（应用化学专业论文）丙烯酸型树脂的胺化与分离葡萄糖谷氨酸的性能研究.pdf

摘要 摘要 味精广泛应用于食品、医药、工业及农业等方面，年产1 0 0 多万吨。传统生产味精 的方法为等电离交法。该法污染严重，在生产味精的同时，需要消耗大量酸碱，不仅增 加了经济成本，而且对环境造成了污染。为了从根本上消除污染，本文研究了一种新的 味精清洁生产工艺即采用丙烯酸阴离子树脂作为固定相，水作为流动相，色谱法分离谷 氨酸和葡萄糖。该法不仅显著降低了污染，还降低了生产成本。主要研究结果如下： ( 1 ) 研究了时间、温度、胺化剂的量以及胺化剂的种类对丙烯酸树脂胺化反应的 影响。结果发现：从红外谱图上无法分辨不同胺化剂形成的不同结构的功能基团。 胺化温度是对树脂性能影响最大的因素，反应温度升高，树脂交换容量先增大后减小， 1 6 0 。c 时交换容量最大，大于1 6 0 。c 后，由于高温下发生附加交联，交换容量减小；温度 从1 0 0 。c 升高到1 8 0 。c ，树脂增重率从5 0 上升到1 0 0 。树脂的p k b 值与胺化过程中 的各个条件无关。胺化剂上活性点数目增加，交换容量增加，胺化量增加，p k b 减小； 活性点数目与交换容量之间成线性关系，y = 0 0 7 6 x + 2 7 1 7 7 ，r 2 - - 0 9 9 9 9 。混合胺化剂 树脂的交换容量低于多乙烯多胺类单一胺化剂树脂的交换容量。 ( 2 ) 研究了不同反应条件对羟甲基化反应的影响。结果发现：各因素对羟甲基 化反应的影响顺序是p h 温度 时间 投料比。p h 对羟甲基化反应的影响最大；p h 在 1 0 - - 1 1 之间树脂的交换容量相近，p h 在8 - - 9 之间树脂的交换容量相近，p h = 1 0 比p h = 9 树脂的交换容量低大约3 3 ；p h 在8 1 0 之间，p h 增加，增重率增加，p h 在1 0 1 1 之 间，p h 增加，由于水解副反应，增重率减少。增重率随时间增大而增加，反应时间5 小时比2 小时增重率增加1 5 ；交换容量随时间的增大而减小，5 小时比2 小时交换容 量减小1 0 。交换容量随温度先减小后增大，5 0 时交换容量最小，增重率和甲醛反 应率随温度先增大后减小，5 0 时增重率和甲醛反应率最大；投料比对交换容量、增 重率、甲醛反应率影响不大。 ( 3 ) 用制备的胺基树脂作为色谱固定相，色谱分离谷氨酸一葡萄糖体系，研究了 固定相、流动相以及色谱条件对谷氨酸一葡萄糖体系分离度的影响。结果发现：功能 基团相同，p k b 值相同的树脂，交换容量越大，分离度越大。功能基团相同，p k b 值 相同的树脂，胺化量越大，分离度越大。相同交换容量的胺基树脂，p k b 越小，越有 利于葡萄糖和谷氨酸的分离。柱温越高，越有利于组分的完全分离；流速越大，分离 度越大。羟甲基化后树脂对葡萄糖一谷氨酸的分离度高于原胺基树脂。 关键词：丙烯酸型树脂，胺化反应，谷氨酸，色谱分离，分离度，羟甲基化反应 a b s t r a c t a b s t r a c t m s gi sw i d e l yu s e di nf o o d ，m e d i c i n e ，i n d u s t r ya n da g r i c u l t u r e ，t h ea n n u a lo u t p u ta r e o v e r10m i l l i o n st o n s t h et r a d i t i o n a lm a n u f a c t u r em e t h o di si s o e l e t r i c i t y i tc a u s e ss e r i o u s p o l l u t i o ni nt h ep r o d u c t i o no fm o n o s o d i u mg l u t a m a t ea tt h es a l t l et i m e ，n e e d st oc o n s u m ea l a r g ea m o u n ta c i d b a s e i tn o to n l yi n c r e a s e st h ee c o n o m i cc o s t s ，b u ta l s oc a u s e ss e r i o u s e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n an e wc l e a nm a n u f a c t u r em e t h o di ss t u d i e di nt h i sp a p e rt o e l i m i n a t et h ep o l l u t i o n a n i o n i ca c r y l i cr e s i nu s e da sas t a t i o n a r yp h a s e ，w a t e ra sam o b i l e p h a s es e p a r a t i o no fg l u t a m i ca c i da n dg l u c o s es y s t e mi sf i n i s h e dw i t hh p l c c o m p a r e dw i t h t h et r a d i t i o n a lm e t h o d ，i te v i d e n t l yr e d u c e sp o l l u t i o na n dp r o d u c t i o nc o s t t h em a i nr e s u l t sa r e a sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ee f f e c t so ft i m e ，t e m p e r a t u r e ，m a s so fa m i n a t i n ga g e n ta n dt y p e so fa m i n a t i n g a g e n to na m i n a t i n gw e r es y s t e m l ys t u d i e d d i f f e r e n ts t r u c t u r e so ft h ef u n c t i o n a lg r o u p s f r o mt h ed i f f e r e n t a m i n a t i n ga g e n t s c a nn o tb e d i s t i n g u i s h e d f r o mt h ei n f r a r e d s p e c t r u m a m i n a t i n gt e m p e r a t u r eo ft h er e s i n s i st h em o s ti n f l u e n t i a lf a c t o r s w h e n a m i n a t i n gt e m p e r a t u r ei n c r e a s e s ，t h ee x c h a n g ec a p a c i t i e so fr e s i n sf i r s ti n c r e a s e dt h e n d e c r e a s e s ，a n da m i n a t i n gm a s si n c r e a s e s 16 0 ce x c h a n g ec a p a c i t ya tt h em o s t ，a b o v e16 0 。c ， d u et oh i 曲t e m p e r a t u r ei na d d i t i o n a lc r o s s - l i n k e d ，e x c h a n g ec a p a c i t yd e c r e a s e d f r o mi0 0 。c t e m p e r a t u r er o s et o18 0 c ，r e s i nw e i g h tg a i nr a t ef r o m5 0 t o10 0 ； p k bo fr e s i n sh a s n o t h i n gt od ow i t hc o n d i t i o n so fa m i n a t i o np r o c e s s w h e nt h en u m b e ro fa c t i v es i t e s i n c r e a s e s ，t h ee x c h a n g ec a p a c i t i e si n c r e a s e s ，a m i n a t i n gm a s si n c r e a s e s ，a n dp k bd e c r e a s e s n u m b e ro fa c t i v es i t e sa n de x c h a n g ec a p a c i t yi sal i n e a rr e l a t i o n s h i p ，y - - o 0 7 6 x + 2 7 1 7 7 ， _ 0 9 9 9 9 1 1 1 ee x c h a n g ec a p a c i t i e so fr e s i n sw i t hm i x i n ga m i n a t i n ga g e n t sa r eb e l o wt h e e x c h a n g ec a p a c i t i e so fr e s i n s 、析ms i n g l ea m i n a t i n ga g e n t ( 2 ) t h ee f f e c t so fd i f f e r e n tc o n d i t i o n so nh y d r o x y m e t h y l a t i o nw e r es t u d i e d t h eo r d e r v a r i o u sf a c t o r so nt h eh y d r o x y m e t h y l a t i o ni sp h t e m p e r a t u r e t i m e r a t i o p hi st h em o s t i n f l u e n t i a lf a c t o r s t h ee x c h a n g ec a p a c i t yo fp h = 10 - 11r e s i n si s3 3 l o w e rt h a nt h a to f p h = 8 9r e s i n s i nb e t w e e np h8 - 10 ，p hi n c r e a s e sw e i g h tg a i nr a t ei n c r e a s e s ，p hi nb e t w e e n 1 0 1 1 ，p hi n c r e a s e s ，a sh y d r o l y s i sr e a c t i o n s ，w e i g h tg a i nr a t er e d u c e s t i m ei n c r e a s e s ， w e i g h tg a i nr a t ei n c r e a s e s t h er e a c t i o nt i m eo ff i v eh o u r so v e rt w oh o u r so fw e i g h tg a i nr a t e i n c r e a s e db y15 t i m ei n c r e a s e s ，t h ee x c h a n g ec a p a c i t yd e c r e a s e s f r o mt w oh o u r st of i v e h o u r st h ee x c h a n g ec a p a c i t yr e d u c e sb y10 e x c h a n g ec a p a c i t ya st h et e m p e r a t u r ef i r s t i n c r e a s e st h e nd e c r e a s e s w e i g h tg a i nr a t ea n dm e t h a n a lr e s p o n s er a t ea st h et e m p e r a t u r ef i r s t d e c r e a s et h e ni n c r e a s e 5 0 e x c h a n g ec a p a c i t ya tt h em i n i m u ma n dw e i g h tg a i nr a t ea n d m e t h a n a lr e s p o n s er a t ea tt h em a x i m u m n er a t i oo fm e t h a n a la n dr e s i n sh a sl i t t l ee f f e c to n t h ee x c h a n g ec a p a c i t y , w e i g h tg a i nr a t ea n dm e t h a n a lr e p o n s er a t e ( 3 ) p r e p a r e da m i n or e s i n su s e da sas t a t i o n a r yp h a s ec h r o m a t o g r a p h y , s e p a r a t i o no f g l u t a m a t e g l u c o s ew a sf i n i s h e d t h e e f f e c t so f s t a t i o n a r yp h a s e ，m o b i l ep h a s ea n d c h r o m a t o g r a p h i cc o n d i t i o n sw e r es t u d i e d o f o rt h er e s i n s 、析t l lt h es a m ef u n c t i o n a lg r o u p s a n dp k b ，t h ee x c h a n g ec a p a c i t i e si n c r e a s e s ，t h er e s o l u t i o ni n c r e a s e s f o rt h er e s i n sw i t l lt h e s a l t l ef u n c t i o n a lg r o u p sa n dp k b ，t h ea m i n a t i n gm a s si n c r e a s e s ，t h er e s o l u t i o ni n c r e a s e s f o r i i 一 垒! ! 堕 t h er e s i n sw i t ht h es a m ee x c h a n g ec a p a c i t i e s ，p k bd e c r e a s e s ，t h er e s o l u t i o ni i l c r e a s e s t h e h i g h e rc o l u m nt e m p e r a t u r ea n dt h eh i g h e rv e l o c i t ym e a n st h eg r e a t e rr e s o l u t i o n s a f t e r h y d r o x y m e t h y l a t i o n ，t h er e s i n sh a v eah i g h e rr e s o l u t i o no fg l u c o s ea n dg l u t a m i ca c i dt h a n b e f o r e k e y w o r d s ：a c r y l i cr e s i n ，a m i n a t i o n , g l u t a m i c a c i d ，c h r o m a t o g r a p h i cs e p a r a t i o n , r e s o l u t i o n ，h y d r o x y m e t h y l a t i o n i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名： 叶疆 日 期： 鲨壁：z ：竺 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学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 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 签名：千疆导师签名： 日 期： 第一章绪论 第一章绪论 离子交换树脂是一类带有功能基的网状结构的高分子化合物，其结构由三部分组成： 不溶性的三维空间网状骨架，连接在骨架上的功能基团和功能基团所带的相反电荷的可 交换离子。根据树脂所带的可交换的离子性质，离子交换树脂可大体分为阳离子交换树 脂和阴离子交换树脂【l 】。丙烯酸树脂是一种重要的离子交换树脂。 1 1 丙烯酸树脂的简介【1 4 】 1 1 1 丙烯酸树脂的特点 丙烯酸类离子交换树脂具有交换容量高，抗有机物污染性能好等优点，其产量仅次 于苯乙烯系树脂【l l 。具有酰胺结构的弱碱性和强碱性丙烯酸酯类树脂有许多品种、规格。 由于这类阴离子交换树脂在生产时不使用毒性较大、价格较贵的氯甲醚，因此它愈来愈 受到生产者的重视。由于丙烯酸树脂中存在酰胺基团，他可以和许多物质生成氢键而发 生吸附作用，酰胺基团还可以进一步功能基化，因而丙烯酸树脂的应用十分广泛，由于 丙烯酸树脂可以做成微球且机械强度很好，尤其适用于做色谱填剃引。 1 1 2 丙烯酸树脂的合成【1 】 丙烯酸甲酯或甲基丙烯酸甲酯与二乙烯苯进行悬浮共聚可以得到交联共聚体。若在 单体混合物中加入适量的致孔剂也可制成大孔共聚物。只是由于丙烯酸酯类有一定的水 溶性，在进行悬浮共聚时，一般用饱和食盐水作分散介质，以减少丙烯酸酯在水相中的 溶解度。 丙烯酸甲酯与二乙烯苯的共聚物，可用多种胺进行胺解，制成丙烯酸系弱碱树脂。 若进一步进行烷基化，还可以得到丙烯酸系强碱性阴离子交换树脂。 ( 1 ) 悬浮聚合 h g 2 c h 2 + c o o c h a ( 2 ) 胺解反应 c h = c h 2 i 审 c h = c h 2 2 0 0 # 汽油b e 2 0 2 - - - - - - - - - n a c l 水相 明胶 1 c o q o c 肾h a 焉章二一2 一 叱囟h c o o c h 3 江南大学硕+ 学位论文 鱼c h h i c c h 2 一 i c o o c h 3 革三二：二ch：二兰=。c： 多乙烯多胺 二乙烯笨 h h 4 n ) n h 甲醛甲酸 n = l ，2 ，3 ，4 1 1 3 丙烯酸树脂的用途 ( 1 ) 水处理与环境保护【7 - 8 j 离子交换剂在工业上的应用是从水处理开始的。目前，工业和民用水的处理仍主要 采用离子交换法。对于处理水量大、浓度低的各种工业废水，离子交换法是最好的方法 之一。 ( 2 ) 催化剂与合成化学阴o 】 固体酸碱催化剂在有机合成工业中具有重要意义。随着离子交换树脂的开发，其作 为固体酸碱催化剂也开始发展。离子交换树脂作为催化活性部分的载体用于固载的金属 络合物催化剂，阴离子交换树脂作为相转移催化剂等在有机合成中得到了广泛的应用。 ( 3 ) 分离与天然产物提取【1 1 。1 5 】 动物、植物、微生物及其代谢产物中的某种化学成分是天然药物和天然食品添加剂 的重要来源。随着分离科学与技术的进步，树脂提取分离技术在天然产物分离中的应用 同渐增加。其中，阳离子交换树脂用于有机阳离子，如季胺盐类和有机碱的盐类的富集 与分离，阴离子交换树脂用于有机阴离子，如有机酸和酚类化合物的富集与分离，吸附 树脂则适用于非离子性( 包括可电离化合物的非电离形式) 天然产物的富集与纯化。 ( 4 ) 酶的固定化陋1 7 】 酶是一种非常重要的催化剂，具有高效率高选择性的特点，固定化酶既可以保持酶 的催化活性，又可以提高酶的稳定性，用于连续的工业化生产。固定化后，酶使用的p h 范围加大，热稳定性提高，长时间不失活。功能基化的聚丙烯酰胺树脂可以直接作为固 定化酶的载体。 1 2 离子交换色谱技术及应用1 1 8 1 离子交换色谱法( i o n - e x c h a n g ec h r o m a t o g r a p h y ，简写为i e c ) 是以离子交换为分离 离子型化合物的液相色谱法。离子交换色谱法是利用离子交换树脂作为固定相，以适当 的溶剂作为移动相，使溶质按它们的离子交换亲和力不同而得到分离的方法。离子交换 2 一 洲 一人y 一 一 h 峪洲 一 一 一人y 一 第一章绪论 过程的理论和色谱法的塔板理论也完全适用离子交换色谱法。2 0 世纪4 0 年代出现了以苯 乙烯一二乙烯基苯共聚物为基质的离子交换树脂，i e c 成为当时一个重要的分离工具， 主要用于核工业各种裂变产物和稀土元素的分离。7 0 年代，随着h p l c 的飞速发展和各 种新型离子交换剂的出现，高效i e c 也同时获得很大的发展。目前，i e c 已在化工、医药、 生化、冶金、食品等领域获得广泛应用，特别是在解决生化中许多难以分离而又十分重 要的课题上起了重大作用( 如氨基酸、蛋白质、核酸的分离) ，受到人们的普遍关注和 重视。 1 2 1 离子交换色谱的分离机理 i e c 的分离机理，以阴离子交换树脂为例( 见图1 1 ) 来说明。 撇孤岔、气缀 。 y 臌 图1 。1 离子交换色谱中所进行的离子交换过程 f i g 1 1p r o c e s so f i o ne x c h a n g ei n i o n e x c h a n g ec h r o m a t o g r a p h y 在色谱分离以前，色谱柱必须用流动相平衡，此时流动相中的阳离子y 。( 亦称反离 子) 已通过交换而被树脂r + 吸着，当样品中的离子x 。注入时，x 会和y 。竞争，发生如下 的可逆交换： x - + i r y 。= y 。+ r 又 离子交换反应的平衡常数( k 。) 为： j 匕= 尺+ r 一】， 】，一】田 r + y 一】， 。r 一】唧 式中，【尺+ x - 】，和【尺+ 】，- 】。分别为样品离子和反离子在树脂相中的浓度， j ，- 】。和 【x k 分别是x 。和y 在流动相的浓度。 k e x 表示离子交换树脂对于样品离子( x 。) 相对于反离子( 丫) 的亲和力。k e x 较 大，表示树脂对于样品离子( x ) 有较强的滞留能力。相反，k e x 较小，树脂对于样品 离子( x 。) 的滞留作用则较差。样品中的不同离子对于离子交换剂具有不同的亲和力， 因此当它们通过离子交换柱时就获得了分离。 在i e c 中可以通过改变离子交换剂，也可以通过改变流动相来改变色谱的选择性。 1 2 2 分离度 分离度又称分辨率，为了判断待分离物质在色谱柱中的分离情况，常用分离度作为 柱的总分离效能指标，用r 表示。r 等于相邻色谱峰保留时间之差的两倍与两色谱峰峰 江南大学硕+ 学位论文 基宽之和的比值。r 1 5 称为完全分离。 分离度( r ) 的计算公式为： d 2 ( t j a 一j 1 1 ) 肛百而 式中：t r 2 为相邻两峰中后一峰的保留时间； t r i 为相邻两峰中前一峰的保留时间； w i 及w 2 为此相邻两峰的峰宽。 爪 图1 2 分离度 f i g 1 2r e s o l u t i o n 1 3 丙烯酸树脂的胺化研究 刘永宁等【19 】以二乙烯苯、甲基丙烯酸甲酯为共聚单体，以不同结构的多乙烯多胺为 胺化试剂，合成了一系列大孔交联聚丙烯酰多胺树脂。测定了树脂的结构参数和功能基 的含量，并考察此类树脂对甜菊苷的脱色性能。 谢志东等【2 0 】使用不同的胺化剂合成了一系列大孔丙烯酸甲酯一二苯乙烯交联共聚 物及它们功能基化产物，考察了不同胺化试剂对载体固定化猪胰脂肪酶的影响。他们发 现乙二胺与多乙烯多胺化合物胺化小球之间，固定化酶活力相差很大，后者高于前者 1 0 0 u g 以上，但多乙烯多胺类胺化小球间相差不大。 陈定梅【2 l 】以混合致孔剂的不同比例制得不同的白球，并在胺化反应时采取多种措 施，使所得的胺球重量交换量稳定在8 5 m m o l g ，最高值为8 9 m m o l g 。 王道宾等瞄】合成丙烯酰胺一丙烯酸甲酯交联共聚物将之用二胺类或多乙烯多胺类 胺解制得一系列功能基化载体，并用于米曲霉氨基酰化霉的固定化，考察了载体的各种 结构因素( 粒度、单体比、功能基) 对固定化酶活力的影响。 卢玲等【2 3 】以交联聚甲基丙烯酸羟乙酯树脂为载体，以己二胺和多乙烯多胺为功能基 制备了一系列胆红素吸附剂，研究了它们在不同吸附温度、离子强度和胆红素浓度等条 件下，对胆红素的吸附性能的影响。研究表明支载己二胺和质子化己二胺的p h e m a 树 脂在平衡时吸附率最大，达到9 6 ，而支载四乙烯五胺的树脂吸附率最低。 房延柱等【2 4 j 开发了一种新型丙烯酸系碱性阴离子交换树脂的合成方法。该专利将大 孔珠状共聚物用甲苯或二甲苯溶胀，以混合的脂肪多胺作为酰胺化剂，反应温度控制在 1 0 0 1 3 0 c 之间采用混合胺胺解反应，可以减少反应中的附加交联，树脂的结构较舒展， 交换基团分布较均匀，有利于大离子基团的吸附。 b e n j a m i np a r e d e s 掣2 副用浓氨水、二乙胺和二乙胺四氢呋哺( 1 1 ) 来胺化大孔聚甲 基丙烯酸缩水甘油酯一7 , - - 醇二甲基丙烯酸酯聚合树脂，考察了胺化条件对机械强度、 热力学稳定性、孔结构以及胺化程度的影响；并且将这两种树脂用于分离鸡蛋白蛋白， 发现二乙胺四氢呋哺功能基化的树脂在鸡蛋白蛋白的分离中体现了优良的性能和很好 的交换容量。 s t e l i a n am a x i m 等【2 6 】在惰性溶剂或致孔剂甲苯存在的情况下通过悬浮共聚制备- - 7 , 烯苯一丙烯腈一丙烯酸乙酯和- - 7 , 烯苯一乙酸乙烯酯一丙烯酸乙酯共聚物，然后再用不 4 第一章绪论 同的多烯多胺和聚合物进行氨解反应制得离子交换剂。实验表明d v b v a e t a 共聚 物的氨解产率比d v b a n e t a 高；低交联度的丙烯酸共聚物氨解生成的树脂具有更 好的亲水性能。 i b u n i a 等【2 7 】由丙烯酸乙酯一丙烯腈一二乙烯苯( e a ：a n ：d v b ) 和丙烯酸乙酯一乙 酸乙烯酯一二乙烯苯( e a ：v a c ：d v b ) 共聚得到了不同交联度的( 2 - - 2 0 d v b ) 丙烯酸 树脂，通过7 , - - 胺和水合肼的胺解反应对树脂进行化学修饰，得到弱碱性阴离子交换树 脂；并且采用了测定体积重量、体积、单位质量弱碱交换容量、水容量、瓜和u v v i s 光谱以及热重分析等手段表征合成的阴离子交换剂。结果表明，带有酰肼基团的丙烯酸 树脂比那些带有氨乙基氨基基团的丙烯酸树脂更稳定；两种弱碱阴离子交换剂对酰化氨 基酸水解酶都有很好的固定化率。 1 4 丙烯酸树脂的改性研究 胺基丙烯酸树脂上的酰胺基团保持了它的反应活性，通过其他基团的引入可以使树 脂的性能增强，例如亲水性、吸附性能等。聚丙烯酰胺树脂的功能基团的引入可以通过 各种不同的反应来完成。 1 4 1 羟甲基化反应 + c h 2 一+ c h 2 0 旦 ll n h 2h n c h 2 一o h 羟基的引入，使树脂的亲水性和吸附性加强。 刘光畅等幽j 通过共聚反应合成羟甲基化改性聚丙烯酰胺并用于工业废水处理实验， 结果表明，共聚改性物比相同聚合条件下合成的均聚聚丙烯酰胺具有更好的凝聚能力， 能在较低的p h ( 8 5 以下) 有效第去除废水中的c d 2 + 、p b 2 + 等重金属离子。 王雅琼等【2 9 j 对聚丙烯酰胺的羟甲基化及氨基化过程进行了探讨，研究了工艺条件 对羟甲基化率和氨基化率的影响。结果表明，聚丙烯酰胺的羟甲基化在酸性条件下反应 时，不仅反应速率慢，羟甲基化率低，而且易于发生交联反应而产生凝胶。氨基化反应 温度高于5 5 c 时，最终产物的溶解性明显下降。 蔡文胜等【3 0 1 研究了聚丙烯酰胺( p a m ) 及部分水解聚丙烯酰胺( h p a m ) 与甲醛的 化学反应，并对产物结构进行了表征。结果显示，p a m 与甲醛的羟甲基化反应与p a m 在溶液中分子形态有较大关系，除受反应温度、时间、p h 、投料比等因素影响外，聚合 物浓度、羧基含量都对羟甲基化程度有明显影响。碱性条件下p a m 羟甲基化过程中伴 有酰胺基的水解反应。相同反应条件下，h p a m 的反应程度低于p a m 的反应程度。 1 4 2m a n n i c h 缩合反应 m a n n i c h 缩合反应【4 】是指胺类化合物与醛类和含有活泼氢原子的化合物所进行的缩 合反应，该反应的基本特点是活泼氢化合物中所含有的活泼氢原子被胺甲基取代，所以 5 + 口鄙 i ) i c 毗+ 峙卸c l c 江南大学硕十字t 7 ：论文 又称胺甲基化反应。因此对于丙烯酸树脂可以利用m a n n i c h 缩合反应可以引入胺类物 质。 + 呲一卜+ 吼。+ m r 一+ c h 2 一卜 亡= = o9 = o i i 内h ， h n c h 2 一n h r 经m a n n i c h 反应后，还可以在树脂上引入叔胺基团，它可以象d u o l i t e a 3 7 4 、k a s t e l a 1 0 2 、a m b e r - l i t ei r a4 5 8 等树脂那样用于水处理、糖脱色等方面。 近年来，m a n n i c h 反应常用于苯乙烯微球制备氨基树脂方面。魏荣卿、朱建星等3 1 】 以乙酰化苯乙烯微球为原料通过m a n n i c h 反应制备了氮含量高达1 3 7 m m o l g 的氨基树 脂，由这种氨基树脂制备了氨基羧酸型树脂( a c ) 和氨基膦酸型螯合树脂( a p ) ，用 于吸附重金属离子。 1 4 3 磺甲基化反应 + c h 2 一f h 士+ m 。+ 。3 意：+ 吼一卜 c - - - - og = o ll n h 2h n c h 2 一s 0 3 n a 磺甲基化后转化为阳离子交换树脂。这种改性方法制备的树脂是阳离子交换树脂， 在这里应用价值不大。 1 4 4h o f m a n n 降解反应 + c h 2 一f h 士 i n h 2 o c l 。o h j 卜 低温 利用h o f f n a r m 降解反应可以得到一种新型弱碱树脂一一聚乙烯胺树脂。由于树脂中 含有活泼的伯胺基团，可以进行一系列的功能基化修饰，加之骨架的亲水性能好，因此 聚乙烯胺树脂是一种具有广泛应用前景的树脂，尤其在氨基酸的拆分和医药工业上用于 抗生素的分离纯化方面效果较好。 日本学者t a n a k a 3 2 j 曾经对线型聚丙烯酰胺( p a a m ) 进行h o f m a n n 降解反应，降 解率达9 5 6 。南开大学的袁直、何炳林等【3 3 】尝试将凝胶型p a a m 树脂进行h o f m a n n 降解反应，得到凝胶型聚乙烯胺树脂，并且应用于d l 氨基酸的拆分。接着，南开大学 的袁直等【3 4 】将大孔聚丙烯酰胺树脂进行h o f m a n n 降解，结果表明大孔聚乙烯胺树脂的 性能良好，孔结构未受到破坏。然后，袁直等【3 5 】针对提高降解温度是否会影响树脂的交 联结构，得到预期的伯胺化合物等问题进行了研究，经一系列实验证明，适当提高降解 温度( o ) ，仍能得到较好的伯胺树脂。 6 士2 h hc i n c+ 第一苹绪论 1 5 谷氨酸一葡萄糖的色谱分离研究 国内外从发酵液中提取谷氨酸【3 6 】，绝大部分采用的是等电点提取工艺。谷氨酸的等 电点定义为谷氨酸呈电中性时溶液的p h 值，即谷氨酸两个酸性基团和一个碱性基团离 解成兼性离子( g a 。) 时的p h 值( 3 2 2 ) ，此时谷氨酸溶解度最小。等电点法提取谷氨 酸就是利用这一性质。在低温( - 5 ) 的情况下，往发酵液中缓慢加入浓硫酸，使谷 氨酸沉淀下来。收集沉淀下来的谷氨酸，上层清液离交回收。 图1 3 味精生产传统工艺 f i g 1 3t r a d i t i o n a lp r o d u c t i o np r o c e sso fm s g 9 0 年代初，一些研究机构开始进行铵型树脂吸附谷氨酸母液的研究。沈金玉等【3 7 】 研究了在不同的n h 4 + g a 浓度比条件下，氢型树脂对谷氨酸吸附容量的影响。并进一 步比较了铵型树脂和氢型树脂在不同的n h 4 + g a 。浓度比条件下的吸附容量，探讨了铵 型树脂代替氢型树脂的可行性和必要性。结果表明当n h 4 + 浓度较低时，铵型树脂与氢 型树脂具有相近的吸附容量。当n h 4 + g a 浓度比增高时，铵型树脂的吸附容量明显优 于氢型树脂。由于在实际生产中，母液中n h 4 + g a 浓度比在1 o 1 5 之间。因此，采用 铵型树脂将增大树脂对谷氨酸的吸附量。常秀莲【3 9 】还对沈脱及吸附条件进行了研究。 结果表明当料液p h 为1 5 左右，有利于树脂对谷氨酸的吸附。采用氨水洗脱，且氨水 浓度越大，洗脱效果越好。该工艺为许多味精厂所采纳。 为了减少环境污染，江南大学毛忠贵教授研究了闭路循环技术提取谷氨酸1 4 0 。 吴健和p 卡尔啦】研究了采用氢型弱酸性树脂和强酸性树脂直接从发酵液中提取 谷氨酸。先将含有谷氨酸的溶液通过弱酸性树脂，通过树脂吸附大部分的碱性离子，并 放出氢离子，从而使溶液的p h 值降低，然后再将溶液通过氢型强酸性树脂，吸附谷氨 酸。树脂采用酸再生。采用该法后，谷氨酸的回收率为9 8 。虽然谷氨酸提取效果显著， 但是每提取一吨谷氨酸，仍需要3 0 0 多公斤浓硫酸，余下的酸性废液较难处理。 国内外对于离子交换树脂分离纯化l 谷氨酸的研究比较深入。廖戎【4 3 j 采用阴离子交 换树脂提取谷氨酸，可不用调节发酵液的p h 值，谷氨酸收率为9 7 5 ，证明此种方法切 7 江南大学硕士学位论文 实可行。y o s h i d a 等】报道了l 谷氨酸在弱碱性阴离子交换树脂上的吸附平衡，认为l 谷氨酸的吸附平衡决定于l 谷氨酸与树脂上四个不同铵基之间的酸碱中和反应，并且给 出了吸附平衡的热力学方程，为l 谷氨酸的分离纯化提供了理论依据。h i r o y u k i 等1 4 5 j 研 究了l 谷氨酸在某弱碱性阴离子交换树脂上的吸附平衡，结果显示，l 谷氨酸的吸附平 衡受溶液p h 的影响较大，而与溶液中l 谷氨酸的初始浓度无关。 由于发酵液的p h 为中性，此时，谷氨酸以阴离子形式存在，因此，理论上说，可 以采用阴离子交换树脂吸附谷氨酸。本课题采用阴离子交换树脂吸附提取谷氨酸，并用 碱洗脱流出液中的谷氨酸钠即为产品味精。工艺路线如下图所示。 图1 4 味精生产新工艺 f i g 1 4n e wp r o d u c ti o np r o c e s so fm s g 该工艺由于不需使用浓硫酸，所以从根本上消除硫酸铵的排放，流出的废液由于没 有加入其他化学物质，所以可以进行循环发酵，从而大大降低环保难度。同时洗脱液经 结晶后即得到味精，从而降低生产成本。 1 6 立题依据 2 0 0 6 年，我国味精工业年产量已经超过了1 0 0 万吨。味精工业是发酵行业的重要部 门，但是味精在生产过程中会产生一系列的环境问题。在传统工艺中，生产谷氨酸要消 耗大量的浓硫酸来调节p h 值，成本高，而且使得发酵废水中含有大量的酸，如果不经 过治理直接排放，就会造成环境污染。在对阳离子交换树脂进行再生时，要使用大量的 碱，再生产生的废水也会造成环境污染。 由于谷氨酸发酵液的p h 是7 ，此时谷氨酸的存在形式是阴离子形态，阴离子树脂 与谷氨酸之间存在一定的作用力，所以可以考虑采用阴离子交换树脂色谱分离谷氨酸和 葡萄糖，避免了传统工艺中使用大量的酸和碱。由于本文采用色谱法分离谷氨酸和葡萄 糖，色谱固定相是丙烯酸型阴离子交换树脂，流动相是水。由于本文采用的阴离子交换 树脂的功能基团较弱，利用葡萄糖和谷氨酸与树脂固定相之间作用力的强弱不同，用水 作为流动相便可以实现谷氨酸和葡萄糖的分离。色谱法不需要使用强碱对阴离子交换树 脂进行再生，避免了碱造成的环境污染。 因此，采用色谱法分离葡萄糖一谷氨酸可以为人类带来极大的经济效益和环境效 益。 8 第一苹绪论 1 7 研究内容 围绕丙烯酸系离子交换树脂的胺化和改性展开研究： ( 1 ) 丙烯酸树脂的胺化研究：研究胺化条件与胺基丙烯酸树脂物理化学性能之间 的关系； ( 2 ) 胺基丙烯酸树脂的改性研究：胺基丙烯酸树脂的羟甲基化研究； ( 3 ) 色谱分离谷氨酸一葡萄糖体系的研究：研究色谱分离效果与固定相，流动相， 分离条件之间的关系。 9 江南人学硕十学位论文 第二章丙烯酸树脂的胺化研究 2 1 引言 丙烯酸系离子交换树脂是继苯乙烯树脂后另一类广泛应用的树脂。该类树脂具有高 交换容量、抗有机污染能力强等优点【l _ 】，产量仅次于苯乙烯类树脂。其主要品种除了 弱酸性离子交换树脂外，具有酰胺结构的各类树脂在离子交换树脂及大孔吸附树脂等方 面也具有较多的品种。本章内容主要围绕丙烯酸甲酯一二乙烯苯类树脂白球的胺化及胺 基树脂物化性能的表征方法的研究展开，主要内容如下： ( 1 ) 采用红外光谱的方法表征丙烯酸树脂的胺化反应。 ( 2 ) 丙烯酸树脂的胺化反应条件研究。 ( 3 ) 丙烯酸树脂的单一胺化剂的胺化研究。 ( 4 ) 丙烯酸树脂的混合胺化剂的胺化研究。 2 2 实验部分 2 2 1 实验试剂和仪器 试剂和仪器规格生产厂家 聚丙烯酸甲酯树脂白球交联度8 ( 8 0 目)无锡绿色分离技术应用研究所 二乙烯三胺分析级中国( 医药) 上海化学试剂公司 三乙烯四胺分析级中国( 医药) 上海化学试剂公司 四乙烯五胺分析级中国( 医药) 上海化学试剂公司 乙二胺分析级中国( 医药) 上海化学试剂公司 氯化钠分析级 中国( 医药) 上海化学试剂公司 盐酸分析级 中国( 医药) 上海化学试剂公司 氢氧化钠 分析纯 中国( 医药) 上海化学试剂公司 乙醇 分析级 中国( 医药) 上海化学试剂公司 苯乙酮分析级中国( 医药) 上海化学试剂公司 甲基橙分析级中国( 医药) 上海化学试剂公司 酚酞分析级 中国( 医药) 上海化学试剂公司 邻苯二甲酸氢钾分析级 中国( 医药) 上海化学试剂公司 循环真空水泵 s h z 一3 上海华光仪器仪表厂 电子天平 j a 2 0 0 3 上海天平仪器厂 分析天平t g 3 2 8 a上海天平仪器厂 电子恒速搅拌器 g s12 2上海医械专机厂 数显温控仪d c t - 2 g中科院上海有机所 套式恒温器t c 1 5 浙江新华医疗器械厂 l o 第二章丙烯酸树脂的胺化研究 2 2 2 实验方法和步骤 2 2 2 1 胺基丙烯酸树脂的制备 反应用聚丙烯酸甲酯树脂白球的结构：共聚单体为丙烯酸甲酯，交联剂为二乙烯苯， 反应用交联树脂是丙烯酸甲酯和二乙烯苯的共聚物，交联度为8 ，树脂颗粒大小为8 0 目。 将合成好的共聚珠体在苯乙酮的溶胀下，与一定量的胺化剂在选定的温度范围内， 回流反应一段时间后，过滤，依次用5 的盐酸、纯水、5 的氢氧化钠、纯水洗涤至中 性，6 0 - 9 0 石油醚提取，干燥，得伯、仲胺树脂。反应方程式如下： - - 囟c h - - c h z - + n h 2 c h 2 = c h 2 n h c h 2 = c h 2 n h c h 2 = c h 2 n h 2 + 弋h _ c h 2 一( h c h 2 一 c 广o - 洲3 o 丁2 一 q 卜洲2 一( 卜洲2 一 n h c h 2 = c h 2 n h c h 2 = c h 2 n h c h 2 = c h 2 n h 2 2 2 2 2 树脂的预处理 秤取1 2 9 阴离子交换树脂，和水一起装入离子交换柱，加入约5 0 毫升5 的氢氧 化钠，控制在每秒约一滴得流速通过树脂柱，然后加入约1 0 0 毫升去离子水，流速稍快， 再加入约5 0 毫升5 的盐酸，流速仍以每秒约一滴，然后，再通过去离子水，用同法再 重复两轮。加入1 0 0 毫升的5 的氢氧化钠溶液，以约每分钟3 毫升的流量自上而下通 过树脂层。用同样流速通入纯水洗涤至中性，即在接取2 3 毫升流出液中加入酚酞指 示剂不变色，再除去树脂的外部水分。 2 2 2 3 树脂含水量的测定 对于在1 0 5