電滲析技術清潔分離純化肌氨酸

汪耀明，李為，徐銅文

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電滲析技術清潔分離純化肌氨酸

汪耀明1，李為2，徐銅文1

（1中國科學技術大學化學與材料科學學院，安徽合肥230026；2合肥科佳高分子材料科技有限公司，安徽合肥 230601）

肌氨酸作為一種高附加值的精細化工產品具有廣泛的應用前景。目前肌氨酸的生產過程中存在肌氨酸產品與無機鹽的分離過程。傳統的分離方法為分步結晶法，存在能耗高、消耗的化學試劑多、污染大等缺點。為實現肌氨酸的清潔生產，本文采用自制電滲析裝置對肌氨酸進行分離純化，考察了操作電流以及溶液起始pH對整個分離效果的影響。結果表明，當操作電流為2 A，起始pH為6.5時，電滲析過程中無機鹽的去除率大于99%，其產品得率為71.5%，電滲析工藝生產肌氨酸的能耗為26.4 kW·h·t-1，總成本僅為311元·t-1，大大優于傳統的生產工藝。由此可見，電滲析工藝可實現肌氨酸產品的節能、環保生產。

離子交換膜；電滲析；肌氨酸；清潔生產

引 言

肌氨酸，又名-甲基甘氨酸，是合成肌酸的中間體，傳統上是作為工業用品染料穩定劑和日用化學品氨基酸型表面活性劑[1]。同時，肌氨酸還有一些獨特的生理功能，如提高人的智力、增加肌肉無氧力量和爆發力、防治大腦損傷、改善運動表現等諸多生理功能，在醫藥、保健品中得到越來越廣泛的使用[2-3]。特別是近年來的研究發現肌氨酸可作為前列腺癌非損傷性診斷的高靈敏性和特異性檢測試劑，具有廣泛的應用前景[4-7]。

肌氨酸的制備方法為化學合成法[8-11]，主要分為兩種，一種是從羥基乙腈出發，與甲胺進行反應生成甲氨基乙腈，甲氨基乙腈在堿性下水解得到肌氨酸鈉，肌氨酸鈉再通過酸化得到肌氨酸；另一種是從氯乙酸鈉出發，與甲胺在80～85℃下反應得到甲氨基乙腈，再在堿性下水解得到肌氨酸鈉，肌氨酸鈉再通過酸化得到肌氨酸。無論是哪種方法都會得到中間產物肌氨酸鈉，肌氨酸鈉通過強的無機酸（通常是鹽酸）進行酸化，得到摻雜無機鹽（氯化鈉）的目標產物。為了得到高純的肌氨酸，需要一個脫鹽純化的工藝，目前最常用的是分步結晶法，主要利用肌氨酸與氯化鈉在不同溫度下的溶解度差異性，氯化鈉隨溫度變化的溶解度差異較大而首先分離出整個體系。但是，這種傳統分離方法存在很多局限性。首先，整個分離過程很難精確控制。由于分離過程是根據結晶先后次序不同而進行的，無法定量地判斷分離終點，導致不同批次間的分離效果差異性較大。其次，這種傳統分離過程很難制備出高純度的產品。再次，整個分離過程的產品得率較低，分離過程中的肌氨酸的損失較大。最后，這種分步分離過程的能耗較大，環境污染嚴重。因此，如何選擇一種更加環境友好、能耗低、分離效率高的分離方法，是制備高純度肌氨酸產品的關鍵。

基于離子交換膜的電滲析作為一種環境友好、方便快捷的新型分離技術得到了人們越來越普遍的關注[12-14]，它的原理是利用離子的定向遷移和離子交換膜的選擇透過性，可以實現電解質溶液的濃縮或淡化[15-17]。利用電滲析的原理，進行常規氨基酸的分離純化常見報道，如胱氨酸、谷氨酸、酪氨酸、乳酸、甘氨酸等[18-21]，但是這類氨基酸都是屬于生命蛋白的基本氨基酸，而利用基于電滲析的電膜技術用于精細化工產品的新型氨基酸如肌氨酸的分離轉化卻鮮見報道。由于肌氨酸是弱酸，在其等電點處呈電中性，而氯化鈉是強電解質，利用這個特點，將摻雜無機鹽的肌氨酸母液的pH調節至肌氨酸的等電點，利用電滲析的原理，便可以實現對肌氨酸和氯化鈉的分離。本文主要探討利用電滲析技術生產肌氨酸的可行性，并對整個分離過程的經濟性進行評價。由于肌氨酸作為眾多化學合成氨基酸產品中的一種，其制備方法與其他氨基酸產品（如蛋氨酸、,-二甲基甘氨酸、苯甘氨酸、維生素B12、纈氨酸）比較類似，這類氨基酸化學合成法制備過程中均存在一個脫鹽的工藝，因此，本文提供的電滲析分離法可為這類氨基酸的清潔生產提供參照。

1 實驗材料和方法

1.1 材料

含氯化鈉的肌氨酸初品由某公司提供，以溶液形式存在，稱為肌氨酸母液，其鹽質量分數為2.1%。均相陰、陽離子交換膜（CJ-MA-2、CJ-MC-2）由合肥科佳高分子材料科技有限公司提供，其主要性能指標列于表1。

表1 膜的主要技術指標

1.2 實驗裝置

CJ-ED-1實驗室普通電滲析脫鹽系統，是由合肥科佳高分子材料科技有限公司自主設計產品，含有1對電極和7對均相離子交換膜（其中陰離子交換膜為CJMA-2，陽離子交換膜為CJMC-2），有效面積為300 cm2，整個電滲析過程的原理如圖1所示。DDS-307A型電導率測定儀（上海盛磁儀器有限公司）、SC-3610型離心機（安徽中科中佳科學儀器有公司）、IC-3000型離子色譜儀（戴安公司）。

1.3 電滲析實驗過程

本實驗所用的CJ-ED-1實驗室普通電滲析脫鹽系統，由合肥科佳高分子材料科技有限公司自主設計，整個電滲析系統主要由4部分構成：

①直流電源（WYL-605×2S，杭州余杭四嶺有限公司）。

②燒杯，用于儲存料液，分別為極室、濃縮室和淡化室（料液室）。

③潛水泵（HJ-311，浙江森森有限公司），用于循環料液，最大流速300 L·h-1，3臺泵分別與3個料液室通過硅膠管相連，形成3個獨立的閉合 回路。

圖1 電滲析法分離氨基酸母液的原理示意圖

Note: The dotted box means the repeating number of anion and cation exchange membrane is five

④電滲析膜堆。

膜堆包括：

①陽極和陰極，材質為釕銥電極。

②帶格網的有機復合墊片，厚度為0.08 cm，用于分隔相鄰的離子交換膜同時提供液體流動的通道。

③7張CJMC-2陽離子交換膜和7張CJMA-2陰離子交換膜，單張膜有效面積為110 mm×270 mm。

④支撐電解質：極室為400 ml，0.3 mol·L-1的硫酸鈉溶液作為極室的支撐電解質；在淡化室注入400 ml肌氨酸母液，濃縮室注入同樣體積的自來水。

在接入直流電源之前，膜堆先行循環30 min，使料液得到充分的循環和穩定。實驗過程中，連續測量電導率，按照設定的時間記錄數據；當電導率降至1000 μS·cm-1時停止電滲析實驗，同時取樣進行肌氨酸含量的檢測。整個實驗在室溫下進行。

1.4 計算公式

脫鹽率（r）的計算公式如下

式中，為電滲析實驗結束時肌氨酸液相色譜峰的峰面積；0為實驗開始時，母液中肌氨酸液相色譜峰的峰面積。

電滲析過程中的能耗（，kW·h·L-1）計算公式如下

式中，為膜堆的電壓降，V；為施加的電流，A；為料液室的體積，L；為時間。

1.5 測定方法

電導率通過電導率儀直接測定。

pH由pH計測定。

肌氨酸含量通過液相色譜儀（Agilent 1260 Infinity）進行測定。流動相為甲醇與水的混合溶液，比例為1:9，流速為1 ml·min-1；進料量為20 μl；檢測波長為210 nm。

2 實驗結果與討論

2.1 不同電流分離效果

圖2所示為電滲析不同操作電流對膜堆電壓降及溶液電導率的影響情況。從圖2 (a)中可以看出，隨著電流的增加，處理同等體積的料液所需的時間是逐步減少的，這主要是由于電流越大，電滲析過程中離子遷移的推動力越大，處理能力越快。同時，膜堆的電壓降隨著時間的進行有一個先降低后上升的趨勢，這是由本電滲析實驗中料液體系決定的。由于本電滲析實驗中濃縮室中的起始料液為自來水，在電場的作用下，肌氨酸母液中的鹽離子會遷移出淡化室，并不斷在濃縮室中累積；隨著離子的不斷遷移，整個濃縮室的電阻是不斷下降的，這也使得整個膜堆的電阻呈現出下降的趨勢。但是，隨著電滲析實驗的不斷進行，淡化室中可導電的無機離子逐漸減少，隨著淡化室中氯化鈉的耗盡，淡化室中的溶液電阻急劇上升，這也使得膜堆的電壓降急劇上升。當電流在1.0和1.5 A時，由于離子遷移的推動力相對較小，膜堆電壓降上升的速率較慢；而在高電流下，電壓上升的趨勢較快，并在直流電源最大電壓量程處保持恒定。從圖2 (b)中也可以看出，整個料液體系的電導率隨時間是逐步減少的，這也說明整個體系中的鹽含量是逐步減少的，肌氨酸母液中的鹽離子在電場的作用下，逐步遷移出整個體系。淡化室的電導率下降速率與施加的電流也直接相關，電流越大，電導率下降速率越快，這是由于電流越大，脫鹽驅動力越大，這與圖2 (a)中膜堆電壓降變化趨勢的原因是一致。

圖3顯示肌氨酸母液脫鹽率和產品得率隨不同操作電流的變化情況。從圖中可以看出，肌氨酸母液的脫鹽率在不同電流下均實現了99%以上的去除率，這也說明，通過電滲析過程可成功實現肌氨酸產品中氯化鈉的高效去除。從產品的得率來看，在電滲析過程中，肌氨酸的得率在不同電流下基本上都維持在70%左右的水平，這個值高于傳統的分步結晶法60%左右的得率。在電滲析過程中，肌氨酸產品有一定的損失，這主要是由兩方面原因導致：其一，由于肌氨酸既帶有堿性的氨基基團，又帶有酸性的羧基基團，這種兩性物質會發生部分解離，在電場的作用下，從淡化室遷移至濃縮室中，可稱之為電滲漏[22-23]。其二，由于肌氨酸為弱酸，由于淡化室中其含量較高，而濃縮室中含量較低，在濃度差的作用下，肌氨酸分子也會從淡化室中擴散至濃縮室，可稱之為分子擴散[24]。另外，從圖中也可以看出，肌氨酸的得率隨操作電流的增加有一個微幅下降的趨勢，電流越大，其產品的得率越小，這是由于電流越大，其電滲漏效應越明顯。從產品的得率考慮，整個電滲析過程在較低的電流下進行操作較為適宜。但是，電流越小，電滲析過程對肌氨酸母液的脫鹽速率越小，處理同等質量的肌氨酸產品所需的膜面積也就越大，其設備投資成本也就越大。折中產品得率和處理速率，操作電流選擇為2 A較為合適。

圖2 不同電流下的膜堆電壓降及溶液電導率變化

圖3 不同電流下的肌氨酸母液脫鹽率及產品得率

2.2 不同pH分離效果

圖4所示為在電滲析操作電流為2 A時，不同pH的肌氨酸母液對膜堆電壓降及溶液電導率的影響情況。從圖4 (a)中可以看出，不同pH的肌氨酸母液對電壓降的影響不是特別顯著。處理同等體積的肌氨酸母液在pH為4和9時所需的時間比pH為6.5時略有增多，這主要是由肌氨酸這種兩性物質的特性導致的。根據文獻所示，肌氨酸的等電點為6.73[25]；在pH為4和5時，肌氨酸分子失去質子，主要以帶負電的羧酸根離子形式存在；在pH為8和9時，肌氨酸分子得到質子，主要以帶正電的銨根離子形式存在（如圖5所示）。因此，肌氨酸母液的起始pH在偏酸性和堿性時，其肌氨酸分子會發生部分解離，當肌氨酸母液中的無機離子遷移出淡化室時，這部分解離出弱電解離子可充當電解質，使得實驗所需時間略有增加。從圖4 (b)中可以看出，電滲析過程中淡化室的溶液電導率隨時間逐步下降，不同pH之間的下降速率基本一致。

圖4 溶液不同起始pH下的膜堆電壓降及溶液電導率變化

圖5 肌氨酸分子電荷變化圖

圖6顯示肌氨酸母液脫鹽率和產品得率隨不同起始pH的變化情況。從圖中可以看出，肌氨酸母液的脫鹽率在不同起始pH下均實現了99%以上的去除率。同時，當pH為6.5時，肌氨酸產品的得率最高，達到了71.5%。而pH為酸性和堿性時，由于其離子解離比例比較大，在電滲析過程中隨電場發生遷移的比例也會越大，導致最終產品的收率會略有下降。

圖6 不同pH下的肌氨酸母液脫鹽率及產品得率

2.3 過程能耗

通過對電滲析過程的能耗及成本進行評估[26-27]，可為企業對項目立項的判斷提供依據。根據電滲析成本評估公式，對電流為2 A，初始pH為6.5時，電滲析處理肌氨酸母液的成本和能耗進行了評價，結果見表2。整個電滲析過程的成本包括能耗成本和投資成本。固定投資成本包括設備投資、利息以及設備維護費用；設備投資主要包含膜堆成本以及外輔成本；膜堆成本一般為膜成本的1.5倍，而外輔成本為膜堆成本的1.5倍；利息和維修費用按總投資的8%和1%進行計算。從表中可以看出，利用電滲析處理肌氨酸料液的能耗僅為26.4 kW·h·t-1，遠遠低于傳統的蒸發結晶過程，電滲析過程處理氨基丁酸料液的總成本僅為311元·t-1。

表2 電滲析處理肌氨酸料液能耗及成本分析

3 結 論

（1）電滲析過程實現了肌氨酸產品的清潔化生產，整個過程不添加額外化學試劑，過程優化，操作方便快捷。

（2）電滲析過程對肌氨酸母液中氯化鈉的去除率大于99%，產品得率為71.5%，無論是去除率還是得率均高于傳統的分步結晶過程。

（3）電滲析工藝生產肌氨酸的能耗為26.4 kW·h·t-1，電滲析技術生產肌氨酸的總成本為311元·（t母液）-1，通過規模化生產，其處理費用有望進一步降低。

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Electrodialysis for cleaner separation and purification of sarcosine

WANG Yaoming1, LI Wei2, XU Tongwen1

School of Chemistry and Material ScienceUniversity of Science and Technology of ChinaHefeiAnhuiChinaHefei ChemJoy Polymer Materials CoLtdHefeiAnhuiChina

Sarcosine is a high-value fine chemical which has many significant applications. Now there is a separation process to remove the inorganic salts from the target product during the production of sarcosine. Multistage fractional crystallization is the conventional separation technology for sarcosine production which has many drawbacks such as high energy consumption, large consumption of chemicals and environmental pollution. To achieve cleaner production of sarcosine, a self-made electrodialysis stack was used in the separation and purification of the target product. The influences of current density and initial pH value in the feed solution on the production of sarcosine were investigated. Results indicated that salt removal rates higher than 99% and a product recovery ratio of 71.5% can be obtained at a current of 2 A and initial feed solution of pH 6.5. The total energy consumption for sarcosine production was 26.4 kW·h·t-1and the total process cost was estimated at 311 ￥·t-1, which is much less than the conventional separation technologies. It can be seen that electrodialysis is not only energy-saving but also environment- friendly for the industrial production of sarcosine.

ion exchange membrane; electrodialysis; sarcosine; cleaner production

2015-05-25.

Prof.XU Tongwen, twxu@ustc.edu.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20150701

TQ 028.8

A

0438—1157（2015）08—3137—07

徐銅文。

汪耀明（1984—），男，博士，副研究員。

國家自然科學基金項目（21276247，21476220）。

2015-05-25收到初稿，2015-06-08收到修改稿。

supported by the National Natural Science Foundation of China (21276247, 21476220).