活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭吸附液体中的赖氨酸

　　生物精炼厂中赖氨酸主要从糖源如葡萄糖，糖蜜通过微生物发酵生产的。使用合适的选择性分离和纯化技术来提取水性发酵液中的赖氨酸是降低投资和生产成的好方法，这也是生物精炼厂控制成本的关键步骤。本次我们使用活性炭用为氨基酸(尤其是赖氨酸)的吸附剂，通过测试研究活性炭选择性地从葡萄糖中分离赖氨酸和葡萄糖。测试过程中使用定制的活性炭作为吸附剂，研究了赖氨酸和葡萄糖的选择性分离，并通过多种测试方法了解活性炭质地和表面化学性质对赖氨酸吸附特性的影响。

　　赖氨酸在不同活性炭上的吸附测试

　　通过使用赖氨酸的单溶质水溶液测试了一组不同的活性炭。选择30°C的吸附温度是因为发酵过程通常使用30至34°C之间的温度。不同的活性炭的赖氨酸吸附容量显示在图1一个。比表面积与吸附性能的相关性表明高表面积确实有利于高吸附能力。然而，这种趋势不是线性的，并且实验数据分散，从而得出结论，有更多的因素需要尝试去理解吸附性能。低表明活性的活性炭，对低极性的赖氨酸(两性离子态)具有很高的亲和力。这种吸附行为可以通过非特异性的焓驱动疏水作用和范德华力来解释。然而，具有大量氧官能团的活性炭也显示出对赖氨酸的很高吸附。对于单溶质赖氨酸吸附，吸附容量和功能之间无法建立关联。

　　图1：a、使用具有相应表面积的市售活性炭吸附的赖氨酸量。误差线对应于从三次重复实验确定的标准偏差。b、赖氨酸在Langmuir吸附等温线模型上的吸附等温线。

　　为了获得有关吸附材料与赖氨酸之间相互作用的更多信息，测量了赖氨酸的单组分吸附等温线(图1b)。将赖氨酸吸附数据拟合到Langmuir吸附等温线模型。该模型假设单层吸附，其中吸附仅发生在固定数量的相同和等同的确定局部位点，被吸附分子之间没有横向相互作用和空间位阻。特征平稳期指示平衡饱和点，其中一旦分子占据一个位点，就不再发生吸附。

　　赖氨酸和葡萄糖的竞争性吸附

　　重要的是要了解吸附过程的选择性，因为赖氨酸是通过葡萄糖的发酵以工业规模生产的，并且存在不同成分的混合物。作为模型溶液，使用了等效质量的赖氨酸和d-葡萄糖的混合物。保持浓度低于单模型溶液的浓度，以抑制不希望的反应。图2显示了活性炭的竞争性吸附性能。 单组分吸附对赖氨酸的吸附能力相对较高，而与活性炭的各自特性无关。在多组分吸附中，考虑到吸附的选择性，活性炭表面性能的影响变得更加明显。发现选择性与表面氧基团的数量相关，因为较高的氧基团转化为对赖氨酸的较高的选择。

　　图2：使用活性炭的竞争性吸附实验中，赖氨酸和葡萄糖的吸附量。

　　在单组分吸附中，极性最低的赖氨酸(在pH10时)的解离状态适合在疏水性活性炭上的吸附。出人意料的是，竞争性吸附表明，亲水性更高的活性炭(由较高的氧表面基团含量引起)导致对赖氨酸吸附的选择性更高。我们建议，葡萄糖(在pH10时不带电)吸附主要依赖于基于较弱范德华力和疏水相互作用的物理吸附。由于葡萄糖和赖氨酸的极性相似，因此无法针对低功能化碳进行基于物理吸附的分离。相反，氧官能团含量的增加使得赖氨酸的胺基团与活性炭的氧表面基团之间的静电相互作用和氢键增强，从而与葡萄糖相比对赖氨酸具有更高的选择性。为了进一步了解赖氨酸-葡萄糖吸附对赖氨酸的高选择性的起源并增强吸附性能，对活性炭进行了系统地改性，以适应表面化学性质。

　　对赖氨酸的吸附及其在活性炭上与葡萄糖的分离进行了详细的分析。通过测试各种不同的活性炭，高比表面积和大量氧气表面官能团的结合被证明可实现高赖氨酸吸附能力。从同时包含赖氨酸和葡萄糖的水相中吸附赖氨酸的选择性在很大程度上取决于活性炭的表面功能，而不是比表面积。为了获得更多见解，活性炭通过硝酸氧化来定制，从而使赖氨酸的吸附能力显着提高了30%，分离系数提高了13倍。pH等吸附条件对赖氨酸的摄取有重要影响。通过在重复吸附过程中测试氧化的活性炭进行了回收实验，结果表明赖氨酸的吸附能力仅略有下降，这强调了表面功能化的稳定性。

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