離子交換吸附L-瓜氨酸的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)

丁 葉，郝 寧

(南京工業(yè)大學(xué)生物與制藥工程學(xué)院，江蘇南京211800)

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離子交換吸附L-瓜氨酸的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)

丁 葉，郝 寧

(南京工業(yè)大學(xué)生物與制藥工程學(xué)院，江蘇南京211800)

研究不同樹脂對(duì)L-瓜氨酸的吸附能力，發(fā)現(xiàn)D001樹脂對(duì)L-瓜氨酸的吸附效果最好。采用靜態(tài)吸附法研究L-瓜氨酸在D001型陽離子交換樹脂上的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性，考察不同溫度、pH和溶液初始濃度對(duì)離子交換過程的影響。結(jié)果表明：L-瓜氨酸在D001型陽離子交換樹脂上的吸附等溫線符合Freundlich和Langmuir等溫吸附方程，其中，Langmuir吸附方程能更好地描述該過程。吸附過程焓變?chǔ)=-45.01 kJ/mol(<0)，說明該吸附過程放熱。樹脂對(duì)L-瓜氨酸的吸附過程速度控制步驟為顆粒擴(kuò)散。隨著溫度升高，樹脂的最大平衡吸附量減小；當(dāng)pH=6時(shí)，樹脂達(dá)到最大吸附量135.5 mg/g；L-瓜氨酸溶液初始質(zhì)量濃度為8 g/L時(shí)，擴(kuò)散系數(shù)達(dá)到最大，為8.53×10-3,吸附速率最快。

L-瓜氨酸;離子交換樹脂;Corynebacteriumglutamicum;動(dòng)力學(xué);熱力學(xué)

L-瓜氨酸是一種非蛋白質(zhì)氨基酸，具有重要的醫(yī)藥價(jià)值，已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、保健品和食品等領(lǐng)域，具有提高男性性功能、抗衰老、增強(qiáng)免疫力、防治前列腺疾病等功能[1-4]。在L-瓜氨酸的生產(chǎn)中，分離純化是至關(guān)重要的步驟。因此，能否有效地從發(fā)酵液中分離提純L-瓜氨酸具有重要的意義。

目前，從發(fā)酵液中分離L-瓜氨酸的主要方法有結(jié)晶法、膜分離法、有機(jī)溶劑萃取法和離子交換法。這些方法各有特點(diǎn)：結(jié)晶法收率偏低，膜分離法在應(yīng)用時(shí)膜孔容易堵塞、污染；有機(jī)溶劑萃取法雖然操作簡(jiǎn)單，但是L-瓜氨酸難溶于有機(jī)溶劑，且使用有機(jī)溶劑易造成環(huán)境污染；離子交換法具有工藝簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)、吸附容量大、再生簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)常被用于工業(yè)化生產(chǎn)中[5-8]。

因此，研究L-瓜氨酸在樹脂上的動(dòng)力學(xué)參數(shù)、熱力學(xué)參數(shù)、吸附平衡性能是分離純化過程設(shè)計(jì)、控制和優(yōu)化的重要參數(shù)[9-10]。近年來，通過離子交換樹脂分離L-瓜氨酸的研究尚未見報(bào)道。

在本文中，筆者擬詳細(xì)研究L-瓜氨酸在陽離子交換樹脂上的吸附動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)研究，以期為瓜氨酸的規(guī)?；峁?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 理論依據(jù)

氨基酸的酸堿性質(zhì)是氨基酸分析分離工作的基礎(chǔ)。氨基酸是兩性電解質(zhì)，在酸性溶液中帶正電荷，在堿性溶液中帶負(fù)電荷，凈電荷為零時(shí)的溶液pH值稱為氨基酸的等電點(diǎn)。瓜氨酸的等電點(diǎn)為5.92，因此實(shí)驗(yàn)選用陽離子交換樹脂提取瓜氨酸[11]。

1.2 材料與儀器

L-瓜氨酸標(biāo)準(zhǔn)品，薩恩化學(xué)技術(shù)(上海)有限公司；D001型陽離子交換樹脂，杭州泳洲水處理科技有限公司；D113型大孔弱酸性陽離子交換樹脂、WA-3均孔氨基酸專用陽樹脂，安徽皖樹化工銷售有限公司。

UV-1800型紫外分光光度計(jì)，翱藝儀器(上海)有限公司；HYL-C型組合式搖床，太倉(cāng)市強(qiáng)樂實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；DK-8D型電熱恒溫水槽，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司。

1.3 分析方法

瓜氨酸含量測(cè)定采用分光光度法測(cè)定[12]。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

1.4.1 樹脂的預(yù)處理

將新采購(gòu)的樹脂用無水乙醇浸泡24 h，去離子水漂洗至沒有無水乙醇?xì)埩簟Ｏ扔? mol/L的NaOH浸泡樹脂12 h，去離子水洗至中性；再用2 mol/L的鹽酸浸泡樹脂12 h，將樹脂轉(zhuǎn)化成氫型，去離子水洗至中性，備用。

1.4.2 L-瓜氨酸靜態(tài)吸附動(dòng)力學(xué)研究

準(zhǔn)確稱量2 g預(yù)處理好的樹脂加入到500 mL的錐形瓶中，加入50 mL不同濃度一定pH的L-瓜氨酸溶液，在不同溫度的恒溫?fù)u床中于150 r/min下恒溫振蕩3 h，吸附達(dá)到平衡。每間隔一段時(shí)間測(cè)定上清中L-瓜氨酸的濃度ρ，利用式(1)計(jì)算吸附量q。

準(zhǔn)確稱量2 g預(yù)處理好的樹脂加入到500 mL的錐形瓶中，加入50 mL一定濃度不同pH的L-瓜氨酸溶液，在溫度為298.15 K的恒溫?fù)u床中于150 r/min下恒溫振蕩3 h，吸附達(dá)到平衡。測(cè)定上清中L-瓜氨酸的平衡濃度ρe，計(jì)算平衡吸附量吸附量。

(1)

第i次取樣的交換度F的計(jì)算式見式(2)。

(2)

式中：q為每克樹脂的吸附量，mg/g；ρ0為溶液中L-瓜氨酸的起始質(zhì)量濃度，g/L；ρe為平衡時(shí)溶液中L-瓜氨酸的質(zhì)量濃度，g/L；V為溶液的體積，L；m為樹脂的質(zhì)量，g；ρi為第i次取樣時(shí)溶液中L-瓜氨酸的質(zhì)量濃度，g/L；qe為平衡時(shí)樹脂的吸附容量，mg/g。

2 結(jié)果與討論

2.1 樹脂的確定

在500 mL的錐形瓶中加入10 g/L 的L-瓜氨酸溶液50 mL,分別加入D001、D113和WA-3這3種樹脂各2 g吸附至平衡，考察不同樹脂對(duì)L-瓜氨酸的吸附能力，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同樹脂對(duì)L-瓜氨酸的吸附情況Fig.1 Adsorption of L-citrulline on different resins

由圖1可知：D113相對(duì)其他兩種樹脂吸附效果最差，D001對(duì)L-瓜氨酸的吸附效果最好，吸附容量達(dá)到130 mg/g以上，所以選擇D001作為實(shí)驗(yàn)所用樹脂。

在上述實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上考察不同初始pH對(duì)樹脂吸附L-瓜氨酸的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同pH對(duì)吸附的影響Fig.2 Effects of different pH values on adsorption

由圖2可知：3種樹脂都是當(dāng)pH為6時(shí)，樹脂的工作交換容量最大。在3種樹脂中，D001樹脂的工作交換容量最大，達(dá)到135 mg/g。這是由于離子的水解效應(yīng)會(huì)影響樹脂對(duì)L-瓜氨酸的吸附；當(dāng)pH<6時(shí)，溶液中L-瓜氨酸的溶解度降低，樹脂的吸附量減少。因此，確定D001作為實(shí)驗(yàn)所用樹脂，pH=6為樹脂吸附的最佳pH。

2.2 L-瓜氨酸的吸附熱力學(xué)研究

2.2.1 吸附等溫線的確定

根據(jù)靜態(tài)吸附后溶液中L-瓜氨酸的平衡濃度和平衡吸附量，作L-瓜氨酸在D001樹脂上的吸附等溫線，結(jié)果見圖3。

圖3 L-瓜氨酸的吸附等溫線Fig.3 Adsorption isotherms of L-citrulline

由圖3可知：D001樹脂對(duì)L-瓜氨酸的吸附量隨著L-瓜氨酸平衡質(zhì)量濃度的增大而增加，當(dāng)L-瓜氨酸平衡質(zhì)量濃度高于70 g/L時(shí)，平衡吸附量趨近于最大值。

本研究分別采用Freundlich和Langmuir吸附等溫模型來模擬，分別見式(3)和(4)。

Langmuir模型

(3)

Freundlich模型

(4)

式中：KL為L(zhǎng)angmuir模型的吸附平衡常數(shù)，KF為Freundlich模型的吸附平衡常數(shù)。

通過式(3)和(4)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到的參數(shù)見表1和2。

表1 Freundlich模型參數(shù)

表2 Langmuir模型參數(shù)

由表1和2可知，Langmuir方程的相關(guān)系數(shù)R2均大于Freundlich方程，且都大于0.99，說明在實(shí)驗(yàn)條件下，Langmuir方程能更好地描述L-瓜氨酸在D001樹脂上的吸附平衡關(guān)系。而且隨著溫度升高，qm減小，KL增大，這說明溫度升高不利于吸附的進(jìn)行，故推測(cè)該吸附過程屬于放熱反應(yīng)。

2.2.2 吸附過程焓變?chǔ)

取qe=200 mg/g，通過Langmuir方程求出在溫度為293.15、298.15、303.15、308.15和313.15 K下的平衡質(zhì)量濃度，根據(jù)van′t Hoff 方程式(5)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合。結(jié)果如圖4所示。

(5)

圖4 L-瓜氨酸在樹脂上的吸附過程焓變Fig.4 Enthalpy calculation of adsorption process L-citrulline on D001 resin

由圖4可知：直線的斜率為5.413 3，根據(jù)式(5),可以求出ΔH=-45.01 kJ/mol(<0)，這說明該吸附過程為放熱反應(yīng)，降低溫度有利于反應(yīng)的進(jìn)行。

2.3 L-瓜氨酸的吸附動(dòng)力學(xué)研究

離子交換過程一般需經(jīng)歷 3 個(gè)步驟：①離子由溶液經(jīng)液膜擴(kuò)散到樹脂表面；②離子由樹脂表面向樹脂內(nèi)部擴(kuò)散；③離子在樹脂內(nèi)活性基位置發(fā)生交換反應(yīng)；即離子交換過程受液膜擴(kuò)散、顆粒擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)3 個(gè)步驟速度的影響，而其中速度最慢的一步是離子交換過程的速度控制步驟。動(dòng)邊界模型的膜擴(kuò)散、顆粒擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)控制方程分別見式(6)～(8)[13-18]。

膜擴(kuò)散

F=kt

(6)

顆粒擴(kuò)散

1-3(1-F)2/3+2(1-F)=kt

(7)

化學(xué)反應(yīng)

1-(1-F)1/3=kt

(8)

根據(jù)式(6)～(8)對(duì)2.2節(jié)的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，令Y1=F、Y2=1-3(1-F)2/3+2(1-F)、Y3=1-(1-F)1/3，結(jié)果見圖5。

圖5 動(dòng)力學(xué)速率控制步驟的確定Fig.5 Determination of kinetic rate control steps

由圖5可知：Y1、Y2、Y3的線性相關(guān)系數(shù)分別為0.531、0.921和0.532，Y2即1-3(1-F)2/3+2(1-F)與t具有更好的線性關(guān)系，因此可以確定D001樹脂對(duì)L-瓜氨酸的離子交換過程主要受顆粒擴(kuò)散控制。

2.4 溶液初始濃度對(duì)吸附的影響

考察L-瓜氨酸溶液初始質(zhì)量濃度為2、4、6、8和10 g/L時(shí)樹脂對(duì)L-瓜氨酸的吸附情況。因?yàn)轭w粒擴(kuò)散是L-瓜氨酸離子交換過程的控速步驟，所以主要考察顆粒擴(kuò)散與時(shí)間的關(guān)系。以時(shí)間為x軸，Y2為y軸作圖，得出不同溶液初始濃度下的顆粒擴(kuò)散方程，得到擴(kuò)散系數(shù)結(jié)果見表3。

表3 溶液初始質(zhì)量濃度對(duì)吸附的影響

從表3可以看出：當(dāng)L-瓜氨酸溶液的初始質(zhì)量濃度為8 g/L時(shí)，顆粒擴(kuò)散速度最快，而且方程擬合度最高。當(dāng)溶液初始質(zhì)量濃度低于8 g/L時(shí)，溶液中的離子濃度較低，由于電荷之間的靜電作用產(chǎn)生較大的排斥力，故而導(dǎo)致離子不易進(jìn)入顆粒內(nèi)部，擴(kuò)散速度降低；當(dāng)溶液初始濃度逐漸升高時(shí)，吸附質(zhì)與吸附劑之間的靜電作用減弱，擴(kuò)散加快，但當(dāng)溶液初始質(zhì)量濃度高于8 g/L時(shí)，放熱明顯，樹脂收縮，導(dǎo)致離子不易進(jìn)入樹脂顆粒內(nèi)部，則擴(kuò)散變慢。

3 結(jié)論

1)通過樹脂的篩選，發(fā)現(xiàn)D001對(duì)L-瓜氨酸的吸附性能最好，吸附容量達(dá)到130 mg/g以上。

2)L-瓜氨酸在D001樹脂上的吸附為放熱過程，而且吸附等溫線符合Langmuir模型。

3)D001樹脂對(duì)L-瓜氨酸的吸附過程速度控制步驟為顆粒擴(kuò)散。

4)動(dòng)力學(xué)研究表明，適當(dāng)降低溫度有利于吸附進(jìn)行；當(dāng)pH=6時(shí)，平衡吸附量最大；L-瓜氨酸溶液初始質(zhì)量濃度為8 g/L時(shí)，吸附速率最快。

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(責(zé)任編輯 荀志金)

Thermodynamics and kinetics of L-citrulline adsorption by ion exchange

DING Ye,HAO Ning

(College of Biotechnology and Pharmaceutical Engineering,Nanjing Tech University,Nanjing 211800,China)

We studied the adsorption of different resins for L-citrulline,and found that D001 resin adsorbed L-citrulline best.Then we further studied the thermodynamics and kinetics of L-citrulline adsorption on D001 by static adsorption and the effects of temperature,pH and solution initial concentration on the ion exchange process.In a certain range of concentration,L-citrulline on D001 agreed with Freundlich adsorption isotherm and Langmuir isotherm equation.However,Langmuir isotherm equation can describe the adsorption process better.The process of adsorption enthalpy of ΔH=-45.01 kJ/mol(<0) indicated that the adsorption process is an exothermic reaction.Particle diffusion in the adsorption of L-citrulline is the rate controlling step.The maximum equilibrium adsorption capacity of the resin decreased with the increase of temperature.When pH was at 6,the maximum adsorption was reached at 135.5 mg/g.When L-citrulline solution initial concentration was 8 g/L,the diffusion coefficient reached the maximum value of 8.53×10-3and the adsorption rate was fastest.

L-citrulline;ion exchange resin;Corynebacteriumglutamicum;kinetics;thermodynamics

10.3969/j.issn.1672-3678.2017.03.005

2016-06-02

國(guó)家自然科學(xué)基金(201406113)；江蘇省自然科學(xué)基金(BK20140932)

丁 葉(1992—)，男，江蘇東臺(tái)人，研究方向：生物制造；郝 寧(聯(lián)系人)，副教授，E-mail:haoning@njtech.edu.cn

O647.31

A

1672-3678(2017)03-0025-04