檬酸溶液滴加到碳酸钙悬浮液中，反应结晶，干燥得到柠檬酸钙球形晶体。

优选地，所述柠檬酸溶液浓度为0.08-0.15g/mL。

优选地，所述碳酸钙悬浮液的浓度为0.05-0.15g/mL。

优选地，所述步骤(1)两个反应物最终摩尔配比关系为碳酸钙：柠檬酸＝(1.35～1.47)：1，合适的反应物摩尔比可避免产品中包藏未反应的碳酸钙，同时也避免酸过量导致副反应发生而降低柠檬酸钙的产率。

优选地，所述步骤(2)中反应结晶温度和反应物温度用恒温器控温，温度控制在40～80℃(例如40℃、60℃、80℃)。其中温度越高反应速率越快，可以在相应范围下缩短滴加时间以提升工艺效率。

优选地，滴加完反应物后的停留时间为0.3-1h。

所述步骤(2)中柠檬酸溶液滴加速率按照绝对滴加速率(即滴加时间)来换算，1h-2h(例如1h、1.5h、2h等)。若滴加速率过快会导致整个体系中柠檬酸钙过饱和度维持在一个较高值，令柠檬酸钙晶体在生长阶段出现黏附与聚结，降低产品的粉体性能；若滴加速率过慢则会导致过饱和度较低，影响球形晶体的生长受到抑制，形貌不规则，可能出现形成球晶的中间形貌，最终降低产品的球形度。

所述步骤(2)中搅拌速率维持在200～350rpm(例如200rpm、250rpm、300rpm、350rpm)。若搅拌速率过小会导致反应混合不均，引起局部过饱和度差异从而影响产品形貌；搅拌速率过大会打碎球形晶体，出现大量碎晶。

所述制备方法还包括将反应结晶得到的柠檬酸钙依次进行固液分离、干燥。固液分离的方式为真空过滤。干燥方法采用常压干燥，温度50～55℃(例如50℃、55℃等)，干燥时间12～24h(例如12h、16h、20h、24h等)。

所述柠檬酸钙球形产品颗粒圆润，圆度和粒径均使用Occhio Instruments-Callisto 3D软件测量，圆度为86％-90％，流动性高，休止角在30°～35°之间，休止角的测试标准为GB/T11986-1989。

过滤速率测量使用循环水式多用真空泵SHB-Ⅲ，记录过滤相同体积柠檬酸钙悬浮液所用的时间。

表示粒径分布的Span数计算如式(1)，其中d₉₀、d₁₀、d₅₀分别表示体积分数为累积粒径分布的10％、50％和90％的颗粒尺寸。表1为本专利产品与市售柠檬酸钙的性能比较图。

Span＝(d₉₀-d₁₀)/d₅₀ (1)

进一步，本发明提供球形柠檬酸钙的应用：本发明制备的球形柠檬酸钙因其高流动性、窄粒度分布更有利于柠檬酸钙的补钙片剂生产和食品添加剂的用途，另外，本发明制备出的球形柠檬酸钙由二类球晶生长方式成球，相比紧密球形表面吸附位点更多，具有更高的比表面积还可用于骨修复材料、药物材料等。

相比目前柠檬酸钙制备方法，所述方法具有以下有益效果：

a)相比以往球形柠檬酸钙制备工艺，本方法整个工艺过程原料来源更广且价格便宜，且在不同温度下(常温、高温下)均可实现球形柠檬酸钙的制备，过程无需调节pH值，工艺绿色环保无污染，操作参数可控易实现食品工业化放大。

b)球形产品的形貌稳定性与生长方式相关，相较于其他方式，通过上述步骤得到的球形产品粒度更为均匀，稳定性更高，流动性更好，从而能够提高产品后处理效率及球形粉体性能。

附图说明

图1：本发明制备出球形柠檬酸钙的SEM照片(标尺为50微米)；

图2：本发明实施例中制备出柠檬酸钙的XRD图谱。

具体实施方式

实施例1：

(1)在80℃下，配制0.2g/mL的柠檬酸-水的混合溶液，搅拌至柠檬酸完全溶于水中。配置0.1g/mL的碳酸钙-水的悬浮液，搅拌至碳酸钙悬浮于水中。碳酸钙与柠檬酸的摩尔配比关系为1.47：1；

(2)将柠檬酸溶液在1h内匀速加入到碳酸钙悬浮液中，反应结晶温度控制在80℃过程中，维持200rpm搅拌速率直至滴加柠檬酸溶液结束后0.3h，使固体粒子成核生长成稳定的球形颗粒；

(3)采用真空过滤，并在常压50℃条件下干燥16h后，得干燥的柠檬酸钙颗粒。

产品的xrd峰谱图见图1，可知产品为柠檬酸钙。产品的电镜表征图如图1，平均粒径为50微米，Span数为0.81，产品圆度为90％，休止角为32°，产品使用真空抽滤设备的过滤速率为82.5mL/min。

表1为本实施例获得的产品性能与市售产品的对比表：

通过表1可知，本专利产品拥有更好的粉体性能，更小的休止角代表更好的流动性，更快的过滤速率表示更快的后处理效率，而更小的Span数则表示更均匀的产品粒度分布。

实施例2：

(1)在40℃下，配制0.01g/mL的柠檬酸-水的混合溶液，搅拌至柠檬酸完全溶于水中。配置0.08g/mL的碳酸钙-水的悬浮液，搅拌至碳酸钙悬浮于水中，碳酸钙与柠檬酸的摩尔配比关系为1.4：1；

(2)将柠檬酸溶液在2h内按照相同的滴加速率全部加入到碳酸钙悬浮液中，反应结晶温度控制在40℃过程中，维持250rpm搅拌速率直至滴加柠檬酸溶液结束后1h，使固体粒子成核生长成稳定的球形颗粒；

(3)采用真空过滤，并在常压50℃条件下干燥20h后，得干燥的柠檬酸钙颗粒。

产品的xrd峰谱图表征可知产品为柠檬酸钙。产品平均粒径为46微米，Span数为0.95，产品圆度为87％，休止角为35°，产品使用真空抽滤设备的过滤速率为79.3mL/min。

实施例3：

(1)在60℃下，配制0.1g/mL的柠檬酸-水的混合溶液，搅拌至柠檬酸完全溶于水中。配置0.01g/mL的碳酸钙-水的悬浮液，搅拌至碳酸钙悬浮于水中，碳酸钙与柠檬酸的摩尔配比关系为1.35：1；

(2)将柠檬酸溶液在1h内按照相同的滴加速率全部加入到碳酸钙悬浮液中，反应结晶温度控制在60℃过程中，维持300rpm搅拌速率直至滴加柠檬酸溶液结束后0.5h，使固体粒子成核生长成稳定的球形颗粒；

(3)采用真空过滤、并用水洗涤、在常压50℃条件下干燥12h后，得干燥的柠檬酸钙颗粒。

产品的xrd峰谱图表征可知产品为柠檬酸钙。产品平均粒径为50微米，产品圆度为89％，Span数为0.89，休止角为34°，产品使用真空抽滤设备的过滤速率为83mL/min。

对比例1：

与实施例1的区别仅在于，改变了柠檬酸溶液的滴加速率，让其滴加时间由原来1h减至0.5h。

产品聚结情况严重，颗粒的分散性较差，平均粒径为103微米，Span数为1.35，且球形度较差，平均圆度为75％，休止角为46°，产品过滤速率56.2mL/min。

对比例2：

与实施例1的区别仅在于，改变了柠檬酸溶液的滴加速率，让其滴加时间由原来1h增至3h。

产品形貌不规则，平均粒径为37微米，Span数为2.36，平均圆度为68％，休止角为47°，产品过滤速率37.3mL/min。

对比例3：

与实施例1的区别在于，改变碳酸钙悬浮液以及柠檬酸浓度均为0.3g/mL，其它实验条件保证与实施例1相同。

在滴加反应物过程中出现糊状悬浮液，体系流动性变差，得到部分球形晶体的同时也出现了大量碎晶，平均粒径为45微米，Span数为2.41，平均圆度为66％，休止角为49°，产品过滤速率16.3mL/min。

对比例4：

与实施例1的区别在于，改变反应温度为10℃，其它实验条件保证与实施例1相同。

产品颗粒平均粒径47微米，形貌不规则，Span数为1.64，平均圆度为73％，产品过滤速率35.9mL/min。

通过实施例1和对比例1与2的对比可知，当反应物柠檬酸溶液滴加时间低于本发明的限定范围之内时，产品聚结严重，球形度差，流动性降低，平均粒径明显增大，这是因为滴加速率过快导致滴加时间短，体系过饱和度一直维持在较高值，高过饱和度加快晶体成核速率，导致聚结颗粒的产生。或是还未反应的碳酸钙细小颗粒与成核生长得到的柠檬酸钙颗粒相互碰撞，出现二次成核情况，促成聚结晶体的形成，同时产品粒径也随之增大；当反应物柠檬酸溶液滴加时间高于本发明的限定范围之内时，柠檬酸反应物滴加速率慢，体系过饱和度一直维持在较低值，产品形貌不规则，存在各种以二类球晶生长方式下不同时间阶段的产品形貌，过饱和度不足以让柠檬酸钙最终长成致密的球晶，导致平均粒径减小，球形度较差以及粉体性能的下降。因此合适的滴加速率是本工艺的关键调节参数。

通过实施例1和对比例3的对比可知，当溶液中反应物组分的初始浓度超出本发明的限定范围之内时，在滴加过程中即会出现异常的糊状现象，严重影响传质速率，大大降低体系的流动性，通过显微镜观察产品形貌存在球状、棒状、片状和针状。同时该异常现象的出现将显著延长后续的固液分离及干燥时长，降低工艺效率及产品的粉体性能。

通过实施例1和对比例4的对比可知，当反应温度超出本发明的限定范围之内时，产品形貌不规则导致球形度较差，这是因为温度低造成反应速率和晶体的成核生长速率变慢，因此晶体在生长过程中因为与碳酸钙颗粒发生碰撞，原有晶体生长位点发生变化，导致柠檬酸钙的二类球晶生长方式受到影响。

本发明公开和提出的一种球形柠檬酸钙制备方法，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，把柠檬酸和碳酸钙作为原料，选择该反应结晶体系下的温度、柠檬酸和碳酸钙的浓度、反应物滴加时间以及停留时间来得到相应的球形柠檬酸钙产品。本发明的方法已经通过较佳实施例进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和产品进行改动或适当的变更与组合，来实现本发明技术。特别需要指出的是，所有相似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明的精神、范围和内容中。

Claims (10)

1.一种柠檬酸钙球形晶体，其特征在于，所述柠檬酸钙球形晶体的平均粒径为35-55μm，平均圆度为86-90％。

2.根据权利要求1所述的柠檬酸钙球形晶体，其特征在于，所述柠檬酸钙球形晶体的休止角为30-35°，粒径分布的Span数为0.78-0.95。

3.根据权利要求1所述柠檬酸钙球形晶体的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

在搅拌条件下，将柠檬酸溶液滴加到碳酸钙悬浮液中，反应结晶，得到柠檬酸钙球形晶体。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述柠檬酸溶液浓度为0.01-0.2g/mL；所述碳酸钙悬浮液浓度为0.01-0.3g/mL.

优选地，所述柠檬酸溶液浓度为0.08-0.15g/mL，碳酸钙悬浮液浓度为0.05-0.15g/mL。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述碳酸钙悬浮液中碳酸钙与柠檬酸溶液中柠檬酸的摩尔比为(1.35-1.47):1。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述滴加的时间为1-2h；

优选地，所述反应结晶的温度为40-80℃，滴加完反应物后的停留时间为0.3-1h。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述搅拌速率为200-350rpm。

8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括将反应后得到的反应物依次进行固液分离、干燥。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述固液分离方式为真空过滤；

优选地，所述干燥的方式为常压干燥，干燥温度为50-55℃，干燥时间为12-24h。

10.根据权利要求1或2所述的柠檬酸钙球形晶体在食品领域中的应用。

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