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甘氨酸作为一种重要化学中间品,广泛应用于医药、食品等行业。在国内,生产甘氨酸主要采用氯乙酸氨解法,此法操作简单、条件温和,但伴随生成大量的副产物氯化铵,其中甘氨酸和氯化铵分别约占总质量比重的50%和48%,两种物质在水中的溶解度较高,且差异较小。高盐浓度对分离技术及分离设备要求苛刻,可用于脱盐的传统电渗析技术及离子交换技术不适用于该物料体系。采用色谱分离技术可实现甘氨酸与氯化铵高效和环保的绿色分离。 本课题首先筛选高效色谱固定相树脂,通过单因素实验、Placket-Burman设计实验、Box-Behnken响应面设计实验等研究优化得到最优色谱分离条件;通过前沿分析法,测定甘氨酸和氯化铵吸附等温线,在吸附等温实验的基础上,测定并推算出甘氨酸和氯化铵的吸附焓、吸附自由能及其吸附熵,并从吸附焓、吸附自由能及吸附熵的热力学角度,系统了解甘氨酸和氯化铵的吸附过程及机理;通过示踪法测定树脂的空隙率,基于扩散平衡色谱模型,采用矩量分析法来测定甘氨酸和氯化铵的扩散及其传质系数,从动力学的角度上研究了甘氨酸和氯化铵的传质扩散过程;进行仿真模拟模拟甘氨酸及氯化铵色谱分离流出曲线,验证所求的参数是有效性。 结果表明,HZ-G01的色谱分离效果最优,在此基础上得出最佳色谱条件为:进样浓度156.5 g/L、洗脱速度1.59 mL/min、进样pH5.89,甘氨酸与氯化铵的分离度达1.24,甘氨酸的回收率为98.8%。 通过吸附等温的吸附实验,得到甘氨酸在45℃、50℃、55℃、60℃吸附平衡常数分别为0.5632、0.7248、0.7811、0.8042;氯化铵吸附平衡常数为0.1499、0.1908、0.1968、0.2119。对甘氨酸和氯化铵热力学参数进行了测定,甘氨酸和氯化铵吸附焓均为负数,其中甘氨酸△H绝对值最大为21.22 KJ/mol,氯化铵△H绝对值最大为20.03 KJ/mol,两者均小于40 KJ/mol,这样的吸附表明为物理吸附;甘氨酸和氯化铵吸附自由能均为负数,随着温度的变化,吸附自由能△G都比较低,同时甘氨酸和氯化铵的吸附熵均为负值,从而也再次证明吸附过程为物理吸附特征。 通过实验推算出树脂颗粒的外部堆积空隙率为0.42,总空隙率为0.89,树脂内部空隙率0.82;测定扩散系数和传质系数:在50℃和60℃下甘氨酸的传质系数为1.30 min-1、2.41 min-l;氯化铵的传质系数为0.77 min-1、0.84 min-1。甘氨酸和氯化铵的扩散系数是随线速度变化的参数量。基于平衡扩散模型,采用线上求解法,运用MATLAB技术软件处理,模拟甘氨酸及氯化铵色谱分离流出曲线,结果显示甘氨酸和氯化铵实验值与模拟值吻合良好,验证所测结果有效性,为进一步甘氨酸色谱分离技术的产业化提供了有利的理论依据。