התגבשות חומצה סליצילית באמצעות שינוי כימי

Overview

מקור: קרי מ. דולי ומייקל בנטון, המחלקה להנדסה כימית, אוניברסיטת לואיזיאנה סטייט, באטון רוז', לוס אנג'לס

עיבוד הביוכימיקלים כרוך בפעולות יחידה כגון התגבשות, אולטרה-צנטריפוגה, סינון ממברנה וכרומטוגרפיה מכינה, שלכולם יש במשותף את הצורך להפריד בין מולקולות קטנות, או מוצקות מנוזל. מתורברבים, התגבשות היא החשובה ביותר מנקודת מבט של טון. מסיבה זו, הוא משמש בדרך כלל בתעשיות התרופות, הכימיה ועיבוד המזון. דוגמאות ביוכימיות חשובות כוללות הפרדות כיראליות,^{טיהור 1} של אנטיביוטיקה,² הפרדה של חומצות אמינו ממבשרים,³ ותרופות רבות אחרות,^4-5 תוסף מזון,^6-7 וטיהורים אגרוכימיים. ⁸ השליטה במורפולוגיה של הגבישים ובחלוקת הגודל היא קריטית לעיבוד כלכלה, שכן גורמים אלה משפיעים על העלויות של פעולות עיבוד במורד הזרם כגון ייבוש, סינון ומוצקים. לקבלת מידע נוסף אודות התגבשות, עיין בספר לימוד מיוחד או בספר לימוד של פעולות יחידה. ⁹

יחידת התגבשות (איור 1) מאפשרת לחקור: (א) את ההשפעות של פרמטרים מרכזיים, כגון רוויה וקירור/חימום, על תכולת מוצקים, מורפולוגיה וחלוקת גודל הגביש; (ב) והשליטה האוניית בתהליכי התגבשות. רוויה יכולה להיות נשלטת על ידי שינוי תנאים כגון קצב תסיסה וטמפרטורה. הסיווגים השונים של התגבשות כוללים קירור, אידוי, נדנדת pH ושינוי כימי. בניסוי זה, מיקרוסקופ לא מקוון יימדד מגבישים הנעים בגודלם בין 10-1000 מיקרומטר, טווח גודל טיפוסי לביולוגיים.

איור 1: סכמטי P&ID (משמאל) ותמונה (מימין) של קריסטלייזר. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

ניסוי זה מדגים התגבשות "שינוי כימי", או "pH-swing", כדי ליצור חומצה סליצילית (SAL) (הקדמה של אספירין) גבישים מתגובה מהירה של פתרונות מימיים של נתרן סליצילאט בסיסי (NaSAL), שהם בסיסיים, וחומצה גופרתית (H₂SO₄) בכל מקום בין 40 - 80 מעלות צלזיוס.

Na⁺SAL^{+ 0.5 H}₂SO₄ SAL (ppt) + Na⁺ + 0.5 SO₄^2-

תוצר לוואי נתרן גופרתי נשאר מסיס. המנגנון מורכב משני מיכלי הזנה, שלוש משאבות מהירות משתנה (peristaltic), גבישים (מיכל מעורבב לטמפרטורה וריכוז אחידים בקירוב, ~ 5 L), אמבטיה במחזור לבקרת טמפרטורה, בקר כוח, מיכל מוצר, ומיכל איפור עבור התחדשות הזנה עם פתרון NaOH (אם תרצה). דגימות ינותחו על ידי ספקטרומטר UV-Vis עבור יון סליצילאט מסיס שיורית, ומוצר הגביש חומצה סליצילית יהיה מיובש ונשקל. ניתן להשתמש בבדיקת pH כדי לקבוע מצב יציב כאשר תנאי התגובה משתנים.

Procedure

פתרונות אורגניים (נתרן סליצילאט, NaSAL) וחומצה (חומצה גופרתית, 0.25 M = 0.50 N) יוזנו למתגבש. הקפידו ללבוש כפפות לטקס בעת טיפול ב- NaSAL, חומצה סליצילית או הפתרונות שלהם, וחומצה גופרתית בגודל 0.25 M.

המערכת כולה נשלטת ממחשב באמצעות בקר מבוזר מסחרי עם ממשק דומה לזה שב- איור 1. ניתן להפעיל ולשנות את כל שסתומי סולנואידים או תלת-כיווניים ונקודות הגדרת בקר באמצעות ממשק זה. שרטוט מציג מגמות של הערכים האנלוגיים (קצבי זרימה, טמפרטורה) המשויכים ליחידה.

.css-f1q1l5{display:-webkit-box;display:-webkit-flex;display:-ms-flexbox;display:flex;-webkit-align-items:flex-end;-webkit-box-align:flex-end;-ms-flex-align:flex-end;align-items:flex-end;background-image:linear-gradient(180deg, rgba(255, 255, 255, 0) 0%, rgba(255, 255, 255, 0.8) 40%, rgba(255, 255, 255, 1) 100%);width:100%;height:100%;position:absolute;bottom:0px;left:0px;font-size:var(--chakra-fontSizes-lg);color:#676B82;}

Log in or to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Results

איור 2 מציג נתונים מייצגים המצביעים על חריגות צנועות מהתפלגות גודל הגביש של האידיאל MSMPR גם במהירויות גבוהות יחסית וריכוז הזנה נמוך.

איור 2. התפלגות גודל קריסטל עבור הזנת NaSAL 0.16 M, 540 סל"ד, 60 ° C

Log in or to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Application and Summary

ניסוי זה הדגים כיצד לקחת מדידות ריכוז גולמי, זרימה וטמפרטורה ולהשתמש בתיאוריית MSMPR כדי להעריך את הפרמטרים העיקריים הדרושים לתכנון מערכת גבישים גדולה ומורכבת. התפקיד הקריטי שזמן המגורים ממלא בהשגת תשואות קריסטל גבוהות ושליטה בגודל הממוצע של הגבישים, נחקר. לעתים קרובות יש זמן מגורים אופטי?...

Log in or to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

References

C. Wibowo, L. O’Young and K.M. Ng, Chem. Eng. Prog., Jan. 2004, pp. 30-39.
W.J. Genck, Chem. Eng. Prog., Oct. 2004, pp. 26-32.
S. Takamatsu and D.D.Y. Ryu, Biotechnol. Bioeng., 32, 184-191 (1988).
F. Wang and K.A. Berglund, Ind. Eng. Chem. Res., 39, 2101-2104 (2000).
Y. Kim, S. Haam, Y.G. Shul, W.-S. Kim, J.K. Jung, H.-C. Eun and K.-K. Koo, Ind. Eng. Chem. Res., 42, 883-889 (2003).
K. Hussain, G. Thorsen and D. Malthe-Sorenssen, Chem. Eng. Sci., 56, 2295-2304 (2001).
H. Gron, A. Borissova and K.J. Roberts, Ind. Eng. Chem. Res., 42, 198-206 (2003).
F. Lewiner, G. Fevotte, J.P. Klein and F. Puel, Ind. Eng. Chem. Res., 41, 1321-1328 (2002).
For example: W.L. McCabe, J.C. Smith, and P. Harriott, “Unit Operations of Chemical Engineering”, 7th Ed., McGraw-Hill, New York, 2005, Ch. 27, or C.J. Geankoplis, “Transport Processes and Unit Operations”, 3^rd Ed., 1993, Ch. 12.
P. Barrett, Chem. Eng. Prog., Aug. 2003, pp. 26-32.
R. Franck, R. David, J. Villermaux and J.P. Klein, Chem. Eng. Sci., 43, 69-77 (1988).
J. Garside, Chem. Eng. Sci., 40, 3-26 (1985).
H. Zhao, J.-X. Wang, Qi-An Wang, J.-F. Chen and J. Yun, Ind. Eng. Chem. Res. 46, 8229-8235 (2007).
J.S. Kwon, M. Nayhouse, G. Orkoulas and P.D. Christofides, Ind. Eng. Chem. Res., 53, 15538-15548 (2014).

Tags

פתרונות אורגניים (נתרן סליצילאט, NaSAL) וחומצה (חומצה גופרתית, 0.25 M = 0.50 N) יוזנו למתגבש. הקפידו ללבוש כפפות לטקס בעת טיפול ב- NaSAL, חומצה סליצילית או הפתרונות שלהם, וחומצה גופרתית בגודל 0.25 M.

המערכת כולה נשלטת ממחשב באמצעות בקר מבוזר מסחרי עם ממשק דומה לזה שב- איור 1. ניתן להפעיל ולשנות את כל שסתומי סולנואידים או תלת-כיווניים ונקודות הגדרת בקר באמצעות ממשק זה. שרטוט מציג מגמות של הערכים האנלוגיים (קצבי זרימה, טמפרטורה) המשויכים ליחידה.

1. הפעלת המתגבש

בתחילת ריצה, כל הבקרים הרציניים צריכים להיות במצב ידני, וכל שסתומי סולנואיד צריך להיות סגור (on-off) או במצב מיחזור (3 כיווני).

ודאו שהמגבש מלא עד לרמת הגלישה( ~4.15 ליטר) המצוין על המיכל המעורבט, עם מים ורפש חומצה סליצילית (בהתגבשות, תרחיף נקרא לעתים קרובות "מאגמה"). אם לא מלא, הוסף אלה דרך יציאת התוספת.
הפעל את המסית עבור המתגבש ואת התזה עבור האמבטיה והמשאבות.
הגדר את בקר הטמפרטורה לטמפרטורת האמבטיה ל- AUTO ואת נקודת הקבע לטמפרטורה הרצויה. הטמפרטורה המומלצת היא ~ 53 °C עבור גבישים 50°C.
הגדר את מהירויות המשאבה באמצעות הממשק (למשל, 30% פתוח). הכרת הריכוזים של ההזנות, הגדר את שיעורי הזרימה עבור שקימות סטויצ'יומטרית בהתבסס על משוואה (1).
ודא כי מיכל המוצר אינו מלא וכי שסתום הניקוז סגור.
תפעיל את ציוד הספקטרומטר ויצר תקשורת עם קישור שסופק במסוף הבקרה. הליכי ספקטרומטר מפורטים במדריך ההפעלה (SpectraSuite). כיול הספקטרומטר מסופק.

2. הפעלת המתגבש

העלה את תפוקת המשאבה לפי הצורך כדי להשיג את קצבי הזרימה הרצויים. עבור פתרון חומצה, זה ~ 25-35 מ"ל / דקה. עבור NaSAL, זה נקבע על ידי שקיליות סטויצ'יומטרית.
עבור למצב הזנה בשני שסתומים תלת-כיווניים. זה זמן אפס לניסוי.
בדוק מעת לעת את שורת הגלישה. בתנאים מסוימים זה עלול לחסום. אם כן, השתמש בחתיכת צינורות פלדה כדי להמריא מהקו הנכנס למיכל המוצר.
לאסוף חמש דגימות ישירות מן גבישים דרך יציאת המדגם באמצעות pipette רחב פה ולהעביר אותם 15 מ"ל מבחן או צינורות צנטריפוגה. קח שני סטים של דגימות בערך 10-15 דקות זה מזה.
חזור על הפעולה בשני זמני מגורים אחרים במרווחים נרחבים, שליטה (זמן שהייה) על-ידי שינוי קצבי הזרימה הנפחיים, אך שמירה על שקיליות סטויצ'יומטרית.

3. כיבוי המתגבש

כדי לכבות את המערכת, הגדר את השסתומים ה-3-כיווניים למחזור ואת יציאות המשאבה ל- 0%.
החזר את בקר הטמפרטורה ל- MANUAL בתפוקה של 0%, וכבה את המשאבות, המסיתים והאמבטיה התרמוסטטית.
אם אתם משתמשים בספקטרופוטומטר, זכרו לכבות את המנורות.

4. ניתוח

ריכוזי NaSAL וחומצה סליצילית מומסים יכולים להימדד בו זמנית על ידי ספקטרוסקופיית UV/Vis. ניתן להניח את הספיגות של סליצילאט מומס וחומצה סליצילית כי אותו כרומופור נצפה. הוראות נוספות כלולות בנספח א'. ריכוז חומצה סליצילית ניתן גם לקבוע כבידתי ביחידות של ק"ג / מ^'3 ריר.

צנטריפוגות צינורות 15 מ"ל במשך 5 דקות ולתעד את נפח מדגם נוזלי שאוחזר על ידי decanting. הנוזל decanted יכול לשמש לניתוח ספקטרופוטומטרי NaSAL.
יבש את המבחנות המכילות את מוצקים זקופים בתנור convection ב 70 מעלות צלזיוס, במשך יומיים.
שקול, לנקות את הצינורות, ולאחר מכן להתייבש מחדש לזמן קצר לפני שקילה מחדש כדי לקבל את המשקל של הגבישים.

PLAYLIST

Loading...

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved