1 十五碳二元酸发酵液的脱色工艺研究

朱忠敏 唐凤翔 郑磊 郭养浩

（福州大学药物生物技术与工程研究所，福建 350108，中国）

摘要：本文研究了6种活性炭对十五碳二元酸发酵液的脱色影响，确定了最适合该发酵液体系的活性炭。同时通过单因素实验，分别考察了活性炭加入量、脱色时间、脱色温度、发酵液pH值对脱色效果的影响，确立了较适宜的发酵液脱色工艺： 活性炭加入量7%，脱色时间20min，脱色温度60℃，pH=8，此时的发酵液脱色率为73.91%，脱色效果不理想，拟从进一步脱色或二元酸盐结晶的角度出发来提高十五碳二元酸的纯度。

关键词：十五碳二元酸；活性炭；脱色

Decolorization of Fermentation Liquid Containing

1, 15-Pentadecanedioic acid

ZHU Zhongmin，TANG Fengxiang，ZHENG Lei，Guo Yanghao

(Institute of Pharmaceutical Biotechnology and Engineering Fuzhou University， Fujian 350108，China)

Abstract: The decolorization of 1, 15-Pentadecanedioic acid was carried out using six kinds of activated carbons, and the optimum activated carbon was singled out. Then the effects of activated carbon dosage, decolorizing time, decolorizing temperature, pH value on the decolorization efficiency of fermentation broth were investigated, respectively. The proper conditions are obtained as follows: amount of activated carbon was 7%, decolorizing time was 20min, decolorizing temperature was 60℃, pH value of fermentation liquor was 8. However, the corresponding color removal ratio was only 73.91%. It is suggested that further decolorization or crystallization may helpful for increasing the purity of 1, 15-Pentadecanedioic acid. Keywords: 1, 15-Pentadecanedioic acid; activated carbon; decolorization

收率高，成本低，是目前十五碳二元酸唯一的合成

引言

十五碳二元酸（DC15）是合成名贵香料环十五酮和3-甲基环十五酮（麝香酮）的重要原料。环十五酮和麝香酮都具有纯麝香香味，可以代替天然麝香配制多种名贵的中成药，治疗多种疾病。临床应用表明，其疗效与天然麝香差不多[1]。十五碳二元酸在自然界中不存在，利用微生物特异性反应进行烃类生物转化制备十五碳二元酸的工艺路线简单，

路线。十五碳二元酸的发酵工艺研究比较成熟，但下游精制的产品仍旧存在色素脱除不彻底，严重影响其后续产品的开发[2]，所以脱色是提取发酵液中 DC15的重要环节。活性炭吸附是二元酸脱色中比较有效且成本较低的方法。本文考察了6种活性炭对十五碳二元酸发酵液的脱色效果及各因素的影响，以期得到较佳的活性炭脱色工艺条件，为工业上十五碳二元酸发酵液的脱色提供依据。

1.实验部分

1.1 材料与仪器 (1) 原料

十五碳二元酸发酵液；6种粉末活性炭分别购自不同的厂家，标记为C1、C2、C3、C4、C5、C6（除C2是物理炭外其它均为磷酸型活性炭）。 (2) 仪器

T6新世纪-紫外可见分光光度计（北京普析通用仪器有限责任公司），FE20实验室pH计（梅特勒-拖利多仪器(上海)有限公司），SENCO恒温浴锅（上海申生科技有限公司），PL203电子天平（梅特勒-拖利多仪器(上海)有限公司）。 1.2 实验方法 1.2.1 发酵液抽滤

取一定量发酵液，经抽滤除菌得棕黄色滤液，pH值为10.86，滤液收集于容量瓶中备用。 1.2.2 检测波长的确定

由于色素的组成比较复杂,目前尚无确切的方法进行测定,一般以相对值来表示。将发酵液稀释成不同浓度,分别在波长380、400、420、440、450、460nm处，把它们对光的吸光强度与相对应的浓度作图，选择线性关系最好的波长作为比色法测定二元酸发酵液色素的最佳波长[3]

。 1.2.3 活性炭脱色

取一定量发酵液，调节发酵液pH值到预定值，再加入一定量的活性炭，置于水浴中加热（间歇振荡）。脱色结束后过滤，用蒸馏水洗涤炭饼，再定容至同一浓度，最后统一过微孔膜进一步除去活性炭。测定滤液色度[4]。 1.2.4 色度的测定

取3mL蒸馏水（参比液）于石英比色皿中，在一定波长下扫描，在此基础上，取未脱色滤液于比色皿中，测定其吸光值，记为A0，脱色后的滤液记为A。

脱色率公式如下：

脱色率 =（1- A/A0）×100%

A—脱色后发酵液色度，A0—脱色前发酵液色度。

2.结果与讨论

2.1 发酵液中色素测定波长的确定

表1 不同波长下的相关系数 Table1 Correlation coefficients of

different wavelengths 波长(nm)

线性关系

380 R2 = 0.9990 400 R2

= 0.9992 420 R2 = 0.9987 440 R2 = 0.9973 450 R2 = 0.99 460 R2 = 0.9946

图1给出了不同色度浓度在不同波长下的吸光值，分别线性回归得对应的相关系数，列于表1中。由此可见，波长为400nm时线性关系最好，故后续发酵液脱色率测定中以400nm作为检测波长。

2.0 380nm e 400nmu1.6l 420nma v 440nm n1.2 450nmoi 460nmt cn0.8itxe 0.4 0.00.00.20.40.60.81.01.2 pigment concentration/%

图1 检测波长的确定 Fig. 1 Choice of detection wavelengths

2.2 活性炭的选择

在发酵液pH=10.86，活性炭用量3%，脱色温度40℃，脱色时间20min时，6种活性炭对应的发酵液脱色率见图2。发酵液在未脱色前为棕黄色, 吸光度较高,脱色后吸光度降低, 吸光度降低程度越大表明脱色效果越好。从图2可以看出C6炭的脱色效果最好，故在后续考察各因素对发酵液脱色的影响时均选用C6炭。

45

%40/oit35 ar l30avo25 me20 r 15orlo10c 50

C1C2C3C4C5C6 the kinds of activated carbon

图2 不同活性炭对应的发酵液脱色率 Fig.2 Color removal ratios of different activated carbons

2.3 活性炭用量对脱色效果的影响

其它条件不变，只改变活性炭用量进行脱色效果测定。脱色条件：脱色时间20min，脱色温度40℃，pH=10.86，活性炭用量分别为0.5%、1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%，相应的脱色率如图3所示。

80% /70oita60r la50ovm40 er or30l oc2010

012345671011the dosage of activated carbon/g

图3 活性炭加入量对脱色率的影响 Fig.3 Effect of activated carbon dosage on color removal ratio

从图3可以看出,在一定范围内，随着活性炭加入量的增加, 脱色效果显著增强。 但当活性炭用量大于7%时, 脱色率增加不明显。这是因为此时活性炭吸附已达到吸附平衡，色素在溶液中的浓度和在吸附剂表面上的浓度都不变，再增加用量也不会增大它的吸附量，且考虑到活性炭的成本，所以活性炭用量为发酵液质量的7%。 2.4 脱色时间对脱色效果的影响

脱色时间也是影响脱色效果的重要因素, 脱色时间的长短决定了操作的成本和脱色是否彻底。图4考察了脱色时间对活性炭脱色效果的影响。脱

色条件：活性炭用量7%，脱色温度40℃，pH=10.86，脱色时间分别为10、15 、20 、30 、40 、50 、60 min。

68%

/66oita r lavo62 m er60 rolo58 c56 10203040506070

t/min 图4 脱色时间对脱色率的影响 Fig.4 Effect of decolorizing time on color removal ratio

从图4可以看出，20min以后脱色率就基本不变，保持在62%~%范围内。脱色时间长, 被吸附的物质分子与活性炭表面的接触机会多, 有利于吸附作用, 尤其在吸附一些大分子量的色素分子时, 由于分子较大, 扩散速度慢, 需要较长时间才能达到吸附平衡[5]

。出于提高设备利用率和节省时间考虑，DC15发酵液的脱色时间为20min较适宜。

2.5 脱色温度对脱色效果的影响

图5为不同温度对发酵液脱色率的影响。脱色条件：活性炭用量7%，脱色时间20 min，pH=10.86，脱色温度分别为30、40、50、60、70、80℃。

%/oi62 tar la60v omer58 roloc56

30

40

5060

70

80

90

T/℃

图5 脱色温度对脱色率的影响 Fig.5 Effect of decolorizing temperature on color removal ratio

由图5可知，在较低的温度范围内，脱色率随温度增加而显著增大；当温度超过60℃时，脱色率随温度增大减缓。这是因为温度升高，溶液的粘度减少, 降低了分子的运动阻力, 从而使分子运动速度加快, 被吸附物质向吸附剂表面的扩散速度增加, 吸附物质进入吸附剂小孔的机会多, 有利于吸附过程的进行，但如果温度过高, 色素解吸速度也会增大[5~7], 因而造成脱色率增大不明显。综合考虑上述因素以及能耗，脱色温度以60℃为宜。 2.6 发酵液pH值对脱色效果的影响

用盐酸将发酵液调到不同的pH值，其它条件不变进行脱色。脱色条件：活性炭用量7%，脱色时间20 min，脱色温度60℃，pH值分别为7、8、9、10、11、12，脱色率如图6所示。

85 %/o80 Bita r75lavo70 me65 rorl o60c55 50

710111213 pH 图6 pH对脱色率的影响 Fig.6 Effect of pH on color removal ratio 发酵液pH值也是影响脱色效果的重要因素。从图6可以看出，随着pH值的降低脱色效果显著增强。这是因为活性炭为非极性吸附剂，它与大分子色素（主要为羟基类和酚类化合物

[10]

）之间的吸附

作用主要是物理吸附，降低pH值有利于大分子色

素以分子形态存在，更容易被吸附[8]

；反之，随着pH值增大，色素以离子状态存在，在溶液中的溶解度增大，更难易被活性炭吸附。此外，本文采用的C6活性炭为磷酸型活性炭，在酸性条件下脱色效果更好[7~9]，但酸性条件不适合该发酵液体系，因为当pH≤7时会有十五碳二元酸晶体析出。综合考虑上述因素, 应选择发酵液的pH值为8.0。 2.7 脱色工艺的确定

由上述可见，十五碳二元酸发酵液较适宜的脱色工艺为：活性炭加入量7%，脱色时间20min，脱色温度60℃，pH=8，此时的发酵液脱色率为73.91%，脱色效果并不理想，应从其它方面考虑，来进一步提高它的脱色率或产品纯度。

活性炭吸附用于十五碳二元酸发酵液的脱色率不高，与pH只能控制在碱性范围的瓶颈作用有关。因此提高十五碳二元酸产品的纯度可以结合其它方法，如十五碳二元酸粗品经进一步脱色后再结晶或在一次结晶时以十五碳二元酸盐形式结晶来减少色素夹带

[11]

。

3.结论

(1). 通过对活性炭的筛选，确定了最适合十五碳二元酸发酵液的活性炭为C6。

(2). 十五碳二元酸发酵液较适宜的活性炭脱色工艺为：活性炭加入量为7%，脱色时间20min，脱色温度为60℃, 发酵液pH=8.0，此时发酵液脱色率仅为73.91%，脱色效果不理想。

(3). 可通过对十五碳二元酸粗品的进一步脱色或以长链二元酸盐形式的初步结晶来减少色素夹带的方法提高最终产品的脱色率或纯度。

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