CC BY
23
УДК547.466.63 :66.02
Д. В. Ильин, И. З. Ахметов, В. В. Судаков, В. П. Ильин, Р. З. Гильманов
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ ПОЛУЧЕНИЯ АСПАРАГИНАТА МАРГАНЦА
Ключевые слова: микронутриенты, микроэлементы, марганец, аспарагиновая кислота, аспарагинат, технологический процесс, оптимальные условия.
Разработан технологический процесс получения аспарагината марганца. Проведены исследования по установлению оптимальных параметров процесса.
Key words: micronutrients, minerals, manganese, aspartic acid, aspartate, process, optimal conditions.
A process for producing manganese aspartate. The study on the establishment of optimum process parameters.
Соли некоторых металлов в последнее время успешно используются в качестве микронутри-ентов (биологически активных добавок или БАДов, нутрификантов). Содержащиеся в них микроэлементы известны давно, но лишь в последнее десятилетие они получили признание как необходимые для жизни вещества. Микроэлементы - это строительный материал, из которого состоит организм человека, это химические регуляторы биохимических процессов, происходящих в организме. Определённые дозы каждого микроэлемента помогают поддерживать баланс в обмене веществ, физическую и химическую целостность клеток и тканей, отвечают за активность ферментных процессов. Недостаток микроэлементов или их избыток в организме незамедлительно сказывается на здоровье человека. Необходимый баланс микроэлементов обеспечивает нормальную жизнедеятельность организма и является определяющим фактором физического и нравственного состояния человека [1,2].
Марганец является эссенциальным элементом для человека и животных. Марганец присутствует главным образом в митохондриях клеток ("силовых станциях" клетки, в которых вырабатывается энергия). Он укрепляет нервную, эндокринную и кроветворную системы человека, используется при лечении заболеваний опорно-двигательного аппарата, повышает иммунитет организма.
Основная проблема в том, в каком виде микроэлементы могут быть наиболее полно усвоены организмом. До последнего времени широкое распространение имели витаминные препараты с добавками микроэлементов в виде минеральных солей. Однако, как показала практика последних лет, микроэлементы в виде неорганических соединений очень слабо усваиваются организмом человека. Значительно лучше организм человека усваивает микроэлементы в виде солей с органическими кислотами, желательно с аминокислотами, которые по строению близки к компонентам живой клетки, биологически активны и не токсичны [3,4].
Аспарагиновая (аминоянтарная) кислота (АК) является наиболее доступной из выпускаемых промышленностью аминокислот. В исследованиях использовалась БЬ - аспарагиновая кислота по ТУ 6-09-5406-88 марки "чда" (массовая доля основного вещества не менее 99,5 %) или по ТУ 6-091133-78 марки "ч" (массовая доля основного веще-
ства не менее 99,0 %). Из марганцевых солей наиболее подходящим и доступным оказался марганец (II) углекислый основной водный по ГОСТ 7205-77 марок "ч" и "чда" (массовая доля марганца 42 ^ 45 %). Вид реакции получения аспарагината марганца из вышеуказанных компонентов приведён ниже:
2HOOC-CH-CH2-COOH+ MnCO3 ■mMn(OH)2- nH2O
nh2
H2O
(НООС-СН-СН2-СОО)2Мп + н2со3 + Н20
ын2
МАК. = 0,133 кг/моль; ММп. = 0,055 кг/моль; МАсп_т Мп = 0,319 кг/моль; МУгК. = 0,062 кг/моль; МН2О = 0,018 кг/моль.
Реакция является экзотермической, протекает с уменьшением объёма, поэтому, с точки зрения химического равновесия, понижение температуры и повышение давления будет способствовать протеканию реакции. В то же время, вследствие плохой растворимости АК в воде при нормальных условиях, наоборот следует увеличивать температуру реакционной смеси, что с одной стороны, будет смещать равновесие реакции в сторону исходных компонентов, а с другой стороны - увеличивать растворимость АК, тем самым увеличивая скорость и полноту протекания реакции.
Стехиометрическое соотношение компонентов АК: углекислый марганец (II) равно ~ 2:1. Теоретический (максимально возможный) выход аспарагината марганца составляет 0,480 кг, что соответствует 1,2 массовой части целевого продукта на 1 массовую часть исходной АК.
Исследования по установлению оптимальных параметров процесса получения аспарагината марганца из углекислого марганца (II) проводили на лабораторной установке (рис.1), состоящей из реактора ёмкостью 3 л из нержавеющего металла с мешалкой. Обогрев обеспечивался водяной баней. Для установления оптимальных условий процесса проводили эксперименты в интервале температур 55 т-95 0С с различным временем выдержки реакционной массы в интервале 0,5 т- 2,0 ч. Подбор оптимальной
температуры реакции и времени выдержки реакционной смеси проводили, используя навески углекислого марганца (II) 0,184 кг, 0,190 кг и 0,200 кг при фиксированном количестве АК 0,400 кг.
Порядок проведения реакции. В реактор заливали расчётное количество (2,0 л) дистиллированной воды. В неё же дозировали расчётное количество АК (0,400 кг). Содержимое реактора нагревалось на водяной бане до заданной температуры (55 т-95 0С) и выдерживалось при перемешивании 25 т- 30 мин. В течение этого времени происходило растворение АК. После выдержки в суспензию дозировалось небольшими порциями расчётное количество марганца (II) углекислого основного водного. После окончания дозировки при той же температуре и перемешивании задавалась выдержка реакционной массы (0,5 ^ 2,0 ч). Процесс контролировался по показателю рН маточного раствора, который должен быть в пределах от 5 до 7, что свидетельствует о полноте протекания реакции. После окончания реакции проводилось горячее фильтрование суспензии на вакуум-воронке в колбе Бунзена. Отфильтрованный маточный раствор охлаждался при перемешивании до температуры 20 т- 25 0С и выдерживался 2 ^ 3 ч. За это время происходила кристаллизация твёрдой фазы. Далее суспензия фильтровалась на вакуум-воронке, заправленной бумажным фильтром средней пористости. Твёрдая фаза промывалась этанолом, выгружалась из воронки и подсушивалась в тонком слое (1 т- 2 см) в вытяжном шкафу при комнатной температуре в течение 24 ч при периодическом перемешивании. Затем подсушенный продукт помещался на металлические поддоны (толщина слоя не более 2-х см) и сушился в сушильном шкафу при температуре 90 т- 95 0С в течение 6 ч при периодическом перемешивании.
Результаты экспериментов, усреднённые из 5 параллельных опытов, представлены на рис. 2 ^ 4.
Рис. 1 - Схема лабораторной установки (реактор 3 л): 1 - электроплитка; 2 - мешалка; 3 - водяная баня; 4 - воронка; 5 - ЛАТР; 6 - термометр; 7 -трёхгорлая колба; 8 - прокладка; 9 - колба Бунзена; 10 - вакуум-воронка Бюхнера
Время выдержки, час.
0.5 0 « Т - 55°; • Т - 65°; Т - 75°; Т - 85°; « Т - 95°;
Рис. 2 - Зависимость выхода аспарагината марганца от температуры и времени выдержки при навеске углекислого марганца 0,184 кг
Время выдержки, час.
0.5 0 в Т - 55°; • т - 65°; « Т - 75°;
Т - 85°; о Т - 95°;
Рис. 3 - Зависимость выхода аспарагината марганца от температуры и времени выдержки при навеске углекислого марганца 0,190 кг
Анализируя вышеприведённые зависимости, можно сказать, что оптимальными условиями для протекания процесса являются температура Т = 950С и время выдержки т = 1,5 ч, так как при этих значениях параметров во всех случаях наблюдается выход целевого продукта ~ 80 % по массе. Подбор количества углекислого марганца (II), соответствующего максимальному выходу аспарагината марганца при вышеопределённых оптимальных темпе-ратурно-временных параметрах (Т = 950С и т = 1,5 ч) и при фиксированном количестве АК 0,400 кг показал, что данная цель достигается при его навеске в количестве 0,225 т- 0,235 кг. Выход целевого продукта соответствует величине 87 т- 88% по массе.
Выход, % масс
0.25
.25
1.5
1.75
2
2.25
Выход, % масс
0.25
1.25
.5
.75
2
2.25
А Выход % масс. 9085-
50454035-
Время выдержки, час.
065 05 0.75 1 125 15 175 2 2.25
о о о в Т - 55°; ■ ■ ■ ■ Т - 65°; •—"—"—• Т - 75°0 •—•—•—• Т - 85°0 ° ° ° о Т - 95°;
Рис. 4 - Зависимость выхода аспарагината марганца от температуры и времени выдержки при навеске углекислого марганца 0,200 кг
Для характеристики оптимальности подбора навесок исходных компонентов предлагается оперировать значением коэффициента К, который в данном случае будет определяться соотношением масс взятых для реакции углекислого марганца (II) и АК. Исходя из сказанного оптимальное значение данного коэффициента Копт.. = (0,225 / 0,400) ^ (0,235 / 0,400) = 0,57 ^ 0,58
Результаты и их обсуждение
Анализируя все вышеизложенное можно сказать, что оптимальными условиями для проведения процесса получения аспарагината марганца с использованием углекислого марганца (II) являются:
- температура реакции Т = 95 0С;
- время выдержки реакционной массы т =
1,5 ч;
- массовое соотношение компонентов углекислый марганец (II) / АК в диапазоне 0,57 ^ 0,58.
Именно при соблюдении таких условий проведения процесса достигается максимальный выход аспарагината марганца ~ 88 % по массе от теоретически возможного.
Литература
1 Авицын А.П., Жаворонков А.А., Риш М.А., Строчкова Л.С. Микроэлементозы человека. М.: Медицина, 1991. -496с.
2 Скальный А.В. Химические элементы и ваше здоровье. М.: ЦБММ, 2002.
3 Азизов М.А. О комплексных соединениях некоторых микроэлементов с биоактивными веществами. - Ташкент: Медицина, 1969. - 199с.
4 Азизов М.А., Исханова М.И. О соединениях двухвалентного марганца с некоторыми а - аминокислотами // Вопросы фармации и фармакологии. 1973. № 8. 334с.-(Ташкент).
© Д. В. Ильин - нач. лаб. физико-химических исследований ОАО « ГосНИИ «Кристалл», kristall@niikristall.ru; И. З. Ахметов -канд. техн. наук, нач. отдела физико-химических исследований ОАО « ГосНИИ «Кристалл»; В. В. Судаков - канд. техн. наук, советник ген. дир. ОАО « ГосНИИ «Кристалл»; В. П. Ильин - д-р техн. наук, ген. дир. ОАО « ГосНИИ «Кристалл»; Р. З. Гиль-манов - д-р хим. наук, проф., зав. каф. ХТОСА КНИТУ.
