论文总字数：15670字

摘 要

D-乳酸（D-lactic acid）是重要的手性中间体以及有机合成原料,能够成为多种手性物质的前体。因此D-乳酸被广泛地应用于各种与手性合成相关的研究领域，可以看出D-乳酸的市场前景十分巨大。

本文基于吸附法采用连续色谱技术对D-乳酸与糖的分离进行探究。采用的吸附介质为大孔吸附树脂AX-1；通过静态吸附和固定床吸附试验，获得连续工艺的基础参数；通过对连续吸附工艺和分区方案进行初步设计，从而将 D-乳酸与葡萄糖有效地分离开。

通过静态吸附实验确定了常温下D-乳酸在AX-1 树脂上的吸附等温线，Langmuir等温线模型能很好地对数据进行拟合；通过多组分静态吸附试验，确定了常温下葡萄糖与乳酸的多组分等温线，竞争性 Langmuir 等温模型可以很好地对二组份体系中各物质的吸附平衡数据进行拟合；通过考察不同温度对固定床吸附解析工艺的影响，初步确定连续色谱工艺的操作温度以及吸附区吸附料液的体积和解析所需要水的体积。以静态和固定床实验为基础，考察各分区流速变化对连续离子交换工艺的影响，最终确定V_feed、V_glu、V_water、V_DLA的较适进料流速分别为4ml/min，5ml/min，8ml/min，7ml/min，在此条件下乳酸的出口浓度可达71.5g/L，纯度可达到98.75%，收率可达到96.1%。

关键词：D-乳酸 模拟移动床（SMB） 聚乳酸 大孔吸附树脂

Study on D-lactic Acid by Continuous Chromatography

Abstract

D-lactic Acid is an important chiral intermediate and raw material for organic synthesis, it can be a precursor for a variety of chiral substances.Therefore DLA can be applied in pharmaceutical, and high efficiency and low toxicity pesticide and herbicide in the field of chiral synthesis.We could get many profile from that.

In this paper, the separation of DLA and sugar by continuous chromatography is explored. The absorbent is macroporous adsorption resin AX-1. The basic parameter for the continuous process can be obtained through static adsorption and fixed bed tests;DLA and glucose can be separated by reasonably design the continuous adsorption process.

Through the static adsorption test, DLA adsorption isotherms on AX-1 resin of 293.15K can be obtained. Good agreement was obtained between the Langmuir isotherm model and experimental data. The equilibrium isotherms of glucose and DLA on resin at the temperature of 293.15k was also investigated. Competitive Langmuir isotherm model can fit the adsorption equilibrium data well; The effect of temperature on adsorption curve and desorption curve was investigated to identified the operating temperature,adsorption liquid volume and water volume of the continuous chromatographic process.

Based on the results of static adsorption and fixed-bed adsorption, the continuous adsorption process and the partition scheme for the separation of D-lactic Acid was devised. The effect of flow rates on continuous adsorption was investigated, and the relatively best flow rates of V_feed,V_glu, V_water, V_DLA is 4ml/min, 5ml/min, 8ml/min,7ml/min, respectively. On this condition, the lactic acid export concentration is up to 71.5g/L and purity may reach 98.75%. The recovery can ran up to 96.1%.

Keywords：D- lactic Acid; SMB; PLA; macroporous adsorption resin

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 文献综述 1

1.1 D-乳酸的概述 1

1.1.1 乳酸的基本结构及理化性质 1

1.1.2 D-乳酸的制备方法 1

1.1.3 D-乳酸的应用及市场前景 1

1.2 分离方法的简介 2

1.2.1 萃取 2

1.2.2 离子交换法 3

1.2.3 电渗析法 3

1.2.4 高分子树脂吸附 3

1.3 模拟移动床的概述 4

1.3.1 模拟移动床的简介 4

1.3.2 模拟移动床的原理 4

1.3.3 模拟移动床的优点 5

1.4 本文的研究目的及意义 5

第二章 实验内容 7

2.1 实验仪器及设备 7

2.2 实验材料 7

2.3 实验分析方法 7

第三章 静态和固定床吸附法分离D-乳酸工艺研究 9

3.1 实验方法及内容 9

3.1.1 乳酸单组分吸附等温线的测定 9

3.1.2 乳酸多组分吸附等温线的测定 9

3.1.3 柱动态吸附实验 10

3.1.4 柱动态脱附实验 10

3.2 实验结果及讨论 11

3.2.1 等温线 11

3.2.2 温度对固定床吸附解析的影响 12

第四章 连续色谱分离D-乳酸 15

4.1 连续色谱工艺流程及参数 15

4.2 连续色谱试验 16

4.2.1 各区出口浓度变化 16

4.2.3 物料衡算 17

4.3 结果与讨论 17

4.3.1 各区出口浓度变化 17

4.3.2 物料衡算 19

第五章 结 论 21

参考文献 23

致 谢 25

第一章 文献综述

1.1 D-乳酸的概述

1.1.1 乳酸的基本结构及理化性质

乳酸（Lactic Acid，LA）是一种天然存在的有机酸，也是自然界最小的手性分子。乳酸是无色或浅黄色、无味，具有粘稠状的液体。乳酸在常压下蒸馏的条件下就能够分解，将乳酸的浓度浓缩到50%的时候，一部分乳酸会变成酸酐^[1]。在乳酸的分子结构中含有一个不对称碳原子，因此会出现两种不同构型的乳酸，分别为 L（ ）和D（-）两种构型，L-乳酸为右旋型，D-乳酸为左旋型。L-乳酸和D-乳酸在绝大多数的理化性质上是相同的，两种物质的主要区别在于其有无旋光性上。D-乳酸的化学性质跟一元羧酸相似，其水溶液也是弱酸性。当D-乳酸溶液的浓度达到50%以上的时候，一部分D-乳酸将会形成乳酸酐。在加热条件下，将形成的乳酸酐跟醇酸树脂混合进行分子间酯化反应，产物为乳酰乳酸（C₆H₁₀O₅），再将产物乳酰乳酸稀释并加热能够水解生成D-乳酸。使用脱水剂氧化锌将两分子的D-乳酸脱去两分子水，在自聚的情况下形成环状二聚体D-丙交酯（C₆H₈O₄, DLA）。环状二聚体D-丙交酯通过充分脱水能够形成聚合D-乳酸。一般情况下乳酸的自身酯化程度与其浓度呈正比，在这种情况下所产生的乳酸通常是乳酸和丙交酯的交联混合物^[2]。

1.1.2 D-乳酸的制备方法

在研究D-乳酸的分离时，了解D-乳酸的制备方法对整个分离实验的设计起重要地作用。D-乳酸的制备方法有化学拆分法、微生物酶法拆分法、基因工程菌生产以及微生物发酵法^[3]。其中最主要的方法是微生物发酵法，通过发酵法可以得到L-乳酸、D-乳酸和D,L-乳酸消旋体。目前市场上D-乳酸的来源主要是通过化学合成和发酵法获得，最主要的方式是通过发酵获取D-乳酸^[4-6]。

1.1.3 D-乳酸的应用及市场前景

D-乳酸的使用范围大，能够被用于食品、医药、化工和农业等领域^[7-9]。由于D-乳酸能够作为许多手性物质的合成前体，因此既能够被广泛应用于医药、农药和化工等领域的手性合成，也可以用于氨基酸的不对称合成^[3]。特别是随着地球上石油、天然气、煤等化石资源的趋紧以及白色污染的加剧，许多国家已将可持续发展作为基本国策，因此关于可生物降解的高分子材料的研究已经在全世界的范围内广泛地兴起。在众多已开发的生物降解高分子材料中，聚乳酸（PLA）早已被公认为是最有潜力的可生物降解的材料之一。聚乳酸具有无毒、无刺激性和耐热性高等特点，最重要的是其良好的生物降解性能、生物相容性和生物可吸收性等优点。聚乳酸完全降解后只生成二氧化碳和水，不会带来环保方面的难题 ^[6]。因此，大力发展聚乳酸材料能够给环境治理带来新的希望，为整个环保工程的建设增添动力。但是一般的聚乳酸是聚L-乳酸（PLLA），但是PLLA有很多缺陷，如耐热性低、力学强度低和韧性差等。Kasrst等人^[10]的研究发现在PLLA和PDLA的混合物中当PLLA/PDLA的比例达到50/50时，这时产生的PLA拥有最强的抗水解能力，因为这时氢键以及偶极-偶极之间的作用力最强^[7]。但是这时的关键就在于加入高纯度的D-乳酸，而D-乳酸的分离提纯难度大，这导致其供应量不足使得D-乳酸的价格十分昂贵，可以说分离提纯D-乳酸的经济效应是很大的。

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