全 文 :第7卷第1期
2009年1月
生 物 加 工 过 程
ChineseJournalofBioprocessEngineering
Vol.7No.1
Jan.2009
收稿日期:20080505
基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2007CB714305);国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2006AA02Z236,
2007AA021603)
作者简介:毛 亮(1983—),男,江苏常州人,硕士研究生,研究方向:生物分离工程;应汉杰(联系人),教授,博士生导师,Email:yinghanjie134@163.com
5′三磷酸腺苷结晶热力学
毛 亮,张 磊,李振江,熊 健,应汉杰
(南京工业大学 制药与生命科学学院,南京 210009)
摘 要:5′三磷酸腺苷(5′ATP)是重要的生物活性物质,其结晶过程困难,是研究的热点。分别采用静态法和激
光法测定了5′ATP在不同温度的乙醇 水体系中的溶解度和介稳区宽度,并用溶解度模型———λh方程回归了溶解
度数据,得到的溶解度关联方程为 λ=190343exp(-12799w),h=614053exp(113106w)。研究表明,5′ATP
的溶解度随着温度的升高而升高,随着乙醇与水体积比r的升高而下降;其介稳区宽度随着温度的升高略有增大,
随着乙醇与水体积比r的升高明显减小。这为5′三磷酸腺苷工业结晶装置及生产线的设计、工程放大和工业结
晶生产操作提供了理论依据。
关键词:5′ATP;结晶;介稳区;溶解度
中图分类号:O645.16+4 文献标志码:A 文章编号:1672-3678(2009)01-0059-05
Crystalizationthermodynamicsofadenosine5′triphosphate
MAOLiang,ZHANGLei,LIZhenjiang,XIONGJian,YINGHanjie
(ColegeofLifeScienceandPharmaceuticalEngineering,NanjingUniversityofTechnology,Nanjing210009,China)
Abstract:Adenosine5′triphosphate(5′ATP)isanimportantbioactivesubstanceThecrystalizationof
5′ATPwasdificultandhasbecomeahotspot.Thesolubilityandthemetastablezoneof5′ATPinetha
nolwatersolventhavebeenmeasuredbyusingstaticmethodandlasermethod.Thesolubilityparameters
wereobtainedthroughregressionofsolubilitydatabyasolubilitymodel—theequationofλh.Theequation
wasλ=190343exp(-12799w),h=614053exp(113106w).Itwasfoundthatthesolubilityof5′ATP
increasedwiththeincreaseofthetemperature,anddecreasedwiththeincreaseofthesolventvolume
ratior.Themetastablezonewidthincreasedslightlywiththeincreaseofthetemperature,butdecreased
observablywiththeincreaseofthesolventvolumeratior.Theresultscanprovidebasicthermodynamics
dataforindustrialcrystalizerdesignandindustrialprocessoperationof5′ATP.
Keywords:5′ATP;crystalization;metastablezone;solubility
5′三磷酸腺苷(5′ATP)在医疗领域被广泛用
作细胞激活剂,对肌肉萎缩、脑溢血后遗症、心肌疾
患及肝炎等多种疾病均有良好疗效,被称为人体内
的“能量货币”,是生物体内能量交换的中心物
质[1]。目前,三磷酸腺苷的主要生产方法有光合磷
酸化法、化学合成法和酶催化反应法等[2]。三磷酸
腺苷多数以冻干粉的形式存在,在正常室温下极易
吸湿和潮解,但也有报道用数倍的乙醇冷却结晶,
但收率和纯度都过低[3]。因此,有必要对三磷酸腺
苷的结晶过程进行研究。
溶解度和超溶解度等热力学性质对于结晶操
作方式的选择、结晶过程的收率等均有较大的影
响,同时还是结晶器设计和结晶过程操作的关键数
据[4]。对5′三磷酸腺苷结晶过程中的溶解度、介
稳区等基础热力学性质进行系统研究,可以为结晶
工艺的开发提供基础数据。
1 理论部分
11 溶解机理探讨
5′ATP的结构见图1,在乙醇 水体系中,最后
的一个磷酸基团上面的 H+可以发生部分的电离,
其离解的电离方程式如下:
5′ATP(H2)5′ATP(H)+H
+5′ATP2-+2H+
解离后的P—O-上具有孤对电子,能与周围的
5′ATP羟基上的H形成氢键而使溶液成为缔合的
非理想溶液。
图1 5′ATP的结构
Fig.1 Structureof5′ATP
12 溶解度模型
固 液平衡的关联方法大致可分为状态方程法、
经验关联法和活度系数法。相比而言,基于溶液理
论的活度系数法的应用最为广泛。
由于5′ATP在乙醇 水体系中容易缔合形成非
理想溶液,而由Buchowski等[5]提出的λh方程能够
处理固液平衡中溶质的自缔合现象。因此选用基
于活度系数法的 λh方程对5′ATP在不同比例乙
醇 水混合溶剂中的溶解度数据进行关联。
λh方程为
ln[1+λ(1-x2)x2
-1]=λh(T-1-Tm
-1)(1)
式中:x2为固体溶质的平衡溶解度(摩尔分数);T和
Tm分别为平衡温度和固体溶质的熔点温度,K;h是
焓因子;λ是饱和溶液非理想性的量度,定义式分
别为
λ=
ln(1-α1)
lnα2
(2)
hR=ΔHm +H
E/xsat2 (3)
式中:α1、α2分别是溶剂和溶质的活度;ΔHm为熔化
热;HE是混合焓;x2
sat是饱和溶液中溶质的摩尔分
数;R为普适气体常数81314J/(mol·K)。
5′ATP的熔点Tm由热分析仪数据计算得出,为
4632K。
13 介稳区
溶解度平衡曲线与超溶解度曲线之间的区域
称为结晶的介稳区[6]。丁绪淮等[7]对溶液介稳区
的各种影响因素进行了研究,指出溶液的溶解度曲
线与超溶解度曲线是不同的。对于一个特定的物
系,在一定压力下的溶解度曲线是固定的,而超溶
解度曲线往往受流体力学、晶种量、降温速率、器壁
性质、试样体积、物理场(如超声场、电场、重力场、
磁场)和杂质等因素的影响,故介稳区的宽度也相
应地受影响。
2 实验部分
21 实验原料及仪器
原料:5′三磷酸腺苷(纯度大于99%)、实验室
自制的去离子水、分析纯无水乙醇。
仪器:NETZSCH热分析仪(DSC204)、P680/
UVD170U/ASI100高效液相色谱仪 (美国 DI
ONEX)、BS110S分析天平(Sartorius)、夹套结晶器,
DC2030恒温水浴(±001℃)、磁力搅拌器、移液
管、真空烘箱。
22 溶解度和介稳区测定
221 溶解度测定
采用静态法测定5′ATP在不同温度的乙醇 水
混合溶剂中的溶解度。向结晶器中加入定量的一定
配比的乙醇 水混合溶剂以及过量的5′ATP,恒温搅
拌,每05h取样,用HPLC测定清液中5′ATP质量
浓度,直至质量浓度不再变化,此时即得到5′ATP在
该温度该溶剂体系下的饱和溶液,经计算可得5′ATP
该温度该体系中的溶解度。按照上述方法可得到不
同温度、不同溶剂配比下的溶解度数据。
222 超溶解度测定
采用激光法测定5′ATP在不同温度的乙醇 水
混合溶剂中的超溶解度,实验装置如图2所示,由恒
温系统,结晶器,激光测量系统和机械搅拌器4部分
组成。激光测量系统包括3部分:激光发射器、光电
06 生 物 加 工 过 程 第7卷
转换器和激光接收器。当溶液开始产生晶核时,通
过结晶器的激光强度突然减弱,与光电转换器相连
的微机工作站读数发生突变。
图2 5′ATP介稳区性质研究装置
Fig.2 Setupforthemetastablezoneof5′ATPmeasurement
将一定体积比的乙醇 水溶剂置于结晶器中,根
据已测得的该溶剂体系下溶解度数据,加入稍过量
的5′ATP。先以5K/h的速率升温,当透光率发生
突变时记录此时温度,该溶液为此温度对应的饱和
溶液;将该溶液迅速升温5K,然后以3K/h的速率
降温,当透光率再次突变时记录该温度,即为此饱
和溶液对应的超溶解度温度值。改变5′ATP的加
入量,重复以上操作。记录至少8个点,绘制超溶解
度曲线,并与溶解度曲线进行比较,得到介稳区。
3 结果与讨论
31 溶解度
5′ATP的溶解度曲线如图3和图4所示。由图
3可以看出,5′三磷酸腺苷的溶解度曲线是连续的,
并且溶解度随着温度的升高而升高,这与5′ATP的
溶解是吸热过程相符合,温度的升高促进了5′ATP
的溶解,导致5′ATP的溶解度增大。由图4可以看
出,5′ATP的溶解度随乙醇与水体积比r的升高而下
降,其原因可能与混合溶剂的介电常数随乙醇含量的
增加而由大变小有关,介电常数的降低减小了混合溶
剂的溶剂化能力,从而降低了5′ATP的溶解度。
图3 5′ATP在不同温度下的溶解度曲线
Fig.3 Solubilityof5′ATPatdiferenttemperatures
图4 5′ATP在不同配比溶剂中的溶解度曲线
Fig.4 Solubilityof5′ATPatdiferent
solventvolumeratior
32 溶解度模型参数的回归
根据5′ATP 乙醇 水溶液体系的特点和各种
固液平衡模型的适用范围,选用 λh方程对5′ATP
在不同比例乙醇 水混合溶剂中的溶解度数据进行
关联。不同乙醇质量分数的乙醇 水体系的5′ATP
的溶解度如表1~4所示。
表1 5′ATP的溶解度(w(乙醇)=028%)
Table1 Solubilityof5′ATP(w(乙醇)=028%)
T/K xcat/10
-3 xesp/10
-3 ε 模型参数
2832 0708 0736 0038
2882 0952 0931 -0023
2932 1266 1267 0001
2982 1669 1657 -0007
3032 2180 2189 0004
λ=0527511
h=913757
注:ε=(xesp-xcat)/xesp
表2 5′ATP的溶解度(w(乙醇)=039%)
Table2 Solubilityof5′ATP(w(乙醇)=039%)
T/K xcat/10
-3 xesp/10
-3 ε 模型参数
2832 03781 04055 0067
2882 04949 04953 0001
2932 06421 06191 -0037
2982 08259 08088 -0021
3032 10539 10714 0016
λ=0154853
h=2832015
表3 5′ATP的溶解度(w(乙醇)=049%)
Table3 Solubilityof5′ATP(w(乙醇)=049%)
T/K xcat/10
-3 xesp/10
-3 ε 模型参数
2832 01577 01605 0017
2882 01968 01950 -0009
2932 02438 02429 -0004
2982 03001 02989 -0004
3032 03670 03680 0003
λ=0021407
h=1674278
16 第1期 毛 亮等:5′三磷酸腺苷结晶热力学
表4 5′ATP的溶解度(w(乙醇)=061%)
Table4 Solubilityof5′ATP(w(乙醇)=061%)
T/K xcat/10
-3 xesp/10
-3 ε 模型参数
2832 00509 00527 0034
2882 00630 00664 0051
2932 00774 00767 -0009
2982 00945 00924 -0023
3032 01147 01127 -0018
λ=0005661
h=6076240
从回归结果可以看出,λh方程能较好地关联
5′ATP在乙醇 水体系中的溶解度数据。由于 λ是
表征饱和溶液非理想性的溶质单体平均缔合数,h
是焓因子即溶液体系溶解热的量度[5],随着乙醇与
水体积比r即混合溶剂非极性程度的增加极性溶质
5′ATP的缔合度下降,同时 5′ATP在溶剂中溶解
所需能量也随之提高。因此,随溶剂中乙醇含量的
增加,λ减小,h增加。用实验数据回归模型参数 λ
和h与w(乙醇的质量分数,%)的关系式为
λ=190343exp(-12799w) (4)
h=614053exp(113106w) (5)
33 介稳区
只有当实际操作点在整个结晶过程中都处于
介稳区内时,才能实现对成核和晶体生长速率的实
际控制[8],从而对工业结晶过程提供指导。因此本
实验在一定的搅拌速率的条件下,测定了乙醇与水
体积比r分别为08、12和15时的介稳区宽度,
比较了温度和r对介稳区宽度的影响,实验结果如
图5~7所示。
图5 r为08时5′ATP介稳区宽度
Fig.5 Metastablezonewidthof5′ATPwhen
solventvolumeratior=08
由图5~7可以看出,在不同 r的条件下,超溶
解度曲线和溶解度曲线大致平行,当温度升高到
295K后,随着温度的升高介稳区宽度有所增大。而
随着r的增大,介稳区宽度明显变窄。由于在介稳
图6 r为12时5′ATP介稳区宽度
Fig.6 Metastablezonewidthof5′ATPwhenr=12
图7 r为15时5′ATP介稳区宽度
Fig.7 Metastablezonewidthof5′ATPwhenr=15
区宽度过窄的条件下,过饱和溶液容易越过介稳区
进入不稳区,出现爆发成核现象[9]。因此,在结晶
操作过程中,结晶温度不宜过低,并且要控制乙醇
与水体积比,不宜过大。
4 结 论
1)采用了静态法测定了5′ATP在不同温度和
不同r条件下的溶解度;5′ATP的溶解度随着温度
的升高而升高,随着r的升高而降低。
2)采用λh方程回归了上述溶解度数据,λh方
程的关联效果在整个溶析剂浓度变化区间内很稳
定,收敛性较好,并回归得到模型参数 λ和 h与 w
的经验关系式。
3)采用激光法测定了5′ATP在不同 r条件下
的介稳区宽度,考察了温度和 r对介稳区宽度的影
响,可以作为结晶器设计中选择适宜的操作过饱和
度的依据。
符号说明:
ρ 溶质质量浓度,g/L
ρeq 平衡溶解度,g/L
R 气体常数,J/(mol·K)
26 生 物 加 工 过 程 第7卷
T 温度,K
Tm 溶质熔点,K
x2 溶质摩尔分率
xcal 溶质摩尔分率理论值
xexp 溶质摩尔分率实验值
w 有机溶剂质量分数
ε 相对偏差
h、λ λh方程参数
参考文献:
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188193.
国外动态
帝斯曼集团(DSM)与LibraGen医药公司合作研发催化酶
全球知名化工集团DSM与法国医药公司LibraGen近期签署合作协议,将共同研发并生产以手性胺为原
料合成的新型Ω-转氨酶,用以催化旋光纯胺类化合物的合成。
该项目计划研发可催化酮类物质反应生成高纯度R-和S-胺类物质的酶,这2种胺类物质现在越来越
广泛地被用来合成活性医药原料(API)和精细化工原料。生产酶的过程将采用 DSM的大规模发酵方式,鉴
于酶的荧光活性,为方便生物催化,LibraGen将采用简易包装对医药生产企业进行销售。双方的合作将拓宽
LibraGen的客户群范围,延伸至化妆品、医药以及精细化工领域。
以用牛血清蛋白生产纳米纤维
以色列技术学院机械工程系和海法卢瑟贝瑞技术研究所的科学家,利用从牛血中提取的天然蛋白,制
成一种可用来生产新一代医用缝合线和绷带的纤维。
牛血清蛋白与人体中大量存在的血清蛋白相似,用它生产纤维具有生物兼容性好、持久耐用的特点。
为了提取纳米纤维,科学家向牛血清蛋白液中添加了一种化学物质,将这些蛋白紧密折叠在一起的结合力
减弱,形成一种更容易抽取纤维的稀释溶液;然后,研究人员利用“电纺丝”技术生产出高强度医用纳米纤
维。用这种技术生产的纳米纤维除可用于缝合线和绷带外,在生物医学、电子、航空航天、服装等领域也有
广泛的应用前景。此外,这种方法也可用于其他天然蛋白。
(文伟河)
36 第1期 毛 亮等:5′三磷酸腺苷结晶热力学