精氨酸的溶剂浮选分离技术及其分离机制

1、精氨酸的溶剂浮选分离技术及其分离机制梁擘吴兆亮3胡滨郑辉杰(河北工业大学化工学院,天津300130摘要以表面活性剂十二烷基苯磺酸为捕收剂(DBS A ,二(22乙基己基磷酸酯(P204为萃取剂,正庚烷为有机溶剂,采用溶剂浮选法对水溶液中精氨酸进行分离富集,并与气浮络合萃取法、泡沫浮选法和溶剂萃取法进行了比较。结果表明,在常温下,0109g/L 精氨酸水溶液250mL 、初始pH 710,DBS A 浓度0115g/L,正庚烷体积10mL,P204体积415mL,气体流量200mL /m in,溶剂浮选法分离水溶液中精氨酸的富集比为1612,回收率为9712%。溶剂浮选法分离精氨酸的动力学实验结

2、果表明,精氨酸的溶剂浮选过程阶段性明显,大致可分为3个阶段,第一阶段和第二阶段都符合一级动力学方程,第三阶段符合零级动力学方程,探索了溶剂浮选法分离精氨酸的分离机制。关键词精氨酸,溶剂浮选,动力学,分离机制2008212221收稿;2009202210接受本文系天津市应用基础及前沿技术研究计划重点项目(NO.08JCZ DJC252003E 2mail:zhaoliang wu1631com1引言氨基酸是一种重要的生物化工产品,广泛应用于食品、饲料添加剂以及医药领域。氨基酸的分离富集及纯化是其生产过程和对其进行分析检测的重要环节。目前工业上对发酵液中残留的低浓度氨基酸的分离多采用离子交换法,但

3、离子交换法成本高,污染严重。因此寻找一种经济高效的回收低浓度氨基酸的方法很有必要。1962年Sebba 提出溶剂浮选法1,它是一种富集与纯化同时完成的新型气浮分离技术,它结合了泡沫浮选法和溶剂萃取法的优点,具有富集倍数大、回收率高、操作简便、污染少、成本低等优点。目前,溶剂浮选法在环境分析2、污水处理3,4、冶金工业等领域得到了应用,天然产物有效成分的提取57等方面得到应用和关注。已有大量文献报道溶剂浮选法的热力学和动力学研究813。毕鹏禹等14利用气浮络合萃取法,在碱性条件下实现对苯丙氨酸的有效分离富集。在气浮络合萃取法的基础上,本课题组使用了表面活性剂DBS A 作为捕收剂,进一步提高了溶

4、剂浮选法分离精氨酸的分离效率15。本研究将溶剂浮选法、气浮络合萃取法、泡沫浮选法与溶剂萃取法分离精氨酸的结果进行比较,进一步研究溶剂浮选法分离精氨酸的动力学及溶剂浮选法分离精氨酸的分离机制,从而为溶剂浮选法分离精氨酸以及其它氨基酸的优化设计和操作提供依据。2实验部分211仪器与试剂752N 紫外可见分光光度计(上海精密科学仪器有限公司;LS55荧光分光光度计(美国PerkingEl m er 公司;PH S 225型酸度计(上海雷磁仪器厂;溶剂浮选装置15、气浮络合萃取装置、泡沫浮选装置、萃取分离装置均为自制。L 2精氨酸(纯度为9915%,天津市赢达稀贵化学试剂厂;十二烷基苯磺酸(DBS A

5、 为工业中间体(天津市科威公司提供;二2(22乙基己基磷酸酯(P 204和正庚烷均为分析纯(天津市津科精细化工研究所;NH 4OH 2NH 4Cl 缓冲液(pH 1015(中国医药集团上海化学试剂公司。212分析方法利用精氨酸侧链胍基在碱性介质中与甲萘酚反应生成紫红色物质的特点,采用分光光度法分析L 2精氨酸浓度,在最大吸收波长540nm 处测定其吸光值,得到标准工作曲线。213实验方法21311溶剂浮选法分离精氨酸配制0109g/L 精氨酸250mL,表面活性剂DBS A 浓度0115g/L,调节第37卷2009年7月分析化学(FE NX I HUAXUE 研究报告Chinese Journ

6、al of Analytical Che m istry 第7期980984初始pH值为710,静置片刻。将250mL精氨酸溶液和1415mL有机溶剂(10mL正庚烷,415mL P204依次加入到分离塔中,调节气体流速进行实验,每隔一段时间从分离塔底部取样口取样进行吸光值测定。当连续取样3次,检测其吸光值不变时,停止实验。21312气浮络合萃取法分离精氨酸配制0109g/L精氨酸溶液250mL,不加入表面活性剂DBS A,其它步骤同21311节。21313泡沫浮选法分离精氨酸配制0109g/L精氨酸溶液250mL,表面活性剂DBS A浓度为0115g/L,调节初始pH710,静置片刻。将25

7、0mL精氨酸溶液倒入分离塔中,调节气速为200mL/m in,用烧杯收集上层泡沫,等泡沫层消失时,停止实验。21314溶剂萃取法分离精氨酸配制0109g/L精氨酸溶液250mL,不加入表面活性剂,调节初始pH710,静置片刻。将250mL精氨酸溶液和250mL有机溶剂(175mL正庚烷,75mL P204依次加入到萃取装置中。开启搅拌桨,转速为100r/m in,每隔一段时间,从水相中取样,检测其吸光值,当连续取样3次,检测其吸光值不变时,萃取实验结束。21315荧光分析法检测分离实验前后D BSA的含量DBS A分子中存在共轭体系,自身能产生荧光。配制0105、0110、0115、0120、

8、0125和013g/L DBS A标准液,各取1mL,加入9mL氨2氯化铵缓冲液,摇匀。以试剂空白为参比,在激发波长230nm,激发通带宽度5n m,荧光发射波长290nm,荧光通带宽度5n m处测定荧光强度f,求得回归方程。吸取1mL精氨酸原液或余液,加入9mL NH4OH2NH4Cl缓冲液,测定f值,由回归方程求出精氨酸溶液中DBS A的含量。3结果与讨论311溶剂浮选效果与气浮络合萃取法、泡沫浮选法和溶剂萃取法的比较本实验以富集比和回收率这2个参数来描述溶剂浮选法分离精氨酸的效果。对同样浓度的精氨酸水溶液,作了溶剂浮选法、气浮络合萃取法、泡沫浮选法和溶剂萃取法的对照实验,结果见表1。由表

9、1可见,采用溶剂浮选法分离精氨酸,可以达到良好的分离效果15;采用气浮络合萃取法分离精氨酸,不加入表面活性剂,富集比和回收率显著下降,这说明表面活性剂DBS A的加入将大幅度提高精氨酸的分离效率;采用泡沫浮选法分离精氨酸,不加入有机溶剂,虽然有较高的回收率,但是富集比相对较低。由于在泡沫浮选过程中,气泡夹带大量水进入泡沫层,泡沫层中精氨酸的浓度下降,所以泡沫浮选法分离精氨酸的富集比较低;采用溶剂萃取法分离精氨酸,不加入表面活性剂,回收率和富集比都不高。由于溶剂浮选过程中吸附在气泡表面上的精氨酸浓度远远高于溶剂萃取过程中油2水界面处精氨酸的浓度。随着气泡在油2水界面处破裂,气泡的总表面积迅速减少

10、为油2水界面的面积,但是吸附在气泡表面的精氨酸总量没有减少。所以溶剂浮选法消耗少量有机溶剂就能取得较好的分离效果。溶剂浮选法结合了泡沫浮选和络合萃取两种分离模式,故溶剂浮选法更有效。表14种分离方法的比较Table1Comparis on results of f our separati on methods方法Methods富集比Enrichment rati o(回收率Recovery rate(%有机溶剂消耗量W astage of organic s olvent(mL溶剂萃取法Solvent extracti on01616112250312溶剂浮选法分离精氨酸的动力学研究在动力学

11、研究中采用反应速率方程来描述精氨酸的整个溶剂浮选过程1013,这将为采用数学模型法研究溶剂浮选氨基酸的分离效率提供前提条件。反应速率方程:d c/d t=-kc n式中:c是水相中精氨酸的浓度,n是反应级数,k是反应速率常数,t是分离时间。当n=0时,水相中精氨酸浓度与分离时间成正比,即d c/d t=-k,积分得到关系式c=c0-kt,其中189第7期梁擘等:精氨酸的溶剂浮选分离技术及其分离机制c 0为初始精氨酸浓度。当n =1时,分离速率与水相中精氨酸浓度成正比,即d c /d t =-kc ,积分得到关系式ln c -ln c 0=kt 。根据朗伯2比尔定律A =bc,式中,A 为吸光值

12、;为摩尔吸光系数;b 为光程长;c 为被测摩尔浓度;A 与c 成正比,故在动力学研究中均用A 来代替c 。在气体流速分别为100、200和300mL /m in 的条件下,05m in,535m in 和35140m in 精氨酸溶液吸光值随时间的变化规律如图1所示 。图1-ln A 与t 的关系Fig .1Relati onshi p of -ln A vs .ti m ea:05m in;b .535m in;c .35140m in .实验结果表明,溶剂浮选法分离精氨酸的过程大致可分为3个阶段。在第一阶段和第二阶段-ln A 和t 呈线性关系,这表明溶剂浮选法分离精氨酸在前两个阶段都遵从

13、一级动力学,且第一阶段的反应速率常数k 大于第二阶段的反应速率常数k,即第一阶段的分离速率大于第二阶段的分离速率。而第三阶段A 和t 呈线性关系,这表明第三阶段遵从零级动力学,且第三阶段的反应速率常数k 远远小于第一阶段和第二阶段的反应速率常数k (见表2。在不同气体流速下,3个阶段的反应速率常数k 、动力学方程及相关系数分别列于表2。由以上实验数据可知,在分离05m in,即溶剂浮选的第一个阶段,水相中精氨酸初始浓度最大,有机相中初始浓度为零,此时萃取动力最大,所以第一阶段分离速率高。在分离535m in,即溶剂浮选表2不同气体流速下精氨酸的溶剂浮选动力学参数和动力学方程Table 2Kin

14、etic fact ors and kinetic equati ons of s olvent sublati on of L 2A rginine at different air fl ow rates时间Ti m e (m in 气体流速Fl ow rate (mL /m in 反应速率常数(k (s -1大大提高,故络合反应和溶解过程不断向正方向进行。且前两个阶段分离过程的速控步骤在络合反应过程,所以流速的增加并不能明显提高分离速率,在不同气体流速下分离速率很接近。在分离35140m in,即溶剂浮选的第三阶段,由于体系已经接近溶剂浮选平衡,络合反应和溶解过程的速率已经很慢,故分离速

15、率很低,且这一阶段的速控步骤在气泡吸附分离过程,气体流速越大,分离速率相对越大。313溶剂浮选法分离精氨酸的分离机制L 2精氨酸是一种碱性氨基酸,其等电点为10176,在不同酸度的水溶液中可电离成A rg 2+、A rg +和A rg -3种离子形式。当溶液pH 值小于等电点时,精氨酸以A rg +或A rg 2+形式存在。阴离子表面活性剂DBS A 具有良好的起泡性能,同时具有亲水基和疏水基,DBS A 在水溶液中电离成RC 6H 4S O -3和H +。289分析化学第37卷RC 6H 4S O 3 HRC 6H 4S O -3+H +(2亲水基H +与溶液中A rg 2+和A rg +进

16、行离子交换;疏水基RC 6H 4S O -3与A rg 2+和A rg +结合生成络合物。反应方程式如下:2RC 6H 4S O 3H +A rg 2 +A rg 2+(RC 6H 4S O 3-2+2H+(3RC 6H 4S O 3H +A rg +A rg +(RC 6H 4S O 3-+H +(4A rg 2+(RC 6H 4S O 3-2和A rg +(RC 6H 4S O 3-为络合物。络合物被吸附在气泡上,随着气泡上浮,精氨酸不断富集到油2水界面处。P 204是一种弱酸,在有机相中主要以二聚体(HP 2形式存在。在油2水两相界面处,(HP 2与A rg 2+和A rg +发生络合萃

17、取反应1720,并释放出大量H +,水相pH 降低。且无论初始pH 如何变化,实验进行3m in 后,水相pH 都降至315,此后水相pH 不再改变。反应机理为:A rg 2+(RC 6H 4S O 3-2+2(HP 2A rg 2+(HPP -2+2RC 6H 4S O 3H(5A rg +(RC 6H 4S O 3-+(HP 2A rg +(HPP -+RC 6H 4S O 3H (6A rg 2+(HPP -2和A rg +(HPP -为萃取配合物。溶剂浮选结束后,萃取配合物溶解于有机相中。通过荧光分析法检测分离实验前后水相中阴离子表面活性剂浓度的变化。原液中表面活性剂浓度为0115g/

18、L,余液中残留表面活性剂的浓度为0108g/L 。实验结果表明,大量的表面活性剂回流进入水相,可以循环利用。反萃时,反萃相的水溶液在弱酸性条件下反萃效果显著。A rg 2+和A rg +被反萃进入水相,萃取剂P 204留在有机相,可以循环利用。A rg 2+(HPP -2+2H +A rg 2+2(HP 2(7A rg +(HPP -+H +A rg +(HP 2(8总之,精氨酸的整个溶剂浮选过程采用气泡作为传质载体,实现了精氨酸从水相向有机相的转移,因此它经历了气泡吸附分离、“油2水”界面萃取反应、反应物溶解于有机相3个过程16,并且这3个过程相互制约。溶剂浮选法分离精氨酸的过程类似于气浮络

19、合萃取法14。所不同的是本实验使用了表面活性剂DBS A 作为捕收剂,进一步提高了分离效率。在相同实验条件下,水相中加入表面活性剂DBS A,DBS A 与A rg 结合形成的络合物很容易吸附在气泡表面上。而气浮络合萃取法分离氨基酸,水相中没有加入表面活性剂。由于氨基酸本身不具有表面活性,不容易吸附在气泡表面。所以溶剂浮选过程中气泡表面的精氨酸总量大于气浮络合萃取过程中气泡表面的精氨酸总量。即溶剂浮选过程中精氨酸在油2水界面处浓度高于气浮络合萃取过程。所以溶剂浮选法分离精氨酸的效果明显优于气浮络合萃取法。References1Sebba F .Ion Flotation .Ne w York:

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26、d enrichment of L2A rg using dode2 cylbenzene sulf onic(DBS Aas the surfactant,di(22ethylhexylphos phoric acid(P204as the extractant and n2hep tane as the organic s oluti on.The s olvent sublati on was compared with the fl oatati on comp lexati on extracti on,foa m fl oatati on and s olvent extracti on.The experi m ental results showed that enrich ment rati o of 1612and re moval rate of9712%t o L2A rg were obtained by the s olvent sublati on under the conditi ons of r oom te mperature,0109g/L L2A rg aqueous s olu