Nghiên cứu và mô phỏng quá trình phân tách bằng sắc ký điều chế

- Ứng dụng sắc ký điều chế để phân tách Fructose và Glucose - 57 - CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG SẮC KÝ ĐIỀU CHẾ ĐỂ PHÂN TÁCH FRUCTOSE VÀ GLUCOSE Chương 2 đã trình bày một cách khái quát các khái niệm cơ bản, nguyên lý làm việc và ứng dụng của sắc ký điều chế.
- Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết phân tách bằng kỹ thuật sắc ký, tiến hành xây dựng mô hình toán để mô phỏng quá trình tách hệ 2 cấu tử trong cột sắc ký làm việc bán liên tục.
- Hai cấu tử được lựa chọn cho quá trình mô phỏng là glucose và fructose, quá trình phân tách này sẽ được giới thiệu trong chương 3 và 4.
- 3.1 Giới thiệu quy trình sản xuất fructose Đường fructose là một loại đường đơn, mà cơ thể có thể sử dụng để sinh năng lượng.
- Do loại đường này không làm tăng cao nồng độ đường trong máu nên có lúc loại đường này được cho là có thể thay thế cho đường mía (đường saccharose).
- Nói vậy, không có nghĩa là trong trái cây chỉ có đường fructose, mà vẫn có một ít đường glucose với tỷ lệ khác nhau, giúp cho đường có thể vào cơ thể khi ăn trái cây.
- Đường fructose có thể tự vào các tế bào để tạo ra năng lượng mà không cần insulin như glucose.
- Có hai loại fructose là: Ứng dụng sắc ký điều chế để phân tách Fructose và Glucose - 58.
- Nếu sử dụng một cách bình thường sẽ không hại gì đến sức khỏe.
- Người ta sử dụng đường Fructose cao của sirô bắp (high fructose corn sirup hay HFCS), có nghĩa là sirô đường bắp có lượng fructose cao, thường chứa 55% và 45% glucose.
- Đây là chất tạo ra vị ngọt được các nhà kỹ nghệ thực phẩm ưa chuộng vì giá rẻ và có thể dễ dàng trộn vào các thức uống như nước ngọt đóng trong chai hay lon mà người Mỹ gọi là “soft drink”.
- Trước những năm 70, Hoa Kỳ sử dụng toàn đường mía và đường củ cải (sucrose- saccharose), nhưng từ những năm 80 chính phủ Hoa Kỳ cho tăng giá đường lên và đồng thời họ cho tài trợ ngành trồng bắp trong xứ.
- HFCS là một loại đường dễ hòa tan, dễ sử dụng và đồng thời nó cũng có thời hạn dùng (shelf life) dài hơn so với các loại đường khác.
- HFCS có thể được chế biến thành nhiều loại đường có độ ngọt khác nhau bằng cách cho thay đồi tỉ lệ glucose-fructose.
- Thông thường, trái cây có chứa một tỉ lệ glucose - fructose bằng Ứng dụng sắc ký điều chế để phân tách Fructose và Glucose - 59 - nhau 50/50, nhưng hầu như kỹ nghệ nước ép trái cây thường có khuynh hướng cho thêm fructose cao HFCS trong sản phẩm để giúp tăng độ ngọt lên.
- 3 - Enzyme xylose isomerase (aka glucoseisomerase) chuyển glucose ra thành một hổn hợp gồm có 42% fructose và 50-52% glucose.
- Sau đây là những loại đường HFCS thông dụng nhất.
- Thông thường thì HFCS 90 được trộn chung với HFCS 42 để tạo ra HFCS 55 là loại đường thông dụng trong kỹ nghệ nước ngọt.
- Chính vì những ứng dụng của HFCS nên quá trình tách fructose ra khỏi hỗn hợp gồm fructose và glucose rất quan trọng.
- Vì vậy mục đích của chương này là ứng dụng sắc ký điều chế để phân tách fructose và glucose.
- 3.1 Tính chất cơ bản của Fructose và Glucose Fructose và glucose là hai monosaccarit thường gặp.
- Ứng dụng sắc ký điều chế để phân tách Fructose và Glucose Fructose 3.1.1.1 Công thức • Công thức phân tử: C6H12O6.
- Fructose là loại gluxit có vị ngọt nhất.
- Trong mật ong có chứa khoảng 40% fructose, do đó mật ong có vị ngọt gắt.
- Fructose nóng chảy ở khoảng nhiệt độ 102 – 104oC.
- 3.1.1.4 Ứng dụng Fructose được coi là loại carbohydrate thích hợp nhất cho người lao động trí óc đứng tuổi và người già.
- Độ ngọt cao của fructose cho phép sử dụng với lượng nhỏ để đủ đạt mức độ cần thiết.
- Ngoài ra còn hạn chế được hàm lượng đường sử dụng.
- Glucose và fructose chuyển hoá hoá học dưới tác dụng của dung dịch kiềm và một cách sinh hoá học bởi enzyme trong quá trình chuyển hoá qua lại các chất dẫn xuất phosphate, glucose-6-phosphate thành fructose-6-phosphate.
- Hàm lượng fructose trong một số Ứng dụng sắc ký điều chế để phân tách Fructose và Glucose - 62 - loại quả như sau: chuối 8,6%, táo mận mơ 0,1 - 3%, nho 7,2%.
- 3.1.2 Glucose 3.1.2.1 Công thức • Công thức phân tử: C6H12O6 • Công thức cấu tạo: Glucose có ba dạng công thức cấu tạo gồm một dạng mạch hở và hai dạng vòng.
- Khi hòa tan trong nước tạo dung dịch, glucose có sự cân bằng, chuyển hóa qua lại và tồn tại cả ba dạng cấu tạo này, trong đó dạng vòng hiện diện nhiều hơn.
- Ứng dụng sắc ký điều chế để phân tách Fructose và Glucose Tính chất vật lý Glucose là một chất rắn, kết tinh, không màu, có nhiệt độ nóng chảy ở 146oC, hòa tan nhiều trong nước, có vị ngọt, nhưng không ngọt bằng đường mía (saccarozơ, saccarose, sucrose, C12H22O11).
- Glucose có độ ngọt bằng 0,6 lần so với đường mía (cho độ ngọt của đường mía là 1, thì độ ngọt của glucose bằng 0,6).
- Glucose có trong cơ thể người cũng như động vật.
- 3.1.2.3 Tính chất hóa học Glucose có tính chất của một rượu đa chức, chứa hai nhóm –OH liên kết ở hai nguyên tử cacbon kế bên, và tính chất của một aldehyd (aldehid) vì phân tử có chứa nhóm chức aldehyd –CHO.
- 9 Phản ứng cháy: C6H12O6 + O2 CO2 + H2O 9 Phản ứng cộng Hidro: 9 Phản ứng tráng gương, phản ứng tạo kết tủa đồng (I) oxit có màu đỏ gạch với Cu(OH)2 Ứng dụng sắc ký điều chế để phân tách Fructose và Glucose - 64 - 9 Dung dịch glucose hòa tan được đồng (II) hiđroxit ở nhiệt độ thường tạo dung dịch có màu xanh lam (vì trong cấu tạo của glucoz có chứa hai nhóm –OH liên kết vào hai nguyên tử cacbon kế bên và glucose hòa tan trong nước tạo dung dịch).
- 9 Glucose tác dụng với anhiđrit axetic (CH3-O-CO-O-CH3) tạo chất có chứa năm nhóm chức este (CH3-COO-) (Vì trong cấu tạo của glucose có chứa 5 nhóm chức rượu (-OH.
- Ứng dụng sắc ký điều chế để phân tách Fructose và Glucose - 65 - 9 Nhóm –OH ở C số 1 của dạng vòng tham gia phản ứng tạo nhóm chức ete với rượu metylic (CH3OH), có HCl khan làm xúc tác, đun nóng (Các nhóm –OH còn lại không tham gia phản ứng trong điều kiện này, vì -OH ở C số 1 gần với O của dạng vòng nhất, nên H trong nhóm –OH này linh động nhất, dễ tham gia loại H2O, tạo nhóm chức ete –O-CH3).
- Ứng dụng sắc ký điều chế để phân tách Fructose và Glucose Ứng dụng Glucose được tạo ra do thủy phân đường saccharose với chất xúc tác là axit.
- Glucose có khả năng đồng hoá nhanh và được sử dụng nhanh nhất trong cơ thể để tạo thành glycogen.
- Trong tự nhiên glucose có nhiều trong các loại quả.
- 3.2 Kỹ thuật tách Fructose và glucose Tách hỗn hợp đồng phân fructose và glucose có tầm quan trọng trong công nghiệp để sản xuất xirô đường hoặc để tổng hợp sorbitol, axit gluconic và vitamin C.
- Do có vị ngọt cao hơn, fructose thường được sử dụng như một chất làm ngọt thay thế cho sucrose.
- Pha động và pha tĩnh là hai yếu tố trực tiếp ảnh hưởng tới điều kiện tách sắc ký.
- Việc lựa chọn pha động rất quan trọng vì pha động có thể ảnh hưởng tới độ chọn lọc của hệ pha, thời gian lưu trữ, hiệu quả tách của cột, độ rộng của pic sắc ký.
- 3.2.1 Pha tĩnh Pha tĩnh phải được lựa chọn phù hợp với chất cần phân tích.
- Pha tĩnh cho sắc ký trao đổi ion chủ yếu là các loại nhựa trao đổi ion, trong trường hợp này là nhựa trao đổi ion có tính axit mạnh SAC có chứa ion Ca2+.
- Các loại nhựa trao đổi ion thường dùng.
- Dowex monosphere 99 hay Dowex MTO 99Ca Ứng dụng sắc ký điều chế để phân tách Fructose và Glucose - 67 - Dowex 99 là loại nhựa trao đổi ion kiểu gel với cấu trúc bề mặt mịn và không có lõi.
- Quá trình phân riêng sử dụng Dowex nhanh hơn, chính xác hơn và kinh tế hơn.
- Hệ thống quá trình làm giàu fructose sử dụng nhựa trao đổi ion Dowex 99 + Zerolit 225 (Zerolit Limited of Isleworth, Middlesex.
- Purolite PCR-642 Ca + Finex Ứng dụng sắc ký điều chế để phân tách Fructose và Glucose - 68.
- Ioanac Có rất nhiều loại pha tĩnh dùng để tách glucose và fructose, nhưng trong trường hợp này thì pha tĩnh được lựa chọn là nhựa trao đổi ion Amberlite CR (Rohm u.
- Việc sử dụng nhựa trao đổi ion nhằm mục đích tăng động lực học của quá trình, tăng hiệu quả phân tách.
- Fructose và glucose được bơm vào cột đã nhồi sẵn nhựa trao đổi ion, vì ái lực với pha tĩnh của fructose nhỏ hơn glucose do đó vận tốc của frurtose chạy trong cột chậm hơn glucose, như vậy ta có thể phân tách được hỗn hợp fructose và glucose.
- Vật liệu được sử dụng nhiều nhất hiện nay là nhựa trao đổi ion do chúng có độ bền cơ, độ bền hóa cao, dung lượng và tốc độ trao đổi ion cao.
- Có thể nói nhựa trao đổi ion là loại chất đa diện phân gồm những liên kết ngang (crosslinked polyelectrolyte).
- Phần khung mạng của nhựa trao đổi ion là kỵ nước (hydrophbic), tuy nhiên do chúng gắn với các nhóm chức nên chúng trở nên ưa nước (hydrophilic).
- Nhựa trao đổi ion chỉ bị hòa tan khi các liên kết carbon-carbon bên trong nó bị bẻ gãy, do đó nhựa trao đổi ion sẽ không bị hòa tan trong dung môi.
- Trong quá trình phân tách đường thì nhóm chức năng tốt là những nhóm axit mạnh hay yếu, nhưng tốt hơn hết là axit mạnh.
- Trong trường hợp của các nhóm trao đổi cation, counter ion là thường là một ion hydro, ion kim loại hoặc ion amoni.
- Đối với một tách đường fructose và glucose thì counterion ưa thích nhất là canxi.
- Ứng dụng sắc ký điều chế để phân tách Fructose và Glucose - 69 - Quá trình phân tách fructose và glucose sử dụng nhựa trao đổi ion Amberlite CR 1320 Ca.
- Đây là nhựa trao đổi ion có tính axit mạnh, kích thước hạt đồng nhất, là một loại gel.
- 9 Đặc điểm: Cấu trúc Liên kết ngang polystyrene Nhóm chức Sulfonate Dạng vật lý Hạt đục Dạng ion Ca2+ Khối lượng 790 g/L Kích thước hạt cơ bản mm Hệ số đồng dạng ≤ 1.15 Nhiệt độ làm việc tối đa 120°C Bảng 3.1.
- Các thông số cơ bản của nhựa trao đổi ion Amberlite CR 1320 Ca 3.2.2 Pha động Ứng với pha tĩnh thì sẽ có một pha động tương ứng, pha động thường sử dụng là dung môi phân cực vì nó tạo sự điều kiện cho việc khuếch tán các chất vào pha tĩnh.
- Còn dung môi không phân cực thì không được sử dụng vì nó có xu hướng loại trừ khỏi các hạt nhựa, do đó làm giảm hiệu quả phân tách.
- Do pha tĩnh sử dụng là nhựa trao đổi ion axit mạnh có chứa ion Ca2+.
- Nếu trong nước có chứa các anion CO3-, SO4-, Cl-… thì sẽ gây nên độ cứng của nước, Ứng dụng sắc ký điều chế để phân tách Fructose và Glucose - 70 - tạo thành các kết tủa, cản trở quá trình phân tách fructose và glucose, vì vậy pha động ở đây phải sử dụng nước đề ion.
- 3.2.3 Thông số của mô hình Nhiệt độ tách được được giới hạn bởi các điểm đóng băng và độ nhớt của hỗn hợp bị tách, cũng như điểm sôi của hỗn hợp, và nhiệt độ mà tại đó các thành phần của hỗn hợp hoặc nhựa tự phân hủy.
- Nhiệt độ tối ưu để tách hỗn hợp đường là trong khoảng từ 50oC đến 70oC, đó là khoảng nhiệt độ mà độ nhớt của hỗn hợp được nhỏ nhưng vẫn không bị phân hủy Carbohydrat.
- Nhiệt độ tiến hành quá trình tách là 60°C.
- Sự phụ thuộc độ nhớt của glucose vào nhiệt độ

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt