活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭对乳酸的吸附行为，在这项研究中，乳酸的稀释浓度(<10克/ L)被活性炭在各种操作条件下进行了实验研究。乳酸(2-羟基丙酸)由于其在食品，医药，制药，包装和纺织等行业的应用，是一种重要的商业化学品。在过去的几十年中，对乳酸的需求量非常高，特别是在可生物降解的聚合物，即具有取代传统日用塑料的潜力的聚乳酸(PLA)中的应用。与传统塑料材料相比，聚乳酸基塑料具有一些独特的特点，如抗拉强度高，刚度高，抗油脂性好。然而，它们要求在一些特性和特征，如粘度，热稳定性和生产成本需要进一步改进。通过与其他几种合成聚合物(例如聚苯乙烯，聚乙烯或聚丙烯)和生物聚合物(例如热塑性淀粉，橡胶或聚(3-羟基丁酸酯))混合，可以改善PLA的性能，以获得成本更低且成本更高的新型可生物降解材料耐久性相对于传统的的塑料材料。然而，由于其高度亲水的结构和缺乏有效的低成本纯化技术，提取，纯化和连续供应来自发酵过程的乳酸作为原料是一个主要挑战。

　　乳酸具有手性碳原子，并存在两种异构形式，即L - (+)和D - ( - )。工业上优选的L - (+)乳酸可以通过乙醛的化学合成或通过发酵过程来生产，其中后者占全球乳酸生产的约90%。传统上，乳酸是由纯乳酸菌属的乳酸菌培养物通过均质乳酸发酵过程产生的。几个下游加工技术已经被用于回收从发酵液中乳酸，例如，乳酸钙结晶，离子交换，吸附，酯化蒸馏/水解，膜提取和电渗析。在这些技术中，活性炭吸附适用于具有低浓度的乳酸发酵液，特别是从混乳酸发酵。活性炭可以在我们这买到各种官能团和载体基质，使得吸附过程在各种操作条件下更加灵活。吸附能力和效率受多种因素影响，如吸附剂的性质(孔隙率，表面积，粒径和官能团)，被吸附物(极性，pK a，分子量，结构和溶质浓度)以及操作条件(接触时间，pH值，温度和搅拌速度)。

　　已经研究了活性炭从在室温下的发酵液乳酸或有机酸的吸附。大多数阴离子树脂对微生物无毒，因此可直接用于发酵罐。活性炭具有在水和废水处理领域中的广泛应用，因为它具有大的表面积(〜1100米高度多孔的结构2/G)。粒状活性炭还示出了朝向像乙酸，乳酸和丁酸，因为它的非极性性质在不同的pH条件下有机酸特异性亲和力。

　　图1. 在乳酸吸附到活性炭，RLX425和AMB400中接触时间(0-24小时)

　　温度对活性炭吸附乳酸的影响

　　温度的影响(30至80 °C)显示从模型发酵肉汤吸收乳酸的一个有趣的趋势(图 2a )。当温度从30°C升高到80°C时，活性炭的吸附能力分别下降了〜13%和〜50%。在本研究中测试的吸附剂中，活性炭是乳酸回收最有效的吸附剂，因为其在不同温度范围的操作灵活性大。乳酸吸附容量下降约20%，在较高温度下乳酸吸附的降低主要是由于吸附剂的活性位点和吸附分子之间的弱相互作用。由活性炭和胺基团提取的酸显示出放热，并且随着温度的升高而降低，原因如下：(i)对吸附分子的吸附亲和力降低， (ii)将平衡移向液相， 和(三)促进解吸作为反应是放热的性质。

　　图2. (a)温度(30-80°C)对本体溶液中4.5 g / L乳酸吸附容量的影响伴随着初始pH校正和10%(w / v)吸附剂剂量(b)在30-80°C的温度范围内，在4.5g / L的乳酸浓度下ln K L相对于1 / T的图。

　　活性炭吸附乳酸的前景

　　活性炭表现出较高的乳酸去除效率，其适合于大多数的发酵过程中，回收的乳酸值。与其它材料相比，热力学分析显示活性炭在30-80°C范围内具有稳定的乳酸吸附。所以，这使得活性炭可以在很宽的工作温度范围内回收乳酸。另外，需要在存在发酵液中存在的其他组分(如糖，有机酸，盐和氨基酸)的情况下评估乳酸竞争性吸附的效果。

　　目前的研究表明，活性炭是一种好的吸附剂。然而，吸附在吸附剂上的乳酸的量不能作为选择合适吸附剂的唯一参数。另外，活性炭的吸附能力经过不同的吸附和解吸循环后可以降低，因此活性炭的长期性能对选择最经济可行的材料至关重要。从吸附剂中解吸乳酸是一个重要的因素，需要作为下游加工策略来考察，但超出了本研究的范围。

　　除了解吸研究之外，重要的是利用固定床吸附塔放大批量实验以及分析乳酸吸附穿透曲线，以评估从发酵中去除乳酸的最经济和可行的吸附剂肉汤。通过用有机溶剂(例如丙酮和甲醇)解吸乳酸，可以达到> 99%的光学纯度。当用HCl，NaOH和NaCl解吸时，乳酸的光学纯度略有下降。此外，酸的光学纯度将受模型或真实发酵液中其他成分的存在的影响。污染可以通过过滤或酸/碱处理来降低。因此，进一步的研究可以优化综合的或甚至原位从用于发癣菌发酵的实际发酵液中回收有机酸。

　　活性炭成功地应用于从模型发酵液中分离乳酸，pH值高于和低于pK a(3.86)乳酸值。温度实验表明，温度从30°C升高到80°C，活性炭的乳酸回收率有所下降。从热力学分析，乳酸吸附到吸附剂表明活性炭可以很好的吸附解吸乳酸。

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