專利名稱：硼酸基具核吸附劑及其制備方法
技術領域：
本發明屬于吸附分離材料合成技術領域，涉及用于工業制備色譜分離含順式二羥基的糖類的吸附劑，尤其是涉及一種硼酸基具核吸附劑以及該吸附劑的制備方法。
背景技術：
功能性低聚糖作為基本生命物質糖的一類，具有抑制癌細胞生長、抗抑郁、提高人體免疫力和記憶力以及改善人體微生態環境的作用，在預防和治療癌癥、抑郁癥和老年癡呆癥等疾病上顯示出巨大的潛力。由于單糖與低聚糖的特殊結構以及高度的親水性能，使得至今仍然沒有找到一種經濟的從單糖和低聚糖混合物中分離高純度低聚糖技術。在現代分離科學與技術領域中，制備色譜技術(包括吸附色譜、離子交換色譜和配位色譜等)具有高分辨分離能力，并能在相對溫和的條件下操作，是當今廣泛應用于從多組分混合物中分離生化制劑、手性體或同分異構體等的有效手段，在糖分離領域也顯示出巨大的潛力。研究開發高選擇性和高傳遞特性的吸附劑是實現色譜分離技術在低聚糖分離領域應用的關鍵。
要開發高效的低聚糖色譜分離技術，首先需要解決的問題就是高選擇性吸附劑的開發。現有工業固體吸附劑的結構都是均一固相的，它們的選擇性通常由吸附劑表面的化學和物理性質所決定。因此，表面改性是提高吸附劑選擇性的主要手段之一。例如，J.Padin等(J.Padin and R.T.Yang，New Sorbents forOlefin-Paraffin Separations by Adsorption via-ComplexationSynthesis and Effects ofSubstrates，Chem.Eng.Sci.，55，2607(2000))用Ag+對y-Al2O3、SiO2和MCM-41進行表面改性，利用碳碳雙鍵與Ag+之間的絡合π鍵，形成對烯烴的選擇吸附性能，應用與烯烴和烷烴混和氣體的分離。李忠等(李忠，黃培泉，羅文憲等，大型液相色譜分離甘露醇和山梨醇的熱力學及動力學參數辨識，離子交換與吸附，11，109(1995))通過使用不同的金屬離子交換凝膠型和大孔型陽離子交換樹脂，得到一種對甘露醇山梨醇同分異構體有較好的分離效率的Ca型吸附劑。有研究(錢國強，林雪，何柄林，硼酸與多羥基化合物的反應及硼選擇性樹脂，離子交換與吸附，10，375(1994))表明硼酸能與具有順式二羥基的多元醇形成1∶1和1∶2的多元醇絡和物。糖也是多元醇的一類，如果將硼酸固化在吸附劑載體表面上，就有可能形成一種對具有順式二羥基的糖類高度選擇性的吸附劑。然而，除了吸附選擇性能，吸附劑的傳質性能是影響制備色譜分離效率的另一個重要因素。如果吸附劑的傳質系數很小，色譜流出峰既寬又矮，分離操作周期時間長，導致其分離效率低，很難滿足工業化分離的要求。一般說來，吸附劑側的傳質系數與吸附劑顆粒半徑的平方是成反比的。但是，如果試圖使用直徑很小的顆粒吸附劑以提高吸附劑側的傳質系數，會導致吸附劑床層壓力降迅速增大，使得分離過程的動力消耗急劇上升。此外，對于多組分分離，吸附劑的吸附容量并非越大越好，吸附劑吸附容量偏大，就會引起吸附質在色譜柱內的停留時間偏長和色譜峰變寬，導致吸附劑分離效率的降低。
發明內容
本發明的目的在于提供一種對于含有順式二羥基的糖類既具有高度選擇性、又具有較高傳質性能和適當吸附容量的吸附劑，可用于配位吸附或制備液相配位色譜分離含順式二羥基的糖類，從而使低聚糖的高效制備色譜分離過程成為可能。
本發明所述的硼酸基具核吸附劑，是一種具有惰性內核的球形配位吸附劑，其內核為不具有吸附能力的惰性小球；外部為具有一定厚度的、對帶順式二羥基糖類具有高度配位選擇吸附能力的硼酸基活性多孔介質外殼結構。如果該配位吸附劑顆粒的直徑為dp，內核惰性球體直徑為do時，那么配位吸附活性層的厚度為(dp-do)/2，有效吸附體積為π(dp3-do3)/6。因此，當do/dp在0.2＜do/dp＜0.9范圍內調節，與均相吸附劑(整個球體都為具有吸附活性的多孔介質)比，本吸附劑的理論吸附容量為均相吸附劑吸附量的99.2％～27.1％；若以傳質系數與半徑平方成反比計算，固相傳質系數為均相吸附劑傳質系數的1.5～100倍。
本發明還提供了所述的硼酸基具核吸附劑的制備方法。
本發明所述的硼酸基具核吸附劑的制備方法，包括以下步驟A)具核基體的制備將過氧化苯甲酰作引發劑和甲苯作致孔劑溶于苯乙烯單體和二乙烯苯混合液中，加入7倍體積的已溶0.5％的聚乙烯醇的無離子水，快速攪拌并升溫進行交聯共聚反應；將球體濾出，用熱水洗滌，將所得混合物過濾，固相離心分離，洗滌，在65℃下進行真空干燥，得到不具吸附活性的聚苯乙烯基體均勻小球，粒徑分布在1.2-1.5mm左右；B)具核基體胺基化將步驟A制得的具核基體置于預冷至10℃以下的體積比為6∶7的HNO3-H2SO4混酸中，在冰浴環境下攪拌，控制反應溫度不超過10℃，通過控制反應時間來進行硝化反應或部分硝化反應，將硝化產物取出洗凈至pH＞5.5，加入到0.2g/mL的SnCl2的鹽酸溶液中，在攪拌下加熱至回流，反應不少于2.5小時，溫度為115℃，將反應產物取出，用去離子水洗至pH＞5.5；C)硼酸基具核配位吸附劑的制備稱取步驟B制得的胺基化具核基體，用10倍體積的預冷至0℃的1mol兒HCl溶液浸泡振搖，于30分鐘內滴加等體積的同樣預冷的5％NaNO2，整個反應用冰浴控制溫度低于5℃；滴加完畢后用預冷的蒸餾水清洗載體，然后將該載體加入到過量的飽和胺基苯硼酸水溶液中，振搖30分鐘，反應12小時，再用去離子水清洗，在真空干燥箱中干燥即得。
本發明與現有固體吸附劑相比，具有以下優點(1)本發明所述的硼酸基具核吸附劑對含順式二羥基的糖類具有高選擇性能和高傳質性能；可通過改變合成工藝條件來控制吸附劑合理的吸附容量。
(2)本發明所述的吸附劑是一種具核吸附劑，內核為對分離組分無吸附功能惰性固相，而外殼為對含順式二羥基的糖類具有高度選擇性能的配位吸附劑固相；通過調整外殼的尺寸，在可明顯地降低吸附劑側的固相傳質阻力，在提高吸附傳質速率的同時，又可適量地調整吸附劑的吸附容量，把提高傳質速率與調整和控制吸附劑吸附容量有機結合起來。固相傳質系數的理論值與普通均質吸附劑相比可增加1.5倍至100倍。
(3)本發明所述的硼酸基具核配位吸附劑，為解決吸附容量與分離效率之間的平衡問題，提供了更好的解決方案，從而優于均相吸附劑。
(4)本發明所述的硼酸基具核配位吸附劑，其制備方法技術路線合理，工藝較簡單，易操作，易于工業化。
綜上所述，將本發明所述的硼酸基具核吸附劑用于配位制備色譜分離糖類過程，可解決使用均相吸附劑因其固相傳質系數較小而難于工業化應用問題，以及色譜分析用的吸附劑中因吸附劑吸附容量小而無法工業化應用的問題，將大大提高配位制備色譜分離糖類混合物的產率，特別是為解決工業化規模上去除功能性低聚糖中雜質單糖提供了可能。
圖1為使用均相硼酸基樹脂分離葡萄糖/麥芽三糖分離流出曲線；橫坐標t為流出時間，min；縱坐標C為葡萄糖和麥芽三糖的出口濃度，g·mL-1；實驗條件如下L＝30cm為色譜柱長，u＝0.4cm/min為流體線速，Qin＝24ml為進料量，分離周期時間約為300min。
圖2為使用本發明所述的硼酸基具核吸附樹脂分離葡萄糖/麥芽三糖色譜分離流出曲線；橫坐標t為流出時間，min；縱坐標C為葡萄糖和麥芽三糖的出口濃度，g·mL-1；實驗條件如下L＝30cm為色譜柱長，u＝0.4cm/min為流體線速，Qin＝24ml為進料量，分離周期時間約為200min。
圖3為使用均相硼酸基樹脂分離果糖/麥芽三糖分離流出曲線；橫坐標t為流出時間，min；縱坐標C為果糖和麥芽三糖的出口濃度，g·mL-1；實驗條件如下L＝30cm為色譜柱長，u＝0.4cm/min為流體線速，Qin＝24ml為進料量，分離周期時間約為300min。
圖4為使用本發明實施制備的硼酸基具核吸附樹脂分離果糖/麥芽三糖色譜分離流出曲線。橫坐標t為流出時間，min；縱坐標C為果糖和麥芽三糖的出口濃度，g·mL-1；實驗條件如下L＝30cm為色譜柱長，u＝0.4cm/min為流體線速，Qin＝24ml為進料量，分離周期時間約為225min。
具體實施例方式
實施例一本發明所述的吸附劑的制備本發明所述的吸附劑的制備方法，包括以下步驟A)聚苯乙烯基體的制備將0.6g過氧化苯甲酰作引發劑和100ml的甲苯作致孔劑溶于99g苯乙烯單體和45g二乙烯苯(作為交聯劑，其含量為55％)混合液中，加入700ml已溶0.5％的聚乙烯醇的無離子水，快速攪拌并升溫進行交聯共聚反應。在1小時內將溫度升至80℃，并維持2小時；然后升至90℃，維持2小時；最后在96℃再反應5小時。將球體濾出，用熱水洗滌，將所得混合物過濾，固相離心分離，洗滌，在65℃下進行真空干燥，得到不具吸附活性的聚苯乙烯基體均勻小球，粒徑分布在1.2-1.5mm左右。
B)聚苯乙烯基體部分胺基化在500mL三頸瓶中加入步驟A制得的聚苯乙烯基體10g和250mL預冷至10℃以下的HNO3-H2SO4混酸(體積比6∶7)，在冰浴環境下攪拌，控制反應溫度不超過10℃，進行部分硝化反應，使聚苯乙烯小球外部部分硝化，內核保持為惰性的聚苯乙烯內核(硝化時間不可過長，否則聚苯乙烯小球全部被硝化)。控制硝化反應時間在0-360min變化，可得具不同尺寸聚苯乙烯惰性內核的硝化產物。將硝化產物取出洗凈至pH＞5.5，重新放入三頸瓶中，并加入SnCl2的鹽酸溶液(40g SnCl2溶于200mL濃HCl中)，在機械攪拌下加熱至回流，反應3.5小時，溫度約為115℃，出料，洗至pH＞5.5。
C)硼酸基具核配位吸附劑的制備稱取步驟B制得的胺基化具核基體約10g，用100mL預冷至0℃的1mol/LHCl溶液浸泡振搖，于30min內滴加100mL同樣預冷的5％NaNO2，整個反應用冰浴控制溫度低于5℃。滴加完畢后用預冷的蒸餾水清洗載體，然后將該載體加入到過量的飽和胺基苯硼酸水溶液中，振搖30min，反應12小時，再用去離子水清洗，在真空干燥箱中干燥即得。
實施例二本發明所述的吸附劑的制備本發明所述的吸附劑的制備方法，包括以下步驟A)具核基體的制備將0.6g過氧化苯甲酰作引發劑和100ml的甲苯作致孔劑溶于99g苯乙烯單體和45g二乙烯苯(作為交聯劑，其含量為55％)混合液中，加入700ml已溶0.5％的聚乙烯醇的無離子水，然后再加入直徑約為1.0-1.5mm、表面經過粗化處理的玻璃或石英小球(50g)，快速攪拌并升溫進行交聯共聚反應。在1小時內將溫度升至80℃，并維持2小時；然后升至90℃，維持2小時；最后在96℃再反應5小時(通過調節反應時間，可以在惰性球體表面上得到不同厚度的聚苯乙烯，經過后續處理，可以得到不同厚度活性吸附層的具核吸附劑)。將球體濾出，用熱水洗滌，將所得混合物過濾，固相離心分離，洗滌，在65℃下進行真空干燥，所得具核基體粒徑分布在1.2-1.5mm左右。
B)具核基體胺基化在500mL三頸瓶中加入步驟A制得的具核基體15g和250mL預冷至10℃以下的HNO3-H2SO4混酸(體積比6∶7)，在冰浴環境下攪拌，控制反應溫度不超過10℃，硝化反應4.5小時后，將硝化產物取出洗凈至pH＞5.5，重新放入三頸瓶中，并加入SnCl2的鹽酸溶液(40g SnCl2溶于200mL濃HCl中)，在機械攪拌下加熱至回流，反應2.5小時，溫度約為115℃，出料，洗至pH＞5.5。
C)硼酸基具核配位吸附劑的制備與實施例一的步驟C相同。
實施例三葡萄糖/麥芽三糖、果糖/麥芽三糖制備色譜分離實驗(一)實驗材料1、硼酸基具核配位吸附劑由實施例一與實施例二所述的制備方法制得；2、硼酸基均相配位吸附劑由實施例一所述的步驟B中，硝化時間足夠長，聚苯乙烯小球全部被硝化，經步驟C的后續處理，得到硼酸基均相配位吸附劑；3、分析純葡萄糖華凱實業有限公司(上海)；
4、果糖華凱實業有限公司(上海)；5、麥芽三糖Sigma公司(美國)(二)實驗過程取上述硼酸基具核配位吸附劑或硼酸基均相，濕法裝填于內徑為1cm的吸附柱中，裝填高度為30cm。取分析純葡萄糖、果糖和麥芽三糖分別配制濃度為0.3g/mL、0.3g/mL和0.2g/mL的葡萄糖、果糖和麥芽三糖溶液。以柱內線流速為0.4cm/min，各自分別進料24mL，然后用一定pH值的稀酸沖洗，采用液相色譜示差折光檢測法檢測流出濃度。
(三)結果分析實驗結果如圖1至圖4所示。圖1、圖2分別為葡萄糖和麥芽三糖在均相和具核吸附劑填充柱上的色譜流出曲線。圖3、圖4分別為果糖和麥芽三糖在均相和具核吸附劑填充柱上的色譜流出曲線。
圖1與圖2相比較，麥芽三糖流出曲線沒有變化，這是因為麥芽三糖分子中不存在順式二羥基，所以它在均相硼酸基樹脂和具核硼酸基吸附劑上均無吸附能力。而圖2中的葡萄糖流出曲線的峰形相對較高且較窄，表明葡萄糖流出濃度較高，色譜分離操作周期較短(縮短約100分鐘)，說明具核吸附劑的傳質性能要優于均相吸附劑，這使得在相同操作條件下本發明所述的具核吸附劑的分離產率比均質固相吸附劑分離產率提高約30％以上。
圖3與圖4相比較，麥芽三糖流出曲線同樣沒有變化。而圖4中的果糖流出曲線的峰形相對圖3中果糖流出曲線高且窄，表明圖4過程果糖流出濃度較高，色譜分離操作周期較短(縮短約75分鐘)，這使得相同操作條件下本發明所述的具核吸附劑的分離產率比均質固相吸附劑分離產率提高約25％以上。
結論本發明所述的硼酸基具核吸附劑對具有順式二羥基的糖類(如葡萄糖和果糖)有良好的吸附選擇性能，而對不具順式二羥基的低聚糖(如麥芽三糖)基本沒有選擇吸附能力。本發明的硼酸基具核吸附劑與硼酸基均相吸附劑相比，具有較高的吸附傳質性能和適當的吸附容量，能夠較大幅度地提高制備色譜分離具順式二羥基糖類的生產能力。
權利要求
1.一種硼酸基具核吸附劑，其特征在于是一種具有惰性內核的球形配位吸附劑，其內核為不具有吸附能力的惰性小球；外部為具有一定厚度的、對帶順式二羥基糖類具有高度配位選擇吸附能力的硼酸基活性多孔介質外殼結構。
2.根據權利要求1所述的硼酸基具核吸附劑，其特征在于所述的惰性小球為交聯聚苯乙烯球體或者具有玻璃或石英內核的交聯聚苯乙烯球體。
3.如權利要求1所述的硼酸基具核吸附劑的制備方法，其特征在于，包括以下步驟A)具核基體的制備將過氧化苯甲酰作引發劑和甲苯作致孔劑溶于苯乙烯單體和二乙烯苯混合液中，加入7倍體積的已溶0.5％的聚乙烯醇的無離子水，快速攪拌并升溫進行交聯共聚反應；將球體濾出，用熱水洗滌，將所得混合物過濾，固相離心分離，洗滌，在65℃下進行真空干燥，得到不具吸附活性的聚苯乙烯基體均勻小球，粒徑分布在1.2-1.5mm；B)具核基體胺基化將步驟A制得的具核基體置于預冷至10℃以下的體積比為6∶7的HNO3-H2SO4混酸中，在冰浴環境下攪拌，控制反應溫度不超過10℃，通過控制反應時間來進行硝化反應或部分硝化反應，將硝化產物取出洗凈至pH＞5.5，加入到0.2g/mL的SnCl2的鹽酸溶液中，在攪拌下加熱至回流，反應不少于2.5小時，溫度為115℃，將反應產物取出，用去離子水洗至pH＞5.5；C)硼酸基具核配位吸附劑的制備稱取步驟B制得的胺基化具核基體，用10倍體積的預冷至0℃的1mol/LHCl溶液浸泡振搖，于30分鐘內滴加等體積的同樣預冷的5％NaNO2，整個反應用冰浴控制溫度低于5℃；滴加完畢后用預冷的蒸餾水清洗載體，然后將該載體加入到過量的飽和胺基苯硼酸水溶液中，振搖30分鐘，反應12小時，再用去離子水清洗，在真空干燥箱中干燥即得。
4.根據權利要求3所述的硼酸基具核吸附劑的制備方法，其特征在于在步驟A的交聯共聚反應中，加入直徑為1.0-1.5mm的表面經過粗化處理的玻璃或石英小球，得到具有玻璃或石英內核的交聯聚苯乙烯球體。
全文摘要
本發明涉及一種硼酸基具核吸附劑以及該吸附劑的制備方法。該硼酸基具核吸附劑的內核為玻璃、石英或聚苯乙烯惰性小球，不具有吸附能力；外殼為具有一定厚度的、對帶順式二羥基糖類具有高度配位選擇吸附能力的活性多孔介質結構。它是由具有玻璃或石英內核的交聯聚苯乙烯球體，經硝化、還原和后處理得到；或者由交聯聚苯乙烯球體經不完全硝化、還原和后處理得到。本發明制備的對帶順式二羥基糖類具有高度配位選擇吸附能力的具核吸附劑，能在一定程度上解決現有色譜分離糖類選擇性差、傳質速率低的問題。實驗表明，使用本具核吸附劑進行葡萄糖/麥芽三糖或果糖/麥芽三糖的分離，比均相吸附劑的分離效率提高25％以上。
文檔編號B01J20/281GK1919450SQ20061003675
公開日2007年2月28日 申請日期2006年7月28日 優先權日2006年7月28日
發明者李湘, 郭海福, 吳燕妮 申請人:肇慶學院