對羥基左旋苯甘氨酸母液濃縮結(jié)晶工藝的探討

對羥基左旋苯甘氨酸母液濃縮結(jié)晶工藝的探討

氨基葡萄糖（d酸）是藥物生產(chǎn)不足的重要中心。主要用于半合成青年素和半合成頭孢菌素藥物的側(cè)鏈化合物。這些藥物包括氨基糊精、羥色胺、糊精、羥色胺、羥色胺、托吡魯酯、托吡魯酯、托吡魯酯、托吡魯酯、托吡魯酯等。國外20世紀(jì)70年代開始大批量生產(chǎn)D酸,近年來歐美等發(fā)達(dá)國家年需求量在萬噸以上。世界上規(guī)模較大的D酸生產(chǎn)企業(yè)有荷蘭DSM公司、西班牙Dervados公司等。我國D酸的開發(fā)與生產(chǎn)和發(fā)達(dá)國家尚有較大差距,主要表現(xiàn)在產(chǎn)品收率低、成本高。造成這種結(jié)果的主要原因之一是D酸母液的濃縮結(jié)晶工藝落后,目前我國幾家生產(chǎn)企業(yè)采用的濃縮結(jié)晶方法為循環(huán)真空蒸發(fā)法和釜式真空濃縮法,1t水消耗蒸汽量達(dá)1.2t,且管路及換熱管易堵塞。該生產(chǎn)工藝蒸汽消耗量大,每噸產(chǎn)品僅在濃縮結(jié)晶單元就需消耗蒸汽40t,此外由于傳熱溫差大,在濃縮結(jié)晶過程中料液易在換熱管內(nèi)及管路表面結(jié)晶,使傳熱阻力加大,這樣就進(jìn)一步提高了加熱管的壁溫,使結(jié)晶粒度減小。由于D酸為熱敏性物料,傳統(tǒng)結(jié)晶工藝易使產(chǎn)品質(zhì)量下降甚至成為不合格品。料液在換熱管內(nèi)及管路表面進(jìn)一步結(jié)晶會堵塞管子,為保證生產(chǎn)正常進(jìn)行,必須經(jīng)常對換熱管進(jìn)行清洗,使生產(chǎn)周期縮短,而停車清洗又將損失大量的物料。基于此,石家莊工大公司開發(fā)了三效熱泵蒸發(fā)結(jié)晶工藝,用于D酸的蒸發(fā)結(jié)晶。1蒸發(fā)器的選型和熱傳導(dǎo)蒸發(fā)是眾多行業(yè)生產(chǎn)中的重要單元過程,降膜蒸發(fā)是將料液自降膜蒸發(fā)器加熱室上管箱加入,經(jīng)液體分布及成膜裝置,均勻分到各換熱管內(nèi),并沿?fù)Q熱管內(nèi)壁呈均勻膜狀流下。在液體流下過程中,被殼程加熱介質(zhì)加熱汽化,產(chǎn)生的蒸汽與液相共同進(jìn)入蒸發(fā)器的分離室,汽液經(jīng)充分分離,蒸汽進(jìn)入冷凝器冷凝(單效操作)或進(jìn)入下一效蒸發(fā)器作為加熱介質(zhì),從而實(shí)現(xiàn)多效操作,液相則由分離室排出。多效降膜蒸發(fā)器選型主要考慮到物料處理量的大小、被蒸發(fā)物料的沸點(diǎn)升高值以及設(shè)備的多少。處理量大時宜采用多效操作。效數(shù)越多,蒸汽消耗越小,設(shè)備投資越高;物料沸點(diǎn)升高值大,則有效溫差小,采用的效數(shù)應(yīng)減小。乏汽(末效二次蒸汽)需回收時應(yīng)采用間接冷凝器,如列管式、螺旋板式換熱器;乏汽不需回收時宜采用直接冷凝器,如直接大氣冷凝器、水噴射泵冷凝等。末效蒸發(fā)器在常壓蒸發(fā)時還可將乏汽直接排空,不設(shè)冷凝器?？紤]流程的選擇,順流操作時,后效蒸發(fā)室的壓強(qiáng)較前效低,溶液在效間蒸發(fā)器的輸送所需泵的功率小。另外,由于后效蒸發(fā)溫度較低,故前效溶液進(jìn)入后效后,會閃蒸出部分蒸汽,故生蒸汽消耗少。但順流流程時后效蒸發(fā)器內(nèi)的液體濃度高、溫度低、黏度高、傳熱速率小。逆操作時與順流操作相反,前效液體溫度高、濃度高,后效液體溫度低、濃度低,使各效的傳熱速率接近,但所需效間蒸發(fā)器過料泵功率大,蒸汽消耗多,故不適于處理熱敏性物料,也不適于處理隨著溫度和濃度提高介質(zhì)腐蝕性增強(qiáng)的物料。此處還可以根據(jù)物料的具體情況采用平流及混流流程。蒸發(fā)器加熱面積的確定由物料平衡、熱量平衡、傳熱計(jì)算和采用的流程形式等因素綜合決定。選擇三效熱泵蒸發(fā)結(jié)晶工藝用于低溶解度、易結(jié)晶、熱敏性的對羥基左旋苯甘氨酸的蒸發(fā)結(jié)晶生產(chǎn),使生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品成本降低。2工藝和技術(shù)的困難基于原D酸生產(chǎn)工藝存在的問題,針對D酸母液的特點(diǎn),研究開發(fā)了三效降膜熱泵蒸發(fā)濃縮結(jié)晶新工藝,并為該工藝配套了生產(chǎn)設(shè)備。2.1熱泵蒸發(fā)冷凝水罐三效降膜熱泵蒸發(fā)濃縮結(jié)晶工藝流程如圖1所示。原料液分別進(jìn)入一效和二效降膜蒸發(fā)器,生蒸汽通過噴射式熱泵與一效加熱室來的二次蒸汽的一部分混合,作為一效加熱室的加熱蒸汽,經(jīng)過加熱段的料液進(jìn)入一效分離室進(jìn)行閃蒸,由于蒸發(fā)過程中有大量晶體析出,所以在一效蒸發(fā)室和分離室下方同時出料,二效蒸發(fā)流程與一效過程相似,不過其加熱蒸汽為一效蒸發(fā)室二次蒸汽的一部分,二效蒸發(fā)過程也是在其加熱室和分離室同時出料,二效蒸發(fā)的乏汽通過間接冷凝器冷凝,同一效蒸發(fā)器和二效蒸發(fā)器的冷凝水并聯(lián)流入冷凝水罐。三效蒸發(fā)器和二效蒸發(fā)器同前。冷凝水罐中的冷凝水周期性回收用于再生產(chǎn)。熱泵蒸發(fā)原理為:生蒸汽由蒸汽噴射泵將一效蒸發(fā)器中產(chǎn)生的二次蒸汽抽吸并壓縮,與生蒸汽混合(或用機(jī)械式壓縮機(jī)將二次蒸汽壓縮),從而使低品位的二次蒸汽變?yōu)楦咂肺坏募訜嵴羝俅卫?使生蒸汽消耗量大大降低,例如單效熱泵蒸發(fā)的蒸汽消耗量可達(dá)到雙效甚至三效的水平。熱泵蒸發(fā)尤其適用于熱敏性物料、沸點(diǎn)升高值小的物料和能夠提供高壓蒸汽的場合。噴射式熱泵稍加變化還可用作過熱蒸汽變?yōu)轱柡驼羝难b置。圖2所示為噴射式熱泵的工作原理圖。2.2物料結(jié)晶工藝(1)D酸的溶解度低且隨溫度變化不大,45～65℃條件下的溶解度只有3.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),因此只能采用蒸發(fā)結(jié)晶的方法進(jìn)行濃縮,且在蒸發(fā)過程開始就有結(jié)晶出現(xiàn),物料結(jié)晶給蒸發(fā)帶來了很大的困難,如何防止結(jié)晶在換熱管及管路表面“結(jié)疤”成為蒸發(fā)工藝及設(shè)備選用時應(yīng)著重考慮的問題。(2)濃縮比大,目前較先進(jìn)的生物法生產(chǎn)工藝,其母液質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為3%,濃縮結(jié)晶工段需要蒸發(fā)大量的水分,為降低生產(chǎn)成本必須降低該工段的蒸汽消耗量,蒸發(fā)領(lǐng)域常用的節(jié)能方法為多效蒸發(fā),由于D酸為熱敏性物料,蒸發(fā)溫度不能過高,從而限制了多效蒸發(fā)的效數(shù)。(3)D酸為熱敏性物料,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及經(jīng)驗(yàn),濃縮結(jié)晶過程中物料的溫度不能超過70℃,并應(yīng)盡量減少物料的加熱時間。3節(jié)能蒸發(fā)工藝的特點(diǎn)3.1舊設(shè)備損傷、易維修熱泵技術(shù)是將低品質(zhì)能源轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)能源進(jìn)行利用,可以起到節(jié)能效果。在蒸發(fā)行業(yè)中,多用噴射式熱泵,因其沒有轉(zhuǎn)動部件,不易損壞、易維修,也便于對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造。由于采用低溫工藝,若不采用熱泵,需將生蒸汽節(jié)流降壓使用,從而造成能量浪費(fèi),熱泵的應(yīng)用將低品質(zhì)的二次蒸汽轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)能源進(jìn)行利用,進(jìn)一步降低了能耗,也充分利用了生蒸汽的能量。帶熱泵的三效蒸發(fā)系統(tǒng)的能耗比原三效蒸發(fā)系統(tǒng)小,可見在該工藝中應(yīng)用熱泵可以起到很好的節(jié)能效果。帶有熱泵的三效蒸發(fā)系統(tǒng)單位蒸汽能耗為0.35t/t。3.2并流和回流流程該工藝采用的是三效并流流程,D酸溶解度隨溫度變化不大,在蒸發(fā)過程中會有大量晶體析出,而其溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本恒定保持為2.8%,在蒸發(fā)中不存在得到高濃度溶液的問題,而順流和逆流流程都是為了不斷提高完成液的濃度,所以采用了并流流程。在生產(chǎn)過程中,一效、二效和三效流程都有晶體析出,且同時出料。如圖1所示,采用新型結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)器分離室,不僅兼作結(jié)晶器且可以回收利用余熱。在生產(chǎn)工藝中充分考慮到余熱的利用。利用熱泵技術(shù)使一效二次蒸汽的一部分與生蒸汽混合用于一效蒸發(fā),剩下的一效二次蒸汽用于二效蒸發(fā)器的蒸發(fā),這樣就充分利用了一效二次蒸汽。從一、二效加熱室出來的料液進(jìn)入各自的分離室,由于其存在過熱度而進(jìn)行閃蒸,這樣又充分利用了從加熱室出來的過熱料液所具有的余熱。3.3蒸發(fā)溫度對蒸發(fā)的影響由于D酸是熱敏性物料,蒸發(fā)溫度過高會造成D酸變質(zhì)或產(chǎn)品質(zhì)量變差,所以必須采用低溫蒸發(fā),一效和二效加熱室的蒸發(fā)溫度分別為57℃和46℃,完全避免了因蒸發(fā)溫度過高而引起的產(chǎn)品變質(zhì)或產(chǎn)品質(zhì)量變差。要進(jìn)行低溫蒸發(fā)操作,其傳熱溫差就會較小,筆者利用真空操作,降低了料液的沸點(diǎn),從而增加了蒸發(fā)的傳熱溫差,提高了設(shè)備的蒸發(fā)強(qiáng)度。3.4降膜蒸發(fā)器的作用降膜蒸發(fā)器具有傳熱系數(shù)較高、傳熱溫差損失小,適用于處理熱敏性物料、易于實(shí)現(xiàn)多效操作、適宜蒸發(fā)黏性較大的物料,因此被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的蒸發(fā)過程中。該工藝的操作條件為低溫蒸發(fā),傳熱溫差較小,又是用于熱敏性物料的蒸發(fā),在降膜蒸發(fā)器中物料一次通過加熱表面,對物料加熱時間短,可以很好地避免物料因加熱時間過長而引起的變質(zhì)和質(zhì)量變差,所以在該工藝中選用降膜蒸發(fā)器。但是D酸的溶解度隨溫度變化不大,為提高D酸的收率,需將質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.8%的D酸蒸發(fā)到30.0%,在蒸發(fā)過程中會有大量結(jié)晶出現(xiàn),一般認(rèn)為降膜蒸發(fā)器不適用于有晶體析出的工況。因此,經(jīng)過研究和分析,通過結(jié)構(gòu)和流程設(shè)計(jì)解決了降膜蒸發(fā)器應(yīng)用于有晶體析出工況的問題,采用了具有較高傳熱系數(shù)的降膜蒸發(fā)器對物料進(jìn)行蒸發(fā)。4蒸發(fā)工藝及節(jié)能效果工業(yè)試驗(yàn)的實(shí)際操作參數(shù)為:生蒸汽壓力為0.35MPa,一效加熱室溫度為82℃,一效分離室溫度<59℃;二效加熱室溫度為56℃,二效分離室溫度<47℃;三效加熱室溫度為45℃,三效分離室溫度<40℃。D酸蒸發(fā)結(jié)晶新工藝與原單效蒸發(fā)結(jié)晶工藝的對比情況見表1。通過新工藝工業(yè)試驗(yàn)及與原生產(chǎn)工藝的對比,結(jié)論如下:(1)該工藝中采用了熱泵技術(shù),充分利用了一效蒸發(fā)器的二次蒸汽,節(jié)能效果明顯。原生產(chǎn)工藝汽水蒸發(fā)比為1.20t/t,而新工藝中僅為0.35t/t。同時降低了末效二次蒸汽的冷凝負(fù)荷,大大減少了冷卻水用量。(2)新工藝對蒸發(fā)設(shè)備采用每批料清洗一次,清洗時間僅為20min,蒸發(fā)每批料用時約24h,這樣每批料生產(chǎn)周期(蒸發(fā)時間+清洗時間)約為24h。而原工藝中每蒸發(fā)2批料清洗設(shè)備1次,清洗時間為20h,這樣原工藝每批料生產(chǎn)周期為34h。因此新工藝較原生產(chǎn)工藝產(chǎn)量提高約50%。若按年生產(chǎn)時間800