牛磺酸离子交换相平衡和动力学及天然牛磺酸的纯化

摘要

牛磺酸广泛存在于生物体中，尤其在海洋贝类中含量很多。它具有重要的促进人体健康的生理功能，是许多医药和食品添加剂的主要原料，有很大的市场需求。 我国拥有漫长的海岸线，人工养殖的各种海洋贝类产量很大，为了高附加值地开发和利用海洋贝类资源，增加农民的收入和保护海洋环境，研究开发高效的牛磺酸提取分离工艺有重要的现实意义。本文提出研究牛磺酸在离子交换树脂上的相平衡和动力学，主要涉及研究在不同条件下牛磺酸在不同离子交换树脂上的吸附相平衡和动力学性质，固定床吸附离子交换分离牛磺酸和甘氨酸过程的数学模型、模拟和优化，是研究从天然产物提取和纯化牛磺酸新工艺技术的基础，不仅具有科学研究意义而且具有重要的实际意义。 本文应用静态法分另IJ测定了牛磺酸，甘氨酸在D290阴离子离子交换树脂，谷氨酸和甘氨酸在001×7阳离子交换树脂上的离子交换平衡曲线。研究表明，D290阴离子交换树脂对牛磺酸的选择性大于对甘氨酸的选择性，而001×7阳离子交换树脂对甘氨酸的选择性大于对牛磺酸的选择性。随着平衡溶液pH值增大，氨基酸的平衡交换量先增大后减小。随着离子强度的增大，氨基酸的平衡交换量减小，而且树脂对氨基酸的相对选择系数也减小。 本文在前人提出的计量置换模型基础上，提出了一种新的吸附离子交换相平衡模型。根据牛磺酸在D290树脂上的相平衡数据，对这两个模型进行实验验证和比较，并估算了相应的相平衡参数。研究表明，本文提出的新离子交换相平衡模型，比经典的计量置换模型能更好的表述牛磺酸在D290树脂上的离子交换相平衡数据。这是本文在前人工作基础上的创新之处。 本文建立了液膜一颗粒扩散动力学模型，该模型同时考虑了溶质在两相间的传质和在固相中的扩散，本文还提出模型的数值求解方法和两个动力学参数的估算方法，并用牛磺酸和甘氨酸的吸附离子交换动力学实验数据对模型进行了验证。研究结果表明：该模型可以很好地描述牛磺酸和甘氨酸的吸附离子交换动力学曲线。这是本文的创新之处。研究结果还表明：搅拌速度增大，温度升高都可以增大氨基酸在液固两相间的传质速率；而溶液离子强度增大使得氨基酸在树脂上的平衡交换量减小，从而使氨基酸在两相间的传质速率减小。 本文分别建立固定床吸附离子交换过程和固定床色谱分离过程模型，并应用固定床吸附透过实验和色谱分离实验对模型进行实验验证。研究表明：所建立的模型能够较好地预测牛磺酸，甘氨酸等氨基酸在离子交换树脂固定床透过曲线和色谱分离流出曲线；流速增大，初始浓度增大，温度升高和固定床长度减小都使牛磺酸和甘氨酸的透过时间{和保留时间减小，离子强度增大不仅减小了牛磺酸和甘氨酸的透过时间和保留时间，而且减小了牛磺酸和甘氨酸的分离度。 本文分别对使用固定床吸附离子交换分离牛磺酸、甘氨酸和谷氨酸过程和使用固定床离子交换色谱分离牛磺酸和甘氨酸过程进行优化和比较。研究结果表明：使用001×7阳离子树脂固定床分离纯化牛磺酸所得收率和产率分别为使用D290阴离子树脂固定床色谱分离纯化牛磺酸所得收率和产率的5倍和10倍，因此本文建议使用001×7树脂固定床进行分离纯化牛磺酸和甘氨酸混合物。 本文研究了分别使用超声波协助提取法，微波协助提取法和普通的水煮法从翡翠贻贝肉中提取天然牛磺酸。研究结果表明：超声协助提取法得到牛磺酸最多，微波提取法得到牛磺酸次之，水煮提取法得到牛磺酸最少。本文对提取，脱蛋白，固定床吸附离子交换分离氨基酸过程进行优化和比较，提出了一套从贝肉中提取和分离纯化牛磺酸的生；产新工艺。这也是本文的创新之处。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 牛磺酸的生理特性

1.1.2 牛磺酸的存在形式

1.1.3 牛磺酸的生产方法

1.1.4 牛磺酸的市场需求

1.1.5 从贝类中提取牛磺酸的意义

1.2 天然有效成分的提取

1.2.1 组织细胞的破壁方法

1.2.2 天然产物的提取方法

1.3 混合氨基酸的分离方法

1.3.1氨基酸的两性电离性质

1.3.2特殊沉淀法

1.3.3离子交换法

1.3.4溶剂萃取法

1.3.5反胶团萃取法

1.4 吸附离子交换技术基础

1.4.1 离子交换剂及其分类

1.4.2 吸附离子交换相平衡

1.4.3 离子交换动力学

1.4.4 固定床色谱技术

1.5 本课题的研究背景和内容

第二章牛磺酸在D290树脂上的相平衡和动力学

2.1 理论部分

2.1.1牛磺酸的两性电离特性

2.1.2氨基酸与树脂之间的反应

2.1.3离子交换相平衡常数

2.1.4离子交换相平衡模型

2.1.5吸附动力学模型与参数估算

2.2实验仪器与试剂

2.2.1实验仪器

2.2.2实验试剂

2.2.3离子交换剂

2.2.4树脂的预处理与性能测定

2.3 实验方法

2.3.1离子交换树脂的选择实验

2.3.2牛磺酸离子交换平衡实验

2.3.3牛磺酸吸附离子交换动力学实验

2.3.4分析检测

2.4 实验结果与讨论

2.4.1吸附离子交换相平衡的研究

2.4.2牛磺酸的吸附离子交换动力学

2.4.3吸附离子交换相平衡参数的估算

2.4.4吸附离子交换动力学曲线的拟合

2.5 本章小结

第三章牛磺酸和甘氨酸的色谱分离

3.1 固定床吸附分离模型

3.1.1固定床连续性方程

3.1.2吸附离子交换相平衡方程

3.1.3传质速率方程

3.1.4初始和边界条件

3.1.5固定床吸附透过曲线数学模型的解法

3.1.6固定床吸附参数的估算

3.2 实验仪器与试剂

3.2.1实验试剂

3.2.2实验仪器

3.3 实验方法

3.3.1实验装置

3.3.2氨基酸固定床透过实验

3.3.3牛磺酸和甘氨酸固定床色谱分离实验

3.3.4分析检测

3.4结果与讨论

3.4.1牛磺酸在D290树脂固定床上透过实验

3.4.2牛磺酸和甘氨酸色谱分离实验

3.5 氨基酸分离曲线的拟合

3.5.1氨基酸吸附离子交换模型：

3.5.2氨基酸吸附透过曲线的拟合

3.5.3氨基酸色谱分离模型

3.5.4混和氨基酸色谱分离曲线的拟合

3.6 本章小结

第四章氨基酸在阳离子固定床上的透过曲线

4.1 实验仪器与试剂

4.1.1试剂

4.1.2实验仪器

4.1.3离子交换剂

4.1.4树脂的预处理和性质测定

4.2 实验方法：

4.2.1氨基酸相平衡的实验

4.2.2不同温度下甘氨酸吸附离子交换动力学实验

4.2.3甘氨酸和谷氨酸在阳离子交换树脂上透过实验

4.2.4牛磺酸，甘氨酸和谷氨酸的固定床透过实验

4.2.5分析检测

4.3 实验结果与讨论

4.3.1牛磺酸、甘氨酸在阳离子交换树脂上的吸附离子交换等温线

4.3.2 pH值对甘氨酸和谷氨酸吸附离子交换相平衡的影响

4.3.3离子强度对Gly/H+和Glu/H+体系吸附离子交换相平衡的影响

4.3.4甘氨酸在三种离子交换树脂上的动力学曲线

4.3.5氨基酸在001×7树脂上的动力学曲线的拟合

4.3.6牛磺酸，甘氨酸和谷氨酸的透过曲线

4.3.7牛磺酸，甘氨酸和谷氨酸透过曲线的拟合

4.4 本章小结

第五章两种牛磺酸分离工艺的优化与比较

5.1 两种牛磺酸分离工艺和过程数学模型

5.1.1 001×7树脂固定床吸附分离牛磺酸的数学模型

5.1.2 D290树脂固定床色谱分离牛磺酸和甘氨酸的数学模型

5.2 固定床分离过程的优化方法

5.2.1目标函数及约束条件

5.2.2过程参数灵敏性分析方法

5.2.3寻优方法

5.3 两种分离过程的优化

5.3.1 001×7树脂固定床吸附分离过程优化

5.3.2 D290树脂固定床色谱分离过程优化

5.3.3两种分离过程的比较

5.4 本章小结

第六章天然牛磺酸的提取与分离新工艺

6.1 牛磺酸的提取分离工艺

6.2实验试剂与仪器

6.2.1 实验仪器

6.2.2 实验试剂

6.3 实验方法与步骤

6.3.1 贝肉的破碎

6.3.2 混合氨基酸的提取

6.3.3 氨基酸提取液脱蛋白实验

6.3.4 固定床分离混合氨基酸实验

6.3.5 检测方法

6.4 实验结果与讨论

6.4.1 水煮法提取贝肉中的总酸

6.4.2 超声法强化提取贝肉中的总酸

6.4.3 微波法强化提取贝肉中的总酸

6.4.4 三种不同提取方法的比较

6.4.5 混合氨基酸提取液的脱蛋白

6.4.6 固定床分离提取液中的混合氨基酸

6.4.7 牛磺酸提取分离新工艺的提出

6.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢

评定意见