MKF-D30X树脂解吸丁二酸的工艺研究

　　引 言

　　丁二酸又名琥珀酸，是一种应用价值非常高的有机合成原料，该物质及其衍生物在农业、食品、医药、材料等领域中应用非常广泛。全球每年丁二酸需求量在 27 万吨左右，是全球每年丁二酸生产量的 10 倍。换言之，全球对丁二酸的需求量远远大于丁二酸现阶段的生产量，发展前景十分广阔。

　　传统的丁二酸生产方法主要是采用石化法从丁烷通过顺式丁烯二酐生产制得，生产工艺成熟，但随着石油资源紧缺、价格攀升，使得该方法生产成本提高，且环境污染严重。目前，原料来源丰富、转化率高和环保的生物发酵技术生产丁二酸已引起了人们的广泛关注。生物发酵法中，由于丁二酸发酵液成分复杂，导致了丁二酸下游分离工艺成本和难度增加，为此，能否有效、经济地从发酵液中分离提取丁二酸成为人们关注的重点。

　　丁二酸下游分离工艺过程主要包括提取、纯化、浓缩和产品化等过程。其中在丁二酸浓缩方面，相关文献报道非常少，且目前常用的浓缩方法如沉淀法、萃取法、电渗析法、多效膜蒸馏法等，这些浓缩方法热能消耗大，增加了纯化成本。所以在浓缩丁二酸溶液的过程中，如何减少能源的消耗是本课题研究的重点。

　　树脂吸附分离法由于具有吸附选择性高、操作简单、能耗低、能够循环使用等特点，而成为一种很有应用前景的丁二酸分离方法。目前，用于丁二酸吸附的树脂有非极性聚苯乙烯树脂（如Amberchrom CG300C），强碱性离子交换树脂（如NERCB 04），弱碱性树脂（如 D301，IRA-93）等。最常用的为弱碱性树脂，但传统法采用氯甲基化和胺化反应合成这类弱碱性树脂，采用的致癌原料氯甲醚不仅污染环境，而且严重危害人体健康，且吸附量低，洗脱液浓度低。本文采用氯乙酰氯为原料，通过聚苯乙烯微球的氯乙酰化、经 ATRP接枝聚合、胺化制得了 MKF-D30X 弱碱树脂。

　　该树脂具有一定长度的柔性梳状链结构，使载体表面的刚性及疏水性得到改善而变得柔顺、亲水，其弱碱性吸附基团可向四周呈星状扩散、自由度大，从而增加了对丁二酸的接触能力，提高了丁二酸的吸附量。前期工作中，作者已重点研究了 MKF-D30X 树脂在丁二酸中的吸附性能，本文将着重讨论MKF-D30X 树脂对丁二酸的解吸附过程，考察解吸剂用量（体积）、解吸温度、分段解吸及分段循环解吸等因素对 MKF-D30X 树脂解吸效率以及解吸液中丁二酸浓度的影响，从而获得高效的解吸丁二酸的工艺。

　　1、 实验材料和方法

　　1.1 材料

　　磷酸二氢铵、磷酸、盐酸和丁二酸均为分析纯，购于上海凌峰化学试剂有限公司；丁二酸标准品纯度为 99%，美国 Sigma 公司；超纯水由Direct-Pure 超纯水系统（上海瑞枫生物技术有限公司）制得；乙腈为色谱纯，德国默克公司；梳状弱碱性（MKF-D30X）树脂由本实验室合成，交换容量为 2.81 mmol·g－1，交联度 7%，粒径220～550 μm。

　　1.2 分析测试仪器

　　Dionex Summit 型高效液相色谱仪系统，由P680 HPLC 泵、UVD-170U 可变波长紫外检测器、TCC-100 柱温箱和 8125 型手动进样装置组成；工作站为 Chromeleon，美国戴安公司；色谱柱：MKF-JYS-H（250 mm × 4.6 mm i.d.，6 μm），由南京麦科菲高效分离载体有限公司提供。

　　1.3 溶液配制

　　丁二酸溶液（25 mg·ml－1，pH 为 2.0）：准确称取 12.50 g 丁二酸，用 500 ml 超纯水溶解。磷酸二氢铵溶液（20 mmol·L－1）：准确称取1.15 g 磷酸二氢铵，用 500 ml 超纯水溶解后，用磷酸溶液调 pH 至 2.5，用 0.22 μm 纤维素滤膜过滤，超声后，作为流动相待用。HCl 溶液（1.0 mol·L－1）：取 40 ml、38%的浓盐酸，搅拌下倒入装有 440 ml 蒸馏水的烧杯中，搅匀，作为解吸剂待用。

　　1.4 丁二酸的检测

　　1.4.1 高效液相色谱条件MKF-JYS-H 型色谱柱（250 mm × 4.6 mm i.d.，6 μm），流动相组成：流动相 A（磷酸二氢铵溶液）-流动相 B（乙腈）= 97:3（体积比），波长为 210 nm，流速为 1.0 ml·min－1，进样量为 20 μl，柱温为室温。

　　1.4.2 标准曲线的绘制 准确称取 0.20 g 丁二酸标准品，用适量的超纯水溶解，转移至 50 ml 容量瓶中，并定容至刻度，即配成 4 mg·ml－1的丁二酸溶液，将其进行稀释，得一系列标准溶液浓度为 0.25、0.5、1、1.5、2、2.5、3 和 4 mg·ml－1的稀释溶液，将该系列溶液按 1.4.1 节方法检测，以丁二酸标准溶液浓度为横坐标，峰面积为纵坐标绘制标准曲线，通过该曲线计算解吸液中的丁二酸的浓度。

　　1.5 丁二酸吸附实验

　　取 3 g MKF-D30X 树脂于 500 ml 锥形瓶中，向锥形瓶加入 350 ml 丁二酸溶液后，将锥形瓶于 25℃的恒温水浴振荡器中振荡吸附，每隔一定的时间取样，测定丁二酸的浓度。按照式(1)计算丁二酸的吸附量 Q。

　

　　1.6 丁二酸解吸附实验

　　将1.5节中已吸附饱和的MKF-D30X树脂及溶液转移至砂芯，抽滤，除去吸附液——丁二酸溶液，并回收该滤液以备下次使用。然后将吸附饱和的MKF-D30X 树脂转移至干净的锥形瓶中，加入一定体积的HCl溶液为解吸剂（Jb-m-n），分阶段解吸(J-n)或分段循环解吸(J-m-n)，在一定温度的恒温水浴振荡器中振荡，2 h 后取样测定解吸液（Ja-m-n）中丁二酸的浓度。按照式(2)和式(3)计算丁二酸的解吸量Q1及其解吸率 η。

　　

　　2、 实验结果与讨论

　　2.1 吸附时间对丁二酸吸附量的影响

　　按 1.5 节实验和 1.4 节检测方法，测定各个时间 取 样 的丁二酸浓度 ， 计算吸附量， 绘制MKF-D30X 树脂吸附速率曲线（图 1）。由图 1 可知，MKF-D30X 树脂在前 55 min 吸附量可达到 380 mg·g－1。在相近吸附条件下，高于商品 D301-1 弱碱性树脂在 55 min 时的吸附量（300mg·ml－1）。并且 MKF-D30X 树脂经过 80 min吸附时即可达到平衡，吸附量更可达到425 mg·g－1。

　　MKF-D30X 树脂的吸附速率和吸附量均优于商品D301-1 弱碱树脂。由此说明，MKF-D30X 树脂中梳状柔性链结构，不仅使载体表面的刚性及疏水性得到改善而变得柔顺、亲水，而且增加了链的自由度，从而使树脂更有利于对丁二酸的有效吸附，提高了树脂的吸附量。

　　

　　2.2 解吸剂用量对解吸液中丁二酸浓度的影响

　　MKF-D30X 树脂对溶液中的丁二酸有高吸附量。但如何高效地将丁二酸从此树脂上解吸出来，获得含有高浓度丁二酸的解吸液，以达到“低碳浓缩丁二酸”的目的，是值得研究解决的问题。本文首先研究了解吸剂的用量（体积）对解吸液中丁二酸浓度的影响，分别以 5、10、15 和 20 ml的解吸剂，对吸附饱和了丁二酸的 MKF-D30X 树脂进行解吸，并测定了树脂解吸后得到的解吸液中丁二酸的浓度，结果如图 2 所示。

　　

　　由图 2 可知，随着解吸剂用量的增大，树脂解吸后得到的解吸液中的丁二酸浓度会降低，但丁二酸的解吸率会增大。当解吸剂用量达到 20 ml 时，解吸率可达到 88%，但当解吸剂用量为 10 ml 时，虽然解吸率较之 15 ml 时有所降低，但较之 5 ml 时的 34.5%却有大幅增加，达 67%。值得指出的是，此时解吸液中丁二酸浓度大为增加，达 52.4mg · ml－1，与原始溶液中丁二酸的浓度（25mg·ml－1）相比，解吸液中丁二酸的浓度提高到吸附前的两倍，从而初步达到了“浓缩分离丁二酸”的目的。

　　2.3 分段解吸对解吸液中丁二酸浓度的影响

　　为同时提高解吸液中丁二酸浓度和解吸率，将20 ml 的解吸剂分别分为 1、2、3、4 四个阶段（表1），解吸已吸附饱和的 MKF-D30X 树脂。即先向树脂中加入第 1 阶段解吸剂（Jb-1），解吸结束后用砂芯抽滤，收集得解吸液（Ja-1），之后再向过滤的树脂中加入第 2 阶段解吸剂（Jb-2），进行解吸，解吸结束后用砂芯抽滤，收集得解吸液（Ja-2），反复进行，考察解吸次数对解吸液中丁二酸浓度的影响（图 3）。

　　

　　由图 3 可知，若从获得高浓度的丁二酸考虑，则实验 1～3 第 1 阶段均可获得高浓度的丁二酸，可达 50 mg·ml－1之多，是原液浓度的 2 倍；若从获得高解吸率考虑，由于实验 1、2 解吸次数多于其他实验，因此解吸率高，但当使用了 10 ml 解吸剂时，前 3 组实验的解吸率差别不大。综合考虑丁二酸浓度、解吸率和解吸次数三方面因素，实验 2、3 第 1 阶段解吸率达到 72%，且丁二酸浓度也高达52.4 mg·ml－1，所以是一种既方便又高效的方法。

　　2.4 解吸温度对解吸液中丁二酸浓度的影响

　　在 2.3 节的基础上，将 20 ml 的解吸剂分为 3个阶段解吸，改变解吸温度为 40、50、60 和 70℃，考察温度对解吸液中丁二酸浓度的影响(图 4)。按1.4 节方法测定丁二酸浓度。由图 4 可知，在 40～50℃范围内，解吸液中丁二酸的浓度随着温度的增加而增加，这是因为随着温度的增加，树脂对丁二酸的吸附力降低，同时丁二酸在水中的溶解度也提高。但继续提高解吸温度，解吸液中丁二酸的浓度没有再明显增加，所以后续实验中解吸温度选为50℃。

　　

　　2.5 分段循环解吸对解吸液中丁二酸浓度的影响

　　由 2.3 节和 2.4 节可知，优化条件下只能得到第 1 阶段 10 ml 高浓度的丁二酸解吸液，而第 2 阶段得到的解吸液中丁二酸的浓度则不能达到浓缩的效果。但如果此低浓度的解吸液能用于下一次的解吸剂，则可能有助于提高解吸液中丁二酸浓度，或还可提高丁二酸的得率。为此本文将解吸过程中低浓度的丁二酸解吸液循环使用（如量不够，可用HCl 溶液补足至 10 ml 即可），用做下一次解吸吸附饱和的MKF-D30X树脂时的解吸剂，示意图见图5，实验方案见表 2。

　　由图 6 可知，将第Ⅰ次循环第 2 阶段得到的较低丁二酸浓度的解吸液(Ja-Ⅰ-2)作为第Ⅱ次循环第1 阶段解吸 剂 (Jb- Ⅱ -1) ，以解 吸吸 附饱和 的MKF-D30X 树脂。此次解吸后得到的丁二酸解吸液(Ja-Ⅱ-1)与第Ⅰ次循环第 1 阶段用 HCl 溶液作为解吸剂的解吸结果(Ja-Ⅰ-1)相当，即也达到了高浓度解吸，且第Ⅱ次循环第 2 阶段的解吸液(Ja-Ⅱ-2) 中丁二酸浓度仍保持了高浓度，是 Ja-Ⅰ-2 的 2.15 倍，或是原丁二酸溶液（25 mg·ml－1）的 1.7 倍，即也达到了浓缩的目的，且因收集了两个阶段的丁二酸解吸液，使得率近似加倍。由此说明由于分段循环解吸法（从第Ⅱ次循环起）可以同时获得第 1、2阶段高浓度的解吸液，因此增加了丁二酸的收率，所以在后续的实验中选用分段循环解吸的方法。

　　2.6 分段循环解吸液作为解吸剂对丁二酸浓度的影响

　　为了考察分段循环解吸中收集的解吸液作为下一循环解吸剂，其中的丁二酸浓度对丁二酸解吸效果的影响，在 2.5 节的基础上，改变分段循环第1 阶段解吸过程中 HCl 解吸剂中丁二酸的浓度分别为 0、5 和 20 mg·ml－1，考察分段循环解吸液中丁二酸的浓度对丁二酸解吸效果的影响（图 7）。

　　

　　由图 7 可知，作为解吸剂，循环利用于第 1 阶段解吸的解吸液中丁二酸浓度的高低对解吸没有明显影响，并且解吸得到的丁二酸浓度都可达到 51mg·ml－1以上，该浓度是吸附前丁二酸原始浓度（25mg·ml－1）的 204%，即达到了浓缩的目的。由于解吸液中低浓度的丁二酸对解吸没有明显影响，所以若是在解吸过程中，收集得到解吸液体积不足 10ml，可直接补加 1.0 mol·L－1的 HCl 溶液至 10 ml即可，操作简单。

　　3、 结 论

　　（1）MKF-D30X 树脂对溶液中的丁二酸有很好的吸附作用，吸附量可达 425 mg·g－1。

　　（2）当解吸温度为 50℃，分两个阶段进行解吸，即每次用 10 ml、1.0 mol·L－1HCl 溶液解吸，第 1阶段解吸得到的丁二酸浓度可达 52.4 mg·ml－1，使原丁二酸溶液浓度提高了一倍。3 g 吸附饱和的MKF-D30X 树脂经第 1 阶段解吸可得到 524 mg 丁二酸[174.67 mg 丁二酸·(g 树脂)－1]。

　　（3）当解吸温度为 50℃，将吸附饱和的MKF-D30X 树脂采用分段循环解吸法解吸丁二酸，不仅可以维持第 1 阶段获得的高浓度丁二酸，而且可同时获得第 2 阶段的高浓度丁二酸，使丁二酸收率加倍。

　　（4）分段循环解吸液中丁二酸的浓度对丁二酸解吸效果没有明显影响。这种分段循环解吸法不仅可获得高浓度、高得率的丁二酸，而且方法低碳经济。