呂惠生,莫緒飛,張敏華,楊 淼
(天津大學(xué)石油化工技術(shù)中心,綠色合成與轉(zhuǎn)化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300072)
超臨界流體色譜純化檸檬酸
呂惠生,莫緒飛,張敏華*,楊 淼
(天津大學(xué)石油化工技術(shù)中心,綠色合成與轉(zhuǎn)化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300072)
采用超臨界流體色譜法(SFC)直接從檸檬酸發(fā)酵液中提純制備檸檬酸。以二氧化碳為流動(dòng)相,采用ZorBaxSBCN色譜柱(250mm×9.4mm I.D.,5μm)為固定相,在改性劑含量約0~16%,CO2流速10~30g·min-1,壓力10~25MPa,溫度310~325K,上載量0.02~0.05mL范圍內(nèi)考察了各因素對(duì)檸檬酸提純效果的影響,確定了較適宜的色譜提純條件為:CO2流速15g·min-1,柱溫313.15K,柱壓13MPa,上載量0.05mL;此條件下對(duì)檸檬酸發(fā)酵液進(jìn)行色譜提純,得到的產(chǎn)品純度為99.6%(wt)。
超臨界流體色譜,檸檬酸,分離度
檸檬酸(CA)是一種重要的有機(jī)酸產(chǎn)品,廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥及化妝品等行業(yè)[1-2]。目前,檸檬酸生產(chǎn)主要采用微生物發(fā)酵法,發(fā)酵液中除含有檸檬酸和水以外,還含有菌體、殘?zhí)?、蛋白質(zhì)、色素、膠體、有機(jī)雜酸及無(wú)機(jī)鹽等多種雜質(zhì),因此需要采用各種物理與化學(xué)方法來(lái)純化檸檬酸。傳統(tǒng)的檸檬酸提純工藝通常采用鈣鹽法,但該工藝存在著工序繁雜、輔料消耗高、環(huán)境污染嚴(yán)重等問(wèn)題(如生產(chǎn)1t CA要消耗1t硫酸和1t碳酸鈣,同時(shí)產(chǎn)生10m3二氧化碳、40t廢水和2.5t硫酸鈣廢渣),嚴(yán)重阻礙了我國(guó)檸檬酸行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展[3]。近些年來(lái),隨著色譜技術(shù)的發(fā)展,特別是模擬移動(dòng)床色譜(SMB)、環(huán)形色譜等大型連續(xù)制備色譜技術(shù)的不斷進(jìn)步及工業(yè)應(yīng)用,工業(yè)級(jí)色譜分離技術(shù)由于其具有較高的分離選擇性和良好的分離效率,引起了人們的濃厚興趣,越來(lái)越多的學(xué)者嘗試?yán)蒙V技術(shù)從發(fā)酵液中直接提取產(chǎn)品。對(duì)于檸檬酸生產(chǎn)過(guò)程,人們做了許多利用離子交換色譜技術(shù)從發(fā)酵液中提純檸檬酸的研究。彭奇均[4]等采用模擬移動(dòng)床離子交換色譜技術(shù)從檸檬酸發(fā)酵液中直接分離提純檸檬酸,該工藝具有流程簡(jiǎn)單、收率較高等特點(diǎn)。張洪勛[5]等提出了先使用陰離子交換樹(shù)脂從發(fā)酵液中直接吸附檸檬酸,用氨水洗脫為檸檬酸銨,再通過(guò)陽(yáng)離子交換樹(shù)脂吸附轉(zhuǎn)型成檸檬酸的生產(chǎn)工藝,檸檬酸回收率可達(dá)93%以上。但是離子交換樹(shù)脂具有一定的壽命,需要經(jīng)常的更換,會(huì)產(chǎn)生大量的固體廢棄物與廢液,并且整個(gè)分離過(guò)程穩(wěn)定性較差,由此限制了離子交換色譜的進(jìn)一步應(yīng)用。超臨界流體色譜技術(shù)(Supercritical fluid chromatography,SFC)[6]作為一種新型環(huán)保色譜分離技術(shù),具有分離高效、工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn),在生物化工、醫(yī)藥領(lǐng)域得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。在SFC提純過(guò)程中,溶質(zhì)隨流動(dòng)相進(jìn)入色譜柱內(nèi),根據(jù)溶質(zhì)中各組分在固定相中的保留行為不同,實(shí)現(xiàn)混合物的分離。本文擬采用超臨界色譜技術(shù)(SFC)從檸檬酸發(fā)酵液中提純檸檬酸,考察流動(dòng)相、壓力和溫度對(duì)色譜分離效果的影響,對(duì)SFC提純過(guò)程中的容量因子規(guī)律進(jìn)行研究,為超臨界流體模擬移動(dòng)床色譜的放大研究與應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與理論指導(dǎo)。
實(shí)驗(yàn)樣品 參照相關(guān)廠家的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),配制的檸檬酸模擬發(fā)酵液,其中檸檬酸的濃度為120.7g·L-1,烏頭酸的濃度為3g·L-1,為避免發(fā)酵液中的固體物質(zhì)阻塞管路和污染色譜柱,進(jìn)樣前用0.45μm的微孔濾膜過(guò)濾[7];檸檬酸 天津市江天化工技術(shù)有限公司,分析純;CO2天津市六方氣體廠,SFC級(jí);乙醇、甲醇、甲酸 天津市江天化工技術(shù)有限公司,分析純;烏頭酸 上?;瘜W(xué)試劑廠,≥98.5%(wt.%);乙腈 美國(guó)Fisher公司,色譜純。
Thar SFC 200型超臨界制備色譜裝置 美國(guó)Thar公司,實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。鋼瓶中的二氧化碳經(jīng)過(guò)降溫、液化,再通過(guò)高壓計(jì)量泵加壓,之后經(jīng)過(guò)恒溫水浴加熱升溫成為超臨界流體(Supercritical fluid)。改性劑通過(guò)改性劑泵進(jìn)入系統(tǒng)中與二氧化碳混合,而后進(jìn)入色譜柱。超臨界流體通過(guò)進(jìn)樣器溶解樣品,通過(guò)色譜柱進(jìn)行分離。出柱之后,流體直接通過(guò)高壓紫外檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè),并將紫外信號(hào)傳輸給色譜工作站,然后流體經(jīng)過(guò)背壓閥降壓,分離的物質(zhì)可以通過(guò)收集釜(500mL)收集起來(lái),二氧化碳尾氣可以排空。
圖1 檸檬酸SFC純化實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.1 Experimental schematic gram of citric acid purification by SFC
實(shí)驗(yàn)采用Agilent 1100高效液相色譜儀(HPLC)分析檸檬酸含量,色譜柱為ZorBaxSB-C18(250mm×4.6 mm I.D.,5μm),流動(dòng)相為0.1%(wt.%)甲酸水溶液∶甲醇=80∶20(V/V),外標(biāo)法定量分析,該方法線(xiàn)性范圍較寬,重現(xiàn)性、穩(wěn)定性、精密度和加樣回收率均較好。
為了判斷相鄰組分在色譜柱中的分離情況,可用分離度R作為色譜柱整個(gè)系統(tǒng)的分離效能指標(biāo)。分離度R的定義為相鄰兩組分色譜峰保留值之差與兩組分色譜峰峰底寬度之和的一半的比值。
式中:△t是兩組分保留時(shí)間的差值;W1、W2是色譜峰峰底寬度;Wh1/2(1)、Wh2/2(2)是兩組分的半高峰寬。
容量因子k′是描述溶質(zhì)在固定相和流動(dòng)相中分布特性的重要參數(shù),是反映色譜柱對(duì)組分保留能力的重要參數(shù),k′值越大,說(shuō)明色譜系統(tǒng)對(duì)該組分的保留時(shí)間就越長(zhǎng)。用公式表示為:
式中:tR是從進(jìn)樣開(kāi)始到柱后被測(cè)組分出現(xiàn)濃度最大值所需的時(shí)間(min);t0表示不被固定相滯留的組分從進(jìn)樣開(kāi)始到柱后出現(xiàn)濃度最大值所需的時(shí)間(min)。
色譜條件:采用ZorBaxSB-CN色譜柱(250mm× 9.4mm I.D.,5μm),在改性劑(甲醇、乙醇)含量約0~16%,CO2流速10~30g·min-1,壓力10~25MPa,溫度310~325K,上載量0.02~0.05mL的范圍內(nèi)考察超臨界流體色譜分離檸檬酸的規(guī)律;紫外檢測(cè)器的檢測(cè)波長(zhǎng)為215nm。
因?yàn)闄幟仕岚l(fā)酵液中分離組分檸檬酸極性較強(qiáng),實(shí)驗(yàn)選用極性色譜柱ZorBaxSB-CN(250mm×9.4mm I.D.,5μm填料)為固定相[8-9],并考慮加入一定量的改性劑以改善流動(dòng)相的極性,以提高檸檬酸在流動(dòng)相中的溶解性[10-11],從而提高色譜分離的效率。
SFC分離過(guò)程中常用的改性劑有甲醇和乙醇等,加入量一般為0~20%[9]。實(shí)驗(yàn)以檸檬酸峰與相鄰烏頭酸色譜峰的分離度為目標(biāo)函數(shù)(見(jiàn)圖2與圖3)。在CO2流速15g·min-1,柱壓14MPa,柱溫313.15K,進(jìn)樣量0.01mL,紫外檢測(cè)器波長(zhǎng)215nm條件下,考察了不同含量(改性劑在CO2中的質(zhì)量百分含量)改性劑對(duì)分離度的影響,結(jié)果如表1所示。
圖2 未加改性劑時(shí)檸檬酸發(fā)酵液樣品SFC分離色譜圖Fig.2 Chromatography of citric acid sample by SFC separation without modifier
圖3 加入甲醇改性劑時(shí)檸檬酸發(fā)酵液樣品SFC分離色譜圖Fig.3 Chromatography of citric acid sample by SFC separation with modifier methanol
從圖2與圖3對(duì)比可知,未加改性劑時(shí),烏頭酸與檸檬酸出峰不明顯,沒(méi)有得到較好的分離;在加入改性劑后,出峰較明顯,峰形更加對(duì)稱(chēng)。由表1可知,乙醇作為改性劑時(shí),檸檬酸與相鄰的烏頭酸的分離度比甲醇作改性劑時(shí)高,并且當(dāng)乙醇加入量為8%時(shí),兩者分離度已達(dá)到2.02,乙醇的濃度進(jìn)一步增加,當(dāng)乙醇的加入量為9.7%(wt)時(shí),分離度增加較小,兩者的分離度達(dá)到最大,為2.023。分析其中原因,可能是由于在改性劑濃度較低時(shí),隨著改性劑濃度的增加,流動(dòng)相的極性增加,樣品在流動(dòng)相中的溶解能力增大,樣品中各組分在流動(dòng)相和固定相間的吸附與脫附行為更強(qiáng),以致超臨界流體色譜分離過(guò)程的效率較高。隨著改性劑濃度的增加,樣品在流動(dòng)相中的溶解能力增加得越來(lái)越慢,所以當(dāng)改性劑濃度達(dá)到一定值時(shí),分離度增加得較小。但是當(dāng)改性劑濃度過(guò)高時(shí),改性劑與二氧化碳可能不會(huì)以均相的形式通過(guò)整個(gè)色譜柱,這樣就降低了整個(gè)色譜過(guò)程的效率。
由于檸檬酸大多用于食品、醫(yī)藥行業(yè),因此對(duì)檸檬酸的安全要求比較嚴(yán)格。甲醇具有一定毒性,若殘留在檸檬酸中會(huì)危害人體健康。故選擇SC-CO2/乙醇二元體系作為SFC提純檸檬酸操作的流動(dòng)相是比較合適的,乙醇加入量為9.7%(wt)。
表1 不同改性劑不同百分含量對(duì)分離度的影響Table 1 RCA-Aco at different modifier contents
考察了CO2流速對(duì)整個(gè)色譜分離過(guò)程的影響,以SC-CO2/乙醇二元體系為流動(dòng)相,在柱壓14MPa,改性劑乙醇含量9.7%(wt),柱溫313.15K,進(jìn)樣量0.01mL,紫外檢測(cè)器波長(zhǎng)215nm條件下,CO2流速對(duì)分離度的影響如表2所示。
表2 不同CO2流速下的分離度Table 2 RCA-Aco at different velocities of CO2
流動(dòng)相流速?zèng)Q定了色譜柱內(nèi)填料與流動(dòng)相內(nèi)溶質(zhì)的接觸時(shí)間,影響樣品中各組分在填料表面的擴(kuò)散程度,從而影響各組分在固定相和流動(dòng)相之間的分配平衡。隨著CO2流速的增加,單位時(shí)間通過(guò)色譜柱內(nèi)單位截面的CO2量增多,使得CO2對(duì)樣品組分的溶解能力增強(qiáng)。由于對(duì)檸檬酸發(fā)酵液中不同組分洗脫能力增強(qiáng)程度的不同,在流速較小時(shí),對(duì)檸檬酸的洗脫能力的增強(qiáng)程度要高于烏頭酸組分,使得分離度逐漸增大。當(dāng)CO2流速為15g·min-1時(shí),分離度達(dá)到最大,為2.02。當(dāng)CO2流量過(guò)大時(shí),即溶質(zhì)分子在尚未擴(kuò)散到固定相的表面時(shí)就已經(jīng)被流動(dòng)相帶出,從而使分離度下降。在色譜過(guò)程中,根據(jù)Van Deemter方程,隨著流動(dòng)相線(xiàn)速度的增加,色譜柱的塔板高度呈先減小后增大的趨勢(shì),即只有當(dāng)流動(dòng)相在色譜柱中的線(xiàn)速度達(dá)到一定數(shù)值時(shí),色譜柱能達(dá)到最佳柱效。故此實(shí)驗(yàn)條件下,CO2的最佳流速是15g·min-1。
色譜操作壓力是影響SFC分離過(guò)程的重要因素之一。以SC-CO2/乙醇二元體系為流動(dòng)相,CO2流速為15g·min-1,進(jìn)樣量0.01mL,樣品中檸檬酸濃度為120.7g·L-1,紫外檢測(cè)器波長(zhǎng)215nm條件下,不同溫度下,檸檬酸的容量因子以及分離度隨壓力的變化趨勢(shì)分別如圖4和圖5所示。
圖4 壓力對(duì)檸檬酸容量因子的影響Fig.4 Effect of pressure on k′CA
圖5 壓力對(duì)分離度的影響Fig.5 Effect of pressure on RCA-Aco
如圖4所示,一定溫度下,隨著壓力的增加,檸檬酸的容量因子呈下降的趨勢(shì)。這可能是由于壓力的增大,SC-CO2的密度會(huì)隨之增大,樣品溶液中各組分在流動(dòng)相中溶解度亦增大,以致流動(dòng)相對(duì)檸檬酸的洗脫能力增強(qiáng),同時(shí)SC-CO2的黏度也會(huì)增大,擴(kuò)散能力減弱,使得溶質(zhì)在固定相表面和流動(dòng)相中的擴(kuò)散系數(shù)減小,傳質(zhì)阻力增大,傳質(zhì)效率降低。但是因?yàn)閴毫Φ脑黾?,流?dòng)相溶解能力的變化程度大于流動(dòng)相擴(kuò)散性能的變化程度,故總體上而言,隨著壓力增加,流動(dòng)相溶解檸檬酸的能力增加,在固定相上的保留時(shí)間減少,使得檸檬酸的容量因子減小。
從圖5中可知,不同溫度下,隨著壓力的增加,分離度呈先增大后減小的趨勢(shì)。在分離度達(dá)到最大值之前,隨著壓力的增加,流動(dòng)相對(duì)檸檬酸和烏頭酸的溶解能力逐漸增強(qiáng),但流動(dòng)相對(duì)檸檬酸溶解能力的增強(qiáng)程度比烏頭酸小,因而分離度呈上升趨勢(shì)。但當(dāng)壓力過(guò)大時(shí),流動(dòng)相對(duì)檸檬酸和烏頭酸的溶解能力又趨于接近,以致分離度降低??梢杂^察到,在溫度為313.15K、壓力為13MPa時(shí)分離度達(dá)到最大,為2.14。隨著溫度的升高,分離度達(dá)到最大值時(shí)的操作壓力增大。故選擇13MPa作為SFC提純制備檸檬酸操作最佳壓力。
色譜分離溫度是影響SFC分離過(guò)程的又一重要因素。以SF-CO2/乙醇二元體系為流動(dòng)相,改性劑乙醇含量9.7%(wt),流速為15g·min-1,進(jìn)樣量0.01mL,紫外檢測(cè)器波長(zhǎng)215nm條件下,不同壓力下,容量因子及分離度隨溫度的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖6和圖7。
圖6 溫度對(duì)檸檬酸容量因子的影響Fig.6 Effect of temperature on k′CA
圖7 溫度對(duì)檸檬酸分離度的影響Fig.7 Effect of temperature on RCA-Aco
如圖6所示,一定壓力條件下,隨著溫度的升高,檸檬酸的容量因子呈增大的趨勢(shì),這可能是因?yàn)闇囟鹊纳?,?dǎo)致SC-CO2的密度減小,流動(dòng)相對(duì)檸檬酸的溶解能力減弱;但同時(shí)SC-CO2的黏度會(huì)下降,其擴(kuò)散能力也會(huì)增強(qiáng),溶質(zhì)在固定相表面和流動(dòng)相中的擴(kuò)散系數(shù)增大,傳質(zhì)阻力減小,傳質(zhì)效率增加,溶質(zhì)在固定相與流動(dòng)相之間的吸附與脫附能力更大??傮w上而言,流動(dòng)相對(duì)檸檬酸溶解能力減小的程度較大,檸檬酸在流動(dòng)相中的擴(kuò)散系數(shù)增加的程度較小。因此隨著溫度的升高,流動(dòng)相對(duì)檸檬酸的溶解能力減小,流動(dòng)相對(duì)檸檬酸的洗脫能力減弱,導(dǎo)致檸檬酸的容量因子增大。
從圖7中可知,不同壓力下,隨著溫度的升高,兩組分之間的分離度呈下降的趨勢(shì),究其原因,可能是由于溫度的升高,流動(dòng)相的密度減小對(duì)檸檬酸的影響小于對(duì)烏頭酸的影響,總之,導(dǎo)致流動(dòng)相對(duì)檸檬酸的洗脫能力減低,因而分離度呈下降趨勢(shì)。在壓力為13MPa、溫度為313.15K時(shí)分離度最大,為2.14。故選擇313.15K作為SFC提純制備檸檬酸操作最佳溫度。
對(duì)于制備色譜,在保證一定純度要求基礎(chǔ)上,應(yīng)盡可能提高產(chǎn)品產(chǎn)量,減少CO2的消耗,因此在以上實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,又對(duì)上載量進(jìn)行了考察。具體實(shí)驗(yàn)條件如下:色譜柱ZorBaxSB-CN(250mm×9.4mm I.D.,5μm)為固定相,以SC-CO2/乙醇二元體系為流動(dòng)相,改性劑乙醇含量9.7%(wt),CO2流速:15g·min-1,柱溫:313.15K,柱壓:13MPa,進(jìn)樣樣品中檸檬酸濃度120.7g·L-1,紫外檢測(cè)器波長(zhǎng)215nm。
圖8 進(jìn)樣量為0.05mL時(shí)檸檬酸樣品SFC分離的色譜圖Fig.8 Chromatogram of sample by SFC separation at injection volume=0.05mL
表3 不同上載量時(shí)SFC制備得到檸檬酸分析結(jié)果Table 3 Analytic results of citric for different injected volume by SFC
通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察,檸檬酸上載量增加時(shí),檸檬酸峰色譜譜帶變寬,樣品的岀峰時(shí)間相應(yīng)延長(zhǎng),在上載量為0.05mL時(shí),檸檬酸峰與相鄰的烏頭酸峰未達(dá)到基線(xiàn)分離(見(jiàn)圖8)。但是由表3可知,增大進(jìn)樣量后檸檬酸的純度仍然在99.5%以上,產(chǎn)品提取率在70%以上。為提高產(chǎn)品產(chǎn)量,減少CO2的消耗,選擇0.05mL為適宜的進(jìn)樣量。
3.1 通過(guò)考察改性劑、流動(dòng)相流速、壓力和溫度對(duì)分離的影響,確定了SFC提純制備檸檬酸操作較適宜的工藝條件為:CO2流速15g·min-1,壓力13MPa,溫度313.15K,上載量0.05mL。并且在此工藝條件下,從發(fā)酵液中提純檸檬酸,得到了質(zhì)量百分含量為99.6%的檸檬酸產(chǎn)品。
3.2 超臨界流體色譜提純技術(shù)作為一種綠色清潔生產(chǎn)技術(shù),具有高效、低碳等特點(diǎn)。但目前SFC制備檸檬酸還處在實(shí)驗(yàn)室階段,有必要對(duì)超臨界色譜制備技術(shù)的工業(yè)放大作進(jìn)一步的研究。
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Study on purification of citric acid by supercritical fluid chromatography
LV Hui-sheng,MO Xu-fei,ZHANG Min-hua*,YANG Miao
(Key Laboratory for Green Chemical Technology of State Education Ministry Tianjin,R&D Center for Petrochemical Technology,Tianjin 300072,China)
Supercritical fluid chromatography(SFC)was employed for the purification of citric acid from the citric acid fermentation broth.Citric acid was purified by SFC on a ZorBaxSB-CN column(250mm×9.4mm I.D.,5μm)under following conditions:concentration of the modifier was 0~16%,velocity of CO210~30g·min-1,column pressure 10~25MPa and temperature 310~325K,injected volume 0.02~0.05mL.The optimal conditions for chromatographic purification were determined:velocity of CO215g·min-1,temperature of column 313.15K,pressure of column 13MPa,injected volume 0.05mL.The citric acid fermentation broth was purified under these conditions,and citric acid with the content of 99.6%(wt)was obtained.
supercritical fluid chromatography;citric acid;retention
TS201.1
B
1002-0306(2012)07-0271-05
2011-06-20 *通訊聯(lián)系人
呂惠生(1963-),男,副教授,研究方向:綠色化學(xué),新能源等。