乳状液膜和支撑液膜体系手性分离苯丙氨酸的传质机理与模型

论文摘要

药物对映体的液膜手性分离及其传质模型的研究为当前最热门的课题之一。本文阐述了手性药物的基本概念,综述了目前主要的手性拆分方法及其研究进展,对液膜手性拆分过程的传质机理及模型研究现状和意义进行了阐述。对乳状液膜和中空纤维支撑液膜手性分离苯丙氨酸对映体的传质机理及模型进行了比较详细的研究与探讨,主要研究内容如下:研究了以N-癸基-L-羟基脯氨酸和铜离子配合物为手性载体,Span-80为表面活性剂,煤油为溶剂的乳状液膜体系手性分离苯丙氨酸对映体的分离性能。考察了各因素等对选择性分离性能的影响,从而确定了合适的萃取条件为:表面活性剂Span-80和有机溶剂煤油体积比8:92;苯丙氨酸外消旋体浓度为1.0 mmol/L;手性萃取途径是从外水相到内水相;外水相pH 4.8;Cu2+浓度5 mmol/L。通过对乳状液膜手性分离过程中传质机理的研究以及各影响因素的分析,得到了可以分析和预测乳状液膜手性拆分过程传质的反应-扩散模型,该模型同时考虑了外水相边界层的扩散阻力和手性对映体与载体的反应阻力。外水相苯丙氨酸对映体的浓度以及分离因子α表示为:当外相对映体浓度远小于液膜相手性载体浓度时,该手性传质过程中外相边界层的扩散为控制步骤,利用数据拟合得到了外水相与液膜相界面边界层扩散的传质系数ke。将常数表达式中引入表观分配系数的概念,可以得到改进的反应-扩散模型,改进后模型对外水相D-苯丙氨酸对映体的浓度分率的模拟值与实验结果的最大偏差大大减小,由20.4%降为10.7%。模型中的常数表达式为:研究了在中空纤维液膜器中采用N-癸基-L-羟基脯氨酸和铜离子配合物为手性载体的支撑液膜体系手性拆分苯丙氨酸对映体。通过对比不同的流体流速对手性分离过程的影响,选择最佳的流体流速为3mm/s。研究了对映体浓度和分离因子与缓冲溶液pH的变化关系,选择缓冲溶液的pH为4.8。从总传质阻力的角度出发,通过对中空纤维支撑液膜过程中各影响因素的分析及理论推导,得到了接收相中各手性对映体浓度以及手性药物拆分过程分离因子对时间的总传质阻力模型。该数学模型同时考虑了手性对映体在料液相、接收相与液膜相间的分配行为和料液相边界层、接收相边界层以及支撑液膜相的扩散阻力。接收相中苯丙氨酸对映体的浓度及分离因子α可表示为:利用实验结果,拟合得到了模型中的未知参数,为以后进一步的研究及实验装置的放大提供了参考。进一步研究了中空纤维支撑液膜手性分离过程的传质机理,得到了描述接收相中各手性对映体浓度、液膜相中各手性对映体浓度以及手性药物拆分过程分离因子对时间变化的偏微分方程组。通过对某些条件的假设与简化处理,得到了偏微分方程组的解析解,即反应一扩散模型。该数学模型同时考虑了手性对映体与载体的反应和料液相边界层、接收相边界层以及支撑液膜相的扩散阻力。接收相和中空纤维支撑液膜相中苯丙氨酸对映体的浓度以及手性分离因子可表示为:在描述手性对映体与载体反应的各因素中,药物对映体与载体反应的正向速率常数,反向速率常数对浓度和分离因子的影响很小,故可以考虑将其忽略,从而得到该过程的快速反应--扩散模型。模型中的常数λj表达式化为:将反应-扩散模型中手性对映体与载体的反应行为用手性对映体在料液相、接收相与液膜相间的表观分配行为取代,同样可以得到描述接收相中各手性对映体浓度、液膜相中各手性对映体浓度以及手性药物拆分过程分离因子对时间变化的偏微分方程组,其解析解为分配-扩散模型。该数学模型同时考虑了手性对映体的表观分配行为和料液相边界层、接收相边界层以及支撑液膜相的扩散阻力。接收相和支撑液膜中苯丙氨酸对映体的浓度以及手性分离因子可表示为:将所得到的传质模型对手性拆分过程中苯丙氨酸对映体的浓度和分离因子进行预测。结果表明:模型的模拟结果与实验数据能够很好地吻合;总传质阻力模型、反应-扩散模型与快速反应-扩散模型以及分配-扩散模型的模拟结果基本一致。对料液相与接收相的pH值,边界层传质阻力以及液膜传质阻力等因素对手性拆分过程中对映体的浓度和分离因子的影响进行分析。结果表明这些模型能够应用于苯丙氨酸对映体的中空纤维支撑液膜手性拆分过程中各操作条件的优化。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 本论文符号说明
• 第一章 文献综述
• 1.1 手性与手性药物
• 1.2 主要的手性分离技术及其研究进展
• 1.2.1 结晶拆分法
• 1.2.2 化学拆分法
• 1.2.3 动力学拆分法
• 1.2.4 酶拆分法
• 1.2.5 色谱拆分法
• 1.2.6 手性液-液萃取
• 1.2.7 膜法手性分离
• 1.3 液膜手性拆分技术的研究进展
• 1.4 液膜手性拆分传质模型的研究进展和意义
• 1.5 本论文的研究内容
• 第二章 手性配体交换乳状液膜拆分苯丙氨酸对映体
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 试剂与仪器
• 2.1.2 分析方法
• 2.1.3 乳状液膜手性分离苯丙氨酸
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 苯丙氨酸初始浓度对选择性萃取性能的影响
• 2.2.2 手性萃取方向对选择性萃取性能的影响
• 2.2.3 表面活性剂和有机溶剂配比对手性分离性能的影响
• 2.2.4 外水相pH变化对选择性萃取性能的影响
• 2.3 结论
• 第三章 乳状液膜手性拆分模型的研究
• 3.1 理论推导
• 3.1.1 乳状液膜传质原理
• 3.1.2 模型推导
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 参数的确定
• 3.2.2 苯丙氨酸初始浓度对选择性萃取性能影响的模型分析
• 3.2.3 外水相pH变化对选择性萃取性能影响的模型分析
• 3.2.4 传质模型的改进
• 3.3 结论
• 第四章 中空纤维支撑液膜拆分苯丙氨酸对映体
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 试剂与仪器
• 4.1.2 分析方法
• 4.1.3 支载液膜制备
• 4.1.4 膜萃取实验
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 对映体光学纯度和传质单元数的关系
• 4.2.2 壳程与管程流体流速对分离性能的影响
• 4.2.3 缓冲液pH对分离性能的影响
• 4.3 结论
• 第五章 支撑液膜手性分离的总传质阻力模型
• 5.1 理论推导
• 5.1.1 溶质分配平衡
• 5.1.2 传质系数推导
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 参数的确定
• 5.2.2 对映体浓度和分离因子的实验结果及模型预测
• 5.2.3 料液相与接收相溶液pH对分离性能影响的模型分析
• 5.2.4 边界层传质阻力对分离性能影响的模型分析
• 5.2.5 液膜传质阻力对分离因子影响的模型分析
• 5.3 结论
• 第六章 支撑液膜手性分离的反应-扩散模型
• 6.1 理论推导
• 6.2 结果与讨论
• 6.2.1 参数确定
• 6.2.2 中空纤维支撑液膜中的对映体浓度
• 6.2.3 对映体浓度和分离因子的实验结果及模型预测
• 6.2.4 中空纤维膜厚和传质面积对手性分离影响的模型分析
• 6.2.5 液膜相有效扩散系数（De）对拆分过程分离因子影响的模型分析
• 6.2.6 传质模型的简化
• 6.3 结论
• 第七章 支撑液膜手性分离的分配-扩散模型
• 7.1 理论推导
• 7.2 结果与讨论
• 7.2.1 参数确定
• 7.2.2 中空纤维支撑液膜中的对映体浓度
• 7.2.3 对映体浓度和分离因子的实验结果及模型预测
• 7.2.4 中空纤维膜结构参数对传质性能影响的模型分析
• 7.2.5 料液相与接收相溶液pH对分离性能影响的模型分析
• 7.2.6 边界层传质阻力对分离性能影响的模型分析
• 7.3 结论
• 第八章 结论
• 参考文献
• 附录读博士期间发表论文及参与科研课题情况
• 致谢