离子交换在羧酸分离中的应用

（浙江工业大学生物工程研究所，浙江杭州310014）

羧酸广泛应用于食品、医药、化工等领域。如柠檬酸既能作为食品酸味剂加入果酱、果冻、蜜饯和各种饮料中，也可作为无毒增塑剂生产聚氯乙烯薄膜；乙酰丙酸加入到毛发化妆品中，可改善产品质量，使毛发柔软、易梳理、更有光泽；丙酮酸是合成色氨酸、酪氨酸、L－多巴、蛋白酶抑制剂、镇静剂等的原料；植酸可以防止织物生皱、产生静电，可作为丝绸、棉、聚酯织物的阻燃剂；乳酸可作为消毒剂用于手术室、实验室等场所的消毒，还可以添加到烟草中保持烟草的湿度，提高质量。

羧酸具有良好的反应性，能够进行氧化还原、取代、聚合等多种反应，是一种具有潜力的新型平台化合物。羧酸的生产方法主要有化学法、生物发酵法和生物转化法。其中，化学法由于反应条件苛刻、环境污染严重等问题，正逐渐被淘汰；生物发酵法和生物转化法产生的发酵液和转化液成分复杂，分离困难。近年来，随着环保、节能降耗意识的加强，新的羧酸分离技术（沉淀、溶剂萃取、膜分离、离子交换、电渗析等）得到大力发展，其优缺点见表1。

离子交换法是用特定有机高分子树脂直接分离羧酸，具有设备简单、操作容易、工艺流程短、选择性高、树脂易于再生等优点。作者在此对离子交换分离羧酸的影响因素进行分析，对离子交换在羧酸分离中的应用进行综述，拟为羧酸分离方法的研究提供帮助。

1 离子交换分离羧酸的影响因素

1.1 阴离子交换树脂的结构

表1 各种羧酸分离方法的优缺点Tab.1 Advantages and disadvantages of various of separation methods of carboxylic acid

阴离子交换树脂的结构主要由孔隙结构、离子交换基团和骨架3部分组成。

孔隙结构有大孔型和凝胶型2种。

依离子交换基团的不同，可将阴离子交换树脂分为强碱性树脂和弱碱性树脂。强碱性树脂分离羧酸主要依靠季胺官能团，弱碱性树脂具有叔胺和吡啶官能团，交换容量更大，且易于再生，因此，弱碱性树脂在羧酸分离中应用更广泛。Dethe等［1］同时使用强碱和弱碱性树脂吸附乳酸，发现强碱性树脂的吸附能力为2.6mol·kg－1，而弱碱性树脂的吸附能力可达到6 mol·kg－1。

阴离子交换树脂的骨架有苯乙烯系、丙烯酸系、酚醛系、环氧系等。其中，苯乙烯系和丙烯酸系都有较好的吸附性能。Shuang等［2］研究表明，丙烯酸系阴离子交换树脂吸附腐植酸优于苯乙烯系阴离子交换树脂，说明树脂的亲水性结构有利于羧酸的吸附，骨架结构相同时，交换容量越大，吸附效果越好。Shuang等［3］还研究了树脂的亲水性结构对腐植酸的吸附影响，发现腐植酸会占据更多的正电荷位点和疏水性位点，表明亲水性更好的阴离子交换树脂可以实现更高的吸附率和再生效率。Maddikeri等［4］分别使用强碱性树脂Indion 810和弱碱性树脂Indion 850、Indion 860吸附饱和及不饱和脂肪酸，发现阴离子交换树脂在苯乙烯－二乙烯基苯共聚物上如果包含三级或四级氨基官能团可以促进酸的吸附。

1.2 操作环境

1.2.1 pH 值

溶液pH 值影响羧酸的电离程度，从而影响阴离子交换树脂对羧酸的吸附。在碱性条件下羧酸虽然能够电离完全，但是OH－的存在引起了竞争吸附；在酸性条件下羧酸电离不完全，通常以分子形式存在而影响吸附。Xue等［5］研究发现，树脂对扁桃酸的吸附量在pH 值为7.0～8.0时达到最大；过酸（5.0）或过碱（9.0），吸附量均减小。一般来说，弱碱性阴离子交换树脂能在羧酸的pKa值仍维持其吸附容量，并将pH值重新控制在中性［6］。Li等［7］研究树脂NERCB 04对琥珀酸的吸附时发现，树脂作为中和剂在发酵罐内中和发酵液的pH 值（2.0～5.0），使发酵液pH 值维持在7.0，既保证了发酵的正常进行，又保持了树脂吸附的最佳pH 环境。

1.2.2 温度

研究吸附热力学可了解吸附过程中的物质驱动方向，若反应过程为吸热，则可在不影响吸附剂与吸附质稳定性的前提下升高温度以促进吸附；若反应为放热，则可以适当地降低温度。Gao等［8］研究了树脂吸附苹果酸的过程，结果表明吸附过程符合Langmuir模型，ΔG为负值，说明吸附反应为自发，ΔH为负值，反应为放热反应，温度越低，越有利于吸附。Nam 等［9］研究了乙酸、甲酸、琥珀酸和乳酸在树脂Amberchrom－CG300C上的吸附热力学参数，将其纳入Langmuir模型，可以高度准确预测所有的吸附平衡数据，据此可设计一个温度梯度分离乙酸、甲酸和琥珀酸。

1.2.3 固定床条件

在固定床吸附过程中，流速、初始浓度和床层高度均对穿透曲线有着至关重要的影响。初始浓度的增大可以使穿透点和饱和点前移、穿透更快；流速的减慢可以保证羧酸在固定床充分吸附。Zhou 等［10］研究发现，流速减慢可以保证吸附更完全，床层高度的升高会延长保留时间但对羧酸吸附能力基本没有影响，初始浓度的增大使得树脂表面活性位点的竞争吸附增强。Fu等［11］研究反丁烯二酸的吸附穿透曲线时发现，随初始浓度的增大和流速的加快，穿透点和饱和点均降低，穿透曲线也变得陡峭。

1.3 杂质

吸附环境中其它物质的存在也会影响吸附效果。杂质一般通过竞争吸附影响羧酸的离子形式或者影响树脂的离子交换率等方式来影响吸附效果。Wang等［12］研究了金属离子对树脂JN－10吸附腐植酸的影响，结果发现，钙离子和镁离子可以提高树脂的吸附容量，这是因为钙离子和镁离子可以中和腐植酸的负电荷，但是高浓度的金属离子又会影响吸附，碱土金属离子形成的水合物可能会占据树脂的吸附位点。

一般情况下，有机介质会影响树脂离子交换容量和传质效率，主要原因是有机介质使得树脂膨胀。Cren等［13］研究了强碱性阴离子树脂Ambenlyst 26A在乙醇溶液中对油酸的穿透曲线，指出增大乙醇浓度可以加快树脂吸附速率。增加水含量可以提高离子交换树脂在有机介质中的离子交换率，因为底物的存在可以保证离子的解离率和树脂的稳定膨胀。

2 羧酸在分离过程中的扩散行为

羧酸分离过程中，操作条件对高选择性离子交换树脂的吸附平衡研究非常重要，而吸附平衡研究是离子交换过程设计和分析的基础。羧酸在阴离子交换树脂上的吸附研究很多，尤其是吸附平衡方面的研究，但对羧酸在树脂颗粒内的扩散动力学的研究较少。常用的扩散模型有孔扩散模型、表面扩散模型、均质固相扩散模型和平行扩散模型等。Yoshida等［14］用平行扩散模型描述有机酸在树脂内的扩散行为，先用均相菲克扩散模型分析得到颗粒内有效扩散系数，再将其用于平行扩散模型的表面扩散系数，由于两者系数相同，所以在不同的浓度下，平行扩散模型与实验有一定的偏差。Liu等［15］用孔扩散模型和平行扩散模型模拟了乙酰丙酸在树脂上的扩散动力学行为，得出两种模型关联得到的扩散系数均随着初始浓度的升高而减小，初始浓度较低时，表面扩散对内扩散作用显著。

工业上从发酵液或转化液中分离羧酸一般都采用填充床，因此，研究填充床流体动力学十分必要。一般是先测量不同操作条件下的穿透曲线，然后用一个合适的模型来描述吸附过程，获得粒子扩散率，但该过程十分复杂，且费用高。因此，研究者通过分析动力学数据获得扩散机制及其系数，再根据扩散系数来预测填充床穿透行为的扩散机制和扩散率。Liu等［16］研究了弱碱性阴离子树脂335和D315吸附乙酰丙酸的动力学，用孔扩散模型和平行扩散模型对固定床穿透行为进行预测的结果与实验结果基本一致，且平行扩散模型的预测结果优于孔扩散模型。Fu等［11］采用一种半经验的Yoon－Nelson模型（可模拟和预测动态柱内的吸附行为和规律），实现了在不同的流速、温度、pH 值和浓度下对穿透曲线的预测，加深了对离子交换柱的设计与操作的理解。

3 离子交换在羧酸分离中的应用

离子交换装置主要分为间歇式和连续式。间歇式包括搅拌槽、固定床、膨胀床和流化床；连续式有移动床和模拟移动床。间歇式搅拌槽离子交换是将树脂与溶液混合，加以适当搅拌，使之达到交换平衡，再滤出溶液的一种分离方式，通常用于实验室或小型工业生产。目前，离子交换已成功应用于多种羧酸的分离（表2），甚至应用于羧酸的工业化生产（要求树脂对羧酸的吸附量至少能长期保持在0.05g·g－1［17］）。

表2 离子交换在羧酸分离中的应用Tab.2 Application of ion－exchange in separation of carboxylic acid

3.1 柠檬酸

柠檬酸被广泛添加到酸性口味食品中，并可用作软饮料，它可以通过便宜的碳水化合物发酵得到。传统的分离方法“钙盐沉淀法”需要中和石灰而产生大量的石膏，目前，多用离子交换法分离柠檬酸。黑龙江华冠科技股份有限公司于2001年开始使用离子交换法分离柠檬酸，年产量6 000t以上，纯度99.5%以上，总收率达到90%以上［30］。

20世纪60 年代出现了一种连续式离子交换装置——模拟移动床，它克服了单层填充床树脂用量多、利用率低、运行不连续的缺点，提高了树脂的利用率和管理自动化。连续模拟移动床流程图［31］如图1所示，填充床结构如图2所示。

图1 连续模拟移动床流程图Fig.1 The flow chart of continuous simulated moving bed

图2 填充床结构Fig.2 Structure of packed bed

2009年，Wu等［18］利用模拟移动床技术，以PVP树脂为固定相，设计了一个半工业规模模拟移动床，通过确定流体动力学、热力学和传质特性，运用3个模型预测柠檬酸洗脱过程，并研究了操作条件的影响，由此设计的模拟移动床实现了纯度为99.8%、收率为97.2%的柠檬酸分离。2003年，江南大学段海宝等［32］研制了一种两性树脂，吸附柠檬酸的能力达到1.10g·g－1，并研究出一种模拟移动床变温色谱分离技术，综合了变温色谱法和离子交换法的优点，对柠檬酸有专一吸附性，且使用热水就能进行解析，柠檬酸收率达到98%，产品浓度较普通色谱高3～4倍。2010年，宜兴协联生化有限公司同样采用模拟移动床技术生产柠檬酸，收率达到85%以上，与传统方法相比，耗水量减少了5／6，生产成本下降了10%～15%［33］。

3.2 乳酸

乳酸广泛应用于食品、医药等领域。目前，国内乳酸的实际需求量为2万～3万t·a－1，而实际生产能力为1万t·a－1。迄今为止，已有很多树脂被用来从发酵液中分离乳酸，如Amberlite IRA 900、IRA 402、IRA 400、IRA 96、IRA 67、Reillex 425等。

Raya－Tonetti等［34］在上流式流化床柱中使用强碱性阴离子交换树脂分离乳酸，树脂对乳酸的吸附能力达到0.18g·g－1，将培养基加热后调pH 值至8.0，吸附能力达到0.4g·g－1，经洗脱后得到乳酸，洗脱率90%，使用23个周期后树脂的吸附能力并未降低。

Patel等［19］采用固液循环流化床生物反应器（图3）研究了原位吸附分离乳酸，树脂经吸附平衡后循环进入流化床进行洗脱，再生后又可继续循环使用。该方法既克服了产物抑制又维持了生物转化的最佳pH值，不需添加盐来控制反应器pH 值，不需昂贵和复杂的化学控制技术，实现了93%乳酸的吸附和46%的分离，可连续生产和分离乳酸。

图3 固液循环流化床生物反应器Fig.3 Solid－liquid circulating fluidized bed bioreactor

姜绍通等［35］根据静态吸附和固定床实验结果，设计了一个连续离子交换中试工艺方案，并优化了交换分区、各区进料流速和各出口浓度等参数，实现了比传统固定床工艺更连续、稳定、高效的工艺路线。2014年安徽中粮生化格拉特乳酸有限公司采用顺序式模拟移动色谱技术，通过树脂多级离子交换分离、提纯、浓缩乳酸，收率可达95%～98%，纯度＞99%，乳酸收集液浓度＞20%［36］。

3.3 琥珀酸

琥珀酸作为工业上一种重要的四碳化合物，被美国能源部认为是未来12种最有价值的生物炼制产品之一。目前全球需求量已经达到30万t·a－1。

Li等［7］研究了树脂NERCB 04对琥珀酸的吸附能力，树脂在发酵罐中作为发酵液pH 值的中和剂，吸附能力达到0.41g·g－1。Li等［37］使用原位分离技术将膨胀床与生物反应器相连，分离提取发酵液中的琥珀酸，既消除了产物抑制又提高了琥珀酸的产量和收率，琥珀酸产量达到145.2g·L－1，树脂吸附能力达到0.52g·g－1，其装置如图4所示。

由于琥珀酸发酵液中混合着乳酸杂质，因此，需对琥珀酸和乳酸进行分离。Nam 等［38］根据温度对单组分吸附平衡的影响，设计了温度梯度SMB 过程分离琥珀酸和乳酸，优化进样浓度和列管长度等因素，最终成功实现了分离。

3.4 氨基酸

连续模拟移动床技术还被用于苏氨酸、色氨酸和苯丙氨酸等氨基酸的精制。这些氨基酸都属碱性氨基酸，故需要使用阳离子交换树脂进行离子交换。美国Cargon Carbon Corp 公司采用一种连续离子交换色谱分离设备Isep，依据逆流上柱和逆流洗脱的原理实现了赖氨酸的分离，收率超过98%，产品纯度也达到98%以上，而用水量为固定床的30%～40%，树脂用量为固定床的1／8～1／10。连续离子交换技术较一般固定床用水量更少、树脂消耗少、运行费用低、收率及纯度更高。全球已有70%以上的赖氨酸的生产采用连续离子交换技术［21］。万红贵等［39］介绍了模拟移动床在赖氨酸分离中的应用，以模拟移动床连续离子交换技术生产赖氨酸，纯度达到98.5%以上。

图4 膨胀床吸附生产琥珀酸Fig.4 Preparation of succinic acid by expanded bed adsorption

3.5 其它羧酸

Hu等［22］采用膨胀床吸附色谱法分离莽草酸，收率达到96.7%，纯度达到59.6%，分离效率为传统方法的2.6倍，能源效率为传统方法的6倍。Park等［24］使用模拟移动床色谱法分离甲酸，产品浓度提高了181%。Xue等［5］使用HZ202树脂吸附扁桃酸，树脂经HCl洗脱后收率为87%，纯度达到99.9%。Wang等［26］使用膨胀床原位吸附丙酸，最终发酵液中丙酸浓度达到52.5g·L－1，树脂吸附能力达到0.66g·g－1。Lü等［40］建立了实验室规模固定床吸附燃料乙醇中的乙酸，优化了操作条件和再生条件，将乙酸浓度从200mg·L－1降低到56mg·L－1，是一个成功的工业过程。Nam 等［25］使用Amberchrom－CG161C 树脂在模拟移动床上实现了乙酸和糖的分离，产品纯度和收率均达到99%以上，说明树脂对乙酸也有很高的选择吸附性，在糖、酸分离中也能得到很大的应用。

4 结语

离子交换法分离羧酸设备简单、成本低、操作方便，能实现连续生产，产品收率高、纯度高。随着各种有机酸需求量的增长及绿色化学的发展，离子交换法必将在未来扮演更加重要的角色。

［1］DETHE M J，MARATHE K V，GAIKAR V G.Adsorption of lactic acid on weak base polymeric resins［J］.Separation Science and Technology，2006，41（13）：2947－2971.

［2］SHUANG C D，PAN F，ZHOU Q，et al.Magnetic polyacrylic anion exchange resin：Preparation，characterization and adsorption behavior of humic acid［J］.Industrial ＆ Engineering Chemistry Research，2012，51（11）：4380－4387.

［3］SHUANG C D，WANG J，LI H B，et al.Effect of the chemical structure of anion exchange resin on the adsorption of humic acid：Behavior and mechanism［J］.Journal of Colloid and Interface Science，2015，437：163－169.

［4］MADDIKERI G L，PANDIT A B，GOGATE P R.Adsorptive removal of saturated and unsaturated fatty acids using ion－exchange resins［J］.Industrial ＆Engineering Chemistry Research，2012，51（19）：6869－6876.

［5］XUE Y P，LIU Z Q，XU M，et al.Efficient separation of（R）－（－）－mandelic acid biosynthesized from（R，S）－mandelonitrile by nitrilase using ion－exchange process［J］.Journal of Chemical Technology and Biotechnology，2011，86（3）：391－397.

［6］LOPEZ－GARZON C S，STRAATHOF A J.Recovery of carboxylic acids produced by fermentation［J］.Biotechnology Advances，2014，32（5）：873－904.

［7］LI Q，LI W L，WANG D，et al.pH Neutralization while succinic acid adsorption onto anion－exchange resins［J］.Applied Biochemistry and Biotechnology，2010，160（2）：438－445.

［8］GAO Q，PAN C Q，LIU F B，et al.Adsorption characteristics of malic acid from aqueous solutions by weakly basic ion－exchange chromatography［J］.Journal of Chromatography A，2012，1251：148－153.

［9］NAM H G，LIM G W，MUN S Y.Separation of acetic acid，formic acid，succinic acid，and lactic acid using adsorbent resin［J］.Journal of Chemistry and Engineering Data，2012，57（8）：2102－2108.

［10］ZHOU J，WU J，LIU Y，et al.Modeling of breakthrough curves of single and quaternary mixtures of ethanol，glucose，glycerol and acetic acid adsorption onto a microporous hyper－cross－linked resin［J］.Bioresource Technology，2013，143：360－368.

［11］FU Y Q，CHEN Y，LI S，et al.Fixed－bed adsorption study for fumaric acid removal from aqueous solutions by Amberlite IRA－400 resin［J］.Chemical Engineering ＆ Technology，2009，32（10）：1625－1629.

［12］WANG J，ZHOU Y，LI A，et al.Adsorption of humic acid by bifunctional resin JN－10and the effect of alkali－earth metal ions on the adsorption［J］.Journal of Hazardous Materials，2010，176（1－3）：1018－1026.

［13］CREN E C，CARDOZO F L，SILVA E A，et al.Breakthrough curves for oleic acid removal from ethanolic solutions using a strong anion exchange resin［J］.Separation and Purification Technology，2009，69（1）：1－6.

［14］YOSHIDA H，TAKATSUJI W.Parallel transport of an organic acid by solid－phase and macropore diffusion in a weakly basic ion exchanger［J］.Industrial ＆ Engineering Chemistry Research，2000，39（4）：1074－1079.

［15］LIU B，YANG Y，REN Q.Parallel pore and surface diffusion of levulinic acid in basic polymeric adsorbents［J］.Journal of Chromatography A，2006，1132（1－2）：190－200.

［16］LIU B，ZENG L，MAO J，et al.Simulation of levulinic acid adsorption in packed beds using parallel pore／surface diffusion model［J］.Chemical Engineering ＆ Technology，2010，33（7）：1146－1152.

［17］DAVISON B H，NGHIEM N P，RICHARDSON G L.Succinic acid adsorption from fermentation broth and regeneration［J］.Applied Biochemistry and Biotechnology，2004，113－116：653－669.

［18］WU J，PENG Q，ARLT W，et al.Model－based design of a pilotscale simulated moving bed for purification of citric acid from fermentation broth［J］.Journal of Chromatography A，2009，1216（50）：8793－8805.

［19］PATEL M，BASSI A S，ZHU J J X，et al.Investigation of a dualparticle liquid－solid circulating fluidized bed bioreactor for extractive fermentation of lactic acid［J］.Biotechnology Progress，2008，24（4）：821－831.

［20］CREN E C，MORELLI A C，SANCHES T，et al.Adsorption isotherms for removal of linoleic acid from ethanolic solutions using the strong anion exchange resin Amberlyst A26OH［J］.Journal of Chemistry and Engineering Data，2010，55（7）：2563－2566.

［21］徐昌红，方家骥.连续离子交换色谱分离在赖氨酸精制过程中的应用［J］.精细与专用化学品，2008，16（20）：18－20.

［22］HU P，LIU M，ZHAO J，et al.Integrated expanded－bed ion exchange chromatography as a tool for direct recovery of shikimic acid fromIlliciumverum［J］.Solvent Extraction and Ion Exchange，2014，32（3）：316－332.

［23］王浩，郑谊丰，程媛媛，等.离子交换法从发酵液中提取聚苹果酸［J］.离子交换与吸附，2011，27（3）：257－263.

［24］PARK C，NAM H G，LEE K B，et al.Optimal design and experimental validation of a simulated moving bed chromatography for continuous recovery of formic acid in a model mixture of three organic acids fromActinobacillusbacteria fermentation［J］.Journal of Chromatography A，2014，1365：106－114.

［25］NAM H G，MUN S Y.Optimal design and experimental valida

tion of a three－zone simulated moving bed process based on the Amberchrom－CG161Cadsorbent for continuous removal of acetic acid from biomass hydrolyzate［J］.Process Biochemistry，2012，47（5）：725－734.

［26］WANG P，WANG Y，LIU Y，et al.Novel in situ product removal technique for simultaneous production of propionic acid and vitamin B12by expanded bed adsorption bioreactor［J］.Bioresource Technology，2012，104：652－659.

［27］李寅，傅为民，陈坚.离子交换法从发酵液中提取丙酮酸［J］.无锡轻工大学学报：食品与生物技术，2001，20（4）：335－339.

［28］周桢，张贤娟.GOD氧化葡萄糖酸的离子交换分离工艺研究［J］.化学研究与应用，2010，22（6）：805－808.

［29］占宏德，李江华，刘龙，等.离子交换法纯化α－酮戊二酸［J］.食品与生物技术学报，2013，32（10）：1043－1048.

［30］高年发.吸交法提取柠檬酸新工艺工业化生产研究［C］／／第三次全国发酵工程学术讨论会论文集，2002.

［31］吴粦华，孙洪贵.连续逆流离子交换技术及其在抗生素生产中的应用［J］.福建化工，2003，（1）：13－16.

［32］段海宝，李秋萍，彭奇均.柠檬酸提纯新工艺研究［J］.化工中间体，2003，（17）：30－31.

［33］周永生，满云.我国柠檬酸行业的产业化现状及可持续发展［J］.生物加工过程，2010，8（6）：73－77.

［34］RAYA－TONETTI G，CORDOBA P，BRUNO－BARCENA J，et al.Fluidized bed ion exchange for improving purification of lactic acid from fermentation［J］.Biotechnology Techniques，1999，13（3）：201－205.

［35］姜绍通，于力涛，李兴江，等.连续离子交换法分离L－乳酸的工艺设计及优化［J］.食品科学，2012，33（12）：69－74.

［36］李文友.发酵法生产L－乳酸精制技术的研究进展［J］.化工时刊，2014，28（3）：44－47.

［37］LI Q，WANG D，HU G Y，et al.Integrated bioprocess for highefficiency production of succinic acid in an expanded－bed adsorption system［J］.Biochemical Engineering Journal，2011，56（3）：150－157.

［38］NAM H G，HAN M G，YI S C，et al.Optimization of productivity in a four－zone simulated moving bed process for separation of succinic acid and lactic acid［J］.Chemical Engineering Journal，2011，171（1）：92－103.

［39］万红贵，方煜宇.连续制备色谱及其在氨基酸工业中的应用［J］.食品与发酵工业，2005，31（1）：96－99.

［40］LÜ H S，SUN Y P，ZHANG M H，et al.Removal of acetic acid from fuel ethanol using ion－exchange resin［J］.Energy ＆Fuels，2012，26（12）：7299－7307.