DK-13和DK-3两种大孔弱酸阳离子树脂提取西索米星的吸附热力学和动力学研究
2023-05-30杨丽敏刘洋陈旭升张建华
杨丽敏 刘洋 陈旭升张建华
摘要：目的 采用靜态吸附实验考察了DK-13、DK-3两种大孔弱酸阳离子树脂对西索米星的吸附热力学和动力学行为。方法 用刚果红分光光度法测定不同温度和不同初始浓度下的吸附等温线和吸附动力学、热力学曲线等。结果 两种树脂对西索米星的吸附过程符合Langmuir吸附等温方程（R2>0.998）和拟二级动力学模型（R2>0.995）；热力学参数计算结果显示，吉布斯自由能变ΔG、焓变ΔH、熵变ΔS均大于零，说明其吸附过程为非自发吸热的熵增过程。同时，研究还发现DK-13树脂交换带长度为DK-3的5.2倍，表明DK-13树脂适用于固定床而DK-3树脂用于连续离子交换床更有利。结论 本研究结果为大孔弱酸阳离子树脂吸附提取西索米星工艺的工业化应用提供了理论指导。
关键词：大孔弱酸阳离子树脂；西索米星；吸附动力学；吸附热力学；交换带
中图分类号：R978.1+2 文献标志码：A
Adsorption of sisomicin from an aqueous solution using DK-13 and DK-3 macroporous weak acid resins： Equilibrium， kinetics， and thermodynamics study
Yang Li-min， Liu Yang， Chen Xu-sheng， and Zhang Jian-hua
（School of Biotechnology， Jiangnan University， Wuxi 214122）
Abstract In order to study the adsorption kinetics and thermodynamics behaviors of sisomicin on macroporous weak acid cationic resin， the adsorption thermodynamics and kinetics behaviors of sisomicin on DK-13 and DK-3 were investigated through static adsorption experiments within the temperature range 20～35℃. Methods Congo red spectrophotometry was used to determine the adsorption isotherms， adsorption kinetics and thermodynamic curves at different temperatures and different initial concentrations. Results The results showed that the adsorption of sisomicin by the two macroporous weak acid cationic resins conformed to the Langmuir adsorption isothermal equation （R2＞0.998） and the adsorption of sisomicin on macroporous weak acid cationic resin was favorable. In addition， the pseudo second-order model was found to explain the kinetic of adsorption of sisomicin more effectively， as reflected by correlation coefficients （R2） over 0.995. Increase of temperature enhanced the adsorptions rate and the adsorptions were characteristic chemical adsorption mechanisms. The thermodynamic parameters were computed from KL of the adsorption isotherm constant. The Gibbs free energy ΔG were over 15 kJ/mol， Enthalpy change ΔH and Entropy change ΔS were 21.813 kJ/mol and 21.106 J/（mol·K） respectively for the adsorption of sisomicin on DK-13 resin， and for adsorption of sisomicin on DK-3 resin ΔG were over 7 kJ/mol， ΔH and ΔS were 66.243 kJ/mol and 189.584 J/（mol·K）， respectively. The adsorption process was a nonspontaneous endothermic process with entropy increasing. The DK-13 resin exchange belt was 5.2 times longer than DK-3 resin， indicating DK-13 resin was suitable for fixed beds， while DK-3 resin was more favorable for continuous ion exchange beds. Conclusion The presented results provided theoretical guidance for the industrial application of adsorption and extraction of sisomicin by macroporous weak acid cationic resin.
Key words Macroporous weak acid cationic resin; Sisomicin; Adsorption kinetics; Adsorption thermodynamics; Exchange band
西索米星（sisomicin，简称SISO）是由伊尼奥小单胞菌发酵生产的一种氨基糖苷类抗生素，临床上对多种重要革兰阴性菌表现出体外活性[1]，可用来治疗严重的尿路、胆系、肠道感染等，被中国和韩国药典收录在册[2]。
氨基糖苷类抗生素的传统提取分离方法有沉淀法、溶媒萃取法、吸附法和离子交换法[3]。国内早期工业生产上都采用凝胶型强酸732树脂，但存在交换容量低、洗脱峰不集中和解吸率低等问题[4]。刘叶青等[5]和蒋德旗等[6]采用大孔弱酸树脂分离提纯庆大霉素，结果表明大孔弱酸树脂的吸附性能比凝胶型强酸树脂表现好；牛猛等[7]利用离子交换树脂混用技术，将弱酸阳离子树脂JK110和HZ-3C混合提取妥布霉素，纯度为94.82%，回收率为88.26%。由于凝胶型树脂骨架为苯乙烯型，树脂孔隙较小，且强酸树脂与弱碱离子结合牢固，吸附后也不易洗脱；而大孔弱酸阳离子树脂主要的功能基团为-COO-，具有聚丙烯酸型的骨架，树脂孔径较大，单位质量的大孔树脂所含有的活性官能团数目多于凝胶型树脂，因此，大孔弱酸阳离子树脂更适用于提取氨基糖苷类抗生素。
福州大学张星等[8]考察了不同的大孔弱酸树脂和凝胶型732树脂对西索米星的吸附容量和解吸率，发现大孔弱酸树脂D113比732树脂表现更好。同时，他们研究了大孔弱酸树脂对西索米星的吸附行为符合Langmuir吸附等温方程，相关系数达到0.9805[9]。然而，Langmuir公式仅能够考察吸附过程的模式，不能够全面考察吸附热力学行为，同时，大孔弱酸阳离子树脂对西索米星的吸附动力学研究亦尚未见报道。在实际生产中，探究清楚树脂的吸附机理和特性对离子交换过程具有理论指导意义。离子交换带的概念由李春华[10]在1983年首先提出，定义为当原液流入交换柱后，离子浓度由初始浓度C0变成0.05C0时所需的树脂层高度。通过交换带的计算能够判断树脂适合的工业应用。
为了指导大孔弱酸阳离子树脂吸附提取西索米星工艺的工业应用，本研究通过吸附热力学实验研究了西索米星在两种大孔弱酸阳离子树脂表面的吸附方式，得到了不同温度下大孔弱酸阳离子树脂对西索米星的等温吸附平衡模型和一系列热力学参数；通过吸附动力学实验研究了西索米星在两种大孔弱酸阳离子树脂表面吸附的扩散行为。
1 材料与方法
1.1 实验材料、试剂与仪器
材料：西索米星标准品购自生工生物工程（上海）股份有限公司；西索米星成品購自福建和泉生物科技有限公司；实验用树脂由上海华震科技有限公司、上海逊尔化工科技有限公司等提供。
试剂：盐酸、磷酸、硼酸等均购自国药集团化学试剂有限公司，所用试剂若无特殊说明均为分析纯。
仪器：10 mm×100 mm离子交换柱，北京中冉旭升科技发展有限公司；UV-2100可见光分光光度计，尤尼可（上海）仪器有限公司；分析天平、pH电极，瑞士梅特勒公司。
1.2 实验方法
1.2.1 标准曲线的绘制
参考江虹等[11]的方法。得到标准曲线方程A= -0.0137T+0.37，R?=0.9907。
1.2.2 树脂的预处理与转型
称适量树脂用75%乙醇浸泡过夜，去离子水反复冲洗至无醇味，依次用酸、碱、酸处理并转型，去离子水洗至中性备用。
1.2.3 树脂的筛选
称取适量湿树脂放入250 mL锥形瓶并加入100 mL西索米星水溶液，30℃、200 r/min摇床震荡过夜，取上清液测定效价Ce，按公式（1）计算各型号树脂的吸附容量qe；吸附饱和的树脂抽滤、洗涤后加入1 mol/L氨水100 mL，于30℃、200 r/min摇床震荡过夜，取上清液测定解吸液中的西索米星效价，按公式（2）计算各型号树脂的解吸率。
式中，qe为吸附平衡时的交换容量（U/g）；V为溶液体积（mL）；m为湿树脂质量（g）；C0为西索米星水溶液初始效价（U/mL）；Ce为吸附平衡时西索米星效价（U/mL）；C为解吸液中西索米星效价（U/mL）。
1.2.4 静态吸附热力学实验
分别称取1 g经抽滤除去表面水分的两种氨型树脂放入250 mL锥形瓶并加入100 mL不同初始效价的西索米星水溶液，分别于20℃、25℃、30℃、35℃下200 r/min摇床震荡至吸附平衡，测量残液中的效价Ce，按公式（1）计算吸附量qe，绘制Langmuir和Freundlich吸附等温线并计算相关热力学参数。
吸附等温线方程表达式分别如下所示：
式中，qm为单位吸附剂盖满一层单分子层时的最大吸附量（U/g）；KL为Langmuir常数，反映吸附质吸附力；KF为Freundlich常数，反映树脂的吸附量（U/g）； 1/n为衡量吸附能力的常数；RL为分离系数。
相关热力学计算公式如下：
式中，ΔG为吉布斯自由能变（kJ/mol）；ΔH为焓变（kJ/mol）；ΔS为熵变（J/（mol·K））；R为气体摩尔常数，8.314 J/（mol·K）；T为温度（K）。
1.2.5 静态吸附动力学实验
分别称取1 g处理好的两种氨型树脂放入250 mL锥形瓶并加入100 mL西索米星水溶液，于30℃、200 r/min摇床震荡，每20 min取样0.1 mL，适当稀释后测定样液中的效价Ct，按公式（8）计算吸附容量qt。以qt对时间作图，绘制吸附动力学曲线。
式中，qt为t时刻的交换容量（U/g）； Ct为t时刻的西索米星水溶液效价（U/mL）。
将动力学数据用以下4种模型分别进行拟合：拟一阶、拟二阶、Elovich和W-M（Weber与Morris粒内扩散）动力学模型，它们的方程表达式如下：
式中， k1、k2、ki分别为速率常数[g/（U·min）]；a为初始吸附速率[U/（g·min）]；b为Elovich常数；qref为tref时刻的吸附量（U/g）；tref为最长吸附时间（min）；c表示吸附剂的吸附边界层厚度的常数；Ri为初始吸附因子，用来表征初始吸附速率的常数。
1.2.6 固定床完全饱和吸附实验
将预处理好的两种树脂分别在10 mm×100 mm的固定床上湿法填柱（高径比为3：1），配制一定浓度的西索米星水溶液，均以3 BV/h的速度进样，间隔一定时间取样1 BV，直至达到吸附饱和停止进样。根据公式（15）计算两种树脂的交换带：
式中，hZ为交换带长度（mm）；yZ为在交换带形成并推移至柱外的时间内流出的体积（mL）；qT为树脂的饱和容量（U/g）；AC为交换柱的横截面积（mm2）。
2 结果与讨论
2.1 树脂的筛选
西索米星为多元弱碱性生物有机碱，在酸化后的发酵液中以阳离子状态存在，因此本研究选取9种大孔弱酸阳离子树脂进行初筛。
从表1可以看出，不同预处理方式对树脂的工作容量有一定影响。经H+预处理的树脂的吸附效果最差，这是因为在高H+浓度下，西索米星大部分以+3价和+4价形式存在，而OH-和NH4+预处理的树脂H+浓度较低，西索米星大部分以+1价和+2价形式存在，树脂在吸附相同单位的西索米星时提供的活性位点相对较少，也即同等单位的树脂下，H+预处理的树脂吸附的西索米星更少[12]。OH-和NH4+预处理的树脂工作容量相似，考虑到后续废水处理和进一步分离纯化的问题，选择NH4+预处理的树脂进行后续实验。氨型树脂中DK-13和DK-3的吸附容量均大于24.3×104 U/g，同时解吸率也较高（>92%）。因此选择这两种树脂对西索米星的吸附行为进行研究。
2.2 等温吸附模型
吸附等温线定义为描述溶质分子在两相中浓度的关系曲线。吸附质与吸附剂的作用强弱还有界面上吸附分子的状态和吸附层结构可以从吸附等温线的形状和变化规律上反映[13]。根据公式（3）（4）计算得到Langmuir模型和Freundlich模型各参数。
由表2可以看出，两种树脂吸附西索米星的过程更符合Langmuir等温吸附方程，而Freundlich等温吸附方程的相关系数偏低，但0<1/n<1表明吸附过程为优惠型[14-15]，同时qm、KL与KF值均随温度的升高而增大，证明吸附过程为吸热过程[16]。Langmuir方程中得到的qm与实际实验测得的qm相近，说明吸附过程可以用Langmuir等温吸附模型拟合，这一结果与张星等[9]的研究相一致。
树脂吸附西索米星的难易程度可用分离因子RL来表述[17-18]。当0 2.3 吸附动力学 两种树脂对西索米星的吸附动力学曲线如图1所示。由图1可以看出，随时间的延长，树脂的交换容量逐渐增加直至达到吸附平衡。 树脂对西索米星的吸附机理可以采用拟一阶和拟二阶两个吸附模型拟合实验数据揭示，而Elovich动力学模型适用于化学吸附过程且具有非均相吸附表面的体系，可以进一步了解吸附动力学的可能过程并进行校验[19]。离子交换过程总速率与传质阻力和有效组分的浓度有关，且受到交换过程中速度最慢的一步控制[20]，通常为膜扩散或粒内扩散，可以通过W-M动力学模型进行确定[21]。 由表3可知，两种树脂对西索米星的吸附数据均与拟二阶动力学模型的拟合度更好（R2>0.99），同时拟二级动力学方程计算得到的理论值qm更接近实测值qm，而且DK-3树脂的吸附速率常数k2比DK-13树脂的k2大，即在相同时间内，DK-3树脂能够吸附更多西索米星，吸附过程以化学吸附为主[22]。另外，Elovich模型中定义RE=1/（qrefb）作为Elovich方程的逼近平衡参数， DK-13树脂RE=0.238，表明吸附曲线特征为温和上升型；而DK-3树脂RE=0.072，为快速上升型。Elovich模型同样说明吸附过程主要发生的是化学吸附[21， 23]，拟二级动力学方程的结果得到了校验。 对于W-M模型的拟合如图2所示，吸附过程被分成两个阶段。DK-13树脂中c1<0表明吸附初始阶段液膜厚度阻碍了西索米星的吸附，而Ri=1表示没有快速初始吸附阶段，两者结果互相佐证；DK-3树脂中c1>0表明树脂初始对西索米星有一个快速吸附的阶段，0.1 2.4 吸附热力学 两种树脂吸附西索米星的热力学可以从反应达到平衡时的吉布斯自由能ΔG、吸附过程的焓变ΔH和吸附过程的熵变ΔS 3方面进行研究。 由表4可知，不同温度下的吉布斯自由能变均大于零，说明吸附过程非自发进行；升高温度ΔG减小，说明树脂表面的吸附随着温度的升高而增强。吸附过程的焓变ΔH为正值，证明其为吸热反应，升高温度可以使吸附向有利方向进行。吸附过程的熵变ΔS为正值，表明在吸附过程中，西索米星离子的吸附和水的脱附是同时进行的，而西索米星离子的摩尔体积大于水，即吸附1摩尔体积的西索米星离子需要脱附大于1摩尔体积的水分子，随着溶液中作自由运动的水分子逐渐增多整个系统趋于混沌，树脂在液-固界面的物质交换速度加快[22， 28]。 2.5 树脂应用工艺 如图3所示，将DK-13和DK-3树脂采用相同的工艺条件作穿透曲线。 根据流出曲线计算两种树脂的交换带，结果可得：hDK-13=2.3 mm，hDK-3=0.44 mm， DK-13树脂形成的离子交换带长度是DK-3树脂的5.23倍，即在相同条件下，DK-13树脂比DK-3树脂更快达到泄漏点，同时DK-3树脂从泄漏到饱和所经历的时间比DK-13树脂短得多，说明前者的反应速度大于后者，这一结论在拟二阶动力学模型中也得到了证实；另一方面，DK-13树脂的流出曲线上方所包络的面积比DK-3的曲线大，说明DK-13树脂的总交换容量比DK-3大（与表1数据相符）。因此，DK-3适用于连续离子交换床，而DK-13用于固定床更有利[10]。 3 结论 本文通过筛选确定了两种对西索米星吸附容量最高的大孔弱酸阳离子树脂DK-13和DK-3，考察了两种树脂对西索米星的吸附热力学和吸附动力学行为。通过不同模型的拟合，发现大孔弱酸阳离子树脂DK-13和DK-3对西索米星的吸附符合Langmuir吸附等温方程，同时也是优惠吸附；吸附动力学数据符合拟二级动力学方程，受化学反应控制；吸附过程是非自发的吸热反应，同时吸附过程系统趋向混沌。 参 考 文 献 吴佳慧， 刘鹏宇. 氨基糖苷类抗生素的发展历程[J]. 中国抗生素杂志， 2019， 44（11）： 1275-1282. 袁耀佐， 张玫， 金少鸿. 氨基糖苷类抗生素质量控制进展[J]. 中国抗生素杂志， 2019， 44（11）： 1244-1254. 潘云娣， 杨文鸽. 现代分离技术在抗生素提取中的应用[J]. 微生物学通报， 2005， 32（5）： 137-140. 张星， 阮奇， 叶长燊. 西索米星在大孔弱酸树脂上的静态交换吸附研究[J]. 福州大学学报（自然科学版）， 2006， 34（6）： 916-199. 刘叶青， 周文龙， 邬行彦. 大孔弱酸DK110树脂提取庆大霉素的研究[J]. 华东化工学院学报， 1987， 13（3）： 320-326. 蒋德旗， 蓝雪叶， 杨丹. 大孔弱酸性离子交换树脂吸附分离庆大霉素的性能研究[J]. 食品工业科技， 2013， 34（23）： 233-236. 牛猛， 徐环昕， 宁方红， 等. 离子交换树脂混用技术分离纯化妥布霉素[J]. 中国抗生素杂志， 2018， 43（4）： 457-461. 张星. 大孔弱酸树脂对西索米星的吸附行为研究[D]. 福州大学， 2004. 张星， 阮奇， 叶长燊. 大孔弱酸树脂对西索米星的吸附交换性能研究[J]. 离子交换与吸附， 2007， 23（5）： 421-426. 李春华. 离子交换带的概念及应用[J]. 电镀与环保， 1983， （2）： 7-13. 江虹， 湛海粼. 刚果红光度法测定西索米星的含量[J]. 化学研究与应用， 2007， 19（12）： 1394-1396. 张星， 阮奇， 黄诗煌， 等. 大孔弱酸树脂提取西索米星的研究[J]. 中国抗生素杂志， 2003， 28（6）： 338-340. 熊昌狮， 代振鹏， 朱清江， 等. 离子交换树脂对模拟氨氮废水的吸附研究[J]. 江西理工大学学报， 2016， 37（1）： 10-14. 罗圣熙， 杨春平， 龙智勇， 等. 离子交换树脂对高浓度氨氮废水的吸附研究[J]. 环境科学学报， 2015， 35（8）： 2457-2463. Araújo C S T， Almeida I L S， Rezende H C， et al. Elucidation of mechanism involved in adsorption of Pb（II） onto lobeira fruit （Solanum lycocarpum） using Langmuir， Freundlich and Temkin isotherms[J]. Microchem J， 2018， 137： 348-354. Kurtulbas E， Y?ld?r?m E， Emik S， et al. A detailed study on the sorption characteristics of humic acid onto calcined dolomite[J]. J Mol Struct， 2020： 1219. https：//doi.org/10.1016/j.molstruc.2020.128606. 刘铠铭， 姜秀榕， 林昕， 等. 羧甲基壳聚糖对 Cr（Ⅵ） 吸附性能及吸附热力学、动力学研究[J]. 離子交换与吸附， 2021， 37（3）： 234-243. Kurtulba? E， Toprak?? ?， Pekel A G， et al. A model study for decolorization reasons： β-carotene removal and its kinetics and thermodynamics behaviors[J]. Biomass Convers， 2021. https：//doi.org/10.1007/s13399-021-01644-1 Ahmad M A， Ahmad N， Bello O S. Modified durian seed as adsorbent for the removal of methyl red dye from aqueous solutions[J]. Appl Water Sci， 2015， （5）： 407-423. Zhang J， Cai R， Yue T， et al. Assessment of traditional clarifiers on the adsorption of ochratoxin A in Cabernet Sauvignon red wine and their kinetics[J]. Food Chem， 2022， 373（Pt B）： 131592. 井丽丽， 吴志莲， 董艳琳， 等. 离子交换树脂对山楂汁总酸与总黄酮的静态吸附动力学和热力学的影响[J]. 食品工业科技， 2017， 38（11）： 111-121. 司承运， 胡浩， 程婧柔， 等. D-101大孔吸附树脂对中药根皮苷的吸附行为[J]. 离子交换与吸附， 2020， 36（6）： 541-553. Wu F C， Tseng R L， Juang R S. Characteristics of Elovich equation used for the analysis of adsorption kinetics in dye-chitosan systems[J]. Chem Eng J， 2009， 150（2-3）： 366-373. Li R， Liang N， Ma X， et al. Study on the adsorption behavior of glycerin from fatty acid methyl esters by a tertiary amine-type anion exchange resin[J]. J Chromatogr A， 2019， 1586： 62-71. Humelnicu D， Zinicovscaia I， Humelnicu I， et al. Experimental studies on the removal of aluminium ions from synthetic aqueous solution by hydroxyapatites[J]. Acta Chim Slov， 2021， 68（4）： 821-832. Wu Z， Li C. Kinetics and thermodynamics of beta-carotene and chlorophyll adsorption onto acid-activated bentonite from Xinjiang in xylene solution[J]. J Hazard Mater， 2009， 171（1-3）： 582-587. Fu J W， Chen Z H， Wang M H， et al. Adsorption of methylene blue by a high-efficiency adsorbent （polydopamine microspheres）： Kinetics， isotherm， thermodynamics and mechanism analysis[J]. Chem Eng J， 2015， 259： 53-61. 田思思， 王浩綺， 王霞， 等. 阴离子交换树脂对茶氨酸的吸附动力学和热力学[J]. 过程工程学报， 2012， 12（4）： 648-653. 收稿日期：2022-01-28 作者简介：杨丽敏，女，生于1998年，在读硕士研究生，主要研究方向为西索米星的发酵与提取，E-mail： YLM1624378830@163.com 通讯作者，E-mail： jhzh882@163.com
