发酵产物N-乙酰神经氨酸的醋酸溶剂结晶过程机理与控制研究

N-Acetylneuraminic acid (NANA) possessed many functionalities, including increasing intelligence, enhancing memory, resisting bacteria and viruses, etc. NANA produced by microorganism fermentation directly has the advantages of low cost, wide application and good safety. The purification from the fermented liquid of high quality NANA is the technical difficulty, the key of purification is effective control of crystallization process, which directly determines crystal type and purity. Acetic acid is a fine crystallization solvent for NANA purification. However, the crystallization process and mechanism of fermented NANA using acetic acid as solvent is still unclear, which limits the development of NANA separation and purification technologies. This project intends to firstly master NANA thermodynamic properties in acetic acid solvent, and then study the influences of crystallization conditions on the nucleation induction time, grain growth rate, changes in grain number and particle size distribution employing on-line particle analysis and particle microscopy imaging techniques. Based on these, the kinetics equation of NANA crystal nucleation and growth will be built. Combining the equation with the information of product purity and type obtained from liquid chromatography (HPLC) and X-ray diffraction (XRD) analyses, the intrinsic relationship among macroscopically crystallization conditions, microcosmic crystallization mechanism and product quality will be analyzed comprehensively and systematically to reveal the crystallization process mechanism of NANA in acetic acid solvent, which will realize the control of crystallization process. These research results will not only provide theoretical guidance for the separation and purification technology for NANA, but also promote the development and application of NANA crystallization technology using acetic acid as solvent.

N-乙酰神经氨酸(NANA)具有提高智力和记忆力、抗菌抗病毒等功能。发酵法直接生产的NANA具有成本低、用途广和安全性好等优点。从发酵液中提纯高品质NANA是目前的技术难点，对决定产物晶型和纯度的结晶过程的有效控制是提纯的关键。醋酸是一种结晶提纯NANA的优良溶剂，但发酵产物NANA的醋酸结晶过程和机理目前尚不清楚，限制了其分离提纯技术的发展。本项目拟在掌握醋酸结晶NANA的热力学性质基础上，利用在线颗粒分析技术和颗粒显微镜成像技术，探索结晶条件对成核诱导时间、晶粒生长速率、粒数变化和粒度分布的影响等，构建成核和生长动力学方程，结合液相色谱和X射线衍射分析获得的产品纯度和晶型等信息，综合分析研究结晶的宏观条件、微观机理和产物品质的内在关系和规律，揭示醋酸结晶NANA的过程机理，实现对结晶过程的控制，为NANA的分离提纯技术提供理论指导，促进NANA醋酸溶剂结晶技术的发展和应用。

N-乙酰神经氨酸，细胞膜蛋白的重要组成部分，参与细胞表面多种生理功能，具有提高智力和记忆力、抗菌抗病毒等功能。在抗流感病毒、治疗神经系统疾病和奶粉添加剂等方面具有广泛应用。N-乙酰神经氨酸的制备方法有多种，但微生物发酵法来源的N-乙酰神经氨酸具有产量高、安全性好等优点，且于2017年被国家卫计委批准为新食品原料。微生物发酵法制备N-乙酰神经氨酸的研究热点集中在上游发酵方法上，对下游分离提纯研究较少，尤其是分离提纯过程中的结晶过程，直接决定产品的晶型和纯度，不加控制的结晶过程将会导致产品粒度不均匀、纯度不高等问题。醋酸是一种结晶N-乙酰神经氨酸的优良溶剂，但发酵产物N-乙酰神经氨酸的醋酸溶剂结晶提纯过程尚未有报道，其过程机理尚不清楚，掌握N-乙酰神经氨酸结晶过程机理是有效控制其结晶过程的前提。本项目旨在研究N-乙酰神经氨酸在醋酸中的结晶机理，探索结晶过程条件和产品之间的内在关系，实现对结晶过程的控制。.首先，通过静态法和动态法研究了N-乙酰神经氨酸的结晶热力学性质，获得了N-乙酰神经氨酸在醋酸中的介稳区相图，研究了降温速率、搅拌强度及温度对介稳区宽度的影响。结果表明，降温速率越快，介稳区宽度越大；搅拌强度越大，介稳区宽度越小；温度越高，介稳区宽度越大；在给定体系中，饱和溶解度ρ与温度T之间存在关系：.〖ln[〗⁡〖ρ/（g/L）]=-2.67747+0.04205 T⁄K〗+1.65745×〖10〗^(-5) T^2⁄K^2 。.其次，通过FBRM和PVM，研究了N-乙酰神经氨酸在醋酸中晶体的成核方式与生长速率，推测了成核方式和晶粒生长规律,在浓度较高的介电常数较小的醋酸中，N-乙酰神经氨酸的电离被抑制，从而析出晶体。.最后，通过XRD、HPLC、SEM、TGA等研究了N-乙酰神经氨酸晶体纯度和形貌，并研究了结晶过程条件，如过饱和推动力、结晶温度、搅拌速率等对晶体的影响，综合分析了结晶条件、产品质量和结晶过程机制三者之间的内在关系。严格控制在介稳区内成核，是产品质量稳定的重要条件，结合其他控制条件从而实现了对N-乙酰神经氨酸结晶过程的控制。.N-乙酰神经氨酸结晶机理的探索和结晶过程的控制，首先，为N-乙酰神经氨酸的结晶过程的基础科学研究提供了数据，其次，为N-乙酰神经氨酸的工业化生产提供了技术支持，推动其在应用领域的快速发展。