响应面法优化冷冻结晶纯化壬醛酸甲酯工艺

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(1.浙江工业大学 化学化工国家级实验教学示范中心，浙江 杭州 310014；2.浙江省生物燃料利用技术研究重点实验室，浙江 杭州 310014；3.石油和化工行业生物柴油技术工程实验室, 浙江 杭州 310014)

壬醛酸甲酯又称9-氧代-壬酸甲酯，是一种中链的不饱和单脂肪酸甲酯，在医药、化工、材料和食品等领域具有较好的应用前景[1-3]。壬醛酸甲酯可发生氧化、水解、缩聚和亲核加成反应，不仅可用于合成聚酯缩醛、聚酰胺、合成树脂和医药有效成分等高附加值产品，还可用作化妆品和香料的添加剂以改善产品的品质。自然界中存在的天然壬醛酸甲酯含量低[4-6]，提取和利用难度大，故壬醛酸甲酯主要通过合成或从蔬菜油脂中裂解制得。目前，针对壬醛酸甲酯合成或裂解工艺条件研究的报道较为集中[7-12]，而对其分离纯化的研究较少。Miller等[13]将亚硫酸氢钠添加到商品化的油酸甲酯中分离壬醛酸甲酯，用10.0%的氢氧化钠回收后进行精馏分离，从79.0%的油酸甲酯中提取到纯度为99.8%的壬醛酸甲酯，回收率为90.8%。

相较于能耗较高和操作复杂的精馏技术，结晶具有工艺简单和操作简便的特点，在油脂、制药、香料、海水淡化和废水处理等领域均有应用。结晶是物质以晶体状态从蒸汽、溶液或熔融物中析出分离的过程。在油脂行业中，结晶已被用于分离和纯化油脂中油酸、亚油酸等不饱和脂肪酸类的高价值成分[14-16]。响应面法基于实验设计以改善过程绩效，在显著减少实验操作次数，提高实验效率的同时，可获得较为科学和完整的研究结果，达到优化工艺条件、探寻最佳操作条件和降低操作成本的效果[17-19]。目前，关于响应面法优化壬醛酸甲酯分离纯化的研究鲜见报道。笔者以无水乙醇为溶剂，采用冷冻结晶工艺对自制的壬醛酸甲酯粗品进行纯化，考查了结晶温度、结晶时间以及溶剂与原料质量比等因素对壬醛酸甲酯质量分数的影响，采用响应面分析法进行实验设计，优化壬醛酸甲酯纯化的工艺参数，并进行实验验证，以期为壬醛酸甲酯的生产提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验试剂与仪器

壬醛酸甲酯粗品(质量分数为16.7%)，自制[20]；无水乙醇、正己烷和乙酸乙酯(分析纯)，上海凌风化学试剂有限公司；壬醛酸甲酯标准品(色谱纯)，BOC science；液氮(工业级)，杭州今工特种气体有限公司；去离子水，自制。

电子天平BSA224S，赛多利斯科学仪器公司；电热鼓风烘箱101-1A，杭州蓝天化验仪器厂；冰点仪SYD-2430，上海昌吉地质仪器有限公司；气相色谱仪GC-2014，Shimadzu公司；旋转蒸发仪YRE-5299，巩义市予华仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 壬醛酸甲酯质量浓度的测定方法

采用气相色谱法分析壬醛酸甲酯的质量浓度。色谱柱：RTX-5气相色谱柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)；检测器：FID；载气：99.99%高纯氮气；载气流速：0.98 mL/min；程序升温：初温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；进样口温度：290 ℃；分流比：1∶100；进样量：0.2 μL。

1.2.2 标准曲线的绘制

取壬醛酸甲酯标准品1 mg溶于10 mL正己烷溶液中，用倍比稀释法分别配制成5，10，20，40，60，80，120 μg/mL的标准溶液。以上述色谱条件为检测条件，绘制标准曲线，并建立回归方程。

1.2.3 冷冻结晶溶剂的选择

取壬醛酸甲酯粗品5 g分别与无水乙醇、正己烷和乙酸乙酯按照质量比为1∶1混溶，分别浸没于初温为25 ℃的冰点仪中，以2 ℃/h的速度降温直至观察到有晶体析出，并在该温度下保持6 h，过滤后称重，分析滤液和晶体的组成。结晶实验结果显示：3 种溶剂下得到晶体质量大小依次为：无水乙醇(1.88 g，10 ℃)，乙酸乙酯(1.62 g，12 ℃)和正己烷(0.80 g，7 ℃)，经分析晶体中含有微量的壬醛酸甲酯，晶体中主要是棕榈酸甲酯和硬脂酸甲酯等，晶体的质量越大越有利于壬醛酸甲酯的分离，故选择无水乙醇作为溶剂。

1.2.4 纯化方法

利用无水乙醇提取和冷冻结晶除杂相结合的方法，即利用低温时部分高熔点的组分结晶析出的方法对壬醛酸甲酯进行纯化。将壬醛酸甲酯粗品按照比例与一定量的乙醇溶剂混合，搅拌均匀后置于低温容器内冷却结晶，结晶完成后将晶体过滤、回收，得到含有壬醛酸甲酯的滤液，将滤液减压蒸发，回收溶剂，得到纯化后的产品。实验条件下粗品中棕榈酸甲酯和硬脂酸甲酯等组分的脱除率最高可达18.4%。

1.2.5 单因素实验

为考察冷冻结晶纯化壬醛酸甲酯工艺参数的影响，选取结晶温度、结晶时间以及溶剂与原料质量比等参数进行单因素实验，以确定适宜的结晶温度、结晶时间以及溶剂与原料质量比，每个实验重复3 次。

1.2.6 响应面实验

根据单因素实验结果，对影响壬醛酸甲酯质量分数的因素采用响应面法设计实验，按照Box-Behnken实验设计原理，以结晶温度、结晶时间、溶剂与原料质量比为考察因素，以壬醛酸甲酯质量分数为响应值，设计了3因素3水平响应面分析实验，采用Desgin-Expert 8.0.6统计分析软件对17 个实验点的响应值进行回归分析，对实验结果进行评定，推测得出最佳工艺参数和壬醛酸甲酯的质量分数，并进行实验验证。

2 结果与讨论

2.1 壬醛酸甲酯标准曲线

以壬醛酸甲酯的出峰面积为横坐标，以壬醛酸甲酯质量浓度为纵坐标，得到其标准曲线，结果如图1所示。壬醛酸甲酯标准曲线的回归方程为：C=5×10-5A+0.069 2，R2=0.999 8。式中：C为壬醛酸甲酯的质量浓度，μg/mL；A为峰面积。

图1 壬醛酸甲酯的标准曲线Fig.1 Standard curve of methyl azelaaldehydate

2.2 单因素实验

2.2.1 结晶温度的影响

壬醛酸甲酯粗品中除了壬醛酸甲酯外还有棕榈酸甲酯、硬脂酸甲酯等组分。以无水乙醇为溶剂，在溶剂与原料质量比为1.0，结晶时间为1.0 h的条件下，选取0，-5，-10，-15，-20 ℃为结晶温度，考察结晶温度对壬醛酸甲酯质量分数的影响，结果如图2所示。由图2可知：在温度为-10～0 ℃时，随着结晶温度的降低，壬醛酸甲酯质量分数呈现升高趋势，但变化不显著；但在结晶温度低于-10 ℃后，壬醛酸甲酯的质量分数急剧下降，在-20 ℃时仅为(15.87±0.24)%，这表明在冷冻结晶过程中存在较适宜的结晶温度，低于该温度时选择性下降，有部分壬醛酸甲酯被包裹进晶体，导致壬醛酸甲酯质量分数下降。在-10 ℃和-5 ℃时，壬醛酸甲酯的质量分数比较接近，从节能的角度考虑，实验选择-5 ℃作为结晶温度。

图2 结晶温度对壬醛酸甲酯质量分数的影响Fig.2 Effect of crystallization temperature on mass fraction of methyl azelaaldehydate

2.2.2 结晶时间的影响

结晶时间是影响结晶纯化效果的重要条件，时间过短会使结晶不充分，时间过长会将目标产物包裹进晶体，导致目标产物质量分数降低。在溶剂与原料质量比为1，结晶温度为-5 ℃的条件下，每隔0.5 h取样分析，考察结晶时间对壬醛酸甲酯质量分数的影响，结果如图3所示。

图3 结晶时间对壬醛酸甲酯质量分数的影响Fig.3 Effect of crystallization time on mass fraction of methyl azelaaldehydate

由图3可知：结晶时间为0.5～3.0 h时，得到的产品中壬醛酸甲酯质量分数随结晶时间延长而增大，由0.5 h时的(28.51±0.23)%增加至3.0 h时的(35.10±0.28)%；继续延长结晶时间，壬醛酸甲酯的质量分数基本保持恒定，故实验选取结晶时间为3.0 h。

2.2.3 溶剂与原料质量比的影响

在冷冻结晶过程中，溶剂与原料质量比过低时溶液黏度偏高，导致过饱和溶液中部分不应结晶的物质进入晶体的空穴结构内而析出，而溶剂与原料质量比过高会延长浓缩时间，浪费原料，增加回收成本。在结晶温度为-5 ℃，结晶时间为2.0 h的条件下，溶剂与原料质量比分别为1，2，3，4，5，考察溶剂与原料质量比对壬醛酸甲酯质量分数的影响。

实验结果表明：溶剂与原料质量比为1～4时，壬醛酸甲酯质量分数基本保持不变，维持在(33.06±0.26)%～(33.38±0.27)%，溶剂与原料质量比对产品中壬醛酸甲酯质量分数的影响不显著。当质量比为5时，壬醛酸甲酯粗品中各组分在无水乙醇中不能形成过饱和溶液，降温时不能形成结晶，达不到结晶分离的效果，壬醛酸甲酯质量分数接近零。故从节约成本的角度考虑，实验选择溶剂与原料质量比为1。

2.3 响应面实验

2.3.1 实验设计及结果

在单因素实验基础上，按照Box-Behnken实验设计原理，选取结晶温度A、结晶时间B、溶剂与原料质量比C作为考察因素，以壬醛酸甲酯质量分数Y为响应值，设计了3 因素3 水平响应面分析实验，共17 个实验点。Box-Behnken实验因素与水平编码见表1，实验设计及结果见表2。

表1 壬醛酸甲酯冷冻结晶实验因素与水平编码表

表2 Box-Behnken响应面实验设计及结果

采用Desgin-Expert 8.0.6软件对表2中的实验数据进行多元二次回归拟合，得到壬醛酸甲酯质量分数Y的二次回归模拟方程，并对回归方程进行方差分析，结果如表3所示。二次回归模拟方程为

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 壬醛酸甲酯质量分数回归方程的方差分析Table 3 Variance analysis results of regression equation of methyl azelaaldehydate mass fraction

2.3.2 响应面和等高线分析结果

采用Desgin-Expert 8.0.6软件获得了结晶温度A、结晶时间B、溶剂与原料质量比C交互作用的三维响应曲面图及其对应的等高线图。通过考察拟合后的响应曲面形状，分析所选定因素对壬醛酸甲酯质量分数的影响，直观评价各因素之间的交互作用，并由响应面的等高线分析推测最佳的工艺参数[21]。在3D响应面图形中，曲面的倾斜程度反映了该因素对响应值的影响程度，倾斜度越大，即坡度越大，表明该实验因素对响应值的影响越显著。响应面的等高线可直观反映两个实验因素之间交互作用的强弱，越接近椭圆形的等高线表明两因素间的交互作用越强，而越接近圆形的等高线表明两因素间的交互作用越弱[22]。

图4为溶剂与原料质量比为2时，结晶温度和结晶时间对壬醛酸甲酯质量分数的影响。由图4可知：在结晶时间一定时，壬醛酸甲酯质量分数随结晶温度先增大后趋于平缓；在结晶温度一定时，壬醛酸甲酯质量分数亦呈现先增加后平缓的趋势。等高线接近圆形，且响应面坡度较小，表明结晶温度和结晶时间的交互作用不显著，这与回归方程分析的结果相符。

图4 结晶温度和结晶时间交互作用对壬醛酸甲酯质量分数的影响(溶剂与原料质量比为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)

图5为结晶温度为-5 ℃时，结晶时间和溶剂与原料质量比对壬醛酸甲酯质量分数的影响。由图5可知：在溶剂与原料质量比一定时，壬醛酸甲酯质量分数随结晶时间先增加后降低；在结晶时间一定时，壬醛酸甲酯质量分数亦呈现先增后降的趋势，表明结晶时间、溶剂与原料质量比对壬醛酸甲酯质量分数的影响存在极大值。等高线接近圆形，响应面坡度较小，表明结晶时间和溶剂与原料质量比的交互作用不显著。

图5 结晶时间和溶剂与原料质量比交互作用对壬醛酸甲酯质量分数的影响(结晶温度为-5 ℃)Fig.5 Influence of crystallization time and mass ratio of solvent to material on mass fraction of methyl azelaaldehydate (crystallization temperature -5 ℃)

图6为结晶时间为1.5 h时，结晶温度和溶剂与原料质量比对壬醛酸甲酯质量分数的影响。由图6可知：当溶剂与原料质量比较低时，壬醛酸甲酯的质量分数随结晶温度先增加后降低；而溶剂与原料质量比较高时，质量分数则随结晶温度逐渐增加。当结晶温度较低时，壬醛酸甲酯的质量分数随溶剂与原料质量比亦先增后降；结晶温度较高时质量分数则随溶剂与原料质量比逐渐增大。等高线接近椭圆形，响应面坡度较大，表明结晶温度和溶剂与原料质量比的交互作用相对显著。

图6 结晶温度和溶剂与原料质量比交互作用对壬醛酸甲酯质量分数的影响(结晶时间为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 响应面实验优化与验证

利用Desgin-Expert 8.0.6软件处理后，优化得到冷冻结晶纯化壬醛酸甲酯过程中各因素的最优值：结晶温度-9.03 ℃，结晶时间1.88 h，溶剂与原料质量比2.94，壬醛酸甲酯的预测质量分数为34.73%。为验证实验结果与真实情况的一致性，对上述优化条件进行实验验证。在最优条件下进行3 次平行实验，得到的壬醛酸甲酯平均质量分数为34.41%，实际值与理论值误差为0.92%。表明所得的实验模型合理，冷冻结晶纯化壬醛酸甲酯的工艺可行，运行参数可靠。

3 结 论

以乙醇为溶剂，采用冷冻结晶工艺可有效纯化壬醛酸甲酯粗品，提高其纯度。Box-Behnken模型实验结果显示：因素对响应值的回归模型可以用来描述冷冻结晶过程的壬醛酸甲酯质量分数，其中结晶温度和结晶时间是极显著影响因素。响应面法协调各因素的影响，优化冷冻结晶工艺的操作条件为结晶温度-9.03 ℃，结晶时间1.88 h，溶剂与原料质量比2.94，实验结果为壬醛酸甲酯生产提供了参考。