长链二元酸发酵液的脱色研究

长链二元酸发酵液的脱色研究范峰Ξ　佟明友　方向晨(抚顺石油化工研究院,辽宁抚顺113001)摘　要:考察了活性炭对长链二元酸发酵液的脱色效果及脱色过程中的主要影响因素。

通过正交实验,分析得出影响脱色效果各因素的主次顺序为:活性炭加入量>二元酸浓度>发酵液p H >操作温度。

同时还考察了活性炭脱色时间对脱色效果的影响以及吸附在活性炭上的长链二元酸的洗脱问题,从而确定了发酵液脱色的优化条件:活性炭加入量5%,室温操作,发酵液p H =8,二元酸浓度为40g/L ,脱色时间为20min 。

关键词:长链二元酸;脱色;活性炭Study on Decolorizing Fermentation Liquor Containing Long 2chain Dicarboxylic AcidFA N Feng ,TON G M i ng 2you ,FA N G Xiang 2chen(Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals ,Fushun 113001,China )Abstract :The effect and major factors influencing on the decolorizing fermentation liquor containing long chain dicar 2boxylic acid by activated carbon are investigated.Based on orthogonal experimental design the factors affecting decolorizing are in following sequences :amount of activated carbon added >concentration of dicarboxylic acid >p H value of fermenta 2tion liquor >operation temperature.Meanwhile ,effect of decolorizing time on decolorizing result and elution process of di 2carboxylic acid from activated carbon are discussed.Then the optimum conditions are obtained :decolorization is at room temperature ,amount of activated carbon is 5%,p H value of fermentation liquor is 8,concentration of dicarboxylic acid is 40g/L ,and decolorizing time is 20minutes.K ey w ords :long chain dicarboxylic acid ;decolorizing ;activated carbon 长链二元酸(Long 2chain dicarboxylic acid ,DCA )是一类重要的化工原料,是合成工程塑料、热熔胶、香料、耐寒性增塑剂、润滑油添加剂、涂料、液晶等产品的主要原料〔1～3〕。

此外,DCA 的盐类在医药和食品工业中具有广泛的用途。

目前,市场需要量较大的DCA 为十二碳二元酸(DCA 12)和十三碳二元酸(DCA 13),前者主要用于工程塑料和热熔胶等产品的合成,后者主要用于合成麝香2T 和服装用高档热熔胶。

DCA 生产方法有2种,一种是化学合成法,另一种是生物发酵法。

由于传统的化学法只能合成C 13以下的二元酸,而且收率低,对环境有污染。

因此,利用微生物特异性反应进行烃类生物转化DCA 一直是人们非常关注的开发课题,化学法生产DCA 技术已完全被生物法所取代。

目前对二元酸的发酵工艺研究比较成熟,但对二元酸的后提取研究较少,尤其是二元酸产品中色素脱除不彻底,影响后续产品开发。

活性炭吸附是二元酸脱色工艺中最有效、且成本较低的方法。

本文对活性炭的脱色条件做了系统研究,得到了活性炭在二元酸发酵液脱色中的优化条件。

1　实验部分1.1　原料和仪器(1)原料食品级粉状活性炭,长链二元酸发酵液。

(2)仪器・52・Ξ收稿日期:2004208201　作者简介:范峰(19782),男,助理工程师,主要从事生物工程研究。

　第12卷第23期精细与专用化学品Vol.12,No.23　2004年12月6日Fine and Specialty Chemicals7520型分光光度计,ZYZ22型旋片真空泵,665 DOSIMA T酸碱滴定仪。

1.2　实验方法1.2.1　活性炭脱色取一定量发酵液于锥形瓶中,调发酵液的p H 到预定值,再将一定量的活性炭加入发酵液中,置于水浴中搅拌。

脱色结束后抽滤,用自来水洗涤炭饼,测定滤液色度〔4〕。

1.2.2　色度的测定取3mL滤液于玻璃比色皿中,以蒸馏水为空白,在450nm波长下,测定其吸光度。

脱色率公式如下:脱色率/%=(1-A/A0)×100式中A为脱色后滤液色度,A0为脱色前发酵液色度。

2　结果与讨论发酵液脱色是二元酸分离提取工艺中的关键步骤。

活性炭加入量、操作温度、发酵液p H、二元酸浓度、脱色时间是影响脱色效果的主要因素。

活性炭的比表面积反映活性炭的工作面积,活性炭的微孔越多比表面积越大,吸附能力越强〔5〕。

本研究所用活性炭比表面积较大,对色素吸附能力较强。

2.1　活性炭脱色条件的优化本实验选取活性炭加入量、操作温度、发酵液p H、二元酸浓度4个因素做3水平正交实验。

处理时间为1h。

因素和水平的选取如表1所示,按L9 (34)正交实验表设计的方案及结果如表2所示。

由表1、表2分析可知,各因素主次顺序为:活性炭加入量>二元酸浓度>发酵液p H>操作温度。

其中活性炭加入量是最主要因素,其他因素影响比较小。

分析比较各因素k值,可得到优化脱色条件为:活性炭加入量5%,操作温度40℃,发酵液p H8,二元酸浓度40g/L。

通过对以上优化条件进行验证,脱色率高于第9号实验,达到99140%。

从而证明了优化条件的正确性。

表1　因素位级表水平AT/℃Bc/%(m/v)Cp HDDCA13/(g/L)1401840 26031060 38051280表2　实验方案及结果实验号实验方案A B C D试验结果脱色率/% 111119816321222991093133399117421239810152231981926231299126731329712783213981929332199134k1751477767k2927478106k31004611294R251013539在实验范围内对正交实验结果进行进一步分析可以看出,随着活性炭加入量增加,脱色率随之递增;随着发酵液p H的降低,脱色率随之递增;操作温度的降低,脱色率也随之递增。

故在低温操作条件下,应有利于脱色和降低操作费用。

为了验证这一想法,选取脱色条件为活性炭加入量5%,操作温度室温,发酵液p H8,二元酸浓度40g/L做脱色实验,脱色率达到99152%。

从实际情况和节约成本考虑,可确定优化的脱色条件为:活性炭加入量5%,操作温度室温,发酵液p H8,二元酸浓度40g/L。

2.2　活性炭脱色时间曲线脱色时间是另一个影响脱色效果的重要因素,脱色时间的长短决定了操作的成本和脱色是否彻底。

取200mL发酵液于锥形瓶中,在活性炭加入量5%,操作温度室温,发酵液p H8,二元酸浓度40g/ L下做脱色时间实验,每隔10分钟取样测定滤液色度。

绘制滤液色度随时间的变化曲线,如图1。

图1　活性炭脱色曲线・62・精细与专用化学品第12卷第23期由图1可知,脱色主要集中在脱色初期的10min 内,20min 即可达到脱色极限,再增加脱色时间不会增加脱色效果,只会增加操作的成本,所以脱色时间应选择20min 为宜。

2.3　吸附于活性炭上的二元酸的洗脱图2　二元酸洗脱曲线由于在活性炭脱色过程中,活性炭除了吸附色素分子外,还吸附相当量的二元酸,这样就造成了二元酸的损失,降低了产品收率,所以应对这部分二元酸进行回收。

由图2可知,用水洗涤炭饼可将活性炭吸附的部分二元酸洗脱下来,温度对二元酸的洗脱有很大影响。

实验表明,洗脱水温度越高,二元酸越容易洗脱。

水的温度由40℃增加到80℃,二元酸的收率从81181%提高到96165%,这说明高温下二元酸容易从炭饼上洗脱下来。

2.4　活性炭的脱色机理活性炭的吸附有物理吸附和化学吸附,低温时常表现为物理吸附,随温度的升高,化学吸附的作用逐渐增加〔6〕。

在低于60℃的操作条件下,活性炭脱色属于物理吸附,高温下则是化学吸附。

活性炭对色素的吸附和色素性质密切相关。

色素性质对脱色率影响较大。

在优化的条件下对发酵液进行二次脱色实验,脱色率和进行一次脱色的脱色率几乎相同。

这说明在室温下脱色,物理吸附已经达到极限。

接着又在80℃以上条件做脱色实验,脱色率依然不变。

证明色素主要通过物理吸附脱除,化学脱色作用很小。

而且证明活性炭对此发酵体系中的色素吸附有一个极限值,该值与活性炭加入量、操作温度、发酵液p H 、二元酸浓度、脱色时间等因素无关。

3　结论通过上述结果表明,活性炭加入量、操作温度、发酵液p H 、二元酸浓度及脱色时间等因素是脱色的主要影响因素。

优化的脱色条件可以确定为:活性炭加入量5%,操作温度室温,发酵液p H 8,二元酸浓度40g/L ,脱色时间20min 。

为了提高产品收率,应取3～4倍于发酵液体积、50～60℃的温水洗涤炭饼为好。

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