Phương pháp kết tinh làm lạnh
Nguyên liệu LGA sẽ được hòa tan với nồng độ xác định tại nhiệt độ cao hơn nhiệt độ
bão hòa 5oC ( = ℎ 5 ℃ trong thiết bị Stirred tank. Làm lạnh dung dịch LGA đến nhiệt
độ 30oC. Ghi nhận nhiệt độ bắt đầu xuất hiện tinh thể trong quá trình làm lạnh và ổn định
dung dịch LGA ở 30oC. Tương ứng với mỗi thời điểm xác định, tiến hành lấy mẫu lỏng và
mẫu rắn từ q trình kết tinh đem phân tích để xác định cấu trúc tinh thể tạo thành, sự chuyển hóa cấu trúc tinh thể và sự biến thiên nồng độ của dung dịch trong quá trình kết tinh.
Khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến cấu trúc tinh thể LGA:
- Nồng độ dung dịch LGA.
- Tốc độ khuấy.
- Tốc độ làm lạnh.
- Nồng độ phụ gia vô cơ: Ammonium sulfate, ammonium chloride.
38
Phân tích mẫu tinh thể thu được bằng FT-IR, DSC, XRD, Microscope để xác định cấu trúc, sự biến đổi nồng độ và sự chuyển hóa cấu trúc tinh thể LGA.
Phương pháp kết tinh sử dụng dung mơi khơng hịa tan
Nguyên liệu LGA sẽ được hòa tan với nồng độ xác định tại nhiệt độ cao hơn nhiệt độ
bão hòa 5oC ( = ℎ 5 ℃ trong thiết bị Stirred tank. Làm lạnh dung môiEthanol ở nhiệt
độ xác định và cho vào dung dịch LGA. Ổn định dung dịch kết tinh ở 30oC và ghi nhận nhiệt độ bắt đầu xuất hiện tinh thể. Tương ứng với mỗi thời điểm xác định, tiến hành lấy mẫu lỏng và mẫu rắn từ q trình kết tinh đem phân tích để xác định cấu trúc tinh thể tạo thành, sự chuyển hóa cấu trúc tinh thể và sự biến thiên nồng độ của dung dịch trong quá trình kết tinh.
Khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến cấu trúc tinh thể LGA: - Tỉ lệ dung môi (tỉ lệ dung môi Ethanol và dung dịch LGA(Eth : LGA)).
- Nồng độ ban đầu của dung dịch LGA.
- Tốc độ khuấy.
2.3. TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM
2.3.1. Khảo sát độ tan bão hòa của các dạng tinh thể LGA
Tinh thể LGA với hai dạng α và β được cho vào dung dịch 50 ml nước, tiến hành khuấy liên tục và đặt trong bể điều nhiệt ở các nhiệt độ lần lượt là15 oC, 30 oC, 45 oC và 60 oC. Tinh thể LGA được cho thêm vào đến khi khơng thể tiếp tục hịa tan trong dung dịch. Mẫu dung dịch LGA được ly tâm để loại bỏ các tinh thể và tiến hành pha loãng, đo UV để xác định độ hấp thu, từ đó tính được nồng độ tương ứng từ đường chuẩn biểu diễn độ hấp thu theo nồng độ.
Nồng độ dung dịch LGA được xác định thông qua đường chuẩn biểu diễn độ hấp thu theo các nồng độ dung dịch LGA đã biết trước.
Pha các dung dịch với nồng độ biết trước trong khoảng từ 0,6 g/l đến 2,4 g/l từ dung
dịch LGA 4 g/l. Tiến hành đo UV các dung dịch có nồng độ trên với độ hấp thu tương ứng
39
Bảng 2. 2 Độ hấp thu (Abs) theo nồng độ dung dịch LGA (g/l)
CLGA 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4
Abs* 0,416 0,561 0,695 0,821 0,951 1,083 1,213 1,343 1,472 1,6
*Độ hấp thu lấy ở bước sóng 210 nm.
Phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa nồng độ và độ hấp thu:
= 0,0345 0,6540 = 0,9998
Khảo sát ảnh hưởng của phụ gia vô cơ đến độ tan bão hịa của LGA
Các phụ gia vơ cơ là các muối có tính ba zơ thường được cho vào trong q trình sản xuất LGA nhằm điều chỉnh pH của dung dịch LGA. Trong phần nghiên cứu này, ảnh hưởng
của các phụ gia gồm các muối ammonium sulfate (NH4)2SO4 và ammonium chloride NH4Cl
đến cấu trúc tinh thể và quá trình chuyển cấu trúc của tinh thể LGA sẽ được khảo sát. Các tinh thể LGA dạng α và β được cho vào các dung dịch có có các phụ gia vơ cơ
(NH4)2SO4 và NH4Cl với nồng độ lần lượt là 2 g/l, 4 g/l, 6 g/l và 8 g/l. Các dung dịch được
giữ cố định ở nhiệt độ 30oC và được khuấy liên tục trong vòng 3 giờ (trong thời gian này,
chưa diễn ra quá trình chuyển cấu trúc từ dạng α sang dạng β) cho đến khi các tinh thể LGA khơng thể hịa tan thêm trong dung dịch. Dung dịch LGA được ly tâm loại các tinh thể và pha lỗng đo UV để xác định nồng độ thơng qua độ hấp thu. Mẫu dung dịch LGA với nồng độ
biết trước có chứa phụ gia (NH4)2SO4 và NH4Cl với nồng độ 8 g/l được tiến hành phân tích
UV và kết quả cho thấy phụ gia (NH4)2SO4 và NH4Cl không ảnh hưởng đến độ hấp thu của
dung dịch LGA.
Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ dung môi đến độ tan bão hòa của LGA
Hai dạng tinh thể α và β được cho vào dung dịch có tỉ lệ nước : ethanol thay đổi theo
bảng 2.3 và khuấy liên tục đến khi tinh thể khơng thể hịa tan được nữa. Dung dịch này được
li tâm và tiến hành đo UV để xác định nồng độ. Dung dịch ethanol được tiến hành phân tích UV, kết quả cho thấy ethanol khơng có mũi hấp thu trong khoảng bước sóng từ 300-190 nm.
40
Bảng 2. 3 Bảng tỉ lệ các giữa nước và ethanol q trình khảo sát độ hịa tan của hai dạng tinh thể LGA
Tinh thể LGA LGA:Eth (theo thểtích) Vnước(ml) Vethanol (ml)
α 9 : 1 90 10 7 : 3 70 30 5 : 5 50 50 3 : 7 30 70 0 : 10 0 100 β 9 : 1 90 10 7 : 3 70 30 5 : 5 50 50 3 : 7 30 70 0 : 10 0 100
2.3.2. Kết tinh LGA bằng phương pháp làm lạnh
Điều kiện thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố cơng nghệ đến q trình kết tinh LGA bằng phương pháp làm lạnh được tiến hành với các thông số cố định như sau:
- Thể tích dung dịch LGA: 400 ml.
- Nhiệt độ ban đầu của dung dịch: 70oC.
- Nhiệt độ bể điều nhiệt: 10oC.
- Nhiệt độ kết tinh: 30oC.
2.3.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ đầu của dung dịch LGA
Nồng độ đầu của dung dịch LGA được thay đổi lần lượt là 18,5 g/l, 30 g/l và 45g/l được
gia nhiệt đến nhiệt độ cao hơn 5oC so với nhiệt độ bão hòa của các nồng độ trên sao cho dung
dịch được hịa tan hồn tồn. Sau đó, các dung dịch được làm lạnh nhanh về 30oC với tốc độ
làm lạnh là 4oC/phút và quá trình kết tinh được giữ cố định ở nhiệt độ này, tốc độ khuấy trộn
41
dịch LGA theo từng thời điểm trong quá trình kết tinh. Mẫu tinh thể LGA theo từng thời điểm được lọc chân không thu mẫu rắn, sấy chân khơng để loại bỏ hồn tồn nước, sau đó được lưu mẫu tránh hút ẩm và tiến hành phân tích FT-IR, XRD, quan sát kính hiển vi và chụp SEM.
Bảng 2. 4. Các thông số kết tinh khảo sát ảnh hưởng của nồng độ của dung dịch LGA Thí
nghiệm LGA (g/l) Nồng độ Độ quá bãohòa (Sα) lạnh (Tốc độ làmoC/phút) khuấy (rpm) Tốc độ
1 18,5 0,48 4,0 360
2 30 1,40 4,0 360
3 45 2,60 4,0 360
2.3.2.2. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn
Tốc độ khuấy trộn được thay đổi trong các thí nghiệm để khảo sát ảnh hưởng của thơng số kết tinh này đến quá trình kết tinh LGA từ dung dịch bằng phương pháp làm lạnh. Các thông số kết tinh tiến hành theo bảng 2.5 trong đó các thơng số khác cố định, chỉ thay đổi tốc độ khuấy trộn dung dịch trong quá trình kết tinh. Mẫu dung dịch LGA được ly tâm, pha loãng để xác định nồng độ LGA theo từng thời điểm trong quá trình kết tinh. Mẫu tinh thể LGA theo từng thời điểm được lọc, sấy chân khơng để loại bỏ hồn tồn nước, sau đó được lưu mẫu tránh hút ẩm và tiến hành phân tích FT-IR, XRD, quan sát kính hiển vi và chụp SEM.
Bảng 2. 5. Các thông số kết tinh khảo sát ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn Thí
nghiệm LGA (g/l) Nồng độ Độ quá bãohòa (Sα) lạnh (Tốc độ làmoC/phút) Tốc độ khuấy (rpm)
1 30 1,40 4,0 360
2 30 1,40 4,0 600
42 2.3.2.3. Ảnh hưởng của tốc độ làm lạnh
Tốc độ làm lạnh được thay đổi trong các thí nghiệm để khảo sát ảnh hưởng của thơng số kết tinh này đến q trình kết tinh LGA từ dung dịch bằng phương pháp làm lạnh. Các thơng số kết tinh tiến hànhtheo bảng 2.6 trong đó các thông số khác cố định, chỉ thay đổi tốc
độ làm lạnh dung dịch trong quá trình kết tinh. Mẫu tinh thể LGA theo từng thời điểm được lọc, sấy chân khơng để loại bỏ hồn tồn nước, sau đó được quan sát dưới kính hiển vi điện tử.
Bảng 2. 6. Các thông số kết tinh khảo sát ảnh hưởng của tốc độ làm lạnh Thí
nghiệm LGA (g/l) Nồng độ Độ quá bãohòa (Sα) lạnh (Tốc độ làmoC/phút) Tốc độ khuấy (rpm)
1 18,5 0,48 4,0 360
2 18,5 0,48 4,5 360
3 18,5 0,48 5,5 360
2.3.2.4. Ảnh hưởng của phụ gia vô cơ
Q trình kết tinh LGA từ dung dịch có các phụ gia vô cơ với nồng độ và các thông số kết tinh trong bảng2.7. Mẫu dung dịch và tinh thể LGA cũng được tiến hành tương tự các thí
nghiệm trước để xác định nồng độ dung dịch, cấu trúc, hình thái và thành phần từng dạng tinh thể của LGA.
43
Bảng 2. 7. Các thông số kết tinh khảo sát ảnh hưởng của nồng độ các muối vơ cơ Thí
nghiệm Phụ gia vôcơ
Nồng độ phụ gia (g/l) Nồng độ LGA (g/l) Độ quá bão hòa (Sα) Tốc độ làm lạnh (oC/phút) Tốc độ khuấy (rpm) 1 (NH4)2SO4 2 30 1,40 4,0 360 2 4 30 1,40 4,0 360 3 6 30 1,40 4,0 360 4 8 30 1,40 4,0 360 5 NH4Cl 2 30 1,40 4,0 360 6 4 30 1,40 4,0 360 7 6 30 1,40 4,0 360 8 8 30 1,40 4,0 360
2.3.2.5. Ảnh hưởng của phụ gia hữu cơ L- phenylalanine
Quá trình kết tinh LGA từ dung dịch có các phụ gia L-phe với nồng độ và các thông số kết tinh trong bảng 2.8. Mẫu tinh thể LGA cũng được tiến hành tương tự để xác định cấu trúc, hình thái và thành phần từng dạng tinh thể của LGA. Các thí nghiệm với nồng độ LGA là 30g/l được tiến hành đến 22 giờ.
Bảng 2. 8. Các thông số kết tinh khảo sát ảnh hưởng của nồng độ L - phenylalanine Thí
nghiệm LGA (g/l) Nồng độ Nồng độ L - phe (g/l) lạnh (Tốc độ làmoC/phút) Tốc độ khuấy (rpm) 1 30 0,01 4,0 360 2 0,02 4,0 360 3 0,05 4,0 360 4 0,1 4,0 360 5 0,2 4,0 360
44
Mẫu tinh thể sau khi kết tinh được lọc và rửa với ethanol (5 lần, mỗi lần 20 ml) sau đó sấy khơ và tiến hành hịa tan đo UV để xác định sự hấp phụ của các phân tử L - phe trên bề mặt các tinh thể LGA.
2.3.3. Kết tinh LGA bằng phương pháp sử dụng dung môi khơng hịa tan
Điều kiện thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố cơng nghệ đến q trình kết tinh LGA bằng phương pháp làm lạnh được tiến hành với các thông số cố định như sau:
- Thể tích dung dịch LGA: 400 ml. - Nhiệt độ kết tinh: 30oC.
2.3.3.1. Ảnh hưởng của tỉ lệ dung môi Eth :LGA
Điều kiện khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ dung mơi Eth : LGA (theo thể tích) từ tỉ lệ 1 : 9, 2 : 8, 3 : 7, 4 : 6, 5 : 5, 6 : 4, 7 : 3, 8 : 2 và 9 : 1. Các thông số khác được cố định như nồng độ ban đầu của dung dịch LGA là 18,5 g/l; tốc độ khuấy ở 360 vòng/ phút; nhiệt độ kết tinh ở 30oC.
Dung dịch LGA được gia nhiệt để hịa tan hồn tồn các tinh thể. Ethanol được làm lạnh về nhiệt độ thích hợp (từ-20oC đến 10oC) để khi hòa trộn ethanol và dung dịch LGA thì nhiệt độ dung dịch kết tinh là 30oC. Dung dịch sau khi hịa trộn được tiếp tục duy trì và ổn định nhiệt ở 30oC, tốc độ khuấy là 360 vòng/ phút.
Mẫu tinh thể theo từng thời điểm được lọc, sấy chân khơng loại nước và lưu mẫu trong bình hút ẩm. Mẫu tinh thể được tiến hành phân tích FT-IR, XRD và SEM.
2.3.3.2. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch LGA đến quá trình kết tinh LGA bằng phương pháp dung mơi khơng hịa tan
Dung dịch LGA với các nồng độ khác nhau được gia nhiệt để hịa tan hồn tồn các tinh thể. Ethanol được làm lạnh về nhiệt độ thích hợp (từ-20oC đến 10oC) để khi hịa trộn ethanol và dung dịch LGA thì nhiệt độ dung dịch kết tinh là 30oC.
Các nồng độ dung dịch LGA ban đầu bao gồm12 g/l, 18,5 g/l, 30 g/l và 35g/l được tiến hành kết tinh với ethanol theo hai tỉ lệEth : LGA là 2: 8 và 5 : 5. Những điều kiện kết tinh khác giữ không đổi bao gồm nhiệt độ quá trình kết tinh là 30oC, tốc độ khuấy là 360 vịng/ phút. Các thơng số kết tinh được thể hiện ở bảng 2.9.
45
Bảng 2. 9. Các thông số kết tinh khảo sát ảnh hưởng của nồng độ LGA bằng phương pháp
dung mơi khơng hịa tan Thí
nghiệm
Tỉ lệ Eth : LGA
Nồng độ
LGA (g/l) Ethanol (ml) Thể tích Tốc độ khuấy (rpm)
1 2 : 8 12 80 360 2 18,5 80 360 3 30 80 360 4 35 80 360 5 5 : 5 12 200 360 6 18,5 200 360 7 30 200 360 8 35 200 360
Trong từng thí nghiệm, mẫu tinh thể theo từng thời điểm được lọc, sấy chân không loại nước và lưu mẫu trong bình hút ẩm. Mẫu tinh thể được tiến hành phân tích FT-IR, XRD và
SEM.
2.3.3.3. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy đến quá trình kết tinh LGA bằng phương pháp dung mơi khơng hịa tan
Kết tinh bằng phương pháp sử dụng dung mơi khơng hịa tan, thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng của tốc độ khuấy tại các tốc độ: 360 vòng/phút, 500vòng/phút và 700 vịng/phút. Cố định các thơng số kết tinh khác như : tỉ lệ Eth : LGA là 2 : 8, nồng độ LGA ban đầu là 18,5
g/l, nhiệt độ kết tinh là 30oC.
Mẫu tinh thể theo từng thời điểm được lọc, sấy chân không loại nước và lưu mẫu trong bình hút ẩm. Mẫu tinh thể được tiến hành phân tích FT-IR, XRD và SEM.
2.3.4. Kết tinh LGA trong thiết bị Stirred tank dạng pilot Thiết bị Stirred tank dạng pilot Thiết bị Stirred tank dạng pilot
Thiết bị kết tinh Stirred Tank dạng Pilot bao gồm một bể (thùng) phản ứng có dung tích 10 lít, lớp vỏ áo có bọc lớp cách nhiệt có tác dụng trao đổi nhiệt với dung dịch làm lạnh thông
46
qua hai ống dẫn vào ở dưới và ra ở trên vỏ áo, hệ thống khuấy trộn bao gồm motor có gắn cánh khuấy và bộ điều khiển tốc độ motor. Các thông số thiết kế của thiết bị Stirred tank được thể hiện ở hình 2.6 và bảng 2.10.
Hình 2.6. Mơ hình thiết bị kết tinh Stirred tank dạng pilot Bảng 2. 10. Thông số thiết kế của thiết bị khuấy Stirred tank dạng pilot
Thông số Kí hiệu Kích thước (mm)
Bề rộng của bể khuấy T 245
Chiều cao của bể khuấy chứa
dung dịch phản ứng H 330
Bề dày vỏ áo chứa dung dịch
làm lạnh w 30
Bề rộng cánh khuấy D 80
Bề rộng tâm cánh khuấy Dc 55
Bề rộng cánh khuấy Ip 20
Chiều cao cánh khuấy Ia 15
Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ khuấy đến quá trình kết tinh LGA trên thiết bị Stirred tank dạng pilot
Khảo sát được tiến hành với các thông số được cố định như sau:
- Thể tích dung dịch LGA: 8000 ml.
47 - Nhiệt độ ban đầu của dung dịch: 70 oC. - Tốc độ làm lạnh: 5oC/ phút.
- Nhiệt độ bể điều nhiệt:10 oC. - Nhiệt độ kết tinh: 30 oC.
Tốc độ khuấy trộn được thay đổi trong các thí nghiệm để khảo sát ảnh hưởng của thơng
số kết tinh này đến q trình kết tinh LGA từ dung dịch bằng phương pháp làm lạnh. Dung
dịch LGA được gia nhiệt đến nhiệt độ cao hơn 5oC so với nhiệt độ bão hòa của các nồng độ trên trong vòng 2 giờ để đảm bảo dung dịch được hịa tan hồn tồn. Sau 2 giờ, các dung dịch được làm lạnh về 30 oC và quá trình kết tinh được giữ cố định ở nhiệt độ này, tốc độ khuấy trộn được khảo sát là 300, 500 và 700 rpm. Mẫu tinh thể LGA theo từng thời điểm được lọc,