（发酵工程专业论文）吸附法分离低浓度乳酸.pdf

摘要 吸附法分离低浓度乳酸 摘要 乳酸及很多氨基酸的发酵提取残液中含有低浓度的乳酸，其含量 低，溶液组成复杂，用常规的乳酸分离手段从中分离乳酸很困难。 本论文采用吸附法分离低浓度乳酸，使用静态吸附筛选了吸附乳酸 用树脂，测定了所选择树脂的吸附选择系数，考察了所选择树脂对乳酸 的吸附等温线、吸附热力学和吸附动力学，通过实验确定了动态吸附中 吸附、洗涤、解吸和再生等步骤的最佳操作条件，并用于味精等电母液 中低浓度乳酸的分离。 通过静态吸附实验，筛选出大孔吸附树脂n k a i i ，对乳酸的吸附 量相对较大，并且选择性较好，其与谷氨酸、丙氨酸和葡萄糖三种有机 物的吸附选择系数分别为1 6 1 9 ，5 0 7 2 ，6 6 7 。研究表明吸附等温线符 合f r e u n d l i c h 吸附等温方程，热力学计算显示吸附过程是放热过程，焓 变较小，属物理吸附，动力学研究表明主要的控制步骤是粒内扩散，吸 附过程符合k a n n a n & s u n d a r a m 粒内扩散模型。 研究了动态吸附和洗脱工艺，结果表明：最佳吸附流量为o 8 , - - , 0 9 s v ；适宜的洗涤条件为：首先在流量为5 0 s v 时，洗出0 5 b v ，然后 在流量为2 5 s v 下，洗出o 5 b v ，最后在1 0 s v 下，洗出0 3 b v ；最佳 解吸条件为：解吸流量为1 8 0 s v ，解吸液氢氧化钠的浓度为0 3 5 m o l l ， 解吸液的合适用量为0 5 0 b v 。 通过对l 乳酸与谷氨酸、l 乳酸与葡萄糖混合液的动态吸附分离 北京化工大学硕士学位论文 的实验可知，谷氨酸和葡萄糖的穿透体积与l 乳酸的穿透体积有较大 的差别，可以通过动态吸附把乳酸与这两种物质分离开来。 对味精等电母液的动态吸附实验表明，利用大孔吸附树脂n k a i i 能够把味精等电母液中的乳酸提取出来，以穿透点为标准的乳酸收率在 7 8 1 - - - 9 9 1 o 关键词：大孔吸附树脂，吸附，乳酸，吸附等温线，吸附热力学， 吸附动力学 摘要 s e p a r a t i o nl o wc o n c e n t r a t i o n l a c t i ca c i d b ya d s o r p t i o n a b s t r a c t t h e r ei sl o wc o n c e n t r a t i o nl a c t i ca c i di nf e r m e n t a t i o nr e s i d u a ls o l u t i o no f l a c t i ca c i da n da m i n oa c i d i ti sh a r dd i f f i c u l tt os e p a r a t el a c t i ca c i df r o m t h o s es o l u t i o nb e c a u s eo fl o wc o n c e n t r a t i o na n dc o m p l i c a t e dc o n s t i t u e n t s i nt h i st h e s i s ，l o wc o n c e n t r a t i o nl a c t i ca c i dh a sb e e ns e p a r a t e db y a d s o r p t i o n t h em a c r o p o r o u sa d s o r b e n tw a s s e l e c t e dt os e p a r a t el a c t i ca c i d a d s o r p t i o nb e h a v i o r sa n dt h es e l e c t i v i t y w e r es t u d i e db yu s i n gs t a t i c m e t h o d s ，i n c l u d i n g t h es t a t i c e q u i l i b r i u ma d s o r p t i o n ，t h ea d s o r p t i o n t h e r m o d y n a m i c sp r o p e r t i e s a n dt h ek i n e t i c so fa d s o r p t i o n t h eg o o d o p e r a t i o nc o n d i t i o n s ，i n c l u d i n ga d s o r p t i o n ，w a s h i n g ，d e s o r p t i o n a n d r e g e n e r a t i o n ，h a v eb e e nc o n f i r m e db yd y n a m i ca d s o r p t i o nm e t h o d s t h e n l a c t i ca c i dh a sb e e n s e p a r a t e d f r o mt h ei s o e l e c t r i c s u p e r n a t a n t i n m o n o s o d i u mg l u t a m a t e t h em a c r o p o r o u sa d s o r b e n tn k a - 1 1w a ss e l e c t e dt os e p a r a t el a c t i ca c i d f r o mt h er e s i d u a ls o l u t i o no ff e r m e n t a t i o n t h ea d s o r b e n ts e l e c t i v i t yi sg o o d ， w h i c ht h e s e l e c t i v i t yc o e f f i c i e n t ( k ) o fl a c t i ca c i d w i t hg l u t a m i ca c i d ， a l a n i n ea c i da n dg l u c o s ei nt u r ne q u a l e dt o16 19 ，5 0 7 2a n d6 6 7 t h e a d s o r p t i o nd a t aw e r ec o r r e l a t e dw i t hf r e u n d l i c hi s o t h e r me q u a t i o na n dt h e i l l 北京化工大学硕士学位论文 c o r r e l a t i v ec o e f f i c i e n t s ( r 2 ) a l le x c e e d e d0 9 9 c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e ro f t h i se q u a t i o nn 1 t h et h e r m o d y n a m i c so fa d s o r p t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a t t h ep r o c e s so fa d s o r p t i o ne x p a n d sh e a ta n dt h ec h a n g eo fe n t h a l p yi ss m a l l b e s i d e s ，t h ek i n e t i c so fa d s o r p t i o nb e h a v i o ro fn k a - 1 1w a sm a i n l y c o n t r o l l e d b yi n t r a - p a r t i c l ed i f f u s i o n ，a n d i tf i tw e l li n t ot h e k a n n a n & s u n d a r a mi n t r a p a r t i c l ed i f f u s i o nm o d e l t h ed y n a m i ca d s o r p t i o ne x p e r i m e n t si n d i c a t e dt h a tt h eb e s tf l o wr a t ew a s o 8 o 9s v ；t h ef i t t i n gw a s h i n gc o n d i t i o n ：a tf i r s tw a s ho u t0 5b va t5 0s v , t h e nw a s ho u t0 5b va t2 5s v , a tl a s tw a s ho u t0 3b va t1 0s v ；t h eg o o d d e s o r p t i o nc o n d i t i o n ：f l o wr a t eo fd e s o r p t i o nw a s1 8 0s v , t h ec o n c e n t r a t i o n o fn a o hs o l u t i o nw a so 35m o l l ，t h ev o l u m eo fd e s o r p t i o ns o l u t i o nw a s o 5 0 b v d y n a m i ca d s o r p t i o nr e s u l t s s h o w e dt h a tt h eb r e a k t h r o u g hv o l u m eo f l a c t i ca c i da n dg l u t a m i ca c i dw a sd i f f e r e n t ，a sw e l la sl a c t i ca c i da n d g l u c o s e s om a c r o p o r o u sa d s o r b e n tn k a i ic o u l db ee m p l o y e da st h e s o r b e n tt os e p a r a t el a c t i ca c i d ，g l u t a m i ca c i da n dg l u c o s e t h er e c o v e r yr a t eo fl a c t i ca c i df r o mi s o e l e c t r i cs u p e r n a t a n tw a s 7 8 1 - - 9 9 1 i n d i c a t e db yc o r r e s p o n d i n gd y n a m i ca d s o r p t i o n k e y w o r d s ：m a c r o p o r o u s r e s i na d s o r b e n t s ，a d s o r p t i o n ，l a c t i ca c i d ， c u r v eo fi s o t h e r m a la d s o r p t i o n ，t h e r m o d y n a m i c so f a d s o r p t i o n ，k i n e t i c so fa d s o r p t i o n i v 主要符号说明 主要符号说明 初始溶液中d l 丙氨酸对应的峰面积 吸附平衡后d l - 丙氨酸对应的峰面积 床层体积 溶液的初始质量浓度，g l 1 吸附平衡后的上清液质量浓度，g l 1 硫酸标准溶液的浓度，m o l l 1 方程的截距 树脂相中溶质的浓度，g - l 1 吸附体系中t 时刻上清液的溶质浓度，g l 。 动态吸附第i 收集液的浓度，g l 1 平衡解吸量，m g g - 1 玻璃色谱柱内径，c m 姚，吸附剂的吸附交换率 吸附平衡常数 膜扩散速率常数 粒内扩散速率常数，m g m i n o 5 , g 1 选择系数 玻璃色谱柱柱高，c m 分配系数 特征常数 平衡吸附量，m g f 1 t 时刻的吸附量，m g 茸1 吸附柱的动态吸附量，m g o g 1 平衡吸附量，m m o l g - 1 气体常数，k j m o l a o k j 相关系数 b v h i 吸附时间，m i n 绝对温度，k 动态吸附的上柱液体积，m l 动态吸附第i 收集液的体积，m l 动态吸附中，t 时刻的柱底流出液的体积，m l 吸附体系中所加液体的体积，m l v 勘以钟 g c c c g g g d 岛， 七七知x 三 m 撑 珐9 q 吼r f 册 ， r k 巧矿 北京化工大学硕士学位论文 下标： l a c g l u g 所加被测样品的体积，m l 滴定样品耗用硫酸标准溶液体积，m l 滴定空白耗用的硫酸标准溶液体积，m l 吸附体系中所加吸附剂的质量，g 乳酸含量，分l 1 溶质中的摩尔分数 吸附自由能变，k j m o l 一 吸附焓变，k j m o l 。 吸附熵变，j m o l - 1 k - o 乳酸 谷氨酸 葡萄糖 v i k 乃乃形 x z 们胆郇 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的 规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化 工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分 内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用本 授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：接鹏波日期：z 丝盗纽旦 导师签名：蛆 日期：- 二坦啤拿衄一 1 文献综述 1 1 乳酸及生产方法简介 1 1 1 乳酸的结构、性质及应用 1 文献综述 乳酸( l a c t i ca c i d ) 的分子式为c 3 h 6 0 3 ，学名是a 羟基丙酸，又名2 羟基丙酸 ( 2 - h y d r o x y p r o p a n o i e ) ，是一种天然存在的有机酸，广泛存在于人体、动物、植物 和微生物中【l 】o 乳酸分子中含有一个不对称碳原子，因此具有一对光学异构体，即d 型和l 型两种构型f 2 】，其结构式见图1 1 。 h o o c h q h i 十滞嗽 c o o h 少洲 吼 d o 乳袋 图1 - 1 乳酸的结构式 f i g 1 - 1t h es t r u c t u r a le x p r e s s i o n so fl a c t i ca c i d 乳酸是一种较强的有机酸，与水任意比例互溶，很不易形成结晶，例如，在 2 5 一1 m m h g 的真空条件下反复蒸馏，可得l 哥l 酸的结晶。浓度为6 0 0 6 的乳酸溶 液具有很强的吸湿性。乳酸的两种异构体及其外消旋混合物的理化性质有所不同 f 3 1 ，其部分理化数值见表1 1 。 表1 - 1 乳酸异构体的理化性质 t a b l e1 - 1t h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so fl a c t i ca c i di s o m e r s 因为乳酸分子中含有一个羟基和一个羧基，所以它可以参与许多反应，如氧化 北京化1 二大学硕士学位论文 反应、还原反应、缩合反应和酯化反应等，充分脱水可形成聚合乳酸，是一种新型 的环保塑料，另外，加热时发生自动酯化，可形成乳胶酯f 4 】。 乳酸是世界上公认的三大有机酸之一，它的用途及其广泛乳酸及其盐类和衍 生物已经广泛应用于食品、酿造、香料、医药、皮革、卷烟、化工和印染等行业领 域1 5 4 】。此外，目前研究的热点是用l 乳酸生产聚乳酸聚乳酸作为无毒、可降解的 生物相容性高分子材料，可用来制造生物可降解塑料、绿色包装材料和药用修复材 料等，以解决日益严重的“白色污染”问题，已引起了世界的广泛关注，应用前景非 常广阔，具有较好的社会效益和经济效益口l 。 1 1 2 乳酸生产方法简介 1 1 2 1 发酵法 发酵法是以淀粉、葡萄糖等糖类或牛乳为原料，利用乳酸菌或霉菌等菌株发酵 生成乳酸。乳酸菌一般不能直接利用淀粉质原料，需要把淀粉先经过水解转化为还 原糖后由乳酸菌发酵产生乳酸，或者加入糖化酶进行边糖化、边发酵乳酸的“双边 发酵”【9 j 。利用米根霉发酵生产乳酸的基本原理是米根霉能产生淀粉酶和糖化酶， 能直接利用淀粉质原料发酵生成乳酸i i o l 。米根霉可利用的原料有玉米、淀粉、大米 甚至玉米芯和工农业废弃物等【i h 3 。发酵法生产乳酸，可以通过菌种和培养条件的 选择而获得具有立体专一性的l 乳酸或d 乳酸或者两种异构体以一定的比例混合 的消旋体。该法因其原料来源广泛、生产成本低、产品光学纯度高、安全性高等优 点而成为生产乳酸的重要方法i i 钠。 1 1 2 2 酶法 乳酸的酶法生产技术主要有2 氯丙酸酶法转化和丙酮酸酶法转化两种，所用的 酶分别是从恶臭假单孢菌和假单孢菌的细胞中提取纯化的l 2 卤代酸脱卤酶和 d l 卤代酸脱卤酶及d 乳酸脱氢酶f 1 5 1 。酶法虽然可以生产专一旋光性的乳酸，但工 艺条件复杂，应用到工业上还有待进一步的研究。 1 1 2 3 化学合成法 化学合成法包括丙稀腈法、乳腈法( 乙醛氢氰酸法) 、丙酸氯化水解法和生物 质化学降解法等等，采用较多的是乳腈法【1 6 l 。该法是乙醛与氢氰酸经碱性催化作用 生成乳腈，粗乳腈通过蒸馏纯化并用浓盐酸或硫酸水解为乳酸，粗乳酸再经酯化精 制形成不同等级产品。 化学合成法的缺点是产品为外消旋乳酸，即d l 一乳酸，另外成本也高，而且由 于该法所用的原料为乙醛和剧毒的氢氰酸，应用受到一定的限制。 2 1 文献综述 1 2 发酵法生产乳酸的分离技术现状 乳酸发酵液的成分复杂，随所使用原料和发酵工艺的不同而有所变化。除产生 的乳酸外，发酵液中还包括菌体、残糖、蛋白质、色素、胶体、有机酸、无机盐等 多种杂质。总的来说，它们来源于原材料、未消耗的营养盐或发酵的中间副产物。 所以从乳酸发酵液中提取乳酸是比较困难的。因此，在乳酸工业生产中，产品的分 离与精制是目前的技术难点。乳酸的提取方法主要有钙盐法、离子交换与吸附法、 电渗析法、液膜法、溶剂萃取法、酯化法和分子蒸馏法等，下面作一下简单介绍。 1 2 1 钙盐法【1 7 】 钙盐法提取乳酸的工艺流程如图1 2 所示， 发酵液型骂过滤j 滤液( 滤渣另作处理) 一 浓缩专结晶。离心、洗晶寸复溶专酸解脱色专 过滤( 同时产生硫酸钙滤渣) _ 浓缩_ 离子交换_ 浓缩一脱色专过滤专成品包装 图i - 2乳酸钙盐法提取工艺流程图 f i g 1 2t h es t r u c t u r a le x p r e s s i o n so fl a c t i ca c i ds e p a r a t e db yd e p o s i t i n g 发酵完成后，发酵液经升温、碱化处理后，过滤除去菌体、蛋白质等胶体杂质， 得到的乳酸钙粗溶液，经适当浓缩后，在一定条件下结晶，离心分离除去母液，得 到乳酸钙粗晶体，再洗去残留的母液和一些蛋白质、糖类及色素，得到乳酸钙白色 晶体，溶解晶体后用硫酸进行酸解，加入适量的活性炭进行脱色，分离除去硫酸钙 及活性炭滤渣，得到粗乳酸溶液，再用阴阳离子交换树脂处理以除去杂质阴阳离子， 得到的乳酸溶液再经浓缩至浓度8 0 以上，即成为成品乳酸。 用于碱化处理的无机钙盐一般使用石灰石( 碳酸钙) 、氢氧化钙乳液等，也有 使用珍珠层粉为乳酸发酵的钙源削墙j 。钙源要廉价易得，使用方便。 国内目前主要采用此种分离方法，此工艺具有易于放大，工艺成熟的优点，但 其工艺流程长，需要多次结晶，多次脱色，劳动强度大，并产生大量固体废弃物， 环境污染严重，分离成本高，特别是产品收率低，收率一般在4 0 - - 4 5 之间， 且产品质量不理想、产品稳定性也较差。 1 2 2 离子交换法 北京化i 大学碗士学位论文 离子交换法作为一种有效的纯化手段，在物质的分离提取中有着广泛的应用， 该法选择性高，交换容量大，操作简便，易于自动控制。离子交换法提取乳酸的工 艺流程如图】- 3 所示。 哈尔滨工业大学的柳萍【1 9 1 和天津科技大学的卢金照等人刚分别提出了用悔藻 酸钙凝胶和木炭吸附固定化乳杆菌细胞产生乳酸，耦合离子交换树腊从发酵液中分 离出乳酸，消除了产物乳酸对乳酸菌生长和发酵的抑制作用，使发酵时间缩短，乳 酸的体积生产率提高。王子镐等口”研究了从葡萄糖一乳酸镕液中提取乳酸的离子交 换工艺筛选了一种树脂2 0 1 x 4 ，吸附量为0 2 5 e r n i j ，而对葡萄糖基本不吸附。利 用该树脂参与乳酸的发酵，可以连续将发酵液中的乳酸分离出来，从而维持发酵所 需地p h 值。而葡萄糖则返回发酵罐继续参与发酵，从而可能实现乳酸的连续发酵。 范宁伟等田1 人采用离子交换法分离与提取玉米发酵液中的乳酸，再用减压蒸馏法进 行提纯浓缩，得到了很好的分离提纯效果。c a ox 哑i 啪等1 2 3 在p h 高于和低于p k a ( 38 6 ) 的情况下分别研究了阴离子交换树脂a m b e r l i t e i r a q l 0 从发酵液中分离提 取l - 乳酸的情况，研究表明，这两种情况下的吸附机理是不一样的。s c o t t m ，h u s s o n 等人j 用叔胺型弱阴离子交换剂d o w e x m w a 1 和a m b e r l i t e i r a 3 5 在c 0 2 加压的 系统中，对溶液中的乳酸明离子进行分离，使吸附量有所提高。 与钙盐法相比，离子交换有着一定的优势，不产生硫酸钙固体废弃物，产品的 收率亦大大提高，但离子交换法也有一定的缺点如需要频繁再生，会导致大量酸 性、碱性废液的产生。另外离子交换树腊的交换能力随着时间的延续会逐渐减弱， 工作稳定性有限，生产中要用大量的离子交换树脂，并且需定期更换，也会产生不 少树脂固体废弃物，从而导致分离成本升高。 困 f ：2l 蛙解罐；n g ：氯 、；：f ：c 体廿滤器 c ；、竞换 t 4 0 x 2 i “h i ；n l c ：p h 控制 器： e 睦藩渡：a i ： 域湍最：玑：发酵讯确 环轭i ，：碱漓输逃幕： p ：酤箱逆泉 图1 - 3 离子交换法提取乳酸的工艺流程图 f 吨1 - 3 t h e 蚰u c m 州e x p r e s s i o n so f l a c t i ca c i d 绪p a r a t e db y i o n e x c h a n g e 文献综述 1 2 3 膜技术 膜分离技术是- - f l 新* 的跨学科技术，它可弥补传统分离技术( 如离子交换、 吸附、蒸发、冷凝、离心、过滤、结晶等) 的缺点。乳酸提取工艺中可以使用不同 类型的膜：渗析( 依靠扩散排阻) 、电渗析( 依靠离子捧阻) 、微滤和超滤( 依靠分 子捧阻) 等，目前研究较多的是电渗析法分离。电渗析法提取乳酸的工艺流程如图 1 _ 4 所示。 电渗析的原理口”是利用阴、阳离子交换膜的选择透过性能力，在直流电场作用 下使电解质溶液中形成电位差，从而产生阴、阳离予的定向迁移，达到目标产物的 分离、提取和浓缩的目的。电渗析分离技术具有高效率，能耗低，便于工业化生产 和自动控制等优点，但该工艺有着不足之处，例如运行费用高，膜的使用性能不佳 等【”i 。首次报导电渗析法分离乳酸的是日本的m o t o g o s h ih 0 n g o i 明在1 9 8 6 年提出 的电渗析一发酵法生产乳酸的新方法，揭示了电渗析用于提取乳酸盐和乳酸的可行 性。近年来，一般采取两种方式的电渗析解决此问题。一是将发酵过程与电渗析耦 台口“，发酵的同时通过电渗析在线除去乳酸，消除产物抑制，而底物糖和营养物 返回发酵罐继续发酵：二是用两步电渗析来实现m i ，第一步，向发酵液中加入碱液， 把乳酸转化为盐的形式，用传统的二隔室结构电渗析来分离浓缩乳酸盐，第二步， 浓缩的乳酸盐用双极膜电渗析解离生成乳酸和碱。结果表明，电渗析技术可以提高 回收率( 一般可达9 0 * 以上) 尤其是两步电渗析法转化率可达9 5 ，节约原料， 降低成本，减少污染。 j 蕾雕雄2 - b 一拆壮1 浓端- 谴矿蚺：4 瞳i 簟+ f ：5 腔杜颢 忙ni 乜如k 坪器1 鞋8l ，i l 电啦9 川i 甜制器；“ 直洫 也尊i 仪i 二衅讯 田脯f # i 幢4l1 ：卜鳓 心 - ，川- - n 一癌甜r l 一i 峨审 图1 - 4 电渗析法提取乳酸的1 艺流程翻 f i g , l - 4 t h es t m e m m le x p r e s s i o n so f l a c t i ca c i d5 e o a r a t e de l e c t r o d i a l y s i s 士_a 筮一 蘩娑 剖弘浮 8 北京忱i 大学砸学位论文 1 , 2 4 溶剂萃取法 萃取法是提取化工产品的重要方法，使用不溶或微溶于水的有机溶剂，通过物 理或化学萃取方式从粗乳酸中提取乳酸，然后再反萃取，把乳酸从萃取相中分离出 来。溶剂萃取法提取乳酸的工艺流程如图1 5 所示。 ，革取制 图1 - 5 溶剂萃取法提取乳酸的工艺流程图 f 吨i 一5 t h es t r u c t u r a le x p r e s s i o n s o f l a c t i c a c i ds e p a r a t e db ye x i r a c t i o n 萃取乳酸所选用的萃取剂包括a l a m i n e3 3 6 、a m b e r l i t el a 一2 、三丙胺( t p o ) + t o a 、三辛胺( t o a ) 、三辛基甲基氯化胺、t o a + t b p 等i ”i 。 张英等口”以三辛胺十正辛醇为萃取剂，较为系统的研究了n h 值和结合剂对乳 酸，舀 酸单组分和双组分体系的影响。李绍社等 ”研究了t r p o - 磺化煤油萃取乳酸 的影响因素。柴红等p 8 i 比较了乳酸的乳化液膜萃取与有机溶剂摹取，有机相消耗量 为乳化液膜法的3 4 倍。乳化液膜法萃取率高，而且能得到浓缩的乳酸。e v o n f r i e l i n g 等研究1 3 9 】了莘取剂h o ef2 5 6 2 ( 仲胺类) 和h o s t a r e xa3 2 7 ( 叔胺类) 从乳酸、 柠橡酸、乙酸混合液中萃取乳酸，结果表明只有多级萃取才能实现乳酸与其它酸的 分离。 溶剂萃取法省去了钙盐法的中和、酸解等步骤，大大节省了化工原料，连续生 产，简化了操作过程。但萃取乳酸溶液所用的萃取剂一般选用胺类，尤以叔胺为多， 该类萃取齐惧有一定的毒性，因此寻找高效、无毒、水溶性小、经济可性的萃取荆， 以及如何高效地从有机相中分离出乳酸是应用萃取法的关键。 1 2 5 液胰革取法 液膜是由水溶液或有机溶剂构成的液体薄膜。液膜可将与之不能互溶的液体分 割开来，使其中一删液体中的溶质选择性地透过液膜进入另一侧，实现溶质之删的 1 文献综述 分离。液膜萃取可同时实现萃取和反萃取，具有简化分离过程、提高分离速度、降 低设备投资和操作成本的优点液膜根据其结构可分为乳状液膜、支撑液膜、流动 液膜掣4 0 1 。液膜法提取乳酸的原理如图1 - 6 所示。 利用该方法提取乳酸过程不需要对料液进行预处理，可以直接对发酵液进行分 离提取。 张卫东等【4 1 】采用三烷基胺( 7 3 0 1 ) + 正辛醚+ 煤油混合溶剂为萃取剂，以水作 为反萃取剂，采用聚砜中空纤维封闭液膜技术对乳酸的分离进行了研究。实验研究 了鼓泡技术对强化传质的影响，表明在中空纤维膜器壳程中鼓入空气有利于提高传 质系数。 内捆 olll 北京化工大学硕士学位论文 ( 1 ) 动态吸附实验表明，流量对穿透曲线有影响，随着流量的增大，穿透体积减 少，料液的处理量亦减少，吸附柱的利用率降低。其最佳流量为0 8 - 0 9s v 。 ( 2 ) 通过不同流量下的洗涤效果可知，最佳洗涤流量为：首先在流量为5 0 s v 时， 洗出0 5 b v ，然后在流量为2 5 s v 下，洗出0 5 b v ，最后在1 0 s v 下，洗出 o 3 b v 。 ( 3 ) 在上柱液初始浓度为3 6 9 l - 1 的条件下吸附饱和后，解吸实验表明解吸最佳 条件为：解吸流量为1 8 0 s v ，解吸液氢氧化钠的浓度为0 3 5 m o l l 一，解吸 液的合适用量为0 5 0 b v 。 ( 4 ) 合适的再生条件是：用o 3 5 的盐酸1 0 b v 再生2 o h 即可。 ( 5 ) 不同浓度的l 乳酸溶液上柱吸附的结果表明：低浓度的乳酸溶液的穿透曲 线较为平缓，随着乳酸浓度的增大，穿透曲线逐渐变陡；从表4 5 可知，穿 透体积和饱和体积及两者之差都随着乳酸浓度的增加而降低，穿透体积由 1 3 6g l - l 的1 4 4 9 8m l 降低至2 8 0g o l 1 的9 6 2 4m l ，降低了3 3 6 ，饱和 体积降低的幅度更大，降低了6 7 7 。 ( 6 ) 对n k a i i 树脂的连续1 0 批的使用，其穿透体积和饱和体积均无明显降低， 表明其使用性能稳定。 5 发酵提取残液中乳酸分离的初步研究 5 1 引言 5 发酵提取残液中乳酸分离的初步研究 发酵提取残液中成分复杂，且乳酸浓度低，故对吸附剂对乳酸的选择选择性要 求较高。本章分别测定了吸附剂对乳酸与谷氨酸、丙氨酸和葡萄糖的吸附选择性， 并研究了其对应的动态吸附分离效果，尝试从味精等电母液中提取乳酸，为工业应 用探索路线。 5 2 实验部分 5 2 1 实验试剂和仪器 苯乙烯系大孔吸附树脂n k a 。i i 。 本章实验所用的化学试剂见表5 1 。 表孓l 实验所用到的化学试剂 t a b l e5 - 1t h ec h e m i c a lr e a g e n tu s e di ne x p e r i m e n t 表5 - 2 实验所用到的仪器 t a b l e5 - 2t h ec h e m i c a la p p a r a t u su s e di ne x p e r i m e n t 4 5 北京化工火学硕士学位论文 5 2 2 实验方法 5 2 2 1n k a i i 树脂吸附选择性的静态实验 准确称量三份1 0 0 0g 预处理好且除去表面水的n k a i i 树脂分别置于5 0m l 锥形瓶中，分别加入l 哥l 酸和l 谷氨酸、l 哥l 酸和d l 丙氨酸、l 乳酸和葡萄糖 的混合溶液各1 0m l ，于室温( 2 6 ) 下振荡平衡，用s b a 一4 0 c 测量l 乳酸和l 谷氨酸浓度在吸附前后溶液的浓度；用d n f b 衍生化法测定溶液的d l 丙氨酸的浓 度；用3 ，5 一二硝基水杨酸比色法测定溶液的葡萄糖的浓度。根据式( 2 1 ) 计算各 物质的q ( m g g 一) 。进而计算各物质的分配系数及相应的选择系数。 5 2 2 2n k a i i 树脂吸附选择性的动态实验 取已预处理完用水浸泡的n k a i i 装入已标好刻度的玻璃色谱柱中，湿法装柱， 准确至6 0m l ，使用l 乳酸和l 谷氨酸、l 哥l 酸和葡萄糖的混合溶液分别在最佳 流量下通过吸附柱，吸附过程中使用部份收集器定时收集柱底流出液，并测量每份 收集样的l 乳酸、l 一谷氨酸和葡萄糖浓度，直至吸附饱和。得出各物质的穿透体 积和饱和体积。 5 2 2 3 味精等电母液中乳酸的分离实验 取已预处理完用水浸泡的n k a i i 装入已标好刻度的玻璃色谱柱中，湿法装柱， 准确至6 0m l ，使用味精等电母液在最佳流量下通过吸附柱，吸附过程中使用部份 收集器定时收集柱底流出液，并测量每份收集样的l 乳酸和l 谷氨酸浓度，直至 吸附饱和。得出各物质的穿透体积和饱和体积，并绘制穿透曲线。 5 2 3 分析方法 5 2 3 1d l 丙氨酸的浓度测定 5 发酵提取残液中乳酸分离的初步研究 l 乳酸和i 广谷氨酸浓度参照3 2 3 节的内容所述的方法测量。 5 2 3 2d l 丙氨酸的浓度测定 溶液中d l 丙氨酸的浓度采用d n f b 衍生化法测定。高效液相色谱仪为安捷伦 科技有限公司的h p l l 0 0 ：色谱柱：z o b a r xs bc 1 8 ( 2 1 * 1 5 0 m m ，5 1 a n ) ；流动相：a ： 0 0 5 m o l l - 1 乙酸钠水溶液，b ：5 0 ( v v ) l 腈水溶液，梯度：0 - 1 5 m i n ，3 0 - - - , 5 0 b ；1 5 - - 2 5 m i n ，5 5 1 0 0 b ；2 5 - - 3 5 m i n ，1 0 0 - - - 3 0 b ；检测波长选择3 6 0 n m ， 其扫描图谱见图5 1 ；流速：0 2 m l m i n 。 衍生化方法：测试样品溶液0 2 5 m l ，加d n f b ( 2 ，4 一二硝基氟苯1 0 m g 1 0 m l 乙腈溶解) o 2 5 m l ，再加0 5 m l 0 5 m o l l 1 的碳酸氢钠溶液，于6 0 水浴反应1 h ， 取出待冷却后加入l m l 0 0 5 m o l l - 的p b s ( p h 7 o ) 即可。 o o 冀骶矗8 w 忽舭篇心 r 由洲 3 盹o w _ 喇m 呻 图5 1d n f b 衍生化后待测样品的波长扫描图谱 f i g 5 - 1t h es c a ns p e c t r u mo fs a m p l el i n k e db yd n f b 5 2 3 3 葡萄糖的浓度测定 原理：在n a o h 和丙三醇存在下，葡萄糖能将3 ，5 二硝基水杨酸中的硝基还原 为氨基，生成氨基化合物。此化合物在过量n a o h 碱性溶液中呈桔红色，在5 4 0 r i m 波长上有最大吸收，其吸光度与还原糖含量有密切的关系。 3 ，5 二硝基水杨酸溶液的配制：称取6 5 9 3 ，5 一二硝基水杨酸溶于少量水中， 移入1 0 0 0 m l 容量瓶中，加入2 m o l l d 的n a o h 溶液3 2 5 m l ，再加入4 5 9 丙三醇摇 4 7 北京化工大学硕士学位论文 匀，冷却后定容到1 0 0 0 m l 。 标准曲线的测定：取o ，l ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ，7 m g m l 的葡萄糖标准溶液各l m l ， ( 含糖3 - - - 4 m g ) 分别置于2 5 m l 容量瓶中加入3 ，5 二硝基水杨酸溶液2 m l ，置于 沸水浴中煮2 m i n 进行显色，然后以流水迅速冷却，用水定容到2 5 m l 摇匀。以空 白调零，5 4 0 n m 处测吸光值，绘制标准曲线，标准曲线见图5 2 ，进行线性拟合得 到的方程式见式( 5 - 1 ) ，式中x 为吸光值a ( o d 5 4 0 n m ) ，y 为葡萄糖的浓度( g l - 1 ) ， 其线性相关系数为r 2 = o 9 9 7 9 ，通过拟合得到的方程计算样品中还原糖含量。 y = 5 3 9 8 7 x 式( 5 1 ) 图5 - 2 比色法测定葡萄糖的标准曲线 f i g 5 - 2t h es t a n d a r dc u r v eo fg l u c o s ed e t e r m i n e db yc o l o r i m e t r y l 哥l 酸的存在对测定的干扰：由于葡萄糖的测量体系中还含有l 乳酸，所以测 定其干扰情况是有必要的。分别配制浓度约3 6 9 l d 的l 乳酸溶液、3 0 9 l 一的葡 萄糖溶液、l 乳酸浓度为3 6 9 l 。1 和葡萄糖浓度为3 o 矿l 。1 的混合溶液，分别测定 三种溶液在取样量为2 0 0 9 l 、4 0 0 9 l 、6 0 0 9 l 、8 0 0 9 l 、l o o o i _ t i g 不足1 0 m l 的用去 离子水补齐) ，按照葡萄糖的测定方法进行测定。其结果见表5 3 。 由表5 3 可知，l 哥l 酸与3 ，5 二硝基水杨酸不能生成桔红色物质，在5 4 0 n m 的 波长下几乎没有吸收峰。为更好地说明l 乳酸的存在对葡萄糖的测量没有影响， 把葡萄糖溶液和混合溶液中葡萄糖测定得到的吸光值与被测样中所含的葡萄糖的 量进行线性拟合，拟合得到的曲线见图5 3 。其线性相关系数r 2 = o 9 9 5 3 ，故此葡 5 发酵提取残液中乳酸分离的初步研究 萄糖的测定方法是可用的。 表5 - 3 在l 乳酸存在的情况下葡萄糖测定的吸光值 t a b l e5 - 3t h ea b s o r b e n c yo fd e t e r m i n i n gg l u c o s ew h i l el - l a c t i ca c i de x i s t 3 o 2 5 图5 3l 乳酸的存在对葡萄糖的测量的影响 f i g s - 3e f f e c to fl l a c t i ca c i db e i n gt od e t e r m i n i n gg l u c o s e 5 3 实验结果与讨论 5 3 1n k a i i 树脂吸附选择性静态实验结果 5 3 1 1n k a i i 树脂对l 哥l 酸和l 谷氨酸的吸附选择性 n k a i i 在l 乳酸和l 谷氨酸的混合溶液中的静态吸附数据见表5 - 4 。表5 _ 4 中c ，表示树脂相中溶质的浓度( g l 。1 ) 。 4 9 aeb西ccjj等d m一e田西co西uo)一o jo-ca一，oc卜 北京化工大学硕士学位论文 表5 - 4n k a - i i 对l - - 孚l 酸和l - 谷氨酸的吸附选择性 t a b l e 5 - 4t h ea d s o r b e n ts e l e c t i v i t yo fl - - l a c t i ca c i da n dl - g l u t a m i ca c i do nn k a - i i l 乳酸和l 谷氨酸在吸附体系中的分配系数肌【8 8 】和n k a i i 对l 乳酸和l 谷 氨酸的选择系数f 别分别用下式计算： 啪：堑堕塑生堕堕生塑堕鏖竺：! 星! 墨! 式( 5 2 ) m=一，、一_， 彳 液相中溶质彳的浓度c 。( g 三) 。 k ：生式( 5 3 ) ” 朋矗 由表5 4 可知n k a i i 对l 乳酸和l 谷氨酸的选择性系数k 为1 6 1 9 ，其值远远 大于l ，表明该树脂对l 乳酸的吸附亲和力远大于对谷氨酸的亲和力，可以用作其 混合体系的分离介质。其原因可能如下：溶液中的吸附质在固体上的吸附过程与溶 解过程中“相似相溶”的道理类似，在发生吸附作用时可通俗地称为“相似相吸”，即 吸附剂与溶质的性质越接近，则后者越易被吸附 9 0 l 。n k a i i 的表面上含有一定密 度的酚羟基，能与乳酸分子结构中含有的i f , 一羟基形成氢键；再者n k a i i 也有一定 的疏水性，也有利于l 乳酸的吸附，而l 谷氨酸的结构中没有羟基结构，故有以 上结果。 5 3 1 1n k a i i 树脂对l 乳酸和d l 一丙氨酸的吸附选择性 l 乳酸和d l 丙氨酸的混合溶液中l 哥l 酸的初始浓度为4 6 酽l ，d l 丙氨酸 的初始浓度为3 5 9 l - 1 ，其中d l 丙氨酸的初始浓度需配制准确。 d l 丙氨酸的浓度用高效液相色谱测量，吸附平衡前后溶液中d l 丙氨酸浓度 的测量谱图见图5 4 。图中保留时间为7 0 m i n 左右呈灰色的峰为d l 丙氨酸的响应 峰，上部的谱图为吸附前的溶液的测量峰，下部的谱图为吸附后的溶液的测量峰。 5 发酵挺r 残涟中乳鼬分离初步研究 一4f器尸 ；当 习篓蛰jl 塑! 图s 4d n f b 衍生化后溶液中d l - 丙氨酸的檀相图谱 f i g 5 - 4 t h es p c c l m mo f d l - a l a n i n e a c i d i bs o l m i o n l i n k e d b y d n f b 通过吸附前后到的两个液相谱图中d l 丙氨酸对应的峰面积计算出吸附后溶 液中d l 丙氨酸的浓度，计算式为式( 5 4 ) 。 c 吒砉 式( 5 - 4 ) 中c 。为吸附平衡后上清液中d