（植物學專業(yè)論文）發(fā)酵液中d核糖分離純化過程的研究.pdf

摘要 摘要 d 一核糖是一種重要的生理物質 常用于食品工業(yè)和醫(yī)療工業(yè)中 如 調味品的生產和維生素b 的合成 近幾年來 隨著發(fā)酵生產d 一核糖研究 的不斷深入 發(fā)酵液中d 一核糖的分離純化過程已成為重要的研究課題 本文以d 一核糖發(fā)酵液為研究體系 對發(fā)酵液中d 一核糖的分離純化過程進 行了研究 本研究利用活性炭對發(fā)酵液脫色 利用陰陽離子交換樹脂脫鹽 過 濾除蛋白質 最后結晶得到d 一核糖 主要內容如下 1 研究了活性炭對d 一核糖發(fā)酵液的脫色工藝 為其工藝的優(yōu)化設 計和操作提供依據 實驗表明 用活性碳脫色在間歇操作條件下最佳的 吸附時間為3 0m f f n 操作溫度為5 0 p h 為3 左右 2 利用2 0 l 7 強堿型陰離子交換樹脂和g 0 1 4 強酸型陽離子交換 樹脂去除d 一核糖發(fā)酵液中的陰陽離子 對d 一核糖發(fā)酵液離子交換樹脂脫 鹽工藝進行了研究 實驗表明 采用2 5 倍發(fā)酵液體積的去離子水對脫 鹽后的樹脂進行清洗 可得到最大的d 一核糖收率 溶液電導率可減小到 5 9 u s c m 鹽度減到0 5p p t 核糖收率達到8 0 以上 3 在研究發(fā)酵液離子交換樹脂脫色的基礎上 結合活性炭吸附工藝 建立了發(fā)酵液活性炭和離子交換樹臘聯(lián)合脫色的工藝模型 為降低分離 成本提供了理論和技術 4 利用有機溶劑分離純化d 一核糖 研究了d 一核糖的結晶工藝 關鍵詞 d 一核糖 分離純化 脫色 離子交換 結晶 發(fā)酵液中d 核糖分離純化過程的研究 s t u d yo nt h ep r o c e s so fs e p a r a t l 0 na n d p u r i f i c a t i o no fd r i b o s ef r o mt h ef e r t a t i o nb r o t h s o n g w e i d i r e c t e db yp r o f h a n j i a n r o n g a b s t r a c t d r i b o s e w h i c hi si m p o r t a n tf o rp l a y s i o l o g y c a nb em a d ei n t ov b 2 f l a v o r a g e n ta n dv a r i o u sn u c l e i ca c i dm e d i c i n e s i nt h er e c e n ty e a r s w i t ht h e d e v e l o p m e n to fd r i b o s ef e r m e n t a t i o n t h ep r o c e s s o f s e p a r a t i o na n d p u r i f i c a t i o no fd r i b o s eh a db e e nv e r yi m p o r t a n ta s p e c ti nr e s e a r c h o nt h e b a s i so ft h ef e r m e n ts y s t e mo fm i c r o b e t h i sp a p e rs t u d i e dt h ep r o c e s so f s e p a r a t i o na n dp u r i f i c a t i o no f d r i b o s ei nt h ef e r m e n t a t i o nb r o t h i nt h i sp a p e r f e r m e n t a t i o nb r o t hw e r ed i s c o l o r e db ya c t i v ec a r b o nf i r s t l y a n ds e c o n d l y d e s a l i n a t e d b yi o n e x c h a n g er e s i n r e m o v e dp r o t e i n sb y u l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n et h i r d l y f i n a l l y a c q u i r e dd r i b o s eb yc r y s t a l t h e r e a r ef o u r p a r t i a lc o n t e n t si nt h i sp a p e r t h et e c h n o l o g yo fa d s o r b e n td e c o l o r i z t i o no ff e r m e n t e db r o t hf o r p r o d u c t i o no f d r i b o s ew a ss t u d i e d w h i c hw a sm e a s u r e de a s i l ya n dc o r r e c t l y a n de x p o u n d e dt h ec o m p u t a t i o nm e t h o d so nt e c h n o l o g yo ft h ea d s o r b e n t d e c o l o r i z a t i o no ff e r m e n t e db r o t h t h eo p t i m u mt e c h n o l o g i e so ft h e a d s o r b e n td e c o l o r i z a t i o no ff e r m e n t e db r o t hb ya c t i v ec a r b o nw e r ea d s o r b e n t t i m e3 0m i n t e m p e r a t u r e5 0 ca n dp h 3o rs o r e m o v e da n i o n sa n dc a t i o n sb y2 0 1 7a n i o ne x c h a n g er e s i na n d0 0 1 4 c a t i o ne x c h a n g er e s i n a n dt h ed e s a l i n a t i o nt e c h n o l o g yi nd r i b o s ef e r m e n t e d b r o t hw a ss t u d i e d t h em a x i m a lr e c o v e r yr a t i oo fd r i b o s ec a nb eg e ta f t e r r i n s i n gd e s a l i n a t e dr e s i nb yu s i n gd e i o n i z e dw a t e rt h a ti s2 5t i m e sf e r m e n t b r o t hv o l u m e c o n d u c t a n c er a d i oc a nb ed e c r e a s e dt o7 5 9 u s c m s a l i n i t y o 5 p p t a n dt h er e c o v e r yr a t i oo fd r i b o s ea c h i e v e d8 0 a b o v e t h ea d s o r p t i o no fi o n e x c h a n g ew a sc o n f o r m e da n dt h eu n i tm o d e lw h i c h 摘要 a c t i v ec a r b o nw a sc o m b i n e dw i t hi o n e x c h a n g er e s i nd i s c o l o r a t i o nw a sm a d e b yc o m p u t i n gt h i sm o d e l t h eo p t i m a lp r o c e s sc o n d i t i o n sw e r ee s t a b l i s h e d a n dt h et h e o r i e sa n dt e c h n i q u ef o r r e d u c i n gs e p a r a t i n gc h a r g e i nt h e i n d u s t r i a l i z e dp r o d u c t i o nw e r ep r o v i d e d d r i b o s ew a s s e p a r a t e db yo r g a n i cs o l v e n t a n d t h e c r y s t a l l i z i n g t e c h n o l o g yo f d r i b o s ew a ss t u d i e d k e y w o r d s d r i b o s e s e p a r a t i o n a n d p u r i f i c a t i o n d i s c o l o r a t i o n i o n e x c h a n g e c r y s t a l l i z i n g 文獻綜述 第一章文獻綜述 d 一核糖是組成生物體內遺傳物質核糖核酸的重要成分 是一種有重要生理作用 的糖類 目前d 一核糖的生產主要以發(fā)酵法為主 發(fā)酵法生產d 一核糖是微生物代謝 較復雜的生化反應過程 發(fā)酵液中除了d 一核糖之外 還有代謝副產物 未消耗完的 培養(yǎng)基 有機色素 菌體 蛋白質和膠體物質等 d 一核糖的分離純化是d 核糖工業(yè)生產中的一個重要環(huán)節(jié) 本章綜述了d 一核糖 發(fā)酵液的預處理 活性炭脫色 離子交換樹脂除離子 膜分離除蛋白及d 一核糖提取 工藝近幾年的研究發(fā)展 闡述了d 一核糖的性能 用途及提取方法 在此基礎上 提 出了本文的研究內容 1d 一核糖的性質 d 一核糖 r i b o s e 分子式為c h 0 分子質量為1 5 0 1 3 它是一種五碳醛糖 3 其分子結構如下圖卜1 所示 c h o i h c o h h c o h h c o h c h 2 0 h 圖1 1d 核糖的分子結構 d 一核糖為極易潮解的斜方晶體 溶于水 微溶于乙醇 不溶于醚 苯 丙酮及 氯仿 可以利用此性質在d 一核糖水溶液中加入乙醇等有機溶劑從而降低d 核糖的 溶解度以達到結晶d 一核糖的目的 d 一核糖熔點8 6 8 74 c n o 一2 3 7 2 3 7 由 于其具有手性碳原子 所以核糖具有光學異構現象 從而具有d 一型和l 一型兩種構 型 但在自然界中主要以d 一型化合物的形式存在 即d 一核糖 1 發(fā)酵液中d 核糖分離純化過程的研究 2d 一核糖的應用 d 一核糖是一種有重要生理作用的糖類 它存在于所有動物 植物和微生物的細 胞中 d 一核糖是生物體內遺傳物質核糖核酸 m r n a t r n a r r n a 和5 s r n a 等各種 r n a 的碳水化合物組成部分 它又是細胞膜中核糖醇壁酸的重要成分 在生理上 起著重要的作用 生物體基因主要成分d n a 脫氧核糖核酸 是輔酶i n a d h 輔 酶i i n a d h p 以及乙酰輔酶a 的主要結構 而d n a 是通過還原反應使核苷酸分予 中的核糖脫氧得到的 核糖還是生物體內從無到有臺成a t p 的前體物質 近年來d 一核糖作為抗癌和抗病毒藥物 調味品和調味香精等的合成原料在制藥 工業(yè)和食品工業(yè)上得到廣泛的應用 在食品工業(yè)上 d 核糖可作為調味品 調味香 精等風味物質的合成原料 如5 一肌苷酸 5 鳥苷酸 在醫(yī)藥工業(yè)中 核糖的應用也 很廣泛 首先核糖是維生素b 2 的重要合成原料 1 維生素b 化學名稱核黃素 微溶 于水 它對生命活動是不可缺少的 維生素b 經a t p 磷酸化生產的f m n 與f a d 是許 多脫氫酶的輔酶 是很重要的遞氫體 可促進生物氧化作用 對糖 脂和氨基酸的 代謝都很重要 此外維生素b 是動物發(fā)育及許多微生物生長的必要因素 同時人體 缺乏維生素b 時會導致細胞代謝失調 首先受影響的為眼 皮膚 舌 口角和神經 組織 缺乏癥有眼角膜 口角血管增生 白內障 口角炎 眼角膜炎等癥狀 還可 導致舌炎和陰囊炎 1 目前 維生素b 的世界年總產量約為6 0 0 0 噸左右 僅日 美 兩國需求量就在萬噸以上 世界年需求量超過2 4 萬噸以上 國際市場缺口很大 1 國內市場對核黃素需求量也日益增加 售價穩(wěn)中有升 而我國現在年產量不足 造 成國內市場供不應求 大力發(fā)展核黃素工業(yè)愈顯重要 因此 醫(yī)藥工業(yè)也就需要大 量的核糖為前體來生產維生素b 2 其次 醫(yī)療保健方面 d 一核糖具有治療心肌局部 缺血的作用 加強心臟抗局部去血的能力 從而全面改善心臟功能 d 一核糖還可用 于治療運動引起的肌肉酸痛 腺苷酸脫氨酶缺陷造成的僵硬 胞內缺乏磷酸化酶造 成的肌肉酸痛以及糖尿病等 另外 d 一核糖可用來合成類固醇 前列腺素 維生素 d 的結構類似物 萜類化合物 修飾氨基酸 凝乳酶抑制因子等 隨著近年來核酸 藥物的發(fā)展 利用核糖可以合成一些抗病毒和抗癌的藥物 如問型霉素 吡唑呋喃 菌素以及它們的一些關鍵中間產物的結構類似物等 也可由d 一核糖制各抗腫瘤 黑 素瘤和白血病 以及治療卵巢癌的藥物 1 文獻報道d 一核糖可能具有一定的延緩衰 老和增強耐缺氧能力的作用 1 總之 d 一核糖的應用非常廣泛 是一種具有重要生理作用的單糖類物質 文獻綜述 3d 一核糖的生產方法 自1 8 9 1 年k o s s e l 在水解酵母時發(fā)現并確定核糖 到利用細菌發(fā)酵法生產核糖 大約經歷了8 0 多年的時間 這期間經歷了使用水解法和化學合成法等方法來生產 核糖 但最終發(fā)現利用微生物發(fā)酵法生產核糖才是最有效和最經濟的 d 一核糖的生產方法可歸納為3 種 1 通過化學法和酶水解法水解酵母核酸 核苷酸的方法提取核糖 但這種 方法收率低 成本高 不適于工業(yè)化生產 1 2 用l 一阿拉伯糖 葡萄糖酸 l 一谷氨酸和d 一木糖等原料的化學合成法 這 些方法都不同程度存在著工藝復雜 原料價格高 有副產物生成 收率低等不足 3 2 0 世紀7 0 年代 日本的s a s a j l m a 等人 1 利用枯草芽抱桿菌 b a c i l j u s s u b t i l i s 的轉酮酶 e c 2 2 1 1 缺陷突變株 以d 一葡萄糖為原料用發(fā)酵法生產 d 一核糖取得成功 以轉酮酶缺陷型的芽孢桿菌作為生產菌種 以葡萄糖為原料 在合理的工藝條 件下 d 一核糖積累量達到7 0 m g i i l 1 近年來隨著分子遺傳學和新的發(fā)酵工藝的應 用又使得d 一核糖的產量超過9 0 m g m l 并且發(fā)酵時間和副產物的產生量都大大減 少 發(fā)酵法生產d 一核糖以其獨有的特點 已成為當前最經濟有效的d 一核糖的生產 方法 4d 一核糖的提取方法 將發(fā)酵液預處理除菌 脫色 脫蛋白 除鹽后 將d 一核糖從發(fā)酵液中分離出來 這一過程叫d 一核糖的提取 d 一核糖的分離提純主要應用其弱電介質的性質 溶解度 分子大小與吸附劑的 相互作用等來達到將d 一核糖從發(fā)酵液中提取的目的 目前發(fā)酵工業(yè)主要的提取方法有如下幾種 1 離子交換法 離子交換法是利用人造的離子交換樹脂作為吸附劑 將發(fā)酵液中的發(fā)酵產物吸 附在樹脂上 根據晶格理論 作為離子交換樹脂的固體可視為是離子型 離子交換 法中所應用的離子交換樹脂固體 盡管是離子聚合物組成 但它們必須帶有可離解 的基團 交換反應可逆 一般遵循化學平衡規(guī)律工藝原理 天津輕工業(yè)學院張燕等 人是用硼酸型陰離子交換樹脂吸附d 一核糖 再利用硼酸鹽緩沖液洗脫達到濃縮純化 的目的 3 發(fā)酵液中d 核糖分離純化過程的研究 2 色譜分離法 色譜分離法又稱色層分離法或層析法 它是一類高效的分離純化技術 能用于 分離化學結構與性質極相似的物質 具有分離效率高 設備簡單 操作方便且無需 加熱等特點 因此不易引起變性 特別適用于大分子有機物的分離純化 s a i t o 和 s u g i y a m a 離心去除菌體 用強堿性陰離子樹脂 硼鼎 交換層析 從食蟲假單孢菌 p s e u d o m o n a sr e p t i l i v o v a 的培養(yǎng)液中分離得到d 一核糖糖漿 最后從糖漿中獲得 d 一核糖結晶 h o u g h 等人通過高強度的纖維層析 從各種糖的混合物中分離得到 d 一核糖 邱蔚然 6 等在發(fā)酵液中添加絮凝劑后 壓濾去除菌體 然后串聯(lián)通過 7 3 2 d 3 1 5 h d 1 等離子交換樹脂 去除大量色素 使收率提高2 0 一3 0 并可 得到高純度的結晶 5 發(fā)酵液的預處理 核糖發(fā)酵液中存在著大量的菌體和雜蛋白 這些雜質在核糖提取前如不進行分 離 在后續(xù)的操作中容易引起離子交換柱的堵塞 造成分離困難 5 1 發(fā)酵液中菌體的去除方法 發(fā)酵液中菌體的去除方法有 過濾法 離心法和加絮凝劑法 核糖發(fā)酵液屬于非牛頓型流體 采用過濾法去除菌體比較困難 目前除菌體常 用的聚丙烯酰胺等有機溶劑都有一定的毒性 且除菌體效果不理想 用離心分離法 去除菌體是一種很有效的方法 由于核糖發(fā)酵液所使用的微生物一般為枯草芽孢桿 菌 短小芽孢桿菌等微生物 其個體比較微小 因此必須采用高速離心的方法才能 去除 采用轉速4 0 0 0r m i n 離心1 5 分鐘的方法 即可將菌體從發(fā)酵液中去除 得到澄清透明的發(fā)酵液 工業(yè)上則可采用高速離心機分離的方法除去菌體 滿足工 藝要求 5 2 發(fā)酵液中蛋白的去除方法 5 2 1 醋酸鉛法 發(fā)酵液中的蛋白容易與重金屬鹽 如鉛等 生成不溶性沉淀被除去 研究表明 發(fā)酵液除蛋白效果與飽和醋酸鉛添加量有關 在發(fā)酵液中添加1 0 一1 5 的飽和醋 酸鉛 可以基本除盡發(fā)酵液中的殘蛋白 而且不會對后續(xù)操作造成明顯影響 在實 驗中還發(fā)現 醋酸鉛在除蛋白過程中有一定的絮凝作用 對色素的去除 發(fā)酵液的 澄清都具有積極的作用 4 文獻綜述 5 2 2 加熱法 7 1 由于蛋白質具有熱敏性 在加熱 7 0 c 一8 0 c 條件下使其變性形成而除去 但對于d 一核糖發(fā)酵液中蛋白質的處理 由于d 一核糖也容易熱變性 所以此法并不 適合 5 2 3 等電點法除蛋白 7 1 加酸使蛋白質達到等電點 一般蛋白質的等電點皆偏酸性 溶解度降低而沉 淀 濃酸可使蛋白質成為不溶性變性蛋白質而沉淀 如同時加熱又加酸 則更易沉 淀 5 2 4 有機溶劑法除蛋白 7 3 乙醇 丙酮能吸水 破壞蛋白質膠粒上的水化層 而使蛋白質沉淀 低溫時 用丙酮脫水 還可保存原有的生物活性 但用乙醇脫水 時間較長后可使蛋白質變 性 52 5 膜分離技術 8 1 以上分離蛋白質的方法大部分都能起到很好的脫除蛋白質的作用 但是都會或 多或少的耗費大量的酸堿 有機溶劑或者無機鹽試劑 不但經濟上造成一定的損耗 也會污染環(huán)境 選用膜分離對發(fā)酵液中的蛋白質進行截流可以避免以e 問題的出 現 6 發(fā)酵液的脫色 發(fā)酵液中一般都含有一定的黃褐色色素 如果不進行脫色處理 色素帶入成品 會影響核糖的色澤和純度 發(fā)酵液透光率的高低常常是用來衡量其中雜質多少的 指標之一 透光率高 相對說明其中雜質的含量較少 色素產生的原因有如下幾個方面 1 生產過程中各種成分的化學變化產生有色物質 如淀粉水解過程中時間 長 溫度高 使葡萄糖聚合產生蔗糖 鐵制的設備接觸酸堿產生電化作用 其結果 使設備腐蝕 游離出許多鐵離子 除產生紅棕色外 還與水解糖內單寧結合 生成 紫黑色單寧鐵 葡萄糖與氨基酸在受熱情況下也會結合產生黑色素等等 都會使溶 液帶有大量色素 2 生產過程中由于操作不當 使發(fā)酵液顏色加深 如實驗中黃血鹽加量不 適合導致發(fā)酵液中色素增加等 6 1 色素的表征方法 發(fā)酵液中d 核糖分離純化過程的研究 溶液中的色素濃度是一個難于測量的參數 使色素濃度的單位難以確定 目前 色素的表征方法分為以下幾種 1 利用色值法對色素進行表征 當雜質的成分和濃度為未知時 可用雜質 的某些特性如色度來提供濃度的數據 由于糖漿色值與色素濃度成正比關系 s k a s 糖漿色值 a 一色素濃度 因而可用色值間接地表示色素的濃度 華南 理工大學的賴風英等人在對糖漿脫色效能研究時采用了這種方法 2 利用溶液的透光率對色素進行表征 由于不同濃度的色素溶液其透光率 不同 可以利用溶液的透光率相對表征色素的濃度 目前大多研究論文利用此法對 色素進行表征 3 利用比色法表征色素濃度 通過對比標準比色管中不同色素含量的溶液 顏色 讀出代測液的濃度 此法精確度不高 雖然色素濃度的表征方法很多 但一般來說這些方法都是對色素濃度作定性的 考察 還缺乏其過程表征和計算的深入研究 6 2 脫色的方法 目前國內脫色方法主要有活性炭脫色和離子交換樹脂脫色 62 1 活性炭脫色 活性炭的脫色原理 活性炭的脫色除雜作用主要是由于活性炭表面的吸附作 用 活性炭的吸附作用可以在空氣中進行 也可以在溶液中進行 它能將氣體 蒸 汽或溶液中的溶質吸附在自己表面 活性炭的表面積越大 越有利于它的吸附作用 在活性炭的吸附過程中 同時包含有物理吸附和化學吸附兩種作用 物理吸附作用的機理是 吸附過程由吸附劑表面與被吸附物質分子之間的范德 華力引起 這種吸附作用的選擇性很大 在高溫下吸附量反而降低 吸附過程中能 量變動較小 因而容易解吸 化學吸附的機理是 吸附劑表面存在著不飽和鍵 可以與被吸附分子的極性基 團形成某些副價鍵 例如氫鍵等 從而產生吸附作用 化學吸附作用有一定的選擇 性 而且適當升高溫度可以加快吸附速度 吸附過程中發(fā)生能量的變化 解吸較困 難 在活性炭對色素的吸附過程中 以上兩種吸附作用都有 但主要是化學吸附 根據用途不同 對活性炭質量的要求也不同 用于發(fā)酵液的脫色 要求活性炭脫色 能力強 灰份少 并且以不吸附或少吸附d 一核糖為原則 文獻綜述 粉末活性炭的脫色工藝條件如下 1 溫度對粉末活性炭脫色效果的影響 一般來說 溫度高 溶液的粘度減 少 降低了分子的運動阻力 從而使分子運動速度加快 被吸附物質分子向吸附劑 表面的擴散速度增加 因而進入吸附劑小孔的機會多 溫度高 吸附劑表面的液膜 層薄 有利于被吸附質擴散通過液膜 有利于吸附作用 這些因素都是有利于吸附 過程進行的 但是溫度升高到一定程度后 吸附量就不再增加 如果溫度太高 色 素的解吸速度也會迅速增大 反而有利于解吸過程進行 這也就是在某些場合下 溫度升高 吸附量反而降低的原因之一 2 p h 值對粉末活性炭脫色的影響 溶液的p h 值對脫色效果的影響很大 根 據粉末活性炭的特性 溶液在p h34 時 活性炭脫色效果較好 3 活性炭用量 應當根據活性炭脫色能力的強弱和發(fā)酵液色素深淺等情況 決定活性炭用量多少 一般活性炭用量為o 6 w v 左右 炭用量過大 一方面增加 成本 另一方面因炭要吸附一定量的核糖 影響收率 4 脫色時間的影響 活性炭的脫色效果與脫色時間密切相關 脫色時間長 被吸附的物質分子與活性炭表面的接觸機會多 有利于吸附作用 尤其是當被吸附 的物質是一些分子量較大的色素分子時 由于分子大 擴散速度慢 吸附作用就更 需要一定的時間 為了加強吸附過程的進行 進行適當的攪拌是必要的 因攪拌可 以促迸擴散運動的進行 5 粉末活性炭的脫色操作 在發(fā)酵液中加入0 6 w v 的活性炭 在水浴振 蕩器中控制溫度進行脫色 6 2 2 離子交換樹脂脫色 離子交換樹脂的脫色作用 主要依靠樹脂的多空隙表面對色素進行吸附作用 這種吸附作用主要是樹脂的基團與色素的某些基團形成共價鍵 因而對雜質起到吸 附與交換作用 1 樹脂的選擇 離子交換樹脂的種類很多 但什么樣的樹脂具有較好的脫色能力 同時不吸附 d 核糖 又不增加其它雜質 張燕 2 3 等人的實驗結果顯示 堿性大孔離子交換樹脂 脫色較好 但室溫下不易洗脫 a b 一8 樹脂有較高的糖回收率 且洗脫集中 鄭長城 等人 的實驗結果顯示 極性n k a i i 樹脂再生后脫色性能變化不大 即說明在實 驗條件下樹脂基本完全再生 2 樹脂脫色操作要點 發(fā)酵液中d 核糖分離純化過程的研究 a 再生劑的選擇 樹脂再生的好壞 對脫色效果起重大的作用 再生的好壞決定再生劑的種類及 再生條件 b 上柱液溫度 發(fā)酵液中的雜質 有些分子量較大 在交換過程中擴散速度較慢 因此適當的 提高上柱液溫度可以使擴散力加快 但溫度也能促進解吸 一般控制在常溫條件脫 色 1 c 上柱流速 堿性樹脂對其離子交換速度慢 因此上柱脫色時 必須選擇一個適當的交換流 速 而使之充分的進行交換反應 實驗測定1 o b v h 有利于脫色 d p h 對交換作用的影響 弱堿性的陰離子交換樹脂當p h 增大時 它們呈不解離傾向 以致交換吸附困 難 造成脫色效果差 一般p h 控制到3 4 e 交換量與初始透光率的關系 上柱量的大小與初始色素含量有很大的關系 初始色素含量低 交換量小 初 始色素含量高 交換量大 6 3 吸附脫色研究進展 63 1 陰離子交換樹脂脫色 弱堿性陰離子交換樹脂 是一類開發(fā)很早 應用較為廣泛的功能性高分子材料 早在1 9 4 9 年就應用于糖類脫色 我國南開大學 吸附分離與功能高分子國家重點 實驗室合成了對色素具有高吸附量 強選擇性的大孔陰離子交換樹脂 詳細研究了 影響樹脂脫色性能的各種因素 仝明豪 3 3 等采用大孔強堿季銨i 型陰離子樹脂d 一2 9 0 代替2 0 1 4 凝膠型樹脂 對慶大霉素原料提取部分的洗脫液脫色效果良好 樹脂 用量減少 抗污染能力強 機械強度高 交換吸附能力大 慶大霉素損失少 天津 大學和南開大學 4 1 聯(lián)合采用8 種樹脂對東北紅豆衫提取進行了脫色研究 鄭長城等 人 研究了用樹脂對d 一核糖發(fā)酵液進行脫色 6 3 2 活性炭脫色 活性炭為黑色多孔性粉末或顆粒 無嗅無味 常溫時化學性能穩(wěn)定 不溶于水 和普通溶劑 表觀密度隨原料來源和制造方法的不同差別很大 因活性炭對有機物 吸附量高 所以被廣泛應用于去除水的色度和嗅味 以及釀造用水 糖漿精制用水 文獻綜述 清涼飲料用水的凈化 在廢水處理中也大量使用活性炭 活性炭纖維 a c f 是近 年來新開發(fā)的高效吸附材料 其微孔含量大 孔徑小 孔徑分布窄 比表面積高達 1 0 0 0 3 0 0 0m 2 g 吸附容量大 吸附速度快 目前 國外己將a c f 廣泛應用于環(huán)境 工程 醫(yī)學 電子 化工等領域 6 3 3 活性白土脫色 活性白土是膨潤土的一種深加工產品 它由膨潤土脫水粉碎 加硫酸活化 經 水洗 分離 干燥而得 活性白土在水中和油中膨脹極少 有滑膩感 濕潤時有玻 璃光澤 分子間為層狀結構 表面有許多不規(guī)則的孔穴 加熱至3 0 0 c 以上脫除層 間水 具有獨特的吸附性能 易吸潮 水分過高時 影響脫色效果 活性白土主要用于礦物油 植物油 動物油 石蠟 脂肪酸以及有機化學品的 脫色精制 哈力濱工業(yè)大學探討了小興安嶺改性頁巖在糖液脫色方面的應用 獲 得了最佳改性條件和脫色條件 研究結果表明 改性頁巖對糖液具有較好的脫色能 力咖 7 發(fā)酵液除鹽 發(fā)酵液中殘存著大量的無機離子 對后續(xù)操作及產品質量影響較大 因而需對 發(fā)酵液進行脫鹽處理 采用一般的強酸 強堿性離子交換樹脂對d 一核糖發(fā)酵液進行除鹽即可達到滿意 的結果 脫鹽過程中不斷測定發(fā)酵液p h 以控制脫鹽效果 7 1 離子交換樹脂脫鹽的研究 d 一核糖發(fā)酵液的離子種類比較多 脫除起來有一定難度 由于發(fā)酵液中離子的 去除涉及產品的純度和產量 屬于商業(yè)機密 在文獻中報道較少 一般文獻中都認 為用強酸 強堿性樹脂進行脫鹽 7 11 離子交換的基本原理 離子交換的基本理論主要包括兩個方面 一是離子交換反應在一定條件下的反 應方向和反應速度 這就是離子交換平衡問題 即離子交換熱力學 二是離子交換 反應的歷程和達到平衡的時間 這就是離子交換速度問題 即離子交換動力學 7 12 離子交換選擇性 1 一個離子交換平衡反應是否有實際意義 在很大程度上依靠樹脂的選擇性 因 此 研究離子交換選擇性具有十分重要的意義 影響離子交換樹脂選擇性的因素很多 其中主要是 9 發(fā)酵液中d 核糖分離純化過程的研究 1 離子交換樹脂總是選擇高價的反離子 樹脂對高價反離子的選擇性不僅 與溶液中電介質的稀釋度有關 尤其與樹脂內部的高度容積率有關 2 樹脂內部促使顆粒膨脹的力 在水溶液中 樹脂相的固定離子和活動離子 以及溶液中的游離離子都被水分 子包圍 離子的水化產生了樹脂的膨脹力 膨脹力的變化與水化離子半徑有關 當 然樹脂離子的水化半徑越小越好 3 樹脂交聯(lián)度 樹脂的交聯(lián)度是影響樹脂的選擇性的重要因素 交聯(lián)度越大 對樹脂的選擇性 的影響就越大 而交聯(lián)度較小時 這種影響就減小到最后可以忽略不計 這是由于 交聯(lián)網絡形成的篩網作用造成的 7 1 3 離子交換脫鹽的化學反應乜朝 稀釋溶液中的脫鹽主要用強酸性氫型陽離子交換樹脂和強堿性陰離子交換樹 脂 發(fā)酵液和陰離子交換樹脂發(fā)生如下反應 r o h a 一 r a o f f 0 h 一十 r h 2 0 發(fā)酵液與陽離子交換樹脂發(fā)生如下反應 h a b b a h h o h h 0 7 1 4 脫鹽的基本工藝流程 1 離子交換脫鹽有別于蒸餾法除鹽 稱為化學法除鹽 基本工藝流程如下 1 過濾液 卜h 型強酸性陽離子交換 卜0 h 型強堿性陰離子交換 脫 鹽液 2 過濾液 卜h 型強酸性陽離子交換 卜o h 型弱堿性陰離子交換斗 o h 型強堿性陰離子交換 脫鹽液 流程 1 是基本的 能完成脫鹽的所有化學反應 去掉發(fā)酵液中各種陽 陰 離子 流程 2 基本上充分利用了弱堿性樹脂比強堿性樹脂再生費用低的特點 7 1 5 樹脂的衰退 強酸和強堿性離子交換樹脂在使用中會發(fā)生衰退 失去部分交換基團或退化成 弱堿或弱酸性基團 使工作容量下降 離子交換樹脂在使用過程中性能惡化的原因可能是 熱力學上不穩(wěn)定的基團逐 漸水解 交換集團在使用過程中損失 原因不明的老化 即所謂自結垢作用等 結 果交換速率急劇下降 樹脂使用壽命縮短 1 0 文獻綜述 這些因素發(fā)生作用的急緩和樹脂的類型及所處理發(fā)酵液的品質有關 7 16 樹脂的再生 當樹脂在使用中其交換容量接近或達到飽和 此樹脂就需要再生處理 再生后 的樹脂可以繼續(xù)使用 這也使得樹脂使用起來更加經濟 但考慮到傳統(tǒng)的再生方法 中 再生的費用高以及對環(huán)境污染嚴重 所以有必要進一步的改進樹脂的再生方法 7 2 離子交換技術的發(fā)展 科學技術和生產的發(fā)展 對產品提出了高質量 多規(guī)模的要求 大大促進了離 子交換樹脂的品性和性能 在工藝和裝置方面也有了發(fā)展 1 合成新型離子交換樹脂 近年來合成的數十種新型樹脂 為離子交換處理提供了更大的保證 新型樹脂 有 磁性樹脂 粉狀樹脂 熱再生樹脂等 2 采用新的工藝流程 2 1 雙層床新組合 a 單柱陽一混型雙層床 脫鹽塔上層為強酸性陽離子交換樹脂床 下層為 混合床 這種裝置結構簡單 操作便利 易于再生 b 單柱混一陽型雙層床 脫鹽單塔上層為混合床 下層為陽樹脂床 其處 理效果與串聯(lián)混合床與陽樹脂的雙塔脫鹽裝置相同 設備投資與再生操作費用少 c 單柱混混型二層床 單柱上下層均為混合床 上層為幾乎不含鹽型樹脂 的混合床 下層為少量的鹽型樹脂的混合床 2 2 新型三層床 a 單柱陽陰 混三層床 由上層強酸陽樹脂床 中層強堿性陰樹脂床 下 層混合床組成單柱脫鹽塔 b 單柱陽一混一混型三層床 上層為強酸型陽樹脂 中 下層均為混合床的 三層組合 2 3 單柱四層床 在一個塔中 最上層為強酸陽樹脂 第二層為強堿性樹脂 脂 最下層為強堿性陰樹脂 組成四層床脫鹽單塔 3 脫鹽新技術 一種有別于經典脫鹽工藝的新技術將脫鹽過程分三步完成 即將弱堿性陰離子交換樹脂轉變成酸式碳酸型 繼而進行堿化 第三層為強酸性樹 先進行樹脂碳化 最后進行脫栽 這 發(fā)酵液中d 核糖分離純化過程的研究 種工藝適于處理含鹽量高的溶液 經濟有效 7 3 離子濃度測定方法 溶液中離子濃度的測定方法有很多種 但對于發(fā)酵液中 由于離子種類很多 所適用的測定方法并不多 7 3 1 溶液中離子不僅一種時離子濃度的測定 1 用酸度計測定離子的濃度 1 1 用酸度計的p h 檔測定離子濃度時 只需配制一個標準溶液 通過比較試液和 標準溶液的p h 值變化 就可求出試液的離子濃度 2 用電導法確定溶液中離子濃度 徐銅文等 在有關電解質理論的基礎上 導出了混合組分溶液的電導與各組分 的濃度關系 用實驗證實了稀溶液中各組分的相互獨立性 即混合組分的電導與各 組分的濃度成正比 比例系數 斜率 與它們在純溶液時的相同 因此我們可以用電 導一濃度標準曲線來測定離子濃度 7 3 2 溶液中離子含量為多種時離子濃度的測定 1 原子吸收光譜法測定d 一核糖發(fā)酵液中陽離子含量用w f x l 3 型濃度直讀 原子吸收光譜分光光度計 可直接測量溶液中的陽離子濃度 但是需要配制一系列 的儲備液和標準溶液 且測量時需加入相應的掩蔽劑 做起來工作量大 不宜采用 2 離子色譜法測定d 一核糖發(fā)酵液中陰離子含量 利用陰離子色譜柱對d 核糖發(fā)酵液中陰離子進行分離 并通過電導檢測儀進行 外標定量檢測 利用外標高效液相色譜法可快速 準確地分離和測定d 一核糖發(fā)酵液 中陰離子濃度 但測定條件要求較高 3 離子選擇電極法測定發(fā)酵液中陰陽離子含量 應用離子選擇電極統(tǒng) n 定發(fā)酵液中陰陽離子含量 此法雖然十分適用于工業(yè) 生產的分析 測量迅速 但是發(fā)酵液中離子種類很多 這需要大量的電極 且有的 離子至今尚未有用來測量的選擇性電極 這種方法不能準確測出溶液中的總離子含 量 是一缺點 4 電導率表征離子濃度的測定方法 發(fā)酵液中離子種類繁多 電導率可表征溶液中離子的總濃度 所以可用電導率 表征脫鹽前后的離子濃度 8d 一核糖的結晶 文獻綜述 結晶是工業(yè)發(fā)酵生產過程中重要的單元操作之一 廣泛應用于氨基酸發(fā)酵 有 機酸發(fā)酵 核苷酸發(fā)酵 酶制劑發(fā)酵和抗生素發(fā)酵等的提取和精制過程中 結晶是 制備純物質的有效方法 結晶過程具有高度選擇性 只有同類分子或離子才能結合 成晶體 因此析出的晶體很純凈 在工業(yè)發(fā)酵中許多發(fā)酵產品如檸檬酸 味精 核 甘酸 酶制劑和抗生素是純凈而又是固體狀態(tài)的 且有一定的結晶形狀 結晶的目 的就是為了獲得更純凈的固體發(fā)酵產品 8 1 結晶的基本原理 結晶是指溶質自動從過飽和溶液中析出 形成新相的過程 為了進行結晶 必 須先使溶液達到過飽和后 過量的溶液才會從固態(tài)結晶出來 晶體的產生最初是產 生細小的晶核 然后這些晶核再生形成一定大小形狀的晶體 溶質濃度達到過飽和 濃度時 溶質的溶解度與結晶速度相等 尚不能使晶體析出 當達到了一定的過飽 和度時才 能析出晶體 過飽和度 通常用過飽和溶液的濃度與飽和溶液的濃度之比 稱之為過飽和度 因此 結晶的全過程應包括形成過飽和溶液 晶核的形成和晶體 的生長三個階段 溶液達到過飽和是結晶的前提 過飽和度是結晶的推動力 重結晶就是將晶體用合適的溶劑溶解后再次進行結晶以提高純度 雖然從理論 上說通過結晶可以得到純的產物 但實際上通過一次結晶得到的產品總含有一些雜 質 這是因為一些溶解度與產品相近的雜質也會部分的結晶下來 有些雜質還會被 結合到產品結晶的晶核中去 或因洗滌不完全不能除去結晶中夾雜的母液 使晶體 沾染了雜質 因此需要重結晶進一步提高產品的純度 重結晶的操作方法是將該產 物先溶于溶解度較大的溶劑中 然后慢慢加入第二種溶劑至稍呈渾濁 即結晶剛開 始時為j l 冷卻放置一段時間使結晶完全 8 2 影響結晶生成的因素 8 2 1 過飽和率 過飽和率直接影響晶核的形成速度和晶體的生長速度 同時也影響晶核的大 小 過飽和率增加能使成核速度和晶體生長速度增加 而過飽和率對成核速度的影 響較晶體生長速度的影響大 當過飽和率達到某一定值時有最大的成核速度 超過 一定值時 過飽和率繼續(xù)增加 而成核速度反而減少 這是由于過飽和率過高時 系統(tǒng)粘度大 分子運動減慢 成核受阻 因此使成核速度降低 一般過飽和率在不 大的情況下 對晶體顆粒的大小影響往往不甚顯著 只有當過飽和率很高時才顯出 影響 實際上當過飽和率較大時 得到的晶體就較細小 發(fā)酵液中d 核糖分離純化過程的研究 8 2 2 粘度 粘度大 溶質分子擴散速度慢 妨礙溶質在晶體表面上的定向排列 晶體生長 速度與溶液的粘度呈反比 8 2 3 溫度 溫度的高低也能直接影響成核速度和晶體生長速度 溫度升高 可使成核速度 和晶體的生長速度增快 經驗表明 溫度對晶體生長速度的影響較成核速度的影響 更為顯著 因為溫度升高 成核速度也升高 但溫度又對過飽和率有影響 一般溫 度升高時 過飽和度降低 所以溫度對成核速度的影響要從溫度與過飽和率相互消 長速度來決定 根據實驗 一般成核速度開始隨溫度上升而上井 達到最大值之后 溫度再升高 成核速度反而降低 溫度對晶體的大小也影響較大 在較高溫度下結 晶 實際形成的晶體也較大 在較低溫度下結晶 得到晶體較細小 溫度改變過大 時 常會導致晶形和結晶水的變化 8 2 4 攪拌 攪拌能促進成核和促進擴散 提高晶核長大速度 攪拌可使晶體與母液均勻接 觸 使晶體長得更大和均勻生長 但當攪拌強度達到一定程度后 再提高攪拌速度 強度效果就不顯著 相反地還會使晶體打碎 攪拌轉速的快慢應根據不同的發(fā)酵產 品晶體的要求以及濃度的高低而異 2 5 冷卻速度 冷卻速度能直接影響晶核的生成和晶體的大小 迅速冷卻和劇烈攪拌 能達到 的過飽和率較高 有利于大量晶核的生成 而得出的晶體較細小 而且常導致生成 針狀結構 8 2 6p h 值和等電點 結晶生成過程要注意選擇適宜的p h 值 結晶溶液的p h 值 一般選擇在被結晶 溶液的溶質的等電點的近處 可有利于晶體的析出 因為在接近等電點的p h 條件 下 所帶的陰離子與陽離子相等 兩性電解質的發(fā)酵產品便形成結晶析出 8 2 7 晶種 加入晶種能誘導結晶 晶種可以是同種物質或相同晶形的物質 為了較易控制 晶粒的數目和大小及均勻度 往往在結晶將要開始前 投入晶粒 作為晶種 再通 過緩慢冷卻的溫度控制 以便系統(tǒng)始終處于介穩(wěn)區(qū)中 系統(tǒng)不會自動成核 因未達 到不穩(wěn)定區(qū) 這樣能得到一定大小較均勻的晶體 加入晶種 能控制晶體的形狀 大小和均勻度 為此要求晶體首先要有一定的形狀 大小而且比較均勻 文獻綜述 8 3 工業(yè)發(fā)酵中常用的結晶方法 結晶是工業(yè)發(fā)酵生產中發(fā)酵產品提純的有效方法之一 它具有成本較低 設備 較簡單 操作方便等優(yōu)點 因此在大規(guī)模生產中廣泛應用 結晶的首要條件是過飽 和 創(chuàng)造過飽和條件 在工業(yè)生產中的常用方法是將熱飽和溶液冷卻 添加晶種結 晶 將部分溶媒蒸發(fā)結晶 添加有機溶劑結晶 鹽析結晶和等電點結晶等 8 4 糖類結晶的研究 華南理工大學張力田 由麥芽糖漿制取含水麥芽糖晶體是用甲醇沉淀除去較 大分子的低聚糖 糊精等 用活性炭吸附麥芽糖 水洗 在乙醇中結晶制得b 一麥 芽糖 吉化公司木糖廠張海金 等人研究了木糖膏的結晶 木糖結晶的相平衡問題 木糖晶核的形成和晶體的生長 由上述文獻得知 影響結晶的因素很多 因此d 一核糖的結晶影響因素也很多 8 5 結晶分離技術的研究進展 結晶分離技術近年來發(fā)展很快 傳統(tǒng)結晶法進一步得到發(fā)展與完善 新型結晶 技術也正在工業(yè)上得到應用或推廣 隨著國際化工市場的競爭日趨激烈 要求化工 產品的質量不斷提高 而成本不斷下降 因此人們在研究開發(fā)新的結晶技術過程中更加重視結晶方法的選擇 新型結晶 器的開發(fā)及結晶工藝的設計 當前國際國內比較新型的結晶分離技術有 冷卻劑直接接觸冷卻結晶法 反應 結晶法 蒸餾一結晶耦合法 氧化還原結晶液膜法 萃取結晶法 磁處理結晶法 沖擊噴射結晶法 物理場輔助結晶法等 另外還有人研究了在結晶釜中加入結晶調節(jié)劑等添加劑以改善晶體性能 提高 產品純度的結晶方法 8 6 反應結晶法研究進展 結晶方法一般可以分為溶液結晶 熔融結晶 升華 沉淀等四類 反應結晶或 反應沉淀是沉淀的主要類型之一 在大多數情況下 是藉助于化學反應產生難溶或 不溶的固相物質的過程 反應結晶 沉淀 在實驗室的化學分析和工業(yè)生產中有著廣 泛的應用 反應結晶 沉淀 過程是一個復雜的傳熱傳質過程 在不同的物理 化學環(huán)境下 結晶過程的控制步驟可能改變 反應出不同的結晶行為 發(fā)酵液中d 核糖分離純化過程的研究 隨著人們對反應結晶 沉淀 過程研究逐步深入 目前已經取得了一些突破性進 展 但是對它們的作用機理還不夠清楚 陸杰等論述了國內外反應結晶 沉淀 過程 研究的現狀 著重闡述了該過程中老化 聚結一破裂等二次過程的攝新研究成果 以及最新的混合反應結晶研究動態(tài) 對反應結晶過程做了系統(tǒng)全面的描述 并提出 了未來的研究方向 縱觀近幾年來國內外對反應結晶 沉淀 研究的現狀 可以得出以下啟發(fā) 應加 強反應結晶過程機理研究 進一步探索各過程相互作用機制 系統(tǒng)的研究操作參數 對晶體產品的定性定量關系 并提出合理 通用的工業(yè)放大設計方法 以指導工業(yè) 生產 適應反應結晶 沉淀 應用范圍迅速擴大的趨勢 9 本論文研究的內容 本論文在分析總結了近年來d 一核糖工業(yè)分離純化的發(fā)展狀況后研究了以下主 要內容 1 在微生物發(fā)酵生產d 一核糖工藝中 無論是直接生產d 一核糖 還是由其 發(fā)酵液進一步生產維生素b 等其它產品 發(fā)酵液脫色是重要的環(huán)節(jié) 對于發(fā)酵液脫 色單元操作 僅有一些有關其工藝的定性描述 本論文以微生物發(fā)酵生產d 一核糖為 體系 深入研究發(fā)酵液吸附脫色工藝 為其工藝的優(yōu)化設計和操作提供依據 2 由于d 一核糖發(fā)酵液中含有大量無機離子 有必要在提取d 一核糖之前進 行除鹽工作 離子交換技術是根據物質的酸堿度 極性和分子大小的差異而給予分 離的技術 利用2 0 1 x7 強堿型陰離子交換樹脂和0 0 1 4 強酸型陽離子交換樹脂去 除d 一核糖發(fā)酵液中的陰陽離子 確定最佳的操作工藝 3 利用樹脂的脫色性能建立活性炭與樹脂聯(lián)合脫色經濟模型 為降低分離 成本提供了理論和技術 4 經過脫色 除鹽 除蛋白質后的d 一核糖發(fā)酵液中影響目的產物d 一核糖 分離的雜質已經基本上被除去 選擇合理的方法 利用有機溶劑將d 一核糖從發(fā)酵液 中提取出來 1 6 活性炭對d 核糖發(fā)酵液吸附脫色工藝的研究 第二章活性炭對d 一核糖發(fā)酵液吸附脫色工藝的研究 無論是微生物 植物細胞還是動物細胞 在發(fā)酵或培養(yǎng)過程中 幾乎都產生相 當量的色素 因此為了保證產品質量 發(fā)酵液或培養(yǎng)基的脫色是重要的單元操作 對于天然產物的提取和化工產品精制過程的脫色單元操作已有許多研究 而對于 發(fā)酵液脫色單元操作 僅有一些有關其工藝的定性描述 還缺乏其過程表征和計 算的深入研究 因此目前仍是憑經驗進行發(fā)酵液脫色單元操作的設計與操作 d 一核糖是組成生物體內遺傳物質核糖核酸的重要成分 也是一些輔酶和維生素 的重要成分 因此在食品 和醫(yī)藥等領域有廣泛的用途 特別是