活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭对谷氨酸发酵液脱色的研究

　　谷氨酸是一种重要的氨基酸，广泛应用于食品工业作为风味增强剂，以及在生物化学领域的多种用途中。它通常通过微生物发酵生产，发酵过程会生成含有谷氨酸的发酵液，同时夹杂有色杂质，这些杂质会影响最终产品的质量。因此，脱色是发酵液提纯过程中的关键步骤，用于去除这些有色化合物。

　　活性炭因其高吸附能力而被广泛用于脱色，能够吸附多种有机化合物。本文探讨了活性炭在谷氨酸发酵液脱色中的应用，重点分析最佳脱色条件、吸附特性、动态脱色过程以及与其他提纯技术的整合。

　　脱色的最佳条件

　　研究表明，活性炭在特定条件下可显著提高谷氨酸发酵液的脱色效率。对于静态吸附(使用2倍稀释的无细胞上清液)，最佳参数如下：

　　颗粒大小：200目

　　碘值：1000

　　材料：煤基

　　pH：6.0

　　时间：140分钟

　　温度：40℃

　　在这些条件下，脱色率达到94.42%，γ-聚谷氨酸(γ-PGA)回收率为94.22%。这些参数确保活性炭有效去除有色杂质，同时最大限度保留发酵液中的有用成分。碘值1000表明活性炭具有高吸附能力，而煤基材料因成本效益高而被优先选择。

　　吸附特性

　　活性炭对发酵液中色素的吸附遵循朗muir吸附等温模型，表明色素以单分子层形式吸附在碳表面。朗muir模型比弗朗德利希模型更适合描述该过程，弗朗德利希常数1/n为0.49，朗muir分离因子R_L为0.17，表明吸附过程是有利的。

　　热力学分析进一步揭示了吸附过程的特性：

　　吉布斯自由能变化(ΔG)：负值，表明吸附是自发的。

　　焓变(ΔH)：正值，表明吸附是吸热的，较高温度有利于吸附。

　　熵变(ΔS)：正值，表明吸附过程增加了系统的混乱度。

　　这些特性表明，活性炭吸附是一个高效且热力学上可行的过程。

　　动态脱色

　　在动态脱色中，发酵液通过活性炭柱流动，最佳流速为1床体积/小时(BV/h)。这一流速确保发酵液与活性炭充分接触，从而最大化脱色效果。动态脱色适用于工业规模的连续处理，能够提高生产效率。

　　影响脱色率的因素

　　多种因素影响脱色率和γ-PGA的回收率，具体如下表所示：

　　因素关键发现

　　颗粒大小：小于200目时脱色率随颗粒减小而增加，200目时脱色率95.93%，40目时仅2.66%，γ-PGA回收率随颗粒减小而降低。

　　剂量：脱色率随剂量增加而提高，0.0625%-0.25%时增幅最大;0.125%时脱色率54.05%，γ-PGA回收率99.02%。

　　材料：煤基、木基、果壳基活性炭脱色效率无显著差异(p>0.05)，煤基因成本低而优先。

　　时间：脱色率随时间增加，150分钟后趋于稳定，50分钟时γ-PGA回收率99.02%。

　　pH：pH低于6.0时脱色率随pH降低而增加，pH5.0为最佳平衡点。

　　温度：脱色率和γ-PGA回收率随温度从25℃升至70℃而增加;热力学参数(pH5.0，50分钟)：ΔG(-3.35至-4.01kJ/mol)，ΔH(-1.01kJ/mol)，ΔS(14.64J/mol·K)，R²0.98。

　　这些因素的优化对于实现高效脱色和最大化产品回收至关重要。例如，较小的颗粒大小可提高脱色率，但可能牺牲γ-PGA回收率，因此需要权衡。

　　与等电点沉淀的整合过程

　　研究开发了一种整合活性炭吸附与等电点(IEP)沉淀的工艺。该工艺首先进行活性炭吸附，随后通过等电点沉淀提取谷氨酸。这种顺序的最终脱色率达到95.80%，谷氨酸沉淀率为49.02%。回收的谷氨酸可重复用于发酵过程，显著提高了工艺的可持续性。

　　活性炭在谷氨酸发酵液脱色中表现出色，尤其在优化条件下。吸附过程符合朗muir模型，热力学上自发、吸热且伴随熵增加。颗粒大小、剂量、材料、时间、pH和温度等因素显著影响脱色率和γ-PGA回收率。将活性炭吸附与等电点沉淀结合，提供了一种高效的提纯策略，显著提高了谷氨酸的纯度和回收率。

　　这项研究为活性炭在生物加工中的应用提供了重要见解，特别是在食品和生物化学工业中。未来的研究可进一步探索其他吸附材料或工艺优化的可能性，以提高效率和降低成本。

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