2_3_丁二醇的絮凝预处理研究_吴艳阳

文献标识码: A
文章编号: 1005-9954( 2009) 11-0047-04
Flocculation pretreatm ent of 2, 3-butanediol
WU Yan-yan g1, ZHU Jia-w en1, CHEN Ku i1, W U B in1, SHEN Ya- ling2
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化学工程 2009年第 37卷第 11期
to ius BS 210S 电 子 天 平, UV 762 型 分 光 光 度 计, GC112A 气相色谱仪。 1. 2 实验方法 1. 2. 1 絮凝操作
取调好 pH 值的发酵液 50 mL, 倒入加有絮凝剂 的烧杯中, 快速搅拌 1 m in 以促使其溶解、絮凝, 慢 速搅拌养絮, 静置一定时间后抽滤, 滤液用来考察絮 凝效果。
由絮凝剂初选和质量浓度考察可知, 对于本研 究中的 2, 3-丁二醇发酵液, 以 F eC l3 和 PAM + A lC l3 作为絮凝剂效果较优。
2 结果与讨论 2. 1 絮凝剂的选择 2. 1. 1 絮凝剂的初选
对 10种絮凝剂进行考察。由表 1可见, 高分子 絮凝剂与发酵液形成相对稳定的体系, 絮凝液沉淀 量少, 液体黏度大, 过滤困难; 而 N aC ,l A l2 ( SO 4 ) 3 和 F eSO4 的絮凝液沉淀颗粒细小, 形成悬浮物, 沉淀在 抽滤过程中进入滤液; A lC l3 和 FeC l3 絮凝实验结果 沉淀量大, 清液澄清度高, 过滤效果良好。
率, 蛋白质测定采用考马斯亮蓝法。
1. 2. 3 2, 3-丁二醇浓度的气相色谱测定
色谱柱: SE-30 毛细管柱; 检测器: F ID; 测定方
法: 内标法; 内标物: 乙醇。
由絮凝剂 初选结果, 较优 的絮凝剂 有: PAM + A lC l3, ZnSO4, A lC l3 和 FeC l3。 2. 1. 2 絮凝剂质量浓度对絮凝效果的影响
表 1 无机絮凝剂对发酵液的絮凝效果*
T able 1 Effect of inorgan ic flo cculants on flo cculation
of ferm enta tion broth
试剂
Ch itosan
PAM K4 F e( CN ) 4
N aC l A l2 ( SO4 ) 3
* 高分子、无机物质量浓度分别为 0. 4 g /L和 20 g /L。
2. 2 pH 值对絮凝效果的影响
聚丙烯酰 胺有 阴离子 型、阳 离子 型和 非离 子 型 [ 14] 。本实验采用的是非离子型, 它主要通过氢键 和范德华力产生 絮凝作用 [ 15 ] , 溶液 pH 值的改 变,
会影响胶粒及絮凝剂的电离度, 从而影响分子链的 伸展程度、溶解度以及基团的结合能力 , [ 16] 因此体 系的 pH 值对絮凝效果有明显的影响。
2. 3 温度对絮凝效果的影响 考察了温度 对絮凝效果 的影响。由图 3可
见, 当温度低于 20 时絮凝效果较差, 而随着温度上 升, 絮凝效果有所提高。可能原因是温度升高使得体 系中胶体性质发生变化, 促进了絮团的生成速度, 而蛋 白质的变性和体系黏度变化也加速了絮团的沉淀。
图 3 不同温度下的絮凝效果 F ig. 3 E ffect of f loccu lat ion at d ifferent tem peratures
2. 4 絮凝过程 2, 3-丁二醇的损失率 发酵液絮凝前后 2, 3-丁二醇的 浓度变化率及
损失率见表 3。
高; 且絮凝过程都造 成 2, 3-丁二 醇的损失, 其中以 FeC l3 絮凝时损失率较低。 2. 5 絮凝剂的种类对后续萃取过程的影响
以正丁醇、乙酸丁酯或乙酸乙酯为萃取溶剂时, 分别考察了 2种絮凝剂对后续萃取过程的影响。由 表 4 可 知: 以 正 丁醇 或者 乙 酸丁 酯 为溶 剂, 采 用 FeC l3 絮凝时对后续萃取过程较优; 以乙酸乙酯为溶 剂, 采用 PAM + A lC l3 絮凝效果较优。但总的来说, 以 FeC l3 为絮凝剂其效果普遍较优。
2, 3-丁二醇, 也称 2, 3-双羟基丁烷。该产品可用 于制备甲乙酮、1, 3-丁二烯、苯乙烯、香水及药物的手 性载体等, 同时也是一种很好的液体燃料, 燃烧值可 与乙醇媲美 [ 1-2] 。 2, 3-丁二醇的生产方法有化学法和 微生物发酵法。生物法制备的 2, 3-丁二醇作为生物 基产品, 是一种非常有潜力的化工原料和潜在的替代 能源。但是由于 2, 3-丁二醇的性质特殊性, 即高沸 点、高黏度、高亲水性及发酵液固有的特性, 从发酵液 中对其进行分离纯化较为困难, 成为了制约生物法制 备 2, 3-丁二醇工业化生产的瓶颈之一。目前, 国内外 有关生物法制备 2, 3-丁二醇的分离纯化研究报道较 少, 至今未见完整的工业化流程的报道 [ 3-9] 。
1. 2. 2 絮凝效果的比较 本研究采用絮凝率 FR 和蛋白去除率 RP 为指
标来考察絮凝效果。
FR
=
A
0-A A0
i
( 1)
式中: A 为 610 nm 波长下吸光度值。
RP
=
m
0-m m0
i
( 2)
式中, m 0 为发酵原 液过滤后 的蛋白 质量, m i 为絮
凝、过滤后 发酵液的蛋白 质量。 RP 为 蛋白质去除
( 1. Chem ical Eng ineering Research Center; 2. State Key L aboratory of B io-Reactor Eng ineering, E ast Ch ina U niversity o f Science & T echnology, Shanghai 200237, Ch ina)
摘要: 为使生物法制备 2, 3-丁二醇的后 续分离纯化过程顺利 进行, 研究了 絮凝法 预处理 2, 3-丁 二醇发 酵液。选用
10种絮凝剂, 以絮凝率和蛋白去除率为指标, 分别考察了絮凝剂、质量浓度、 pH 值、温 度和搅拌时 间等条件 对 2, 3-
丁二 醇发 酵 液的 絮凝 效 果、浓度 及 后续 萃取 过 程的 影响 , 得出 较 优絮 凝条 件: 以 氯化 铁 为絮 凝 剂, 质量 浓 度为
由表 2可见, pH 值对 PAM + A lC l3 的絮凝效果
吴艳阳等 2, 3-丁二醇的絮凝预处 理研究
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影响明显, 对 F eC l3 的絮凝效 果影响较小。且 2种 絮凝剂都在 pH = 5. 1时效果最佳。
表 2 pH 值对絮凝效果的影响 T able 2 E ffect of pH on flo cculation
1 实验材料与方法 1. 1 实验药品与器材
2, 3-丁二醇发酵液, 华东理工大学生物反应器 工程国家重点实验室提供。
实验试 剂: 聚丙 烯 酰胺 ( PAM ), 壳 聚糖 ( Ch-i tosan), 氯化 铁 ( FeC l3 ), 氯 化铝 ( A lC l3 ) , 氯 化 钠 ( N aC l ), 硫 酸 锌 ( ZnSO4 ) , 亚 铁 氰 化 钾 [ K4 Fe ( CN ) 4 ] , 硫酸铝 [ A l2 ( SO4 ) 3 ], 硫酸亚铁 [ FeSO 4 ]。
第 37卷 第 11期 2009年 11月
化学工程 CHEM ICAL ENG INEER ING ( CH INA )
V o .l 37 N o. 11 N ov. 2009
2, 3-丁二醇的絮凝预处理研究
吴艳阳 1, 朱家文1, 陈 葵1, 武 斌 1, 沈亚领 2
(华东理工大学 1. 化工分离研究所; 2. 生物反应器工程国家重 点实验室, 上海 200237)
在絮凝剂初选的基础上, 分别考察 ZnSO 4, A lC l3 和 FeC l3 3种较优无机絮凝剂的质量浓度对絮凝效 果的影响。由图 1和图 2可见, 絮凝剂质量浓度对 絮凝效果影响较大, 存在较优的絮凝剂质量浓度范 围。其 中 以 FeC l3 为 絮 凝 剂, 质 量 浓 度 在 21 30 g /L时效果最佳。综合考虑成本和絮凝效果, 选 用质量浓度为 23 g /L 的 FeC l3 为絮凝剂。
实验器材: 自 行设计的恒温 磁力搅拌器, Sar-
基金项目: 国家 863 计划资助项目 ( 2006AA 02Z243) 作者简介: 吴艳阳 ( 1979 ) , 女, 博士, 讲师, 研究方向为分离工程, 电话: ( 021) 64253914, E-m ai:l w yyw itty@ ecust. edu. cn。
pH 值 4
絮凝剂
FR /% -
RP /% -
5. 1
99. 57
6. 5
PAM + A lC l3
32. 89
Βιβλιοθήκη Baidu
8
- 4. 44
4
92. 75
5. 1
96. 54
6. 5
F eC l3
90. 62
96. 95 65. 71 56. 56 95. 10 97. 81 93. 17
8
84. 31
90. 13
23 g /L, pH 值 5. 1, 温度为 20 50 , 搅拌时间 15 m in, 静置 20 m in。在此工 艺条件下, 2, 3-丁二醇的絮凝率和蛋白
去除率均可高达 98% 以上, 为后续的分离纯化过程奠定基础。
关键词: 2, 3-丁二醇; 絮凝; 絮凝剂
中图分类号: TQ 028. 4
Abstract: In order to realize the separation and purificat ion of 2, 3-butaneido l from bioconversion, the floccu lation of 2, 3-butaned io l ferm ented bro th w ith 10 flocculantsw as stud ied. W ith the analysis o f flocculat ion rate and prote in rem oving rate, the influence o f different condit ions on the floccu lation effects, concentration o f 2, 3-butanediol and subsequent extraction process w as stud ied system atica lly. T he suitable floccu lation condit ions w ere ob tained as follow s: FeC l3 as flocculan,t the dosage 23 g /L, pH = 5. 1, tem perature 20 50 , stirring for 15 m in and settling for 20 m in. Under those cond itions, both floccu lat ion rate and protein rem ov ing rate can be above 98% , wh ich is he lpfu l for the succeeding separat ion and purificat ion process. K ey w ord s: 2, 3-butanedio;l floccu lation; floccu lant
本文在对 2, 3-丁 二醇相关的必 要的基础数据 ( 液液相平衡和汽液相平衡 ) [ 10-13] 研究的基础上, 提 出了萃取与精馏耦合工艺。而鉴于发酵液中含有影
响传质分离过程的蛋白质、核酸、糖分等杂质, 在萃
取和精馏过程中容易形成乳化而影响传质分离, 必 须对发酵液进行预处理。
本文根据 2, 3-丁二醇发酵液的特点, 选用絮凝 法对发酵液进行预处理, 对絮凝剂和絮凝条件进行 筛选和优化, 为中试及今后的工业化放大提供了可 靠的参考依据。
F eSO4 ZnSO4 A lC l3 F eC l3 PAM + A lC l3
FR /% 0. 56 2. 25 1. 25 21. 65 33. 55 44. 05 51. 84 80. 34 93. 48 95. 93
RP /% 4. 32 9. 35 5. 69 12. 88 52. 32 50. 53 66. 33 85. 68 92. 82 92. 69