D201树脂吸附富马酸的工艺条件优化

2022-01-10张亚鹏朱洪霞范天一

生物加工过程 2021年6期

张亚鹏，刘鑫，朱洪霞，范天一，刘欢，王芳，邓利

(北京化工大学生命科学与技术学院北京市生物加工过程重点实验室国家能源生物炼制研发中心，北京100029)

富马酸(FA)是微生物代谢过程中产生的一种四碳二元羧酸，可作为中间体参与合成许多高价值的聚合物[1]。目前，富马酸主要用于生产食品酸化剂、树脂、脂类及其他一些化工产品[2]。美国能源部把富马酸列为最重要的12种生物基化工产品之一[3]。富马酸的生物法生产早有报道，20世纪40年代辉瑞公司利用根霉发酵生产富马酸，年产量可达4 000 t[4]。随后因为化学合成更加经济，富马酸的发酵生产被化学法取代[5]。然而随着国际石油价格的不断攀升以及对低碳经济的日益关注，利用可再生资源生产富马酸又引起了人们的兴趣[6]。然而传统发酵产量低，成本高[4]，同时难以控制丝状真菌的细胞形态和生长，使其难以放大生产[7]。在发酵过程中采用原位回收的方法不仅能及时移除发酵液中积累的有机酸，减弱产物抑制效应；而且可以简化下游回收操作，提高经济效益[8]。沉淀法、离子交换吸附法、溶剂萃取法、电渗析法等分离技术已成功应用于有机酸的分离纯化[5]。Xu等[9]将富马酸发酵生产与溶剂萃取相结合，克服产品抑制，使富马酸产量达到34.23 g/L，同时降低了回收成本。离子交换树脂因其具有吸附能力强、选择性高、重复利用率高、容易操作及易放大等优点常被用于有机酸的原位回收，如乙酸[10]、乳酸[11]和柠檬酸[12]。Fu等[13]探究了不同条件下的IRA-400树脂柱的吸附行为，通过模型预测了吸附柱的突破曲线，并计算了树脂柱的吸附能力。Zhang等[14]筛选了一种对富马酸有较好吸附性的IRA-900树脂，初步探究了相关的影响条件及吸附机制，最终成功应用于富马酸的原位回收。到目前为止，树脂在富马酸溶液中的吸附研究仍然较少，尤其是关于国产树脂的研究目前尚未见相关报道。

因此本研究从国产树脂出发，选择对富马酸有较高吸附能力的D201树脂，然后探究温度、pH和预处理方式等影响条件，比较不同解吸剂的解吸效果并通过单因素试验得出最佳的解吸条件和树脂的重复利用率，本文系统研究D201树脂在富马酸溶液中的吸附行为，优化解吸条件，以期为国产树脂在富马酸分离方面的应用奠定了基础。

1 材料与方法

1.1 材料

树脂335、D301、D201、D396和D318，郑州新和成公司；树脂201×7、D201A，天津南大公司；树脂D201B，源叶生物公司，具体参数如表1所示。所有树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，水洗至中性后抽滤，保存备用(树脂含水率为50%～60%)[15]。

表1 树脂的基本参数

1.2 方法

1.2.1 树脂筛选

为筛选对富马酸有较好吸附能力的树脂，配制5 g/L的富马酸溶液，用1 mol/L NaOH和1 mol/L HCl分别调节pH为3、4和5。取1 g预处理好的不同树脂(335、D301、D201、D396、D318、201×7、D201A和D201B)加入50 mL不同pH(3、4和5)的富马酸溶液，30 ℃静置吸附12 h。

为确定富马酸发酵过程中葡萄糖及苹果酸对树脂吸附的影响，分别配制含有80 g/L葡萄糖及不同质量浓度(5、10和15 g/L)苹果酸的富马酸混合溶液，用1 mol/L NaOH和1 mol/L HCl调节pH为5。取 1 g预处理好的D201树脂加入50 mL富马酸混合溶液，30 ℃静置吸附12 h。

1.2.2 影响树脂吸附条件的考察

为考察pH对D201树脂吸附的影响，配制5 g/L的富马酸溶液，用1 mol/L NaOH和1 mol/L HCl分别调节pH为1、2、3、4、5、6和7。取1 g预处理好的D201树脂加入50 mL富马酸溶液，30 ℃静置吸附12 h。

为考察温度对D201树脂吸附的影响，取1 g预处理好的D201树脂加入50 mL 5 g/L的富马酸溶液，调节pH为5，温度分别设置为20、30和40 ℃，静置吸附12 h。对于不同温度下的吸附等温线，取1 g预处理好的D201树脂加入50 mL不同质量浓度(2.5、5.0、10.0、15.0、20.0、25.0和30.0 g/L)的富马酸溶液，调节pH为5，温度设置为20、30和40 ℃，静置吸附12 h。

1.2.3 树脂解吸条件的优化及树脂的重复利用

选取6种解吸剂(HCl、H2SO4、NaCl、NaOH、NaHCO3和Na2CO3)进行比较，以确定最佳的解吸剂[16]；然后采用单一变量法优化解吸剂浓度、解吸剂体积及解吸时间，确定最佳的解吸条件。在最佳解吸条件下对D201树脂进行8次重复吸附-解吸实验，以考察D201树脂的重复利用率。

1.2.4 树脂吸附能力及解吸率的计算

树脂吸附能力qe的计算见式(1)，解吸率E的计算见式(2)[17]。

(1)

(2)

式中：ρ0为初始富马酸吸附液的质量浓度mg/L；ρe为平衡时富马酸吸附液的质量浓度，mg/L；V1为吸附液体积，L；m为添加的树脂质量，g；ρ2为解吸液富马酸的质量浓度，mg/L；V2为解吸液体积，L。

1.2.5 富马酸的检测

富马酸的浓度通过高效液相色谱法(HPLC)检测，柱子为Ultimate LP-C18(4.6 mm×250 mm，5 μm),流动相为97.5%磷酸(0.1%)和2.5%甲醇混合溶液，流速为1 mL/min，柱温为40 ℃，检测器为紫外检测器，波长为210 nm，进样量为10 μL。

2 结果与讨论

2.1 树脂筛选结果

富马酸是一种二元羧酸，碱性树脂对其吸附效果好，通过比较不同碱性树脂的吸附能力，以选择合适的吸附树脂，结果见表2。由表2可知：随着pH的增大，单位树脂的吸附量逐渐减小，可能是因为溶液中富马酸离子形式比例的变化所导致的(分子形式H2FA不带电荷，一价的HFA-与二价的FA2-所带电荷不同，吸附行为也不尽相同)。D201树脂在不同pH条件下都具有较高的吸附能力，吸附能力qe受pH影响较小，由121.21 mg/g(pH 3)下降至83.41 mg/g(pH 5)；当pH为5时，D201树脂的吸附能力仅次于201×7，其次作为大孔树脂，其高强度的性质也决定了D201树脂适合连续操作。同时，在富马酸的发酵过程中，发酵液pH保持在5～7，适合D201的吸附，因此选取D201树脂作为吸附树脂。此外，考虑实际发酵液中的葡萄糖和苹果酸(MA)是影响D201树脂吸附富马酸的主要杂质[14]，因此有必要考察它们对吸附的影响，结果如图1所示。

表2 不同树脂在不同pH条件下对富马酸的吸附能力

由图1可知：不同pH条件下高浓度的葡萄糖对D201树脂吸附富马酸的能力均无影响；苹果酸对D201树脂吸附低质量浓度(5 g/L)的富马酸有影响，吸附能力从89.9 mg/g降至68.7 mg/g，降低了23.6%；对高质量浓度的富马酸(15 g/L)无影响。由此可见，D201树脂对富马酸的吸附能力不受葡萄糖和苹果酸的影响。

图1 葡萄糖和苹果酸对D201树脂吸附能力的影响Fig.1 Effects of glucose and malic acid on adsorption capacity of D201 resin

2.2 pH对D201树脂吸附富马酸的影响

不同pH条件下溶液中富马酸的电离程度不同，会导致富马酸离子形式的比例不同，最终影响树脂的吸附效果[15]。为考察pH的影响，测定不同pH条件下D201树脂吸附能力的变化，结果如图2所示。富马酸是一种二元羧酸(pKa1=3.03，pKa2=4.44)，在确定的pH条件下，溶液中离子形式(H2FA、HFA-和FA2-)的摩尔比是一定的[18]，可通过式(3)和(4)计算，计算结果如图2(b)所示。

(3)

(4)

图2 不同pH条件下D201树脂的吸附能力及富马酸溶液中的离子摩尔比(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

由图2可知：随着pH的增大，单位树脂的吸附量先迅速增大后缓慢减小并趋于稳定；当pH为4时，吸附量最大(107.6 mg/g)；而pH为1时，吸附量最小(21.0 mg/g)。随着pH的增大，富马酸分子H2FA的比例逐渐减小，一价离子HFA-的比例先增大后减小，二价离子FA2-的比例逐渐增大；当pH为1时，富马酸以分子形式H2FA存在，此时树脂官能团对富马酸无吸附作用，但树脂仍吸附少量富马酸(21.0 mg/g)，可能是因为树脂骨架(苯乙烯-二乙烯苯共聚体)和富马酸分子之间的疏水相互作用[19]。当pH为4时，溶液中HFA-的比例最大(68%)，此时吸附量也达到最大，且当pH为3～7时，单位树脂吸附量与HFA-比例的变化趋势一致，由此可知D201树脂吸附HFA-的能力最强。同时结合D201的官能团为季氨基—N(CH3)+可知HFA-吸附到树脂上仅占据1个吸附位点，FA2-可能占据2个吸附位点，吸附位点利用率降低[18]；分子形式的H2FA可能通过疏水相互作用吸附到树脂骨架上，不会结合到树脂的官能团上。因此D201树脂对富马酸离子形式的吸附能力(从大到小)为HFA-、FA2-、H2FA。

2.3 吸附温度对D201树脂吸附富马酸的影响

D201树脂吸附富马酸的能力受温度变化的影响。随着温度的变化，D201树脂的平衡吸附量也逐渐变化，结果如图3所示。由图3可知：随着温度的升高，D201树脂的吸附量逐渐增大，温度从20 ℃升至40 ℃，吸附量从78.29 mg/g升至85.85 mg/g，提高了9.7%。热力学参数计算结果如表3所示。由表3可知：焓变ΔH>0，表明D201树脂吸附富马酸是吸热反应；且随着温度的升高，ΔG逐渐减小，表明升温有利于吸附，与实验结果一致。

图3 温度对D201树脂吸附能力的影响Fig.3 Effect of temperature on the adsorption capacity of D201 resin

表3 不同温度下D201树脂的热力学参数

2.4 树脂解吸条件的优化及树脂的重复利用结果

不同解吸剂的解吸效果不同，直接关系到解吸的效率和树脂的重复利用率。通过比较8种解吸剂的解吸效果，选择效果最好的解吸剂并对解吸条件进行优化，结果如图4所示。由图4可知：NaCl的解吸效果最好，不同浓度的NaCl解吸率均达到86%以上，因此选择NaCl作为最佳解吸剂。对NaCl解吸条件进行优化，最佳解吸条件是：解吸剂浓度1 mol/L，解吸剂体积10 mL，解吸时间20 min，解吸率达到89.6%。