Kristallisation von Salicylsäure durch chemische Modifikation

Quelle: Kerry M. Dooley und Michael G. Benton, Department of Chemical Engineering, Louisiana Landesuniversität, Baton Rouge, LA

Verarbeitung von Biochemikalien umfasst Grundoperationen wie Kristallisation, Ultrazentrifugation, Membranfiltration und präparative Chromatographie, die gemeinsam große von kleinen Molekülen oder feste von der Flüssigkeit trennen müssen. Kristallisation ist das wichtigste aus Sicht der Tonnage. Aus diesem Grund wird es häufig in der Pharma-, Chemie- und Nahrungsmittelindustrie eingesetzt. Wichtige biochemische Beispiele sind chiral Trennungen,¹ Reinigung von Antibiotika,² Trennung von Aminosäuren aus Vorstufen,³ und viele andere Pharma-, Lebensmittelzusatzstoff^4-5 ,^6-7 und Agrochemie Reinigungen. ⁸ Die Kontrolle der Kristall Morphologie und Größe Verteilung ist entscheidend für Prozess-Ökonomie, wie diese Faktoren beeinflussen die Kosten der Weiterverarbeitung wie Trocknung, Filtration und Feststoffe vermitteln. Wenden Sie für weitere Informationen über Kristallisation sich an einen spezialisierten Lehrbuch oder ein Grundoperationen-Lehrbuch. ⁹

Referats Kristallisator (Abbildung 1) ermöglicht die Untersuchung von: (a) die Auswirkungen der Hauptparameter wie Übersättigung und Kühlung/Heizung Preise auf Feststoffe Inhalt, Morphologie und Kristall Größenverteilung; (b) und die Online-Kontrolle der Kristallisation Prozesse. Übersättigung kann durch Veränderung der Bedingungen wie Unruhe und Temperatur gesteuert werden. Die verschiedenen Klassifikationen der Kristallisation umfassen Kühlung, Verdunstungskühlung, pH Swing und chemische Modifikation. In diesem Experiment wird ein offline-Mikroskop von Kristallen reichen in der Größe von 10-1000 μm, einem typischen Größenbereich für Biologicals messen.

Abbildung 1: P & ID-Schaltplan (links) und Bild (rechts) der Kristallisator. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Dieses Experiment zeigt eine "chemische Modifikation" oder "pH-Swing" Kristallisation, Salicylsäure Säure (SAL) (Vorläufer des Aspirins) Kristalle aus der schnellen Reaktion von wässrigen Lösungen der grundlegenden Natrium Salicylat (NaSAL), die grundlegend sind, zu generieren und Schwefelsäure (H₂SO₄) überall von 40-80 ° C. ¹¹

Na⁺SAL ^{+ 0,5 H}₂SO₄ SAL (ppt) + Na⁺ + 0,5 SO₄^2-

Das Nebenprodukt Natriumsulfat bleibt wasserlöslich. Das Gerät besteht aus zwei feed Tanks, drei Variable Geschwindigkeit () Schlauchpumpen, Kristallisator (Rührbehälters zur Angleichung homogene Temperatur und Konzentration, ~ 5 L), ein im Umlauf für die Temperaturregelung, Leistungssteller, Produkttank, Bad und ein Make-up-Tank für feed-Regeneration mit NaOH-Lösung (falls gewünscht). Durch eine UV-Vis-Spektrometer für die verbleibende lösliche Salicylat-Ion Proben analysiert werden, und das Salicylsäure-Kristall-Produkt wird getrocknet und gewogen. Eine pH-Sonde lässt sich stationäre zu bestimmen, wenn Reaktionsbedingungen verändert werden.

Eine gemischt-Aufhängung, gemischt-Produkt-Entfernung (MSMPR) Kristallisator ist analog zu einem kontinuierlichen gerührt-Tank-Reaktor - perfekte Mischung aus festen und flüssigen Phasen angenommen wird. Industrielle Kristallisatoren selten (wenn überhaupt) nähern sich MSMPR Verhalten, aber das Konzept ist nützlich bei der Bank und Pilotmaßstab Einheiten. Und zwar deshalb, weil es eine einfache Möglichkeit, wichtige Parameter wie Wachstum, G, und Keimbildung, B⁰schätzen bietet. Vorhandene Kristalle und anderen festen Oberflächen, wie z. B. das Rührwerk katalysieren Keimbildung. Die Dichte, n der Kristalle ist eine Wahrscheinlichkeitsdichte in Bezug auf L, die primäre Kristall-Dimension. N dL /(Σn dL) ist den Anteil der Kristalle Oflength L, L + dL. In standard-Texte ist, die es, die für eine MSMPR Kristallisator gezeigt, ist die Lösung der Allgemeinbevölkerung Waagentyp für n:

(1)

wo B⁰ die Crystalnucleation-Funktion in Mols/Vol/Uhrzeit ist, und G die Wachstumsrate der Kristalle ist, dL/dt. Gleichung (1) prognostiziert eine exponentielle Verteilung für die Dichte in einem MSMPR hergestellt. Mit dem nullten (bezogen auf Kristall Konzentration) und erste (bezogen auf durchschnittliche Kristallgröße) Momente der Verteilung, B⁰ und G sind:

(2)
(3)

C_s die Konzentration der feste Kristalle in der Gülle, τ ist Verweilzeit, die etwa das flüssige Volumen dividiert durch den feed Volumenstrom ist, und ist die durchschnittliche Länge auf einer Nummer Basis, die mikroskopisch bestimmt wird .

Daher für eine MSMPR Kristallisator, Wachstum und Keimbildung raten die normalen Steuerungsparameter (Agitation Rate, Temperatur, Durchfluss usw.) bestimmt. Jedoch die Verteilung sollte immer exponentiell, und Abweichungen von eine exponentielle Verteilung vertreten unvollkommen Mischen der Feststoff oder Flüssigkeit. MSMPR (Rührbehälters) Kristallisator ist schlecht geeignet, um industrielle Kristallisierungen weil sie eine exponentielle Verteilung Kristall Größe, während in den meisten Anwendungen eine relativ schmale, Gauß, Distribution für Produkt Einheitlichkeit gewünscht wird . Seine Studie ist relevant weil: (a) Es ist fast immer ein Element eines größeren Kristallisator Design; (b) Es ist ideal für Tischwaage und Pilotanlage Arbeit geeignet, da der Grad der Übersättigung und Wachstum und Keimbildung Preise leicht aus den Rohdaten extrahiert werden kann; und (C) Es ist das einfachste Beispiel für das Geometrie mit Kristall Größenverteilung verknüpft werden kann.

Für konstante Temperatur und Rührwerk Geschwindigkeit B⁰ und G beziehen sich direkt auf die Übersättigung-ΔC, die den Stoffaustausch treibende Kraft für die Kristallisation ist:¹²

(4)

Die Befugnisse b und g sind systemspezifisch und können über einen weiten Bereich (z. B. 1-7,2 g) variieren. ¹²

Organische (Natrium Salicylat, NaSAL) und Säuren (Schwefelsäure, 0,25 M = 0,50 N) Lösungen werden dem Kristallisator zugeführt werden. Stellen Sie sicher, Latex Handschuhe beim Umgang mit NaSAL, Salicylsäure oder ihre Lösungen und die 0,25 M Schwefelsäure.

Die gesamte Anlage ist von einem PC mit einem kommerziellen verteilten Controller mit einer Schnittstelle ähnlich dem in Abbildung 1gesteuert. Alle ein-/ oder 3-Wege Magnetventile und Sollwerte Controller betrieben werden kann und über diese Schnittstelle geändert. Eine schematische Darstellung zeigt Trends der analoge Werte (Durchfluss, Temperatur) mit dem Gerät verbunden.

1. Inbetriebnahme der Kristallisator

Zu Beginn eines Laufes sollte alle kontinuierlichen Controller im manuellen Modus und alle Magnet Ventile sollte sein, dass entweder geschlossen (ein / aus) oder im Papierkorb (3-Wege) Modus.

1. Achten Sie darauf, dass dem Kristallisator ist voll auf die Überlauf-Ebene (~4.15 L) angegeben auf dem gerührten Behälter mit Wasser und Salicylsäure Gülle (in Kristallisation, die Gülle wird oft genannt "Magma"). Wenn nicht voll ist, fügen Sie diese über den Zusatz-Port.
2. Aktivieren Sie das Rührwerk für den Kristallisator und Thethermostated für das Bad und die Pumpen.
3. Den Temperaturregler für die Badtemperatur auf AUTO und der Sollwert auf die gewünschte Temperatur einstellen Die empfohlene Temperatur beträgt ~ 53° C für eine 50° C Kristallisator.
4. Legen Sie die Pumpengeschwindigkeiten unter Verwendung der Schnittstelle (z. B. 30 % geöffnet). Die Konzentrationen der Feeds, Festlegen der Volumenströme zur stöchiometrischen Gleichwertigkeit anhand der Gleichung (1).
5. Bestätigen Sie, dass der Produkttank nicht voll ist und das Ablassventil geschlossen ist.
6. Das Spektrometer-Gerät schalten Sie ein und die Kommunikation mit einen Link in der Bedienkonsole. Spektrometer Verfahren sind detailliert in der Bedienungsanleitung (SpectraSuite). Kalibrierung des Spektrometers steht zur Verfügung.

2. Betrieb dem Kristallisator

1. Heben Sie die Pumpenleistung wie nötig, um den gewünschten Durchfluss zu erreichen. Dies ist für die Säurelösung ~ 25-35 mL/min. Es ist für die nasale stöchiometrischen Gleichwertigkeit bestimmt.
2. Wechseln Sie zum Modus ernähren sich von beiden 3-Wege-Ventile. Dies ist die Stunde Null für ein Experiment.
3. Überprüfen Sie regelmäßig die Überlaufleitung. Unter bestimmten Bedingungen kann es bis zu blockieren. Wenn dies der Fall ist, verwenden Sie ein Stück Stahlrohr, die Zeile Eingabe den Produkttank Ries.
4. Sammeln Sie fünf Proben direkt aus dem Kristallisator durch den Probenport mit einer breit-Mund-Pipette und übertragen Sie sie auf 15 mL Probe oder Zentrifugieren Sie Röhren. Nehmen Sie zwei Sätze von Proben ca. 10-15 min auseinander.
5. Wiederholung an zwei anderen weit auseinander Wohnsitz Zeiten, Steuerung (Verweilzeit) durch Variation der volumetrischen Flussraten, aber die Aufrechterhaltung stöchiometrischen Gleichwertigkeit.

(3) Herunterfahren dem Kristallisator

1. Um das System herunterzufahren, stellen Sie die 3-Wege-Ventile zu recyceln und die Pumpe Ausgänge auf 0 ein %
2. Handbuch zurückzukehren Sie den Temperaturregler auf 0 % ausgegeben, und Abschalten der Pumpen, Rührwerken und thermostatisierten Bad.
3. Wenn das Spektrophotometer verwenden, denken Sie daran, die Lampen ausgeschaltet.

4. Analyse

Aufgelöste NaSAL und Salicylsäure-Konzentrationen können gleichzeitig durch UV/Vis Spektroskopie gemessen werden. Die Absorptionswerte der gelösten Salizylat und Salicylsäure Additiv auszugehen, weil die gleichen Chromophor beobachtet wird. Weitere Hinweise sind in Anhang a enthalten. Die Salicylsäure-Konzentration kann auch in der Einheit kg/m³ Gülle gravimetrisch ermittelt werden.

1. Zentrifugieren Sie die 15 mL-Tuben für 5 min und notieren Sie das Volumen der flüssigen Probe durch Dekantieren abgerufen. Die abgegossenen Flüssigkeit kann für die nasale spektralphotometrische Analyse verwendet werden.
2. Trocknen Sie die Reagenzgläser mit den Feststoffen aufrecht im Umluftofen bei 70ºC, zwei Tage lang.
3. Wiegen Sie, reinigen Sie die Rohre, dann wieder kurz vor dem Wiegen wieder um das Gewicht der Kristalle zu trocknen.

Abbildung 2 zeigt repräsentative Daten, die bescheidene Abweichungen vom Kristall Größenverteilung der ideal auch bei relativ hohen Geschwindigkeiten und geringen feed Konzentrationen MSMPR vorschlägt.

Abbildung 2 . Kristall-Größenverteilung für nasale Feed 0,16 M, 540 u/min, 60 ° C

Die Kristalle, die aus diesem Experiment zu bilden sind in der Regel Nadel geformt, und die Längenverteilung mikroskopisch bestimmt werden kann. Probe-Längen mit Abmessungen (in Mikron) typische Kristalle sind in Abbildung 3dargestellt. Das normale und bevorzugte Angebot an Kristallen ist 100-1000 Mikrometer.

Abbildung 3 . Vergrößerten Salicylsäure Kristalle. Die Größen sind in µm. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Vorausgesetzt, die Gleichungen der MSMPR Kristallisator (1-4), und mit einer Massenbilanz auf Salicylsäure, läuft die Konzentration der feste Kristalle im Magma (C_SAL), die Residenz Zeiten (τ), funktioniert die Wachstumsrate G, Mengen von Übersättigung in der wässrigen Phase ΔC Molaren, Keimbildung Funktion B⁰, und der Kristall Rendite sowohl ein Produkt und Futtermittel Grundlage ermittelt wurden. Die G-Funktion wurde aus Gleichung (3) mit der Partikelgrößenverteilung berechnet. Und die Übersättigung und Massenbilanz Gleichungen sind:

(5)

(6)

wo Q₁ befindet sich der Volumenstrom der nasalen Lösung, Q_t ist total Volumenstrom (C_nasale)₀ ist der feed Konzentration von NaSAL in Q₁und C_nasale und C_SAL sind das Produkt Konzentrationen von löslichen Salizylat und Kristalle, beziehungsweise. C-_Eq ist das Gleichgewicht (Grenzflächen) Konzentration der Salicylsäure, die ~2.2 g/L über den Temperaturbereich in dieser Demo verwendet.

Die Ausbeute wurde als feed definiert:

(7)

Und auf ein Produkt nur Grundlage wie:

(8)

Wenn der %-Fehler in der Massenbilanz auf Salizylat groß ist, dann ist es wahrscheinlich, dass C_SAL oder C_nasale sind im Irrtum, da beide schwierig, genau zu messen. Mit Blick auf die Werte der Y1 und Y2 (bei dem einen sinnvolleren Trend gibt), kann die primäre Quelle des Fehlers ermittelt werden.

Aus den Werten für G und B⁰wurden die Befugnisse "g" und "b" in Gleichung (4) anhand der linearen Regression geschätzt. Franck Et Al. berichtet eine Leistung "g" von ~ 3 und "b" von ~ 6 für dieses System¹¹ mit äußerst sterilen Bedingungen und hohen Rührwerk Geschwindigkeiten. Bestimmung der Unterschiede zwischen den experimentellen Befugnissen "g" und "b" und denen von Franck Et Al. ist hilfreich bei der Identifizierung von Faktoren, die die Wachstum und die Keimbildung Funktionen beeinflussen könnte. Repräsentative Daten für eine 50° C-Kristallisation mit feed-Konzentrationen von 0,35 M (NaSAL) und 0,25 M (H₂SO₄) sind in Tabelle 1 dargestellt.

Tabelle 1. Kristallisation Daten

Durchfluss, mL/min		Τ		Cnasale	C-SAL	Y1	Y2
NaSAL	H2SO4	min	mm	Mol/L	g/mL	%	%
119	59,5	23.3	700	0.063	0,022	69	72
85	42,5	32,6	876	0,059	0,026	81	76
51	25.5	54,3	1190	0,055	0,026	81	77

Diese Daten dienten auch für G und B⁰ zu lösen und linearer Regression wurde durchgeführt, um die Befugnisse "g" und "b" mit der linearisierten Gleichung (4) zu bestimmen. Linearer Regression der Log-Funktionen (ein Beispiel ist in Abbildung 4dargestellt) erhielt g = 1,1 und b = 2,4. Während des Trends bei den Mächten (b etwa doppelt so groß wie g) war die gleiche wie in Franck Et Al., die Kräfte selbst beobachtet deutlich Unterschied, und die Abhängigkeiten auf Übersättigung ΔC waren viel kleiner. Dies deutet darauf hin, dass andere Faktoren als ΔC Wachstum und Keimbildung Preise, wie z. B. unzureichende mischen, des relativ hohen pH-Wert, (für äquimolaren ernährt sich der pH-Wert sind zwischen 2,2-2,4) beeinflussen könnte, und ionischen Verunreinigungen im Wasser (kommunale Versorgung) eingeführt. Diese experimentelle Kräfte würde in Scale-up-Berechnungen, verwendet werden, da diese Faktoren als ΔC, vermutlich in der Pilot- und industriellen Designs vorhanden wäre.

Abbildung 4. Lineare Regression der Wachstumsrate G als Funktion der Übersättigung ΔC

Dieses Experiment wurde gezeigt, wie roh Konzentration, Durchfluss und Temperatur messen und MSMPR Theorie verwenden, um die wichtigsten Parameter erforderlich, um eine große, komplexe Kristallisator System zu entwerfen, zu schätzen. Die kritische Rolle der Verweilzeit in hohen Kristall Erträge und im controlling der durchschnittlichen Größe der Kristalle, wurde erforscht. Oft gibt es eine optimale Verweilzeit, da sehr große Kristalle selten erwünscht sind. Das gleiche gilt für das Mischen - mischen muß ausreichen, um zu verhindern, dass die feste Kristalle nach unten absetzen, aber zur gleichen Zeit die Rührer-Geschwindigkeit ist oft eine erhebliche Betriebskosten.

Einige der Probleme oft erlebt mit diesem Gerät - teilweisen Verstopfungen durch Partikel Agglomeration, Schwierigkeiten bei der Beschaffung einheitlicher Übersättigung durch Vermischung unvollkommen, und lange Zeiten, um Steady-State zu erreichen - sind üblich, auch gut gestaltet industrielle Kristallisatoren. Deshalb Kristallisator Entwürfe gesehen in den Herstellern Literatur oft erstaunlich komplex sind.

Dieser Prozess ist ähnlich wie Kristallisationen von anderen Biologicals, wie L-Ornithin-L-Aspartat-, die zur Behandlung von chronischem Leberversagen. ⁵ die Vorstufe L-Ornithin Hydrochlorid Kosten > 300$ / kg und ist schwer zu recyceln, so Design für hohe Kristall ergibt kritisch ist. Ein Beispiel für eine Antisolvent, im Gegensatz zu pH-Swing, biologische Kristallisation ist die Verfeinerung der Danazol, ein synthetisches Steroid zur Behandlung von Endometriose. ¹³ viele Medikamente sind hydrophob mit schlechte Löslichkeit in Wasser. Durch Auflösung der rohen Danazol Produkt in Ethanol und dann wieder kristallisieren, durch Mischen mit Wasser, ist ein reiner und kleinere Partikel Größe Kristall Produkt erhältlich. Kristallisation von Proteinen ist eine weitere wichtige Anwendung, zum Beispiel Lysozym-Produktion. ^{1 4}

Industrielle Kristallisatoren können entworfen werden, erzeugen sehr schmale Kristall Partikelgrößenverteilungen durch die Anwendung von Geldstrafen entfernen (z. B. ein Pumparound Wärmetauscher, die Temperatur um die kleinste Kristalle lösen sich leicht erhöht) und Größe () Klassifizierung z. B. ein "Sammelnetzwerk Bein", die Partikel auf der Grundlage ihrer terminal Geschwindigkeiten, sammeln nur die größte in der Bevölkerung trennt). Diese Design-Konzepte für anorganische Salz Kristallisation entwickelt wurden aber bewegen sich nun in den biologischen Bereich.

Materialliste

ANHANG A – MIT DEM SPEKTROMETER

1. Öffnen Sie die SpectraSuite-Software. Schalten Sie die UV und VIS Lampen auf die Quelle. Achten Sie darauf, die Lampen nach dem Gebrauch ausschalten. Stellen Sie den Erwerb Modus Scope (blaue S Schaltfläche auf der Symbolleiste).
2. Auf der Symbolleiste ändern Sie die Integrationszeit auf 250 ms, der Durchschnitt scannt , um 25und die Boxcar breite auf 2. Aktivieren Sie die Kontrollkästchen für Strobe/Lampe zu ermöglichen, Elektrische dunkle Korrekturund Streunende Licht-Korrektur.
3. Bereiten Sie Dunkle Spektrum und Referenzspektrum Dateien. Das Spektrometer erfordert die Entwicklung einer Dunklen Spektrum und ein Referenzspektrum Datei.
   1. Tauchen Sie die Sonde in ein Reagenzglas mit VE-Wasser gefüllt.
   2. Um eine Dunkle Spektrum -Datei zu erstellen, ziehen Sie die Sonde von der Lichtquelle (weißes Feld). Das Diagramm sollte fast die x-Achse verfolgen. Um Ihre neu erstellte Dunkle Spektrumzu speichern, klicken Sie auf die grauen Glühbirne, dann Datei -> Speichern -> Store dunkle Spektrum.
   3. Um ein Referenzspektrum -Datei erstellen, die Sonde Steckverbindung zurück in die Lichtquelle. Einige Gipfel sollte auf das Diagramm in SpectraSuite erscheinen. Dieses Referenzspektrumklicken Sie auf die gelbe Glühbirne, dann Datei -> Speichern -> Store Referenzspektrum.
   4. Wenn keine Einstellungen geändert werden (z. B. Integrationszeit, etc.), die Dunkle Spektrum und Referenzspektrum neu generiert werden müssen.
   5. Wechseln Sie vom Umfang zur Absorption (A) Modus. Nasale Lösungen sollten die Extinktion bei ~ 300-330 nm beobachtet werden.

Quantifizierung ist nur möglich, wenn nasale/Salicylsäure Säurelösungen Bier-Lambert Gesetz folgen (A ist in linearen Bereichs " """). Für das Salicylat-Ion, ist diese Region A < ~0.9 - 1. Aufgrund früherer Ergebnisse, dieses Kriterium legt nahe, dass nasale Lösungen auf 0,05 g/L (mit VE-Wasser) verdünnt werden müssen oder weniger für die Quantifizierung. Dann können die unbekannten Lösungen quantifiziert werden, indem Sie mit der Absorption von einer entsprechend verdünnten Standardlösung vergleichen:

wo C Konzentration, Absorption, "u" ein unbekanntes und "" s "" eine Standardlösung der NaSAL ist. Beachten Sie, dass beide "u" und "s" Absorption innerhalb des linearen Bereichs zeigen müssen.

In der Spektroskopie hängt die Absorption von zwei Faktoren, die Art der chemischen und seine Konzentration und die Weglänge in der Flüssigkeit. Ändern Sie die Konzentration durch Verdünnung.

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