文献类型：学位论文

中文题名：单糖纳滤分离机理研究

作者：姚磊[1];

机构：[1]华东理工大学;

导师：赵黎明;华东理工大学|侯庆云;华东理工大学

授予学位：硕士

语种：中文

中文关键词：单糖;分离工艺;纳滤技术;分子动力学

摘要：单糖作为一种的重要结构和功能活性物质已广泛应用于食品、医药、发酵等行业中，用纳滤技术对单糖进行高效的分离纯化具有重要意义，但也存在较大的技术难度。本课题旨在通过研究系列单糖在不同分离条件下的纳滤分离特性，同时结合分子动力学方法以及纳滤理论模型，探究单糖纳滤分离机理，完善单糖纳滤截留谱，为单糖同分异构体结构类似物的纳滤分离纯化及其工业化应用提供理论依据和技术指导。<br>　　首先，研究了11种单糖（葡萄糖、甘露糖、山梨糖、果糖、半乳糖、核糖、阿拉伯糖、木糖、N-乙酰氨基葡萄糖、氨基葡萄糖盐酸盐、氨基葡萄糖硫酸盐）在不同温度、浓度、跨膜压差、pH以及膜截留率分子量下对单糖纳滤截留率和通量的影响，建立了更广泛的纳滤截留谱。结果表明，在一定范围内温度、pH以及跨膜压差越高、膜截留分子量越大、单糖浓度越低，纳滤膜通量越大;膜截留率分子量越大、温度和pH越高、跨膜压差越低，单糖纳滤截留率越小，其中两种带电荷的氨糖的纳滤截留率随着单糖溶液浓度的升高而升高，其他中性单糖的截留率随着单糖溶液浓度的升高而降低。进一步分析表征纳滤膜表面结构发现:溶质浓度越高、跨膜压力越大，膜表面溶质浓度越高，从而导致膜表面粗糙度变大，而温度和pH对膜表面粗糙度没有明显影响。<br>　　其次，使用分子动力学模拟软件Materials studio8.0探究了系列单糖与膜材料之间相互作用能、单糖扩散系数以及单糖在溶液主体相、浓差极化层和膜相层分子结构的变化规律。结果表明，单糖与三种不同孔径膜材料之间吸附力大小排序均如下:山梨糖＞果糖＞葡萄糖＞甘露糖＞半乳糖，核糖＞木糖＞阿拉伯糖，氨基葡萄糖盐酸盐＞N-乙酰氨基葡萄糖＞氨基葡萄糖硫酸盐。单糖在膜内扩散系数大小排序如下:核糖＞木糖＞阿拉伯糖，山梨糖＞半乳糖＞葡萄糖＞甘露糖＞果糖;氨基葡萄糖盐酸盐＞N-乙酰氨基葡萄糖＞氨基葡萄糖硫酸盐。单糖与膜材料之间相互作用力及在膜内扩散系数大小对截留率有重要影响，吸附作用及扩散系数越大越有利于溶质进入膜孔并透过膜，从而导致较小的截留率。比较不同孔径纳滤膜单糖截留率大小发现，膜孔径较大时相互作用能对分子量相同的单糖截留率起主导作用，膜孔径较小时位阻效应对单糖截留率起主导作用。通过研究单糖在溶液中、浓差极化层及膜相层结构的变化发现，单糖分子在浓差极化层和膜相中单糖分子尺寸较单糖在溶液中小。这是由于在浓差极化层中单糖分子之间摩擦效应增强，分子被压缩，导致单糖分子尺寸变小。在膜相中，单糖分子受孔道位阻效应的影响，使得单糖分子空间结构被挤压，从而导致单糖分子尺寸变小。<br>　　最后，基于立体位阻模型、S-K模型以及浓差极化模型，并结合实验数据探究了不同分离条件下膜结构变化规律，建立了单糖纳滤数学模型。结果发现，跨膜压差在3-18bar范围内，纳滤膜孔半径随着跨膜压差的升高最大减小了0.1117nm，纳滤膜表面溶质浓度随着跨膜压差的升高增加了0.1847mol/L，这是由于高压下膜孔径被压实同时更多的溶质积累在膜表面;pH在3.0-7.0范围内，纳滤膜孔半径随着pH的升高最大增加了0.0136nm，这是由于pH越高膜孔内静电斥力增强，膜孔变大;温度在20-40℃范围内，纳滤膜孔半径随着温度的升高最大增加了0.0174nm，这是由于高温使得膜孔膨胀;而pH和温度对膜表面溶质浓度没有明显影响;浓度在1-9％(w/v)范围内，随着溶液浓度的升高，膜表面溶质浓度升高了0.4857mol/L。基于理论模型计算得到膜孔径变化及膜表面溶质浓度的变化与实验结果相符合。通过建立截留率与温度、浓度、pH、跨膜压差以及溶质半径的数学模型，发现建立的数学模型在一定范围对系列单糖在不同分离条件下的截留率具有较好的拟合效果。