響應面法優化冷凍結晶純化壬醛酸甲酯工藝

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(1.浙江工業大學 化學化工國家級實驗教學示范中心，浙江 杭州 310014；2.浙江省生物燃料利用技術研究重點實驗室，浙江 杭州 310014；3.石油和化工行業生物柴油技術工程實驗室, 浙江 杭州 310014)

壬醛酸甲酯又稱9-氧代-壬酸甲酯，是一種中鏈的不飽和單脂肪酸甲酯，在醫藥、化工、材料和食品等領域具有較好的應用前景[1-3]。壬醛酸甲酯可發生氧化、水解、縮聚和親核加成反應，不僅可用于合成聚酯縮醛、聚酰胺、合成樹脂和醫藥有效成分等高附加值產品，還可用作化妝品和香料的添加劑以改善產品的品質。自然界中存在的天然壬醛酸甲酯含量低[4-6]，提取和利用難度大，故壬醛酸甲酯主要通過合成或從蔬菜油脂中裂解制得。目前，針對壬醛酸甲酯合成或裂解工藝條件研究的報道較為集中[7-12]，而對其分離純化的研究較少。Miller等[13]將亞硫酸氫鈉添加到商品化的油酸甲酯中分離壬醛酸甲酯，用10.0%的氫氧化鈉回收后進行精餾分離，從79.0%的油酸甲酯中提取到純度為99.8%的壬醛酸甲酯，回收率為90.8%。

相較于能耗較高和操作復雜的精餾技術，結晶具有工藝簡單和操作簡便的特點，在油脂、制藥、香料、海水淡化和廢水處理等領域均有應用。結晶是物質以晶體狀態從蒸汽、溶液或熔融物中析出分離的過程。在油脂行業中，結晶已被用于分離和純化油脂中油酸、亞油酸等不飽和脂肪酸類的高價值成分[14-16]。響應面法基于實驗設計以改善過程績效，在顯著減少實驗操作次數，提高實驗效率的同時，可獲得較為科學和完整的研究結果，達到優化工藝條件、探尋最佳操作條件和降低操作成本的效果[17-19]。目前，關于響應面法優化壬醛酸甲酯分離純化的研究鮮見報道。筆者以無水乙醇為溶劑，采用冷凍結晶工藝對自制的壬醛酸甲酯粗品進行純化，考查了結晶溫度、結晶時間以及溶劑與原料質量比等因素對壬醛酸甲酯質量分數的影響，采用響應面分析法進行實驗設計，優化壬醛酸甲酯純化的工藝參數，并進行實驗驗證，以期為壬醛酸甲酯的生產提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗試劑與儀器

壬醛酸甲酯粗品(質量分數為16.7%)，自制[20]；無水乙醇、正己烷和乙酸乙酯(分析純)，上海凌風化學試劑有限公司；壬醛酸甲酯標準品(色譜純)，BOC science；液氮(工業級)，杭州今工特種氣體有限公司；去離子水，自制。

電子天平BSA224S，賽多利斯科學儀器公司；電熱鼓風烘箱101-1A，杭州藍天化驗儀器廠；冰點儀SYD-2430，上海昌吉地質儀器有限公司；氣相色譜儀GC-2014，Shimadzu公司；旋轉蒸發儀YRE-5299，鞏義市予華儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 壬醛酸甲酯質量濃度的測定方法

采用氣相色譜法分析壬醛酸甲酯的質量濃度。色譜柱：RTX-5氣相色譜柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)；檢測器：FID；載氣：99.99%高純氮氣；載氣流速：0.98 mL/min；程序升溫：初溫50 ℃ 保持3 min，10 ℃/min升至150 ℃保持1 min，10 ℃/min升至220 ℃保持3 min，10 ℃/min升至280 ℃ 保持6 min；進樣口溫度：290 ℃；分流比：1∶100；進樣量：0.2 μL。

1.2.2 標準曲線的繪制

取壬醛酸甲酯標準品1 mg溶于10 mL正己烷溶液中，用倍比稀釋法分別配制成5，10，20，40，60，80，120 μg/mL的標準溶液。以上述色譜條件為檢測條件，繪制標準曲線，并建立回歸方程。

1.2.3 冷凍結晶溶劑的選擇

取壬醛酸甲酯粗品5 g分別與無水乙醇、正己烷和乙酸乙酯按照質量比為1∶1混溶，分別浸沒于初溫為25 ℃的冰點儀中，以2 ℃/h的速度降溫直至觀察到有晶體析出，并在該溫度下保持6 h，過濾后稱重，分析濾液和晶體的組成。結晶實驗結果顯示：3 種溶劑下得到晶體質量大小依次為：無水乙醇(1.88 g，10 ℃)，乙酸乙酯(1.62 g，12 ℃)和正己烷(0.80 g，7 ℃)，經分析晶體中含有微量的壬醛酸甲酯，晶體中主要是棕櫚酸甲酯和硬脂酸甲酯等，晶體的質量越大越有利于壬醛酸甲酯的分離，故選擇無水乙醇作為溶劑。

1.2.4 純化方法

利用無水乙醇提取和冷凍結晶除雜相結合的方法，即利用低溫時部分高熔點的組分結晶析出的方法對壬醛酸甲酯進行純化。將壬醛酸甲酯粗品按照比例與一定量的乙醇溶劑混合，攪拌均勻后置于低溫容器內冷卻結晶，結晶完成后將晶體過濾、回收，得到含有壬醛酸甲酯的濾液，將濾液減壓蒸發，回收溶劑，得到純化后的產品。實驗條件下粗品中棕櫚酸甲酯和硬脂酸甲酯等組分的脫除率最高可達18.4%。

1.2.5 單因素實驗

為考察冷凍結晶純化壬醛酸甲酯工藝參數的影響，選取結晶溫度、結晶時間以及溶劑與原料質量比等參數進行單因素實驗，以確定適宜的結晶溫度、結晶時間以及溶劑與原料質量比，每個實驗重復3 次。

1.2.6 響應面實驗

根據單因素實驗結果，對影響壬醛酸甲酯質量分數的因素采用響應面法設計實驗，按照Box-Behnken實驗設計原理，以結晶溫度、結晶時間、溶劑與原料質量比為考察因素，以壬醛酸甲酯質量分數為響應值，設計了3因素3水平響應面分析實驗，采用Desgin-Expert 8.0.6統計分析軟件對17 個實驗點的響應值進行回歸分析，對實驗結果進行評定，推測得出最佳工藝參數和壬醛酸甲酯的質量分數，并進行實驗驗證。

2 結果與討論

2.1 壬醛酸甲酯標準曲線

以壬醛酸甲酯的出峰面積為橫坐標，以壬醛酸甲酯質量濃度為縱坐標，得到其標準曲線，結果如圖1所示。壬醛酸甲酯標準曲線的回歸方程為：C=5×10-5A+0.069 2，R2=0.999 8。式中：C為壬醛酸甲酯的質量濃度，μg/mL；A為峰面積。

圖1 壬醛酸甲酯的標準曲線Fig.1 Standard curve of methyl azelaaldehydate

2.2 單因素實驗

2.2.1 結晶溫度的影響

壬醛酸甲酯粗品中除了壬醛酸甲酯外還有棕櫚酸甲酯、硬脂酸甲酯等組分。以無水乙醇為溶劑，在溶劑與原料質量比為1.0，結晶時間為1.0 h的條件下，選取0，-5，-10，-15，-20 ℃為結晶溫度，考察結晶溫度對壬醛酸甲酯質量分數的影響，結果如圖2所示。由圖2可知：在溫度為-10～0 ℃時，隨著結晶溫度的降低，壬醛酸甲酯質量分數呈現升高趨勢，但變化不顯著；但在結晶溫度低于-10 ℃后，壬醛酸甲酯的質量分數急劇下降，在-20 ℃時僅為(15.87±0.24)%，這表明在冷凍結晶過程中存在較適宜的結晶溫度，低于該溫度時選擇性下降，有部分壬醛酸甲酯被包裹進晶體，導致壬醛酸甲酯質量分數下降。在-10 ℃和-5 ℃時，壬醛酸甲酯的質量分數比較接近，從節能的角度考慮，實驗選擇-5 ℃作為結晶溫度。

圖2 結晶溫度對壬醛酸甲酯質量分數的影響Fig.2 Effect of crystallization temperature on mass fraction of methyl azelaaldehydate

2.2.2 結晶時間的影響

結晶時間是影響結晶純化效果的重要條件，時間過短會使結晶不充分，時間過長會將目標產物包裹進晶體，導致目標產物質量分數降低。在溶劑與原料質量比為1，結晶溫度為-5 ℃的條件下，每隔0.5 h取樣分析，考察結晶時間對壬醛酸甲酯質量分數的影響，結果如圖3所示。

圖3 結晶時間對壬醛酸甲酯質量分數的影響Fig.3 Effect of crystallization time on mass fraction of methyl azelaaldehydate

由圖3可知：結晶時間為0.5～3.0 h時，得到的產品中壬醛酸甲酯質量分數隨結晶時間延長而增大，由0.5 h時的(28.51±0.23)%增加至3.0 h時的(35.10±0.28)%；繼續延長結晶時間，壬醛酸甲酯的質量分數基本保持恒定，故實驗選取結晶時間為3.0 h。

2.2.3 溶劑與原料質量比的影響

在冷凍結晶過程中，溶劑與原料質量比過低時溶液黏度偏高，導致過飽和溶液中部分不應結晶的物質進入晶體的空穴結構內而析出，而溶劑與原料質量比過高會延長濃縮時間，浪費原料，增加回收成本。在結晶溫度為-5 ℃，結晶時間為2.0 h的條件下，溶劑與原料質量比分別為1，2，3，4，5，考察溶劑與原料質量比對壬醛酸甲酯質量分數的影響。

實驗結果表明：溶劑與原料質量比為1～4時，壬醛酸甲酯質量分數基本保持不變，維持在(33.06±0.26)%～(33.38±0.27)%，溶劑與原料質量比對產品中壬醛酸甲酯質量分數的影響不顯著。當質量比為5時，壬醛酸甲酯粗品中各組分在無水乙醇中不能形成過飽和溶液，降溫時不能形成結晶，達不到結晶分離的效果，壬醛酸甲酯質量分數接近零。故從節約成本的角度考慮，實驗選擇溶劑與原料質量比為1。

2.3 響應面實驗

2.3.1 實驗設計及結果

在單因素實驗基礎上，按照Box-Behnken實驗設計原理，選取結晶溫度A、結晶時間B、溶劑與原料質量比C作為考察因素，以壬醛酸甲酯質量分數Y為響應值，設計了3 因素3 水平響應面分析實驗，共17 個實驗點。Box-Behnken實驗因素與水平編碼見表1，實驗設計及結果見表2。

表1 壬醛酸甲酯冷凍結晶實驗因素與水平編碼表

表2 Box-Behnken響應面實驗設計及結果

采用Desgin-Expert 8.0.6軟件對表2中的實驗數據進行多元二次回歸擬合，得到壬醛酸甲酯質量分數Y的二次回歸模擬方程，并對回歸方程進行方差分析，結果如表3所示。二次回歸模擬方程為

Y=23.775-0.242 5A+5.775B+1.075C-
0.01AB-0.25AC+0.1BC-0.043 5A2-
1.35B2-0.512 5C2

表3 壬醛酸甲酯質量分數回歸方程的方差分析Table 3 Variance analysis results of regression equation of methyl azelaaldehydate mass fraction

2.3.2 響應面和等高線分析結果

采用Desgin-Expert 8.0.6軟件獲得了結晶溫度A、結晶時間B、溶劑與原料質量比C交互作用的三維響應曲面圖及其對應的等高線圖。通過考察擬合后的響應曲面形狀，分析所選定因素對壬醛酸甲酯質量分數的影響，直觀評價各因素之間的交互作用，并由響應面的等高線分析推測最佳的工藝參數[21]。在3D響應面圖形中，曲面的傾斜程度反映了該因素對響應值的影響程度，傾斜度越大，即坡度越大，表明該實驗因素對響應值的影響越顯著。響應面的等高線可直觀反映兩個實驗因素之間交互作用的強弱，越接近橢圓形的等高線表明兩因素間的交互作用越強，而越接近圓形的等高線表明兩因素間的交互作用越弱[22]。

圖4為溶劑與原料質量比為2時，結晶溫度和結晶時間對壬醛酸甲酯質量分數的影響。由圖4可知：在結晶時間一定時，壬醛酸甲酯質量分數隨結晶溫度先增大后趨于平緩；在結晶溫度一定時，壬醛酸甲酯質量分數亦呈現先增加后平緩的趨勢。等高線接近圓形，且響應面坡度較小，表明結晶溫度和結晶時間的交互作用不顯著，這與回歸方程分析的結果相符。

圖4 結晶溫度和結晶時間交互作用對壬醛酸甲酯質量分數的影響(溶劑與原料質量比為2.0)Fig.4 Influence of crystallization temperature and crystallization time on mass fraction of methyl azelaaldehydate (mass ratio of solvent to material 2.0)

圖5為結晶溫度為-5 ℃時，結晶時間和溶劑與原料質量比對壬醛酸甲酯質量分數的影響。由圖5可知：在溶劑與原料質量比一定時，壬醛酸甲酯質量分數隨結晶時間先增加后降低；在結晶時間一定時，壬醛酸甲酯質量分數亦呈現先增后降的趨勢，表明結晶時間、溶劑與原料質量比對壬醛酸甲酯質量分數的影響存在極大值。等高線接近圓形，響應面坡度較小，表明結晶時間和溶劑與原料質量比的交互作用不顯著。

圖5 結晶時間和溶劑與原料質量比交互作用對壬醛酸甲酯質量分數的影響(結晶溫度為-5 ℃)Fig.5 Influence of crystallization time and mass ratio of solvent to material on mass fraction of methyl azelaaldehydate (crystallization temperature -5 ℃)

圖6為結晶時間為1.5 h時，結晶溫度和溶劑與原料質量比對壬醛酸甲酯質量分數的影響。由圖6可知：當溶劑與原料質量比較低時，壬醛酸甲酯的質量分數隨結晶溫度先增加后降低；而溶劑與原料質量比較高時，質量分數則隨結晶溫度逐漸增加。當結晶溫度較低時，壬醛酸甲酯的質量分數隨溶劑與原料質量比亦先增后降；結晶溫度較高時質量分數則隨溶劑與原料質量比逐漸增大。等高線接近橢圓形，響應面坡度較大，表明結晶溫度和溶劑與原料質量比的交互作用相對顯著。

圖6 結晶溫度和溶劑與原料質量比交互作用對壬醛酸甲酯質量分數的影響(結晶時間為1.5 h)Fig.6 Influence of crystallization temperature and the ratio of solvent to material on mass fraction of methyl azelaaldehydate (crystallization time 1.5 h)

2.3.3 響應面實驗優化與驗證

利用Desgin-Expert 8.0.6軟件處理后，優化得到冷凍結晶純化壬醛酸甲酯過程中各因素的最優值：結晶溫度-9.03 ℃，結晶時間1.88 h，溶劑與原料質量比2.94，壬醛酸甲酯的預測質量分數為34.73%。為驗證實驗結果與真實情況的一致性，對上述優化條件進行實驗驗證。在最優條件下進行3 次平行實驗，得到的壬醛酸甲酯平均質量分數為34.41%，實際值與理論值誤差為0.92%。表明所得的實驗模型合理，冷凍結晶純化壬醛酸甲酯的工藝可行，運行參數可靠。

3 結 論

以乙醇為溶劑，采用冷凍結晶工藝可有效純化壬醛酸甲酯粗品，提高其純度。Box-Behnken模型實驗結果顯示：因素對響應值的回歸模型可以用來描述冷凍結晶過程的壬醛酸甲酯質量分數，其中結晶溫度和結晶時間是極顯著影響因素。響應面法協調各因素的影響，優化冷凍結晶工藝的操作條件為結晶溫度-9.03 ℃，結晶時間1.88 h，溶劑與原料質量比2.94，實驗結果為壬醛酸甲酯生產提供了參考。