響應(yīng)面法優(yōu)化冷凍結(jié)晶純化壬醛酸甲酯工藝

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(1.浙江工業(yè)大學(xué) 化學(xué)化工國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，浙江 杭州 310014；2.浙江省生物燃料利用技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310014；3.石油和化工行業(yè)生物柴油技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室, 浙江 杭州 310014)

壬醛酸甲酯又稱9-氧代-壬酸甲酯，是一種中鏈的不飽和單脂肪酸甲酯，在醫(yī)藥、化工、材料和食品等領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景[1-3]。壬醛酸甲酯可發(fā)生氧化、水解、縮聚和親核加成反應(yīng)，不僅可用于合成聚酯縮醛、聚酰胺、合成樹脂和醫(yī)藥有效成分等高附加值產(chǎn)品，還可用作化妝品和香料的添加劑以改善產(chǎn)品的品質(zhì)。自然界中存在的天然壬醛酸甲酯含量低[4-6]，提取和利用難度大，故壬醛酸甲酯主要通過合成或從蔬菜油脂中裂解制得。目前，針對壬醛酸甲酯合成或裂解工藝條件研究的報道較為集中[7-12]，而對其分離純化的研究較少。Miller等[13]將亞硫酸氫鈉添加到商品化的油酸甲酯中分離壬醛酸甲酯，用10.0%的氫氧化鈉回收后進(jìn)行精餾分離，從79.0%的油酸甲酯中提取到純度為99.8%的壬醛酸甲酯，回收率為90.8%。

相較于能耗較高和操作復(fù)雜的精餾技術(shù)，結(jié)晶具有工藝簡單和操作簡便的特點(diǎn)，在油脂、制藥、香料、海水淡化和廢水處理等領(lǐng)域均有應(yīng)用。結(jié)晶是物質(zhì)以晶體狀態(tài)從蒸汽、溶液或熔融物中析出分離的過程。在油脂行業(yè)中，結(jié)晶已被用于分離和純化油脂中油酸、亞油酸等不飽和脂肪酸類的高價值成分[14-16]。響應(yīng)面法基于實(shí)驗(yàn)設(shè)計以改善過程績效，在顯著減少實(shí)驗(yàn)操作次數(shù)，提高實(shí)驗(yàn)效率的同時，可獲得較為科學(xué)和完整的研究結(jié)果，達(dá)到優(yōu)化工藝條件、探尋最佳操作條件和降低操作成本的效果[17-19]。目前，關(guān)于響應(yīng)面法優(yōu)化壬醛酸甲酯分離純化的研究鮮見報道。筆者以無水乙醇為溶劑，采用冷凍結(jié)晶工藝對自制的壬醛酸甲酯粗品進(jìn)行純化，考查了結(jié)晶溫度、結(jié)晶時間以及溶劑與原料質(zhì)量比等因素對壬醛酸甲酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，采用響應(yīng)面分析法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計，優(yōu)化壬醛酸甲酯純化的工藝參數(shù)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以期為壬醛酸甲酯的生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

壬醛酸甲酯粗品(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16.7%)，自制[20]；無水乙醇、正己烷和乙酸乙酯(分析純)，上海凌風(fēng)化學(xué)試劑有限公司；壬醛酸甲酯標(biāo)準(zhǔn)品(色譜純)，BOC science；液氮(工業(yè)級)，杭州今工特種氣體有限公司；去離子水，自制。

電子天平BSA224S，賽多利斯科學(xué)儀器公司；電熱鼓風(fēng)烘箱101-1A，杭州藍(lán)天化驗(yàn)儀器廠；冰點(diǎn)儀SYD-2430，上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司；氣相色譜儀GC-2014，Shimadzu公司；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀YRE-5299，鞏義市予華儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 壬醛酸甲酯質(zhì)量濃度的測定方法

采用氣相色譜法分析壬醛酸甲酯的質(zhì)量濃度。色譜柱：RTX-5氣相色譜柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)；檢測器：FID；載氣：99.99%高純氮?dú)?；載氣流速：0.98 mL/min；程序升溫：初溫50 ℃ 保持3 min，10 ℃/min升至150 ℃保持1 min，10 ℃/min升至220 ℃保持3 min，10 ℃/min升至280 ℃ 保持6 min；進(jìn)樣口溫度：290 ℃；分流比：1∶100；進(jìn)樣量：0.2 μL。

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

取壬醛酸甲酯標(biāo)準(zhǔn)品1 mg溶于10 mL正己烷溶液中，用倍比稀釋法分別配制成5，10，20，40，60，80，120 μg/mL的標(biāo)準(zhǔn)溶液。以上述色譜條件為檢測條件，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，并建立回歸方程。

1.2.3 冷凍結(jié)晶溶劑的選擇

取壬醛酸甲酯粗品5 g分別與無水乙醇、正己烷和乙酸乙酯按照質(zhì)量比為1∶1混溶，分別浸沒于初溫為25 ℃的冰點(diǎn)儀中，以2 ℃/h的速度降溫直至觀察到有晶體析出，并在該溫度下保持6 h，過濾后稱重，分析濾液和晶體的組成。結(jié)晶實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：3 種溶劑下得到晶體質(zhì)量大小依次為：無水乙醇(1.88 g，10 ℃)，乙酸乙酯(1.62 g，12 ℃)和正己烷(0.80 g，7 ℃)，經(jīng)分析晶體中含有微量的壬醛酸甲酯，晶體中主要是棕櫚酸甲酯和硬脂酸甲酯等，晶體的質(zhì)量越大越有利于壬醛酸甲酯的分離，故選擇無水乙醇作為溶劑。

1.2.4 純化方法

利用無水乙醇提取和冷凍結(jié)晶除雜相結(jié)合的方法，即利用低溫時部分高熔點(diǎn)的組分結(jié)晶析出的方法對壬醛酸甲酯進(jìn)行純化。將壬醛酸甲酯粗品按照比例與一定量的乙醇溶劑混合，攪拌均勻后置于低溫容器內(nèi)冷卻結(jié)晶，結(jié)晶完成后將晶體過濾、回收，得到含有壬醛酸甲酯的濾液，將濾液減壓蒸發(fā)，回收溶劑，得到純化后的產(chǎn)品。實(shí)驗(yàn)條件下粗品中棕櫚酸甲酯和硬脂酸甲酯等組分的脫除率最高可達(dá)18.4%。

1.2.5 單因素實(shí)驗(yàn)

為考察冷凍結(jié)晶純化壬醛酸甲酯工藝參數(shù)的影響，選取結(jié)晶溫度、結(jié)晶時間以及溶劑與原料質(zhì)量比等參數(shù)進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，以確定適宜的結(jié)晶溫度、結(jié)晶時間以及溶劑與原料質(zhì)量比，每個實(shí)驗(yàn)重復(fù)3 次。

1.2.6 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對影響壬醛酸甲酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的因素采用響應(yīng)面法設(shè)計實(shí)驗(yàn)，按照Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計原理，以結(jié)晶溫度、結(jié)晶時間、溶劑與原料質(zhì)量比為考察因素，以壬醛酸甲酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為響應(yīng)值，設(shè)計了3因素3水平響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn)，采用Desgin-Expert 8.0.6統(tǒng)計分析軟件對17 個實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的響應(yīng)值進(jìn)行回歸分析，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評定，推測得出最佳工藝參數(shù)和壬醛酸甲酯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2 結(jié)果與討論

2.1 壬醛酸甲酯標(biāo)準(zhǔn)曲線

以壬醛酸甲酯的出峰面積為橫坐標(biāo)，以壬醛酸甲酯質(zhì)量濃度為縱坐標(biāo)，得到其標(biāo)準(zhǔn)曲線，結(jié)果如圖1所示。壬醛酸甲酯標(biāo)準(zhǔn)曲線的回歸方程為：C=5×10-5A+0.069 2，R2=0.999 8。式中：C為壬醛酸甲酯的質(zhì)量濃度，μg/mL；A為峰面積。

圖1 壬醛酸甲酯的標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Standard curve of methyl azelaaldehydate

2.2 單因素實(shí)驗(yàn)

2.2.1 結(jié)晶溫度的影響

壬醛酸甲酯粗品中除了壬醛酸甲酯外還有棕櫚酸甲酯、硬脂酸甲酯等組分。以無水乙醇為溶劑，在溶劑與原料質(zhì)量比為1.0，結(jié)晶時間為1.0 h的條件下，選取0，-5，-10，-15，-20 ℃為結(jié)晶溫度，考察結(jié)晶溫度對壬醛酸甲酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：在溫度為-10～0 ℃時，隨著結(jié)晶溫度的降低，壬醛酸甲酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)升高趨勢，但變化不顯著；但在結(jié)晶溫度低于-10 ℃后，壬醛酸甲酯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)急劇下降，在-20 ℃時僅為(15.87±0.24)%，這表明在冷凍結(jié)晶過程中存在較適宜的結(jié)晶溫度，低于該溫度時選擇性下降，有部分壬醛酸甲酯被包裹進(jìn)晶體，導(dǎo)致壬醛酸甲酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降。在-10 ℃和-5 ℃時，壬醛酸甲酯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比較接近，從節(jié)能的角度考慮，實(shí)驗(yàn)選擇-5 ℃作為結(jié)晶溫度。

圖2 結(jié)晶溫度對壬醛酸甲酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響Fig.2 Effect of crystallization temperature on mass fraction of methyl azelaaldehydate

2.2.2 結(jié)晶時間的影響

結(jié)晶時間是影響結(jié)晶純化效果的重要條件，時間過短會使結(jié)晶不充分，時間過長會將目標(biāo)產(chǎn)物包裹進(jìn)晶體，導(dǎo)致目標(biāo)產(chǎn)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低。在溶劑與原料質(zhì)量比為1，結(jié)晶溫度為-5 ℃的條件下，每隔0.5 h取樣分析，考察結(jié)晶時間對壬醛酸甲酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 結(jié)晶時間對壬醛酸甲酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響Fig.3 Effect of crystallization time on mass fraction of methyl azelaaldehydate

由圖3可知：結(jié)晶時間為0.5～3.0 h時，得到的產(chǎn)品中壬醛酸甲酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨結(jié)晶時間延長而增大，由0.5 h時的(28.51±0.23)%增加至3.0 h時的(35.10±0.28)%；繼續(xù)延長結(jié)晶時間，壬醛酸甲酯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本保持恒定，故實(shí)驗(yàn)選取結(jié)晶時間為3.0 h。

2.2.3 溶劑與原料質(zhì)量比的影響

在冷凍結(jié)晶過程中，溶劑與原料質(zhì)量比過低時溶液黏度偏高，導(dǎo)致過飽和溶液中部分不應(yīng)結(jié)晶的物質(zhì)進(jìn)入晶體的空穴結(jié)構(gòu)內(nèi)而析出，而溶劑與原料質(zhì)量比過高會延長濃縮時間，浪費(fèi)原料，增加回收成本。在結(jié)晶溫度為-5 ℃，結(jié)晶時間為2.0 h的條件下，溶劑與原料質(zhì)量比分別為1，2，3，4，5，考察溶劑與原料質(zhì)量比對壬醛酸甲酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：溶劑與原料質(zhì)量比為1～4時，壬醛酸甲酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本保持不變，維持在(33.06±0.26)%～(33.38±0.27)%，溶劑與原料質(zhì)量比對產(chǎn)品中壬醛酸甲酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響不顯著。當(dāng)質(zhì)量比為5時，壬醛酸甲酯粗品中各組分在無水乙醇中不能形成過飽和溶液，降溫時不能形成結(jié)晶，達(dá)不到結(jié)晶分離的效果，壬醛酸甲酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)接近零。故從節(jié)約成本的角度考慮，實(shí)驗(yàn)選擇溶劑與原料質(zhì)量比為1。

2.3 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)

2.3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計及結(jié)果

在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，按照Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計原理，選取結(jié)晶溫度A、結(jié)晶時間B、溶劑與原料質(zhì)量比C作為考察因素，以壬醛酸甲酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)Y為響應(yīng)值，設(shè)計了3 因素3 水平響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn)，共17 個實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。Box-Behnken實(shí)驗(yàn)因素與水平編碼見表1，實(shí)驗(yàn)設(shè)計及結(jié)果見表2。

表1 壬醛酸甲酯冷凍結(jié)晶實(shí)驗(yàn)因素與水平編碼表

表2 Box-Behnken響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計及結(jié)果

采用Desgin-Expert 8.0.6軟件對表2中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元二次回歸擬合，得到壬醛酸甲酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)Y的二次回歸模擬方程，并對回歸方程進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3所示。二次回歸模擬方程為

Y=23.775-0.242 5A+5.775B+1.075C-
0.01AB-0.25AC+0.1BC-0.043 5A2-
1.35B2-0.512 5C2

表3 壬醛酸甲酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)回歸方程的方差分析Table 3 Variance analysis results of regression equation of methyl azelaaldehydate mass fraction

2.3.2 響應(yīng)面和等高線分析結(jié)果

采用Desgin-Expert 8.0.6軟件獲得了結(jié)晶溫度A、結(jié)晶時間B、溶劑與原料質(zhì)量比C交互作用的三維響應(yīng)曲面圖及其對應(yīng)的等高線圖。通過考察擬合后的響應(yīng)曲面形狀，分析所選定因素對壬醛酸甲酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，直觀評價各因素之間的交互作用，并由響應(yīng)面的等高線分析推測最佳的工藝參數(shù)[21]。在3D響應(yīng)面圖形中，曲面的傾斜程度反映了該因素對響應(yīng)值的影響程度，傾斜度越大，即坡度越大，表明該實(shí)驗(yàn)因素對響應(yīng)值的影響越顯著。響應(yīng)面的等高線可直觀反映兩個實(shí)驗(yàn)因素之間交互作用的強(qiáng)弱，越接近橢圓形的等高線表明兩因素間的交互作用越強(qiáng)，而越接近圓形的等高線表明兩因素間的交互作用越弱[22]。

圖4為溶劑與原料質(zhì)量比為2時，結(jié)晶溫度和結(jié)晶時間對壬醛酸甲酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響。由圖4可知：在結(jié)晶時間一定時，壬醛酸甲酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨結(jié)晶溫度先增大后趨于平緩；在結(jié)晶溫度一定時，壬醛酸甲酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)亦呈現(xiàn)先增加后平緩的趨勢。等高線接近圓形，且響應(yīng)面坡度較小，表明結(jié)晶溫度和結(jié)晶時間的交互作用不顯著，這與回歸方程分析的結(jié)果相符。

圖4 結(jié)晶溫度和結(jié)晶時間交互作用對壬醛酸甲酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響(溶劑與原料質(zhì)量比為2.0)Fig.4 Influence of crystallization temperature and crystallization time on mass fraction of methyl azelaaldehydate (mass ratio of solvent to material 2.0)

圖5為結(jié)晶溫度為-5 ℃時，結(jié)晶時間和溶劑與原料質(zhì)量比對壬醛酸甲酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響。由圖5可知：在溶劑與原料質(zhì)量比一定時，壬醛酸甲酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨結(jié)晶時間先增加后降低；在結(jié)晶時間一定時，壬醛酸甲酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)亦呈現(xiàn)先增后降的趨勢，表明結(jié)晶時間、溶劑與原料質(zhì)量比對壬醛酸甲酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響存在極大值。等高線接近圓形，響應(yīng)面坡度較小，表明結(jié)晶時間和溶劑與原料質(zhì)量比的交互作用不顯著。

圖5 結(jié)晶時間和溶劑與原料質(zhì)量比交互作用對壬醛酸甲酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響(結(jié)晶溫度為-5 ℃)Fig.5 Influence of crystallization time and mass ratio of solvent to material on mass fraction of methyl azelaaldehydate (crystallization temperature -5 ℃)

圖6為結(jié)晶時間為1.5 h時，結(jié)晶溫度和溶劑與原料質(zhì)量比對壬醛酸甲酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響。由圖6可知：當(dāng)溶劑與原料質(zhì)量比較低時，壬醛酸甲酯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨結(jié)晶溫度先增加后降低；而溶劑與原料質(zhì)量比較高時，質(zhì)量分?jǐn)?shù)則隨結(jié)晶溫度逐漸增加。當(dāng)結(jié)晶溫度較低時，壬醛酸甲酯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨溶劑與原料質(zhì)量比亦先增后降；結(jié)晶溫度較高時質(zhì)量分?jǐn)?shù)則隨溶劑與原料質(zhì)量比逐漸增大。等高線接近橢圓形，響應(yīng)面坡度較大，表明結(jié)晶溫度和溶劑與原料質(zhì)量比的交互作用相對顯著。

圖6 結(jié)晶溫度和溶劑與原料質(zhì)量比交互作用對壬醛酸甲酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響(結(jié)晶時間為1.5 h)Fig.6 Influence of crystallization temperature and the ratio of solvent to material on mass fraction of methyl azelaaldehydate (crystallization time 1.5 h)

2.3.3 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)優(yōu)化與驗(yàn)證

利用Desgin-Expert 8.0.6軟件處理后，優(yōu)化得到冷凍結(jié)晶純化壬醛酸甲酯過程中各因素的最優(yōu)值：結(jié)晶溫度-9.03 ℃，結(jié)晶時間1.88 h，溶劑與原料質(zhì)量比2.94，壬醛酸甲酯的預(yù)測質(zhì)量分?jǐn)?shù)為34.73%。為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果與真實(shí)情況的一致性，對上述優(yōu)化條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在最優(yōu)條件下進(jìn)行3 次平行實(shí)驗(yàn)，得到的壬醛酸甲酯平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為34.41%，實(shí)際值與理論值誤差為0.92%。表明所得的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃侠恚鋬鼋Y(jié)晶純化壬醛酸甲酯的工藝可行，運(yùn)行參數(shù)可靠。

3 結(jié) 論

以乙醇為溶劑，采用冷凍結(jié)晶工藝可有效純化壬醛酸甲酯粗品，提高其純度。Box-Behnken模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：因素對響應(yīng)值的回歸模型可以用來描述冷凍結(jié)晶過程的壬醛酸甲酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其中結(jié)晶溫度和結(jié)晶時間是極顯著影響因素。響應(yīng)面法協(xié)調(diào)各因素的影響，優(yōu)化冷凍結(jié)晶工藝的操作條件為結(jié)晶溫度-9.03 ℃，結(jié)晶時間1.88 h，溶劑與原料質(zhì)量比2.94，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為壬醛酸甲酯生產(chǎn)提供了參考。