活性炭吸附液體中的賴氨酸

　　生物精煉廠中賴氨酸主要從糖源如葡萄糖，糖蜜通過微生物發(fā)酵生產(chǎn)的。使用合適的選擇性分離和純化技術(shù)來提取水性發(fā)酵液中的賴氨酸是降低投資和生產(chǎn)成的好方法，這也是生物精煉廠控制成本的關(guān)鍵步驟。本次我們使用活性炭用為氨基酸(尤其是賴氨酸)的吸附劑，通過測(cè)試研究活性炭選擇性地從葡萄糖中分離賴氨酸和葡萄糖。測(cè)試過程中使用定制的活性炭作為吸附劑，研究了賴氨酸和葡萄糖的選擇性分離，并通過多種測(cè)試方法了解活性炭質(zhì)地和表面化學(xué)性質(zhì)對(duì)賴氨酸吸附特性的影響。

　　賴氨酸在不同活性炭上的吸附測(cè)試

　　通過使用賴氨酸的單溶質(zhì)水溶液測(cè)試了一組不同的活性炭。選擇30°C的吸附溫度是因?yàn)榘l(fā)酵過程通常使用30至34°C之間的溫度。不同的活性炭的賴氨酸吸附容量顯示在圖1一個(gè)。比表面積與吸附性能的相關(guān)性表明高表面積確實(shí)有利于高吸附能力。然而，這種趨勢(shì)不是線性的，并且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分散，從而得出結(jié)論，有更多的因素需要嘗試去理解吸附性能。低表明活性的活性炭，對(duì)低極性的賴氨酸(兩性離子態(tài))具有很高的親和力。這種吸附行為可以通過非特異性的焓驅(qū)動(dòng)疏水作用和范德華力來解釋。然而，具有大量氧官能團(tuán)的活性炭也顯示出對(duì)賴氨酸的很高吸附。對(duì)于單溶質(zhì)賴氨酸吸附，吸附容量和功能之間無法建立關(guān)聯(lián)。

　　圖1：a、使用具有相應(yīng)表面積的市售活性炭吸附的賴氨酸量。誤差線對(duì)應(yīng)于從三次重復(fù)實(shí)驗(yàn)確定的標(biāo)準(zhǔn)偏差。b、賴氨酸在Langmuir吸附等溫線模型上的吸附等溫線。

　　為了獲得有關(guān)吸附材料與賴氨酸之間相互作用的更多信息，測(cè)量了賴氨酸的單組分吸附等溫線(圖1b)。將賴氨酸吸附數(shù)據(jù)擬合到Langmuir吸附等溫線模型。該模型假設(shè)單層吸附，其中吸附僅發(fā)生在固定數(shù)量的相同和等同的確定局部位點(diǎn)，被吸附分子之間沒有橫向相互作用和空間位阻。特征平穩(wěn)期指示平衡飽和點(diǎn)，其中一旦分子占據(jù)一個(gè)位點(diǎn)，就不再發(fā)生吸附。

　　賴氨酸和葡萄糖的競(jìng)爭(zhēng)性吸附

　　重要的是要了解吸附過程的選擇性，因?yàn)橘嚢彼崾峭ㄟ^葡萄糖的發(fā)酵以工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的，并且存在不同成分的混合物。作為模型溶液，使用了等效質(zhì)量的賴氨酸和d-葡萄糖的混合物。保持濃度低于單模型溶液的濃度，以抑制不希望的反應(yīng)。圖2顯示了活性炭的競(jìng)爭(zhēng)性吸附性能。 單組分吸附對(duì)賴氨酸的吸附能力相對(duì)較高，而與活性炭的各自特性無關(guān)。在多組分吸附中，考慮到吸附的選擇性，活性炭表面性能的影響變得更加明顯。發(fā)現(xiàn)選擇性與表面氧基團(tuán)的數(shù)量相關(guān)，因?yàn)檩^高的氧基團(tuán)轉(zhuǎn)化為對(duì)賴氨酸的較高的選擇。

　　圖2：使用活性炭的競(jìng)爭(zhēng)性吸附實(shí)驗(yàn)中，賴氨酸和葡萄糖的吸附量。

　　在單組分吸附中，極性最低的賴氨酸(在pH10時(shí))的解離狀態(tài)適合在疏水性活性炭上的吸附。出人意料的是，競(jìng)爭(zhēng)性吸附表明，親水性更高的活性炭(由較高的氧表面基團(tuán)含量引起)導(dǎo)致對(duì)賴氨酸吸附的選擇性更高。我們建議，葡萄糖(在pH10時(shí)不帶電)吸附主要依賴于基于較弱范德華力和疏水相互作用的物理吸附。由于葡萄糖和賴氨酸的極性相似，因此無法針對(duì)低功能化碳進(jìn)行基于物理吸附的分離。相反，氧官能團(tuán)含量的增加使得賴氨酸的胺基團(tuán)與活性炭的氧表面基團(tuán)之間的靜電相互作用和氫鍵增強(qiáng)，從而與葡萄糖相比對(duì)賴氨酸具有更高的選擇性。為了進(jìn)一步了解賴氨酸-葡萄糖吸附對(duì)賴氨酸的高選擇性的起源并增強(qiáng)吸附性能，對(duì)活性炭進(jìn)行了系統(tǒng)地改性，以適應(yīng)表面化學(xué)性質(zhì)。

　　對(duì)賴氨酸的吸附及其在活性炭上與葡萄糖的分離進(jìn)行了詳細(xì)的分析。通過測(cè)試各種不同的活性炭，高比表面積和大量氧氣表面官能團(tuán)的結(jié)合被證明可實(shí)現(xiàn)高賴氨酸吸附能力。從同時(shí)包含賴氨酸和葡萄糖的水相中吸附賴氨酸的選擇性在很大程度上取決于活性炭的表面功能，而不是比表面積。為了獲得更多見解，活性炭通過硝酸氧化來定制，從而使賴氨酸的吸附能力顯著提高了30%，分離系數(shù)提高了13倍。pH等吸附條件對(duì)賴氨酸的攝取有重要影響。通過在重復(fù)吸附過程中測(cè)試氧化的活性炭進(jìn)行了回收實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明賴氨酸的吸附能力僅略有下降，這強(qiáng)調(diào)了表面功能化的穩(wěn)定性。

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