張亞鵬，劉 鑫，朱洪霞，范天一，劉 歡，王 芳，鄧 利

(北京化工大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院北京市生物加工過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室國家能源生物煉制研發(fā)中心，北京100029)

富馬酸(FA)是微生物代謝過程中產(chǎn)生的一種四碳二元羧酸，可作為中間體參與合成許多高價(jià)值的聚合物[1]。目前，富馬酸主要用于生產(chǎn)食品酸化劑、樹脂、脂類及其他一些化工產(chǎn)品[2]。美國能源部把富馬酸列為最重要的12種生物基化工產(chǎn)品之一[3]。富馬酸的生物法生產(chǎn)早有報(bào)道，20世紀(jì)40年代輝瑞公司利用根霉發(fā)酵生產(chǎn)富馬酸，年產(chǎn)量可達(dá)4 000 t[4]。隨后因?yàn)榛瘜W(xué)合成更加經(jīng)濟(jì)，富馬酸的發(fā)酵生產(chǎn)被化學(xué)法取代[5]。然而隨著國際石油價(jià)格的不斷攀升以及對低碳經(jīng)濟(jì)的日益關(guān)注，利用可再生資源生產(chǎn)富馬酸又引起了人們的興趣[6]。然而傳統(tǒng)發(fā)酵產(chǎn)量低，成本高[4]，同時(shí)難以控制絲狀真菌的細(xì)胞形態(tài)和生長，使其難以放大生產(chǎn)[7]。在發(fā)酵過程中采用原位回收的方法不僅能及時(shí)移除發(fā)酵液中積累的有機(jī)酸，減弱產(chǎn)物抑制效應(yīng)；而且可以簡化下游回收操作，提高經(jīng)濟(jì)效益[8]。沉淀法、離子交換吸附法、溶劑萃取法、電滲析法等分離技術(shù)已成功應(yīng)用于有機(jī)酸的分離純化[5]。Xu等[9]將富馬酸發(fā)酵生產(chǎn)與溶劑萃取相結(jié)合，克服產(chǎn)品抑制，使富馬酸產(chǎn)量達(dá)到34.23 g/L，同時(shí)降低了回收成本。離子交換樹脂因其具有吸附能力強(qiáng)、選擇性高、重復(fù)利用率高、容易操作及易放大等優(yōu)點(diǎn)常被用于有機(jī)酸的原位回收，如乙酸[10]、乳酸[11]和檸檬酸[12]。Fu等[13]探究了不同條件下的IRA-400樹脂柱的吸附行為，通過模型預(yù)測了吸附柱的突破曲線，并計(jì)算了樹脂柱的吸附能力。Zhang等[14]篩選了一種對富馬酸有較好吸附性的IRA-900樹脂，初步探究了相關(guān)的影響條件及吸附機(jī)制，最終成功應(yīng)用于富馬酸的原位回收。到目前為止，樹脂在富馬酸溶液中的吸附研究仍然較少，尤其是關(guān)于國產(chǎn)樹脂的研究目前尚未見相關(guān)報(bào)道。

因此本研究從國產(chǎn)樹脂出發(fā)，選擇對富馬酸有較高吸附能力的D201樹脂，然后探究溫度、pH和預(yù)處理方式等影響條件，比較不同解吸劑的解吸效果并通過單因素試驗(yàn)得出最佳的解吸條件和樹脂的重復(fù)利用率，本文系統(tǒng)研究D201樹脂在富馬酸溶液中的吸附行為，優(yōu)化解吸條件，以期為國產(chǎn)樹脂在富馬酸分離方面的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

樹脂335、D301、D201、D396和D318，鄭州新和成公司；樹脂201×7、D201A，天津南大公司；樹脂D201B，源葉生物公司，具體參數(shù)如表1所示。所有樹脂水洗除去不溶物后，依次用1 mol/L HCl 和1 mol/L NaOH溶液浸泡12 h，水洗至中性后抽濾，保存?zhèn)溆?樹脂含水率為50%～60%)[15]。

表1 樹脂的基本參數(shù)

1.2 方法

1.2.1 樹脂篩選

為篩選對富馬酸有較好吸附能力的樹脂，配制5 g/L的富馬酸溶液，用1 mol/L NaOH和1 mol/L HCl分別調(diào)節(jié)pH為3、4和5。取1 g預(yù)處理好的不同樹脂(335、D301、D201、D396、D318、201×7、D201A和D201B)加入50 mL不同pH(3、4和5)的富馬酸溶液，30 ℃靜置吸附12 h。

為確定富馬酸發(fā)酵過程中葡萄糖及蘋果酸對樹脂吸附的影響，分別配制含有80 g/L葡萄糖及不同質(zhì)量濃度(5、10和15 g/L)蘋果酸的富馬酸混合溶液，用1 mol/L NaOH和1 mol/L HCl調(diào)節(jié)pH為5。取 1 g預(yù)處理好的D201樹脂加入50 mL富馬酸混合溶液，30 ℃靜置吸附12 h。

1.2.2 影響樹脂吸附條件的考察

為考察pH對D201樹脂吸附的影響，配制5 g/L的富馬酸溶液，用1 mol/L NaOH和1 mol/L HCl分別調(diào)節(jié)pH為1、2、3、4、5、6和7。取1 g預(yù)處理好的D201樹脂加入50 mL富馬酸溶液，30 ℃靜置吸附12 h。

為考察溫度對D201樹脂吸附的影響，取1 g預(yù)處理好的D201樹脂加入50 mL 5 g/L的富馬酸溶液，調(diào)節(jié)pH為5，溫度分別設(shè)置為20、30和40 ℃，靜置吸附12 h。對于不同溫度下的吸附等溫線，取1 g預(yù)處理好的D201樹脂加入50 mL不同質(zhì)量濃度(2.5、5.0、10.0、15.0、20.0、25.0和30.0 g/L)的富馬酸溶液，調(diào)節(jié)pH為5，溫度設(shè)置為20、30和40 ℃，靜置吸附12 h。

1.2.3 樹脂解吸條件的優(yōu)化及樹脂的重復(fù)利用

選取6種解吸劑(HCl、H2SO4、NaCl、NaOH、NaHCO3和Na2CO3)進(jìn)行比較，以確定最佳的解吸劑[16]；然后采用單一變量法優(yōu)化解吸劑濃度、解吸劑體積及解吸時(shí)間，確定最佳的解吸條件。在最佳解吸條件下對D201樹脂進(jìn)行8次重復(fù)吸附-解吸實(shí)驗(yàn)，以考察D201樹脂的重復(fù)利用率。

1.2.4 樹脂吸附能力及解吸率的計(jì)算

樹脂吸附能力qe的計(jì)算見式(1)，解吸率E的計(jì)算見式(2)[17]。

(1)

(2)

式中：ρ0為初始富馬酸吸附液的質(zhì)量濃度mg/L；ρe為平衡時(shí)富馬酸吸附液的質(zhì)量濃度，mg/L；V1為吸附液體積，L；m為添加的樹脂質(zhì)量，g；ρ2為解吸液富馬酸的質(zhì)量濃度，mg/L；V2為解吸液體積，L。

1.2.5 富馬酸的檢測

富馬酸的濃度通過高效液相色譜法(HPLC)檢測，柱子為Ultimate LP-C18(4.6 mm×250 mm，5 μm),流動(dòng)相為97.5%磷酸(0.1%)和2.5%甲醇混合溶液，流速為1 mL/min，柱溫為40 ℃，檢測器為紫外檢測器，波長為210 nm，進(jìn)樣量為10 μL。

2 結(jié)果與討論

2.1 樹脂篩選結(jié)果

富馬酸是一種二元羧酸，堿性樹脂對其吸附效果好，通過比較不同堿性樹脂的吸附能力，以選擇合適的吸附樹脂，結(jié)果見表2。由表2可知：隨著pH的增大，單位樹脂的吸附量逐漸減小，可能是因?yàn)槿芤褐懈获R酸離子形式比例的變化所導(dǎo)致的(分子形式H2FA不帶電荷，一價(jià)的HFA-與二價(jià)的FA2-所帶電荷不同，吸附行為也不盡相同)。D201樹脂在不同pH條件下都具有較高的吸附能力，吸附能力qe受pH影響較小，由121.21 mg/g(pH 3)下降至83.41 mg/g(pH 5)；當(dāng)pH為5時(shí)，D201樹脂的吸附能力僅次于201×7，其次作為大孔樹脂，其高強(qiáng)度的性質(zhì)也決定了D201樹脂適合連續(xù)操作。同時(shí)，在富馬酸的發(fā)酵過程中，發(fā)酵液pH保持在5～7，適合D201的吸附，因此選取D201樹脂作為吸附樹脂。此外，考慮實(shí)際發(fā)酵液中的葡萄糖和蘋果酸(MA)是影響D201樹脂吸附富馬酸的主要雜質(zhì)[14]，因此有必要考察它們對吸附的影響，結(jié)果如圖1所示。

表2 不同樹脂在不同pH條件下對富馬酸的吸附能力

由圖1可知：不同pH條件下高濃度的葡萄糖對D201樹脂吸附富馬酸的能力均無影響；蘋果酸對D201樹脂吸附低質(zhì)量濃度(5 g/L)的富馬酸有影響，吸附能力從89.9 mg/g降至68.7 mg/g，降低了23.6%；對高質(zhì)量濃度的富馬酸(15 g/L)無影響。由此可見，D201樹脂對富馬酸的吸附能力不受葡萄糖和蘋果酸的影響。

圖1 葡萄糖和蘋果酸對D201樹脂吸附能力的影響Fig.1 Effects of glucose and malic acid on adsorption capacity of D201 resin

2.2 pH對D201樹脂吸附富馬酸的影響

不同pH條件下溶液中富馬酸的電離程度不同，會(huì)導(dǎo)致富馬酸離子形式的比例不同，最終影響樹脂的吸附效果[15]。為考察pH的影響，測定不同pH條件下D201樹脂吸附能力的變化，結(jié)果如圖2所示。富馬酸是一種二元羧酸(pKa1=3.03，pKa2=4.44)，在確定的pH條件下，溶液中離子形式(H2FA、HFA-和FA2-)的摩爾比是一定的[18]，可通過式(3)和(4)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖2(b)所示。

(3)

(4)

圖2 不同pH條件下D201樹脂的吸附能力及富馬酸溶液中的離子摩爾比(H2FA,HFA-,FA2-)Fig.2 Adsorption capacity of D201 resin and mole ratio of ion forms(H2FA,HFA-,FA2-) in fumaric acid solution under different pH

由圖2可知：隨著pH的增大，單位樹脂的吸附量先迅速增大后緩慢減小并趨于穩(wěn)定；當(dāng)pH為4時(shí)，吸附量最大(107.6 mg/g)；而pH為1時(shí)，吸附量最小(21.0 mg/g)。隨著pH的增大，富馬酸分子H2FA的比例逐漸減小，一價(jià)離子HFA-的比例先增大后減小，二價(jià)離子FA2-的比例逐漸增大；當(dāng)pH為1時(shí)，富馬酸以分子形式H2FA存在，此時(shí)樹脂官能團(tuán)對富馬酸無吸附作用，但樹脂仍吸附少量富馬酸(21.0 mg/g)，可能是因?yàn)闃渲羌?苯乙烯-二乙烯苯共聚體)和富馬酸分子之間的疏水相互作用[19]。當(dāng)pH為4時(shí)，溶液中HFA-的比例最大(68%)，此時(shí)吸附量也達(dá)到最大，且當(dāng)pH為3～7時(shí)，單位樹脂吸附量與HFA-比例的變化趨勢一致，由此可知D201樹脂吸附HFA-的能力最強(qiáng)。同時(shí)結(jié)合D201的官能團(tuán)為季氨基—N(CH3)+可知HFA-吸附到樹脂上僅占據(jù)1個(gè)吸附位點(diǎn)，F(xiàn)A2-可能占據(jù)2個(gè)吸附位點(diǎn)，吸附位點(diǎn)利用率降低[18]；分子形式的H2FA可能通過疏水相互作用吸附到樹脂骨架上，不會(huì)結(jié)合到樹脂的官能團(tuán)上。因此D201樹脂對富馬酸離子形式的吸附能力(從大到小)為HFA-、FA2-、H2FA。

2.3 吸附溫度對D201樹脂吸附富馬酸的影響

D201樹脂吸附富馬酸的能力受溫度變化的影響。隨著溫度的變化，D201樹脂的平衡吸附量也逐漸變化，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：隨著溫度的升高，D201樹脂的吸附量逐漸增大，溫度從20 ℃升至40 ℃，吸附量從78.29 mg/g升至85.85 mg/g，提高了9.7%。熱力學(xué)參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表3所示。由表3可知：焓變?chǔ)>0，表明D201樹脂吸附富馬酸是吸熱反應(yīng)；且隨著溫度的升高，ΔG逐漸減小，表明升溫有利于吸附，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

圖3 溫度對D201樹脂吸附能力的影響Fig.3 Effect of temperature on the adsorption capacity of D201 resin

表3 不同溫度下D201樹脂的熱力學(xué)參數(shù)

2.4 樹脂解吸條件的優(yōu)化及樹脂的重復(fù)利用結(jié)果

不同解吸劑的解吸效果不同，直接關(guān)系到解吸的效率和樹脂的重復(fù)利用率。通過比較8種解吸劑的解吸效果，選擇效果最好的解吸劑并對解吸條件進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：NaCl的解吸效果最好，不同濃度的NaCl解吸率均達(dá)到86%以上，因此選擇NaCl作為最佳解吸劑。對NaCl解吸條件進(jìn)行優(yōu)化，最佳解吸條件是：解吸劑濃度1 mol/L，解吸劑體積10 mL，解吸時(shí)間20 min，解吸率達(dá)到89.6%。

圖4 不同解吸劑的比較及解吸條件的優(yōu)化Fig.4 Comparison of different desorption agents and the optimization of desorption conditions

樹脂的重復(fù)利用對生產(chǎn)成本的控制有著重要的作用，因此對樹脂的重復(fù)利用率進(jìn)行了研究，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：經(jīng)8次重復(fù)吸附-解吸后，吸附量由88.16 mg/g降至82.57 mg/g，降低了6.34%，可見D201樹脂可以重復(fù)利用，可降低樹脂分離的成本，使樹脂的工業(yè)化應(yīng)用成為可能。

圖5 D201樹脂的重復(fù)利用Fig.5 Reuse of D201 resin

3 結(jié)論

1)通過對比不同pH條件下富馬酸溶液中的離子摩爾比及單位樹脂吸附量之間的關(guān)系可知D201樹脂的吸附能力(從大到小)為HFA-、FA2-、H2FA；HFA-吸附到樹脂上僅占據(jù)1個(gè)吸附位點(diǎn)，F(xiàn)A2-可能占據(jù)2個(gè)吸附位點(diǎn)，H2FA 通過和樹脂骨架間的疏水相互作用被吸附到樹脂骨架上。

2)通過熱力學(xué)參數(shù)計(jì)算可知，吸附過程屬于吸熱反應(yīng)，升溫有助于吸附的進(jìn)行。

3)通過優(yōu)化解吸過程，確定了最佳解吸條件：NaCl為解吸劑，解吸劑濃度1 mol/L，解吸劑體積10 mL，解吸時(shí)間20 min，解吸率達(dá)到89.6%。