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Crystallization thermodynamics of adenosine 5′-triphosphate

5′-三磷酸腺苷结晶热力学



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:20080505
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,Email: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=190343exp(-12799w),h=614053exp(113106w)。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,LIZhenjiang,XIONGJian,YINGHanjie
(ColegeofLifeScienceandPharmaceuticalEngineering,NanjingUniversityofTechnology,Nanjing210009,China)
Abstract:Adenosine5′triphosphate(5′ATP)isanimportantbioactivesubstanceThecrystalizationof
5′ATPwasdificultandhasbecomeahotspot.Thesolubilityandthemetastablezoneof5′ATPinetha
nolwatersolventhavebeenmeasuredbyusingstaticmethodandlasermethod.Thesolubilityparameters
wereobtainedthroughregressionofsolubilitydatabyasolubilitymodel—theequationofλh.Theequation
wasλ=190343exp(-12799w),h=614053exp(113106w).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
11 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
12 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81314J/(mol·K)。
  5′ATP的熔点Tm由热分析仪数据计算得出,为
4632K。
13 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
21 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/ASI100高效液相色谱仪 (美国 DI
ONEX)、BS110S分析天平(Sartorius)、夹套结晶器,
DC2030恒温水浴(±001℃)、磁力搅拌器、移液
管、真空烘箱。
22 溶解度和介稳区测定
221 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05h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。
222 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
31 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
32 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)=028%)
Table1 Solubilityof5′ATP(w(乙醇)=028%)
T/K xcat/10
-3 xesp/10
-3 ε 模型参数
2832 0708 0736 0038
2882 0952 0931 -0023
2932 1266 1267 0001
2982 1669 1657 -0007
3032 2180 2189 0004
λ=0527511
h=913757
 注:ε=(xesp-xcat)/xesp
表2 5′ATP的溶解度(w(乙醇)=039%)
Table2 Solubilityof5′ATP(w(乙醇)=039%)
T/K xcat/10
-3 xesp/10
-3 ε 模型参数
2832 03781 04055 0067
2882 04949 04953 0001
2932 06421 06191 -0037
2982 08259 08088 -0021
3032 10539 10714 0016
λ=0154853
h=2832015
表3 5′ATP的溶解度(w(乙醇)=049%)
Table3 Solubilityof5′ATP(w(乙醇)=049%)
T/K xcat/10
-3 xesp/10
-3 ε 模型参数
2832 01577 01605 0017
2882 01968 01950 -0009
2932 02438 02429 -0004
2982 03001 02989 -0004
3032 03670 03680 0003
λ=0021407
h=1674278
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)=061%)
Table4 Solubilityof5′ATP(w(乙醇)=061%)
T/K xcat/10
-3 xesp/10
-3 ε 模型参数
2832 00509 00527 0034
2882 00630 00664 0051
2932 00774 00767 -0009
2982 00945 00924 -0023
3032 01147 01127 -0018
λ=0005661
h=6076240
  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=190343exp(-12799w) (4)
h=614053exp(113106w) (5)
33 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08、12和15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08时5′ATP介稳区宽度
Fig.5 Metastablezonewidthof5′ATPwhen
solventvolumeratior=08
  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12时5′ATP介稳区宽度
Fig.6 Metastablezonewidthof5′ATPwhenr=12
图7 r为15时5′ATP介稳区宽度
Fig.7 Metastablezonewidthof5′ATPwhenr=15
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
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188193.
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(文伟河)
36 第1期 毛 亮等:5′三磷酸腺苷结晶热力学