電滲析在左旋肉堿脫鹽工藝中的應(yīng)用與研究

高 旺 楊毅寧 李國才 王海濤 常 娜

（1、朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司肅寧分公司，河北 滄州062350 2、天津工業(yè)大學(xué)，天津300387 3、綠邦膜分離技術(shù)（天津）有限公司，天津300221）

1 概述

左旋肉堿別稱L- 肉毒堿。其本質(zhì)是一種類氨基酸，它可以將脂肪轉(zhuǎn)化為能量供人類使用。外觀呈白色晶狀體或白色透明細(xì)粉，對人體沒有副作用，但是與人體的健康有關(guān)，紅色肉類是左旋肉堿的主要來源。左旋肉堿在人體內(nèi)發(fā)揮著積極的作用，如：可以有效提高細(xì)胞內(nèi)丙酮酸脫氫酶的活性，促進(jìn)葡萄糖的氧化速率，有利于減緩運動時產(chǎn)生的疲勞感；有助于保護細(xì)胞膜的穩(wěn)定性，可以增強人體的免疫力。

目前左旋肉堿的制備方法主要有直接提取法、生物合成法、化學(xué)合成法、消旋體拆分法等[1，2]。通過這些方法所制得的左旋肉堿存在著不同的問題，如：產(chǎn)量低，純化步驟多，成本高且難以形成規(guī)模化生產(chǎn)。其中最重要的一個工藝化環(huán)節(jié)是左旋肉堿的脫鹽純化，主要應(yīng)用的方法有萃取法，離子交換法、色譜分離法等。這些方法存在不同的弊端，例如生產(chǎn)周期較長、污染大、原料消耗多等。本文主要介紹了一種高效的左旋肉堿脫鹽純化方法，即電滲析法。電滲析法的優(yōu)點是無外加藥劑、物料損失率低、污染小、生產(chǎn)周期短等。

2 方法介紹

2.1 離子交換法

離子交換法主要用于化學(xué)合成法所得到的含左旋肉堿的產(chǎn)品的純化除鹽。此工藝要利用10%氨水洗滌交換樹脂以獲取產(chǎn)品，后用鹽酸溶液再生柱子，所以會消耗大量氨水和鹽酸并產(chǎn)生大量廢水。使用過后的鹽酸會進(jìn)入污水系統(tǒng)，氨水進(jìn)入蒸發(fā)工序，吸收不完全則可能進(jìn)入大氣污染環(huán)境，這給污水和廢氣處理造成極大壓力。[3]

2.2 萃取法

萃取法主要利用了鹵化物無機鹽完全不溶于添加有脂肪酸脂肪酯的低級烷基醇，左旋肉堿能溶于此類混合溶劑等特點，來實現(xiàn)純化除鹽，獲得高純度的左旋肉堿產(chǎn)品[4]。該法對左旋肉堿的提純耗時較長，若粗產(chǎn)品復(fù)雜，需根據(jù)萃取情況選用不同的萃取劑進(jìn)行提純，且對有機溶劑的處理處置也是一個棘手的問題。

2.3 色譜分離法

色譜分離法是采用色譜柱對左旋肉堿和無機鹽進(jìn)行分離。該分離方法需在溫度為0-100℃，pH 為3-8 的條件下進(jìn)行，首先將含有肉堿和無機鹽的肉堿粗品用去離子水配制成質(zhì)量百分濃度為1%-40%的水溶液，使水溶液進(jìn)入裝填色譜介質(zhì)的色譜柱，再以水作為洗提劑進(jìn)行洗提，分別收集洗提液和殘留液，從而獲得左旋肉堿和無機鹽兩種產(chǎn)物[5]。其缺點在于采用單一色譜柱效率低下，所以一般采用連續(xù)色譜分離系統(tǒng)進(jìn)行色譜分離，從而導(dǎo)致分離單元過多，清洗難度大，離子交換樹脂重復(fù)使用率低。

2.4 電滲析法

電滲析法是在直流電場的作用下，利用離子交換膜的選擇透過性，使溶液中的離子發(fā)生遷移，溶液中的陰、陽離子（無機鹽）分別通過陰、陽離子交換膜進(jìn)入到另一個水系中而達(dá)到脫鹽的目的。含有高鹽的左旋肉堿粗品通過電滲析設(shè)備，將粗品中的無機鹽脫除，從而滿足生產(chǎn)的進(jìn)一步要求。采用電滲析法相比其他方法有以下優(yōu)勢：

（1）不引入其他藥劑，保證更高的物料純度，降低物料損失率。

（2）污染小，脫鹽過程中產(chǎn)生其他的污染物較少。

（3）工藝相對簡單，更加穩(wěn)定可靠。

下面通過我司參與所做的某藥廠中試實驗，來具體說明電滲析技術(shù)在左旋肉堿脫鹽工藝應(yīng)用中的優(yōu)勢。

3 實驗

3.1 實驗設(shè)備

實驗所采用的是綠邦膜公司的中試一體化設(shè)備, 電滲析器型號為ROWER-C，配備的膜片型號為REMEX-C，膜尺寸為400mm×800mm，膜堆中共有250 對膜片，膜堆有效面積約51.2m2。配套相應(yīng)的電源、動力、容器、自動化儀器儀表等，而組成的撬裝式一體化設(shè)備ROWER-EP。

3.2 實驗?zāi)繕?biāo)

根據(jù)某藥廠的要求，生產(chǎn)過程中需要將生產(chǎn)原料液（左旋肉堿粗料）中的鹽分（主要是氯化銨、氯化鈉等無機鹽）采用電滲析法進(jìn)行脫除。要求生產(chǎn)原料液的電導(dǎo)率經(jīng)過電滲析脫鹽后需達(dá)到100μS/cm 以下，物料的損失率越低越好，達(dá)到對左旋肉堿脫鹽純化的目的，淡水中肉堿的濃度越高越好，為后續(xù)蒸發(fā)提純減少蒸汽使用量。

3.3 方法與步驟

3.3.1 初步實驗

初次實驗（實驗1）直接對原料進(jìn)行脫鹽，將500L 料液置于電滲析系統(tǒng)的淡水箱中，濃水箱采用電導(dǎo)率小于100μS/cm 的純水，循環(huán)脫鹽。隨著濃水中無機鹽的濃度上升，濃淡水之間的濃度差已經(jīng)達(dá)到極限，更換濃水繼續(xù)脫鹽。經(jīng)過三次濃水的更換，淡水的電導(dǎo)率最終達(dá)到89μS/cm，達(dá)到了業(yè)主的要求。對實驗的過程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定電滲析的脫鹽級數(shù)為兩極，并通過電流效率的分析，確定了每一級濃淡水的最佳終點（電導(dǎo)率）。

3.3.2 深入實驗

由于原料中肉堿的含量（旋光度）高，與濃水的濃度差大，必然會有肉堿竄入到濃水中，物料發(fā)生損失。為了避免此情況的發(fā)生，需要降低物料的濃度，加入一定比例的純水，從而保證物料的保有率，降低物料的損失。經(jīng)過數(shù)批次的不同配比的實驗，最終找到最佳的純水配比量，極大的降低了物料損失率，每批次的脫鹽時間較為穩(wěn)定，重現(xiàn)性較高。

表1 淡水側(cè)數(shù)據(jù)

表2 濃水側(cè)數(shù)據(jù)

從表1 中可以看出，6 批次的脫鹽終點均能夠達(dá)到100μS/cm 以下，隨著純水的配比減少，淡水的旋光度逐漸增高，從表2 中可以看出，除初次實驗外，后5 批次中濃水排水的旋光度極小，側(cè)面反映肉堿的含量極低。通過計算分析肉堿的損失量極小。結(jié)合表1 和表2 最終確定了純水與原料的最佳配比為1：0.814，生產(chǎn)原料液與濃水排放比為1:2.85。

4 結(jié)果與分析

4.1 進(jìn)出水質(zhì)情況

通過對6 次實驗的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理發(fā)現(xiàn)，第五次實驗最為理想。淡水的進(jìn)出水水質(zhì)見表3。

表3 淡水進(jìn)出水水質(zhì)

經(jīng)過多次實驗，調(diào)節(jié)水量及各工作參數(shù)，最終達(dá)到了處理要求，即電導(dǎo)率低于100μS/cm，物料損失率達(dá)到了0.05%以內(nèi)，物料保有率達(dá)到了99%以上。有效實驗數(shù)據(jù)如表4 所示。

表4 物料損失率/保有率表

對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以看出，在左旋肉堿與無機鹽的分離工程中，可以使原料液的電導(dǎo)率降低；通過對原料液補水，使物料損失率降至最低，且出水物料濃度高、純度高。經(jīng)測算單位能耗處理物料約10.8kg/kWh，體現(xiàn)了該技術(shù)的經(jīng)濟性。

4.2 結(jié)論

在左旋肉堿的生產(chǎn)過程中，其粗品的脫鹽純化可以通過電滲析技術(shù)來實現(xiàn)。電滲析技術(shù)相比其他工藝而言，具有物料保有純度高、物料損失率低、脫鹽效率高、工藝簡單穩(wěn)定等優(yōu)點，可以成功將料液中的左旋肉堿與無機鹽進(jìn)行分離，無藥劑投入，產(chǎn)生的廢水污染指數(shù)低。因此，采用電滲析技術(shù)對左旋肉堿進(jìn)行脫鹽純化具有一定的社會與經(jīng)濟效益，可以推廣到實際應(yīng)用中。