Dio Ⅱ: Cistanche: Visoko efikasna adsorpcija feniletanoidnih glikozida na mezoporozni ugljik
Mar 04, 2022
Kontakt: Audrey Hu Whatsapp/hp: 0086 13880143964 Email:audrey.hu@wecistanche.com
Helin Xu, Wenjing Pei, Xueqin Li i Jinli Zhang
Poređenje performansi adsorpcije tri mezoporozna ugljika
Budući da se tri adsorbenta uglavnom sastoje od ugljika, smatralo se da je adsorpcijska interakcija između PhG-a i mezoporoznog ugljika ista. Stoga se smatralo da je razlika u performansama adsorpcije izvedena iz razlike u fizičkoj strukturi mezoporoznih ugljika. Tabela 2 pokazuje performanse adsorpcije tri vrste mezoporoznih ugljika. Iz tabele 2 se može vidjeti da sve tri vrste mezoporoznih ugljika mogu adsorbirati PhGs, a CMK-3 je imao bolje performanse adsorpcije od CMK-8 i DMC. Ovo ukazuje da je veličina pora mezoporoznih ugljika bila veća od PhGs molekula, a veličina pora nije bila glavni faktor koji je utjecao na kapacitet adsorpcije za tri mezoporozna ugljika. Kapacitet adsorpcije i stope desorpcije CMK-3 bile su do 189,37 mg/g i 94,96 posto, respektivno. Kapacitet adsorpcije CMK-3 bio je veći od kapaciteta CMK-8. Budući da su zapremina pora i specifična površina CMK-3 bili veći od DMC i CMK-8, to je ukazivalo da su volumen pora i specifična površina glavni faktor koji utječe na performanse adsorpcije.
Optimizacija uslova adsorpcije
Optimizacija eksperimenta adsorpcije za CMK-3 izvedena je korištenjem mješavine i akteozida i ehinakozida. Temperatura, pH i koncentracija su bili glavni faktori koji utiču na performanse adsorpcije CMK-3. Stoga su istraženi efekti ova tri uticajna faktora na performanse adsorpcije CMK-3.
Utjecaj koncentracije uzorka na performanse adsorpcije CMK-3
Utjecaj koncentracije uzorka na performanse adsorpcije CMK{{0}} prikazan je na slici 5. Kako koncentracija raste, kapacitet adsorpcije raste. Kapacitet adsorpcije se više ne povećava s povećanjem koncentracije uzorka kada je koncentracija uzorka dostignuta na 0,41 mg/g. Pri niskoj početnoj koncentraciji uzorka, aktivna mjesta adsorbenta bila su dovoljna za adsorpciju relativno male količine PhGs molekula. Nasuprot tome, pri visokoj početnoj koncentraciji uzorka, fiksna količina aktivnih mjesta na adsorbentima nije mogla adsorpciju povećavajući količinu PhGs molekula. Dakle, kapacitet adsorpcije CMK-3 za PhGs molekule teži da bude uravnotežen.
Utjecaj pH na performanse adsorpcije CMK-3
Slika 6 pokazuje uticaj pH na performanse adsorpcije CMK-3. Sa slike 6 se može vidjeti da je optimalna pH vrijednost bila 6 za adsorpciju PhGs od strane CMK-3. Razlozi su sledeći: PhGs su imali veliki broj fenolnih hidroksilnih grupa i pripadali su molekulima slabe kiseline, različite pH vrednosti su uticale na jonizaciju i stabilnost molekula PhGs. Ionizacija fenolnih hidroksilnih grupa bi bila inhibirana pri niskoj pH vrijednosti, dok bi se stabilnost fenolnih hidroksilnih grupa na PhGs smanjila pri visokoj pH vrijednosti. Inhibirana jonizacija fenolnih hidroksilnih grupa na PhGs rezultirala je smanjenjem elektrostatičkih interakcija između PhGs i CMK-3, smanjujući performanse adsorpcije CMK-3 za PhGs. Dakle, optimalni pH bio je 6 za CMK- 3 adsorpciju.
Utjecaj temperature na performanse adsorpcije CMK-3
Temperatura je bila važan parametar u procesu adsorpcije. Temperatura ne utiče samo na difuziju molekula PhGs na interfejsu spoljašnjeg graničnog sloja, već i unutar pora adsorbenta. Na slici 7 prikazan je uticaj temperature na kapacitet adsorpcije CMK-3. Kapacitet adsorpcije CMK-3 raste sa povećanjem temperature sa 30 na 60◦C. Prijavljeno je da je glavni razlog bio taj što se aktivno mjesto povećava s povećanjem temperature zbog endotermne prirode procesa, a difuzija unutar čestica adsorbenata povećava se s povećanjem temperature adsorpcije (Peng et al., 2015.) . Osim toga, povećavala se mobilnost PhGs molekula i njihov otpor difuziji opadao s povećanjem temperature. Kapacitet adsorpcije opada sa povećanjem temperature kada je temperatura bila 60-80◦C. Pokazalo se da temperatura adsorpcije ima optimalnu vrijednost i da molekuli PhGs mogu biti nestabilni na visokim temperaturama. Stoga je odabrana optimalna temperatura adsorpcije 60◦C.
Optimalni uslovi adsorpcije CMK{{0}} bili su sljedeći: koncentracija uzorka je bila 0,41 mg/g, pH otopine je bio 6, a temperatura adsorpcije 60°C. U optimalnim uslovima, kapacitet adsorpcije PhGs u sirovom ekstraktu na CMK-3 bio je 358,09 ± 4,13 mg/g, što je više od tri puta veće od adsorpcionog kapaciteta PhGs na makroporoznim smolama (HPD300, 94,93 mg/g) (Liu et al., 2013). U međuvremenu, stopa desorpcije CMK-3 bila je 94,67 posto veća od one kod makroporozne smole.
cistanche dodatak
Izoterme adsorpcije
Izoterme adsorpcije prikazane su na slici 8A. Sa povećanjem ravnotežne koncentracije, kapacitet adsorpcije za PhGs se povećavao i dostigao status zasićenja. Da bi se dalje razumjele performanse adsorpcije PhG na CMK- 3, izoterme adsorpcije CMK-3 su istražene korištenjem Langmuir i Freundlich modela. Parametri adsorpcije dobijeni iz različitih modela daju neke korisne informacije o mehanizmima adsorpcije. Slike 8B, C prikazuju adsorpcione izoterme CMK-3 modelirane Langmuir i Freundlichovim modelom.
Langmuirov model se temeljio na pretpostavkama da se adsorpcija odvija na specifičnim homogenim mjestima unutar adsorbenta, ne dolazi do značajne interakcije između adsorbiranih vrsta, a adsorbent je zasićen nakon jednog sloja:
na površini adsorbenta nastaju molekule adsorbenta. Linearizirana Langmuirova jednadžba izoterme može se napisati na sljedeći način:
CE/QE=1 KLqm plus CE/QM (2)
Freundlichov model se obično koristio za opisivanje karakteristika adsorpcije višeslojnih i heterogenih površina (Wu et al., 2017). Njegov linearizovani oblik je dat na sledeći način:lnqe=lnKF plus 1n/lnce (3)
gdje je QM (mg/g) teoretski maksimalni kapacitet adsorpcije u jednom sloju, KL (mL/mg) je Langmuirova konstanta povezana s adsorpcijskom energijom koja odražava afinitet između adsorbata i adsorbenta (Wu et al., 2017; He et al. , 2019), KF [(mg/g)•(mL/mg)1/n ] i n su Freundlichove konstante. KF je pokazatelj relativnog kapaciteta adsorpcije, n je povezano sa veličinom pokretačke sile adsorpcije i heterogenošću mjesta vezivanja, a 1/n ukazuje na pogodnost adsorpcije.
Parametri modela izoterme su sažeti u tabeli 3. Langmuirov model je bio bolji od Freundlichovog modela za opisivanje podataka o adsorpciji PhGs na CMK-3, što ukazuje da je adsorpcija feniletanoidnih glikozida na CMK{{ 2}} je bio jednostavan proces jednoslojne adsorpcije (Wang F. et al., 2017). Pored toga, prisustvo funkcionalnih grupa koje sadrže kiseonik na površini CMK-3 pojačalo je adsorpciju PhGs. Maksimalna količina adsorpcije (QM) može doseći 380,70 mg/g što je bilo slično eksperimentalnoj vrijednosti. Osim toga, izračunata je vrijednost 1/n PhGs-a na 0,22, što je bilo<0.5. it="" indicated="" that="" the="" adsorption="" of="" the="" phgs="" on="" the="" cmk-3="" could="" take="" place="" easily="" (fu="" et="" al.,="" 2007;="" gan="" et="" al.,="" 2018).="" this="" indicated="" that="" the="" adsorption="" of="" phenylethanoid="" glycosides="" on="" cmk-3="" was="" not="" completely="" a="" physical="" adsorption="" process.="" phgs="" contain="" multiple="" hydroxyl="" groups="" which="" might="" form="" hydrogen="" bonds="" with="" the="" oxygen-containing="" functional="" groups="" on="" the="" cmk-3="" and="" offer="" weak="" chemical="" adsorption="" for="" the="" adsorption.="" therefore,="" cmk-3="" adsorption="" of="" phgs="" was="" a="" complex="" adsorption="" process="" combining="" physical="" adsorption="" with="">
Kinetika adsorpcije
CMK-3 adsorpcioni kapaciteti su ispitani kao funkcija vremena da bi se odredilo vrijeme ravnoteže adsorpcije na slici 9A. Istraživanje pokazuje da se ravnotežna brzina adsorpcije postupno smanjuje i postepeno izravnava kako se kapacitet adsorpcije približava ravnoteži. Utvrđeno je da je adsorpciona ravnoteža postignuta nakon 14 h. Brza početna brzina adsorpcije mogla bi biti posljedica visokog gradijenta koncentracije između PhGs i CMK-3 u otopini i površina CMK-3 je imala veliku dostupnost aktivnih mjesta.
Kinetika adsorpcije procijenjena je primjenom modela pseudo-prvog, pseudo-drugog reda i intra-čestičnog difuzionog modela. Ucrtani grafovi modela pseudo-prvog, pseudo-drugog reda i modela difuzije unutar čestica za adsorpciju PhGs na CMK-3 prikazani su na slikama 9B-D, respektivno.
Linearni oblik kinetičkih modela je izražen na sljedeći način: Pseudo-prvi red (Li et al., 2017a):
log (qe − qt )=logqe − K1/2.303 t (4)
Pseudo-drugog reda (Tang et al., 2018):
t/qt=1/K2q2e plus t/qt (5)
gdje su K1 (1/min) i K2 (g/mg·min−1) konstante brzine pseudo-prvog reda jednačine brzine i jednačine brzine pseudo-drugog reda, respektivno. qe (mg/g) je teoretski kapacitet adsorpcije u ravnoteži.
Model difuzije unutar čestica:
qt=Kpt1/2plus C (6)
gdje je Kp konstanta difuzije unutar čestice (mg/g min), a C je refleksija efekta graničnog sloja (mg/g).
Izračunate vrijednosti qe, konstante brzine i koeficijenta korelacije prikazane su u tabeli 4. Model pseudo drugog reda dao je vrijednost R2 od 0.998, dok je vrijednost R2 modela pseudo prvog reda bio 0.84. To implicira da model pseudo-drugog reda pokazuje bolji linearni odnos od modela pseudo-prvog reda. Slika 9C pokazuje da linearni grafikoni t/qe u odnosu na t pokazuju dobro slaganje s eksperimentalnim podacima iz modela pseudo-drugog reda. Izračunati qe pseudo-drugog reda bio je prilično sličan eksperimentalnim podacima (Tablica 4). Ovi rezultati su pokazali da je pseudo-drugi red prikladniji kinetički model od pseudo-prvog reda.
Međutim, rezultati evaluacije modela pseudo-drugog reda ne mogu odrediti potencijalni mehanizam adsorpcije. Općenito je prihvaćeno da je kinetika adsorpcije kontrolirana mehanizmom difuzije, koji se sastoji od vanjske difuzije, difuzije graničnog sloja i difuzije unutar čestica (Wong et al., 2019). Model difuzije unutar čestica korišten je da se odredi da li je difuzija unutar čestica korak koji ograničava brzinu.
Rečeno je da je difuzija unutar čestice korak koji ograničava brzinu kada je qt vs. t1/2 bio linearan. Difuzija unutar čestice bila je jedini korak u kontroli brzine kada kriva prolazi kroz početak. Na slici 9D se može vidjeti da je unutarčestična difuzija bila vođena kroz dva različita stupnja. Prva faza krivulje predstavlja površinsku adsorpciju. Druga faza ukazuje na difuziju unutar čestica u porama CMK-3. Kako dijagram unutarčestične difuzije nije prošao kroz ishodište, model je pokazao da je mehanizam adsorpcije više od jednog mehanizma i da difuzija unutar čestice nije jedini korak koji ograničava brzinu. Dakle, može se zaključiti da je mehanizam adsorpcije PhGs na CMK-3 bio složen da se i vanjska površinska adsorpcija i unutarčestična difuzija odvijaju istovremeno.
cistanche
Ponavljajući eksperiment
Ponovna upotreba je bila važan faktor za razmatranje upotrebe i vrednosti adsorbenata u praktičnim primenama. Stoga je testiran učinak ciklične adsorpcije CMK-3 za sirovi ekstrakt. Na slici 10 prikazani su rezultati ciklične adsorpcije CMK-3 za sirovi ekstrakt Cistanche tubulosa. Sa slike 10 se može primijetiti da se kapacitet adsorpcije CMK-3 promijenio sa 358,09 ± 4,13 mg/g na 320,78 ± 5,62 mg/g nakon tri ciklusa adsorpcije, što ukazuje da je CMK- 3 imao dobar ponovljivost, a CMK-3 se može više puta koristiti za adsorpciju feniletanoidnih glikozida.
ZAKLJUČCI
Istražena su adsorpciona svojstva PhG-a na tri vrste mezoporoznih ugljenika i okarakterisan je mezoporozni ugljenik pre i posle adsorpcije. Rezultati su pokazali da CMK{{0}} ima najveću specifičnu površinu i zapreminu pora među tri adsorbenta (CMK- 3, DMC i CMK-8), te može adsorbirati Molekuli PhGs su efikasniji od DMC i CMK-8 iz ekstrakata Cistanche tubulosa. Zato što funkcionalne grupe koje sadrže kiseonik na površini CMK-3 mogu da obezbede veliki broj aktivnih adsorpcionih mesta za PhGs molekule. Osim toga, formirane su vodonične veze između hidroksilnih grupa PhG-a i funkcionalnih grupa CMK- 3 koje sadrže kisik. Kapacitet adsorpcije sirovog ekstrakta za PhGs bio je 358,09 ± 4,13 mg/g pri optimalnim uslovima od 0,41 mg/L, pH=6 i 60◦C, a odgovarajuća stopa desorpcije CMK-3 bila je 95,02 posto . Podaci o adsorpciji pokazali su da je adsorpcija PhG-a blisko pratila Langmuirov model i modele pseudo-drugog reda, dok je model difuzije unutar čestica sugerirao da su koraci adsorpcije koji ograničavaju brzinu bili model difuzije unutar čestica. CMK-3 se može koristiti kao potencijalni adsorbent za visoko efikasnu adsorpciju PhGs iz Cistanche tubulosa.
cistanche suplementi
IZJAVA O DOSTUPNOSTI PODATAKA
Svi skupovi podataka generirani za ovu studiju uključeni su u članak/dopunski materijal.
DOPRINOSI AUTORA
HX je izveo sve eksperimente, prikupljao podatke, analizirao podatke i napisao rukopis. WP je pomogao u analizi FT-IR podataka i izvršio prikupljanje podataka. XL je pomogao da se objasne neki eksperimentalni rezultati i revidira rukopis. JZ je doprinio naučnoj interpretaciji rezultata i revidirao rukopis.
FINANSIRANJE
Zahvalni smo na podršci Nacionalne fondacije za prirodne nauke za mlade naučnike Kine (grant br. 21706166), Programa za mlade inovativne talente Univerziteta Shihezi (CXRC201802), Programa za stipendiste Changjiang i tima za inovativna istraživanja na univerzitetu (grant br. IRT_15R46), i naučni istraživački projekat rijeke Jangce na Univerzitetu Shihezi (Grant br. CJXZ201601)
