D201樹脂吸附富馬酸的工藝條件優(yōu)化

張亞鵬，劉 鑫，朱洪霞，范天一，劉 歡，王 芳，鄧 利

(北京化工大學生命科學與技術學院北京市生物加工過程重點實驗室國家能源生物煉制研發(fā)中心，北京100029)

富馬酸(FA)是微生物代謝過程中產(chǎn)生的一種四碳二元羧酸，可作為中間體參與合成許多高價值的聚合物[1]。目前，富馬酸主要用于生產(chǎn)食品酸化劑、樹脂、脂類及其他一些化工產(chǎn)品[2]。美國能源部把富馬酸列為最重要的12種生物基化工產(chǎn)品之一[3]。富馬酸的生物法生產(chǎn)早有報道，20世紀40年代輝瑞公司利用根霉發(fā)酵生產(chǎn)富馬酸，年產(chǎn)量可達4 000 t[4]。隨后因為化學合成更加經(jīng)濟，富馬酸的發(fā)酵生產(chǎn)被化學法取代[5]。然而隨著國際石油價格的不斷攀升以及對低碳經(jīng)濟的日益關注，利用可再生資源生產(chǎn)富馬酸又引起了人們的興趣[6]。然而傳統(tǒng)發(fā)酵產(chǎn)量低，成本高[4]，同時難以控制絲狀真菌的細胞形態(tài)和生長，使其難以放大生產(chǎn)[7]。在發(fā)酵過程中采用原位回收的方法不僅能及時移除發(fā)酵液中積累的有機酸，減弱產(chǎn)物抑制效應；而且可以簡化下游回收操作，提高經(jīng)濟效益[8]。沉淀法、離子交換吸附法、溶劑萃取法、電滲析法等分離技術已成功應用于有機酸的分離純化[5]。Xu等[9]將富馬酸發(fā)酵生產(chǎn)與溶劑萃取相結(jié)合，克服產(chǎn)品抑制，使富馬酸產(chǎn)量達到34.23 g/L，同時降低了回收成本。離子交換樹脂因其具有吸附能力強、選擇性高、重復利用率高、容易操作及易放大等優(yōu)點常被用于有機酸的原位回收，如乙酸[10]、乳酸[11]和檸檬酸[12]。Fu等[13]探究了不同條件下的IRA-400樹脂柱的吸附行為，通過模型預測了吸附柱的突破曲線，并計算了樹脂柱的吸附能力。Zhang等[14]篩選了一種對富馬酸有較好吸附性的IRA-900樹脂，初步探究了相關的影響條件及吸附機制，最終成功應用于富馬酸的原位回收。到目前為止，樹脂在富馬酸溶液中的吸附研究仍然較少，尤其是關于國產(chǎn)樹脂的研究目前尚未見相關報道。

因此本研究從國產(chǎn)樹脂出發(fā)，選擇對富馬酸有較高吸附能力的D201樹脂，然后探究溫度、pH和預處理方式等影響條件，比較不同解吸劑的解吸效果并通過單因素試驗得出最佳的解吸條件和樹脂的重復利用率，本文系統(tǒng)研究D201樹脂在富馬酸溶液中的吸附行為，優(yōu)化解吸條件，以期為國產(chǎn)樹脂在富馬酸分離方面的應用奠定了基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

樹脂335、D301、D201、D396和D318，鄭州新和成公司；樹脂201×7、D201A，天津南大公司；樹脂D201B，源葉生物公司，具體參數(shù)如表1所示。所有樹脂水洗除去不溶物后，依次用1 mol/L HCl 和1 mol/L NaOH溶液浸泡12 h，水洗至中性后抽濾，保存?zhèn)溆?樹脂含水率為50%～60%)[15]。

表1 樹脂的基本參數(shù)

1.2 方法

1.2.1 樹脂篩選

為篩選對富馬酸有較好吸附能力的樹脂，配制5 g/L的富馬酸溶液，用1 mol/L NaOH和1 mol/L HCl分別調(diào)節(jié)pH為3、4和5。取1 g預處理好的不同樹脂(335、D301、D201、D396、D318、201×7、D201A和D201B)加入50 mL不同pH(3、4和5)的富馬酸溶液，30 ℃靜置吸附12 h。

為確定富馬酸發(fā)酵過程中葡萄糖及蘋果酸對樹脂吸附的影響，分別配制含有80 g/L葡萄糖及不同質(zhì)量濃度(5、10和15 g/L)蘋果酸的富馬酸混合溶液，用1 mol/L NaOH和1 mol/L HCl調(diào)節(jié)pH為5。取 1 g預處理好的D201樹脂加入50 mL富馬酸混合溶液，30 ℃靜置吸附12 h。

1.2.2 影響樹脂吸附條件的考察

為考察pH對D201樹脂吸附的影響，配制5 g/L的富馬酸溶液，用1 mol/L NaOH和1 mol/L HCl分別調(diào)節(jié)pH為1、2、3、4、5、6和7。取1 g預處理好的D201樹脂加入50 mL富馬酸溶液，30 ℃靜置吸附12 h。

為考察溫度對D201樹脂吸附的影響，取1 g預處理好的D201樹脂加入50 mL 5 g/L的富馬酸溶液，調(diào)節(jié)pH為5，溫度分別設置為20、30和40 ℃，靜置吸附12 h。對于不同溫度下的吸附等溫線，取1 g預處理好的D201樹脂加入50 mL不同質(zhì)量濃度(2.5、5.0、10.0、15.0、20.0、25.0和30.0 g/L)的富馬酸溶液，調(diào)節(jié)pH為5，溫度設置為20、30和40 ℃，靜置吸附12 h。

1.2.3 樹脂解吸條件的優(yōu)化及樹脂的重復利用

選取6種解吸劑(HCl、H2SO4、NaCl、NaOH、NaHCO3和Na2CO3)進行比較，以確定最佳的解吸劑[16]；然后采用單一變量法優(yōu)化解吸劑濃度、解吸劑體積及解吸時間，確定最佳的解吸條件。在最佳解吸條件下對D201樹脂進行8次重復吸附-解吸實驗，以考察D201樹脂的重復利用率。

1.2.4 樹脂吸附能力及解吸率的計算

樹脂吸附能力qe的計算見式(1)，解吸率E的計算見式(2)[17]。

(1)

(2)

式中：ρ0為初始富馬酸吸附液的質(zhì)量濃度mg/L；ρe為平衡時富馬酸吸附液的質(zhì)量濃度，mg/L；V1為吸附液體積，L；m為添加的樹脂質(zhì)量，g；ρ2為解吸液富馬酸的質(zhì)量濃度，mg/L；V2為解吸液體積，L。

1.2.5 富馬酸的檢測

富馬酸的濃度通過高效液相色譜法(HPLC)檢測，柱子為Ultimate LP-C18(4.6 mm×250 mm，5 μm),流動相為97.5%磷酸(0.1%)和2.5%甲醇混合溶液，流速為1 mL/min，柱溫為40 ℃，檢測器為紫外檢測器，波長為210 nm，進樣量為10 μL。

2 結(jié)果與討論

2.1 樹脂篩選結(jié)果

富馬酸是一種二元羧酸，堿性樹脂對其吸附效果好，通過比較不同堿性樹脂的吸附能力，以選擇合適的吸附樹脂，結(jié)果見表2。由表2可知：隨著pH的增大，單位樹脂的吸附量逐漸減小，可能是因為溶液中富馬酸離子形式比例的變化所導致的(分子形式H2FA不帶電荷，一價的HFA-與二價的FA2-所帶電荷不同，吸附行為也不盡相同)。D201樹脂在不同pH條件下都具有較高的吸附能力，吸附能力qe受pH影響較小，由121.21 mg/g(pH 3)下降至83.41 mg/g(pH 5)；當pH為5時，D201樹脂的吸附能力僅次于201×7，其次作為大孔樹脂，其高強度的性質(zhì)也決定了D201樹脂適合連續(xù)操作。同時，在富馬酸的發(fā)酵過程中，發(fā)酵液pH保持在5～7，適合D201的吸附，因此選取D201樹脂作為吸附樹脂。此外，考慮實際發(fā)酵液中的葡萄糖和蘋果酸(MA)是影響D201樹脂吸附富馬酸的主要雜質(zhì)[14]，因此有必要考察它們對吸附的影響，結(jié)果如圖1所示。

表2 不同樹脂在不同pH條件下對富馬酸的吸附能力

由圖1可知：不同pH條件下高濃度的葡萄糖對D201樹脂吸附富馬酸的能力均無影響；蘋果酸對D201樹脂吸附低質(zhì)量濃度(5 g/L)的富馬酸有影響，吸附能力從89.9 mg/g降至68.7 mg/g，降低了23.6%；對高質(zhì)量濃度的富馬酸(15 g/L)無影響。由此可見，D201樹脂對富馬酸的吸附能力不受葡萄糖和蘋果酸的影響。

圖1 葡萄糖和蘋果酸對D201樹脂吸附能力的影響Fig.1 Effects of glucose and malic acid on adsorption capacity of D201 resin

2.2 pH對D201樹脂吸附富馬酸的影響

不同pH條件下溶液中富馬酸的電離程度不同，會導致富馬酸離子形式的比例不同，最終影響樹脂的吸附效果[15]。為考察pH的影響，測定不同pH條件下D201樹脂吸附能力的變化，結(jié)果如圖2所示。富馬酸是一種二元羧酸(pKa1=3.03，pKa2=4.44)，在確定的pH條件下，溶液中離子形式(H2FA、HFA-和FA2-)的摩爾比是一定的[18]，可通過式(3)和(4)計算，計算結(jié)果如圖2(b)所示。

(3)

(4)

圖2 不同pH條件下D201樹脂的吸附能力及富馬酸溶液中的離子摩爾比(H2FA,HFA-,FA2-)Fig.2 Adsorption capacity of D201 resin and mole ratio of ion forms(H2FA,HFA-,FA2-) in fumaric acid solution under different pH

由圖2可知：隨著pH的增大，單位樹脂的吸附量先迅速增大后緩慢減小并趨于穩(wěn)定；當pH為4時，吸附量最大(107.6 mg/g)；而pH為1時，吸附量最小(21.0 mg/g)。隨著pH的增大，富馬酸分子H2FA的比例逐漸減小，一價離子HFA-的比例先增大后減小，二價離子FA2-的比例逐漸增大；當pH為1時，富馬酸以分子形式H2FA存在，此時樹脂官能團對富馬酸無吸附作用，但樹脂仍吸附少量富馬酸(21.0 mg/g)，可能是因為樹脂骨架(苯乙烯-二乙烯苯共聚體)和富馬酸分子之間的疏水相互作用[19]。當pH為4時，溶液中HFA-的比例最大(68%)，此時吸附量也達到最大，且當pH為3～7時，單位樹脂吸附量與HFA-比例的變化趨勢一致，由此可知D201樹脂吸附HFA-的能力最強。同時結(jié)合D201的官能團為季氨基—N(CH3)+可知HFA-吸附到樹脂上僅占據(jù)1個吸附位點，F(xiàn)A2-可能占據(jù)2個吸附位點，吸附位點利用率降低[18]；分子形式的H2FA可能通過疏水相互作用吸附到樹脂骨架上，不會結(jié)合到樹脂的官能團上。因此D201樹脂對富馬酸離子形式的吸附能力(從大到小)為HFA-、FA2-、H2FA。

2.3 吸附溫度對D201樹脂吸附富馬酸的影響

D201樹脂吸附富馬酸的能力受溫度變化的影響。隨著溫度的變化，D201樹脂的平衡吸附量也逐漸變化，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：隨著溫度的升高，D201樹脂的吸附量逐漸增大，溫度從20 ℃升至40 ℃，吸附量從78.29 mg/g升至85.85 mg/g，提高了9.7%。熱力學參數(shù)計算結(jié)果如表3所示。由表3可知：焓變ΔH>0，表明D201樹脂吸附富馬酸是吸熱反應；且隨著溫度的升高，ΔG逐漸減小，表明升溫有利于吸附，與實驗結(jié)果一致。

圖3 溫度對D201樹脂吸附能力的影響Fig.3 Effect of temperature on the adsorption capacity of D201 resin

表3 不同溫度下D201樹脂的熱力學參數(shù)

2.4 樹脂解吸條件的優(yōu)化及樹脂的重復利用結(jié)果

不同解吸劑的解吸效果不同，直接關系到解吸的效率和樹脂的重復利用率。通過比較8種解吸劑的解吸效果，選擇效果最好的解吸劑并對解吸條件進行優(yōu)化，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：NaCl的解吸效果最好，不同濃度的NaCl解吸率均達到86%以上，因此選擇NaCl作為最佳解吸劑。對NaCl解吸條件進行優(yōu)化，最佳解吸條件是：解吸劑濃度1 mol/L，解吸劑體積10 mL，解吸時間20 min，解吸率達到89.6%。

圖4 不同解吸劑的比較及解吸條件的優(yōu)化Fig.4 Comparison of different desorption agents and the optimization of desorption conditions

樹脂的重復利用對生產(chǎn)成本的控制有著重要的作用，因此對樹脂的重復利用率進行了研究，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：經(jīng)8次重復吸附-解吸后，吸附量由88.16 mg/g降至82.57 mg/g，降低了6.34%，可見D201樹脂可以重復利用，可降低樹脂分離的成本，使樹脂的工業(yè)化應用成為可能。

圖5 D201樹脂的重復利用Fig.5 Reuse of D201 resin

3 結(jié)論

1)通過對比不同pH條件下富馬酸溶液中的離子摩爾比及單位樹脂吸附量之間的關系可知D201樹脂的吸附能力(從大到小)為HFA-、FA2-、H2FA；HFA-吸附到樹脂上僅占據(jù)1個吸附位點，F(xiàn)A2-可能占據(jù)2個吸附位點，H2FA 通過和樹脂骨架間的疏水相互作用被吸附到樹脂骨架上。

2)通過熱力學參數(shù)計算可知，吸附過程屬于吸熱反應，升溫有助于吸附的進行。

3)通過優(yōu)化解吸過程，確定了最佳解吸條件：NaCl為解吸劑，解吸劑濃度1 mol/L，解吸劑體積10 mL，解吸時間20 min，解吸率達到89.6%。