利用络合萃取法提取L-苯丙氨酸转化液中丙酮酸的研究

利用络合萃取法提取L-苯丙氨酸转化液中丙酮酸的研究 利用络合萃取法提取L一苯丙氨酸转化液中丙酮酸的研究 牵家璜姚忠韦萍欧阳平凯 (南京化工大学生命 南京210099) 与制药科学学院 摘要本文选用三辛瞳革取。苯丙氨酸转化液中的雨醇酸(研究了革取时问，稀释剂，萃取剂浓度，水 相pH值对平衡常数的影响(结果明:苹取15分钟即可达平衡tpH低对萃取有利，TOA浓度以0(4-- 0(6M 为好( 关艟词丙酮酸三辛胺烙舍萃取 1前言 acid)是重要的医药化工中间体，在医药，农药和化工方面有广泛的应用。在 苯丙酮酸(pyruvic 酸丙酮酸转氮反应制备苯丙氨酸体系中，丙酮酸是转氮反应的副产物。现国内外对转氨体系中丙酮 降的回收和利用还未见报道。通过对该反应体系中的丙酮酸回收，既得到高经济价值的丙酮酸，又 L(苯丙氮酸(L(Phe)的生产成本，具有较好的应用前景。“】 低了 络合萃取法分离极性有机稀溶液是20世纪80年代形成的新型分离方法(它是通过待分离溶质 21的特殊官能团与络合剂之间的化学反应实现的，作为一种高效和高容量的分离工程，具有其优点:l 1)两相可变的物理和化学因子多，有利于实现多组分的分离;2)不依赖于组分的挥发度，能分离 挥发度相近的物质;3)两流动相便于实现多级逆流操作;4)能耗低，选择性高(操作条件温和， 可以减低生物大分子活性的破坏:5)溶剂再生简单，成本低，便于自动化操作和控制。因此，该 方法低浓度体系产品的分离提纯具有一定优势。 本实验利用三辛胺(ToA)萃取L-Phe转化液中丙酮酸，本实验利用比色法检测水相丙酮酸的 浓度，通过物料衡算计算其水相水相浓度，从而计算出萃取分配系数。着重研究络合剂浓度，pH值， 稀释剂极性以及温度等因数对萃取平衡的影响。并对其萃取机理进行了一定探讨。 2(实验与方法 1(1实验试剂及主要仪器 上海化学试剂厂; 均为化学纯 三辛胺(正辛醇(苯，乙酸乙酯(丙酮酸钠(煤油， SHZ88—1， 太仓市光明实验分析仪器厂: 台式恒温水浴振荡器( 上海雷磁仪器厂: 精密pH计，pHS一3C， 高速离 北京医用离心机厂(心机(LGl0—2(4A， 1(2分配系数的计算方法 分配系数(D)=有机相溶质 浓度,水相溶质浓度 ll 3萃取实验方法 在具塞三角瓶中分别加入一定体积的水相和有机相(在恒温水浴摇床以一定转速振荡，待平衡 后7000转,分离心10分种，分离两相，测水相溶质浓度(测定方法见附录)’由物质衡算得油相浓度， 从而可得分配比。 3实验结果与讨论 3(1丙酮酸萃取平衡动力学曲线 1(08，温度:25?，振荡器 为了确定络合荆对该萃取体系的萃取平衡时间(实验测定了在pH TOA,I辛醇对浓度为8,的丙酮酸溶液的分配系数与时间的曲转速:IB0转,分钟条件下，0(2M 如图l所示( 线( 从平衡动力学试验可知，该体系的萃取平 16 衡可在短时间内达到，随萃取时间延长丙 蠡15 酮酸在有机相,水相中的分配系数略有下懈 瞄14 降。根据以上结果，该体系中丙酮酸,'rOA隶 络合物的相转移进行得很快，萃取操作可 三13 在短时间内完成。12 60 90 30 15 10 5 3(2水相DH对丙酮酸分配系数的影 响 t(_in) 溶液的DH值是影响溶质解离的关 键，也是萃取过程的重要因数之一，车实 图I 萃取反应时间对分配系数(D)的影响 验采用0(4M TQA,正辛醇为萃取剂，相比 time 0111 the ofextraction The Effect Fig(1 为1(调节水相pH，萃取分离15min。图 ratio distz'ibution 2是pH在0(8---6之间的萃取结果。 6 4 2 辆 O 1描 8 黼 隶 B V 4 2 0 3(65 4(69 6(32(77 0(89 1(57 1(86 pH 图2水相pH对分配系数的影 响 ratioOil Distribution The effect equilibrium pH ofaqueous Fi92 试验证明，水相pH降低有利于丙酮酸的萃取。丙酮酸在水溶液中的解离曲线如下图 基 S 水相pH 图3丙酮酸水溶液的解离曲线 acid Dissociation VS(aqueous pH ofpyruivic Fig(3 由于丙酮酸在水溶液中的pl(I值是2(39(当水相pH值低于2(39时，丙酮酸多以分子态存在一溶液 中的分子态有机酸的摩尔分率越高，就越有利于丙酮酸的萃取。 3(3稀释剂种类对分配系数的影响 1(18;温度25"C:t:15mira相比I;震荡器转速1800sc(,rain作为萃取条件，研 采用水相pH 究不同稀释荆对浓度约为8,的丙酮酸溶液的萃取平衡的影响，结果如下(表1) 表1稀释剂对分配系数的影响 mic l the effect ofdiluent On distribution ratio 一般认为极性稀释剂可起到稳定络合物的作用，可获得较高的分配系数。试验结果表明，就分 配系数而言，乙酸乙酯作为稀释剂效果最佳，正辛醇和煤油作稀释剂效果一般，氯仿效果最差。溶 剂损失大小依次为:乙酸乙酯>正辛醇>氯仿>煤油。 3(4萃取剂浓度对分配系数的影响 1(62;温度25?;t:15min{相比1:震荡器转速1800sc(,rain，水相初始浓度为8, 在水相pH 的条件下，对不同浓度萃取剂的萃取效果进行研究，得到以下结果: 表2萃取剂浓度对萃取平衡的影响(乙酸乙酯作稀释剂) for TOA,EtoAcTable 2 Influence ofthe extract:ant corlccntlition on the extraction efficiency 结果表明，TOA含量过高或过低都不能获得较大的分配系数，针对本体系而言(最适萃取 浓度为O(4,O(6M。 剂 改用正辛醇作稀释剂，对萃取剂浓度变化带来的影响进行了进一步研究(鲒果如下: 表3萃取剂浓度对萃取平衡的影响(正辛醇作稀释剂) 3 Influence extractant concentration Oil the?矗racdon fbr TOA,n-octanolTable ofthe e毋ciency D样品序号 体系 9(2l 0(2M TOA，正辛醇 8(52 0(4M TOA,正辛醇 8(33 O(5M TO刖正辛醇 7(54 O(8M TOA,正辛醇 当在一定有机酸浓度下，TOA含量过少，使有机酸中的酸与胺的摩尔比大于1时(多余的 只能通过氢键与(I,1)酸胺萃合物结合，分配系数下降:另一方面，稀释剂含量过高，胺与极性酸 释荆发生氢键缔合作用的可能性增加，削弱了胺分子中N上的电子云密度(使质子转移的几率变稀 若TOA含量过高，稀释剂含量减少，生成的离子对萃合物由于失去稀释剂的作用而稳定性降小: 分配系数也可能降低( 低， 3(5反萃试验 在温度25"C:时间15mira水浴振荡器转速1800se,min条件下(利用不同浓度 NaOH对负 的 载有机相进行反萃，其结果如表4所示: 表4 NaOH浓度对反萃的影 响 Table 4 effect ofNaOH on back concentration extraction NaOH可有效反萃丙酮酸。 结果表明，2N 利用反萃后的有机相与新鲜有机相 1(62:温度25"C:t:15min:进行对比萃取试验，结果如下:萃取条件:水相pH 相比1:震荡器转速1800sc(,rain 表5再生萃取剂与新鲜萃取剂的对比 Table 5 Control between cxtractallt extraetamand?cyclc experiment 对比试验表明，经反萃再生的有机相具有与新鲜有机相相同的萃取能力。 3(6(实际体系中络合萃取机理研究 目前(有关胺类萃取剂萃取有机酸的机理研究报道逐渐增多(清 13’等在这 华大学化工系戴猷元 方面进行了较为细致的研究，并提出了基于酸碱络合的萃取模型: (a)R3?钾+HA叼斗R3NH+?A—n僵 (b)马?r(。+尼红一RlN 尼t。 即形成离子对络台物和通过氢键缔台形成的络合物( 本研究尝试通过实验(对以上结论进行验证(基 DH值 本原理是:根据萃取前后及萃取过程中母液 的变化可对叔胺(TOA)萃取丙酮酸的机理进行推测( 针对模拟体系实验表明，当水相溶质浓度3‰水相pH】(6J，温度25'水浴振荡器转速 M 1800sc(,rain(萃取荆为0(2 TOA,正辛醇条件下，萃取后水相pH为1(93(分配系数(D)=7(46; 而在实际体系，萃取条件相同时，萃取后(水相pH=4，3，D=0(54。在实际体系萃取 剂一加入水相后，pH急剧升高，变化幅度随时间延长逐渐减小，15min后水相pH趋过程中，当萃取 于稳定。 水相pH的变化实际上是【H+】的变化。对萃取体系酸碱解离平衡和缔合过程进行分析:模拟 系中由于只存在丙酮酸，其酸性由丙酮酸提供，故萃取过程遵循反应试(a)和(b)，萃后DH上体 升 幅度很小， 因此萃取剂中的掇胺可能首先与H+形成季胺阳离子，焉NH+，这是一步快速反应，水相 pH由于【H+】降低而迅速升高;然后，季铵阳离子与溶液中的酸根离子A。发生以下缔合反应: (c)R3NH+w+0一q—}R，Nil+?A一。口 由于酸根离子(A‘)大量进入有机相，有机酸的解离平衡发生移动: ^H阳?H+呷+爿一卅 3Sl 水相质子H+得以补充( 而实际体系中，有大量的无机酸的加入， 无机阴离子的存在将对丙酮酸根离子的络合产生竞争 作用(从而降低了萃取的分配系数。 4(结论 根据以上实验可得到以下结 论: 可在短时间达到萃取平衡，随着萃取时间的延长 (1)以碱性萃取剂三辛胺萃取丙酮酸水溶液 路有下降。 (2)水相的pH降低有利于丙酮酸的萃取，在pH=l阻下有较高的分配系数。 (3)就分配系数而言， 乙酸乙酯作为稀释剂效果最佳，但溶剂损失较大;正辛醇做稀释剂(可取 得较好的效果。 (4)针对萃取剂浓度的萃取实验表明(三辛胺(TOA)浓度并非越高越好，最适萃取剂浓度为 0(4--0(6M。 (5)反萃实验表明(2molHNaOH反萃效果较好。 (6)根据萃取前后水相pH的变 化，认为三辛胺萃取丙酮酸的机理主要是形成离子对络合物，转化 液中的天冬氨酸以及无机阴离子对萃取效果?可能会有影响，这还有待进一步的研究。 参考文献 I(周华，海因法制各o(酮酸的研究:【博士学位论文】，南京化工大学 2(刘阳生，两性官能团化合物络台萃取极其规律的研究:f博士学位论文】，清华大学 3(文梅，扬义燕，戴猷元，汪家鼎，三辛胺萃取有机羧酸的机理，化工学报(1998(49(3):303,315 andofFermentation Extraction Product S(Kertest and Acid4(A Chemistry ，Biotecnology CarboxyUc C(J(Kingt Binengineering，1998，Vot(XXVIll(PD(269, 282 附录: 2(4一二硝基苯肼测定丙酮酸的曲线 0(1moFI 192(4-二硝基苯肼溶于lOOml 准确称取5mg丙酮酸钠，用oH7(4磷酸缓冲液定窑至IOOml)称取O ， 2，4-二硝基苯噼溶液，摇匀过滤得苯肼溶液;取不同浓度丙酮酸溶液(0(0l加(05mg,m1)1(2mi，加入Iml HC| 后静NaOH(摇匀静置10rain，于440rim测吸光值(得标准曲线:置5rain，再加入2M A(,t40n?)=11(2(C(口g, m1)+0(023 R: =0(9994 Acid of with Extraction on Tri—n—oc姆lamine Study Pyruvic From L?Phe Fermentation zhong,Weiping,Ouyangpingkai Lijiahuang,Yao and Institute Univers睁ofChemical Technology,Nanjing,210009 LifeScience (NanjJng ofPharmacy to acid from L? solvent a5 was selected extract In this organic pyruvic Abstractwork(Tri(n_ocl)riamine Phe and the extractant diluent ofextraction (The effect time(the concentration，the the aqueous pH on extraction fermen)ation are results as follows:Extraction experimental have been in 15 is obtained (The investigatedequilibrium equilibrium had min(Low ratio(Tri-n-octylamine high ph?e equilibrium aqueous pH be would concentration With 0(4--0(6M efficiency( extractwords acid tri-n—octylamine Key pyruric 352