（化学工艺专业论文）离子交换法分离提取发酵液中柠檬酸的研究.pdf

广西大掌硕士掌位论文离子交换法分离提取裳醇液中柠檬酸的研究 离子交换法分离提取发酵液中柠檬酸的研究 摘要 本论文主要对离子交换法分离提取发酵液中柠檬酸的工艺进行了 研究，其主要研究内容及结果如下： 1 、确立了发酵液中柠檬酸的定性分析方法：纸层析法 ( 1 ) 纸层析法定性分析条件：新华3 # 层析滤纸裁成3 0c m x 2 0c n l ， 少量多次点样，2 0 2 5 下纵向展开，展开体系为正丁醇：甲酸：水 ：冰醋酸= 4 ：1 ：4 ：1 ( v ，) 。2 9 l 的溴甲酚绿一乙醇溶液显色，然后 1 0 0 烘干，在滤纸上呈现出绿色背景下的黄色斑点。 ( 2 ) 定- 陛分析：测定样品与柠檬酸标准样斑点的r f 值，若r f 值一 致，则说明样品是纯的柠檬酸，否则样品中含有其它杂质。 2 、确立了发酵液中柠檬酸的定量分析方法：光化学法 ( 1 ) 光化学法的测定条件：由正交实验得出，硝酸铁浓度为 0 2 5 9 l 、p h = 2 0 、紫外光照1 5 m i n 、4 1 0 n m 波长下测定，此时f e ”一柠 檬酸体系的吸光度最大。 ( 2 ) 柠檬酸溶液的标准曲线：经线性拟和，柠檬酸溶液的标准曲 线为a = o 0 0 2 7 c - - 0 0 0 0 9 ，线性相关系数为r = o 9 9 3 9 ( 式中a 一溶液的 吸光度，c 一柠檬酸溶液的浓度，m g l ) 。 3 、重点对离子交换法分离提取发酵液中柠檬酸的工艺进行研究 ( 1 ) 离子交换法分离提取发酵液中柠檬酸的工艺：成熟发酵醪煮 沸后，加入3 的颗粒活性炭、8 0 下恒温搅拌3 0 m in 吸附脱色，再经两 次过滤得澄清滤液。滤液上阴离子柱离交，上柱流速1 2 m l m in 。2 m o i l 的n a o h 溶液洗脱，洗脱流速8 m l m i n 。0 0 1x 1 4 阳离子树脂转型，将柠 檬酸盐转型为柠檬酸，转型流速1 0 m l m i n 。5 5 6 0 、8 0 m p a 下减压 浓缩，当浓缩液的体积为原体积的2 0 时停止。采用逐渐降温法结晶， 并搅拌使热交换均匀。最后离心分离晶体与母液，晶体干燥后即得柠檬 广西大掌硪士掌位论文离子变拱皓分离扭取袅醇液中柠檬酸的研究 酸产物。 ( 2 ) 总提取收率：分别使用d 3 8 0 、d 3 0 1 t 、d 2 9 6 r 分离提取发酵液 中的柠檬酸，总提取收率依次为7 2 4 2 、8 2 1 6 y , 、7 9 9 7 。 4 、产品鉴定：通过纸层析法、测定熔点以及高效液相色谱法分 析，证明了提纯产物是柠檬酸。 本论文的创新点：确立了定性分析发酵液中成分的纸层析法， 所用的展开体系可以分离柠檬酸与其它杂酸；预处理发酵液时，加 入活性炭脱色，可以减少过滤次数，降低柠檬酸的损失；将三种大 孔阴离子树脂应用于发酵液中柠檬酸的分离提取，并对各树脂进行了初 步的研究。 关键词：柠檬酸发酵液纸层析法光化学法分离提取离子交换法 广西大掌硕士掌位论文 离子交换法分离提取戋醇液中柠檬酸的研究 s t u d yo fe x t r a c t i o nc i t r i ca c i d f r o mf e r m e n t a tl0 nb r o t hu sln g t h e10 n e x c h a n g em e t h o d a b s t r a c t t h ep u r p o s eo ft h i sr e s e a r c hi st os t u d yt h et e c h n o l o g yo fe x t r a c t i o n c i t r i ca c i df r o mf e r m e n t a t i o nb r o t h t h em a i np r o c e s sa n di t sr e s u l ta r ea s f o l l o w s ： 1 t h eq u a l i t a t i v ea n a l y s i sm e t h o do fc i t r i ca c i di nf e r m e n t a t i o nb r o t h ： t h ep a p e rc h r o m a t o g r a p h y ( 1 ) a n a l y s i sq u a l i f i c a t i o no f t h ep a p e rc h r o m a t o g r a p h y ：u s ex i n - h u a 3 拌f i l t e rp a p e ra n dc u ti n3 0 c m 2 0 c m - a n dd r i pw i t has m a l la m o u n tf o r s e v e r a lt i m e t h ep r o p o r t i o n ( v v ) o f d e v e l o p i n ga g e n t si sn - b u t a n o l ：f o r m i c a c i d ：w a t e r ：a c e t i c ：a c i d = 4 ：1 ：4 ：1 ，a n dd e v e l o pl o n g i t u d i n a l l ya tt h et e m p e r a t - u r eo f2 0 。ct o2 5 。c u s e2 9 lb r o m o c r e s o lg r e e n - e t h a n o ls o l u t i o na st h e e x p o s i n ga g e n t a f t e rd r ya t 10 0 cf o r10 m i n s ，t h ey e l l o ws p o t sw i l lb e c l e a r l ys e e no nt h eg r e e np a p e r ( 2 ) q u a l i t a t i v ea n a l y s i s ：d e t e r m i n et h ep u r i t yo fs a m p l eb ym e a s u r i n g a n dc a l c u l a t i n gr ev a l u eo fs a m p l ea n dc i t r i ca c i d i ft h er f v a l u ei se q u a l ， 广西大掌硕士掌位论文 离子交换 基分离提取戋酵液中柠檬酸的研究 t h es a m p l ei sp u r ec i t r i ca c i d 2 t h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sm e t h o do f c i t r i ca c i di nf e r m e n t a t i o nb r o t h ： p h o t o c h e m i c a lr e a c t i o n ( 1 ) t h ec o n d i t i o no fp h o t o c h e m i c a lr e a c t i o n ：w h e nc o n c e n t r a t i o no f n i t r a t e - i r o na t 0 2 5 鲋，p i - 2 0 ，u v i r r a d i a t i o n1 5 m i n sa n dw o r k i n ga t 410 n m ，t h ec o l o r i m e t r i ca b s o r b e n c yo ff e 3 + - c i t r i ca c i ds y s t e mi st h eb i g g e s t o n e ( 2 ) t h es t a n d a r dc u r v eo fc i t r i ca c i d ：t h el i n ei sa = 0 0 0 2 7 c - - 0 0 0 0 9a f t e rl i n e a rr e g r e s s i n g 。a n dl i n e a r l yd e p e n d e n tc o e f f i c i e n tr - - 0 9 9 3 9 ( i nf o r m u l a a - - a b s o r b e n c y ，c - - c o n c e n t r a t i o no f c i t r i ca c i d ，m g l ) 3 t h ek e yp r o c e s ss e p a r a t i o na n dp u r i f i c a t i o nt e c h n o l o g yo fc i t r i ca c i d f r o mf e r m e n t a t i o nb r o t hb yi o n e x c h a n g em e t h o d ( i ) s e p a r a t i o np r o c e s s a n dt e c h n o l o g yo fc i t r i ca c i df r o m f e r m e n t a t i o nb r o t hb yi o n - e x c h a n g em e t h o d ：a f t e rb o i l l i n gt h ef e r m e n t e d b r o t h ，a d d3 g r a i na c t i v ec a r b o n ，l e a v ei ta t8 0 cf o rh a l fa nh o u ra n d s t i r r i n gc o n t i n u a l l y , a n dt h e nf i l t e rt w i c et og a i nt h ec l e a rs o l u t i o n t h e f i l t r a t ew a sc h a r g e di n t ot h ea n i o nr e s i nc o l u m n ，c o n t r o l l i n gs p e e da t1 0 m l p e rm i n u e t 2 m o l ls o d i u mh y d r o x i d ew a su s e da st h ee l u t es o l u t i o n ，a n dt h e e l u t es p e e di s8 m l p e rm i n u t e 0 0 1x 1 4r e s i nw a su s e da st h ec a t i o nr e s i nf o r p a t t e rc h a n g i n g ，w i t hs p e e do f10 m lp e rm i n u t e d e c o m p r e s s e dc o n c e n t r a t e u n t i li t sv o l u m eg e t t i n gt o2 0 o ft h ef o r m e r , c o n t r o l l i n gt h et e m p e r a t u r ei n t h er a n g eo f5 5 。ct o6 0 ca n dt h ev a c u u mi s8 0 m p a c o o l g r a d u a l l y , w h i l e i v 广西大学硕士掌位论文 离子交换法分离提取冀醇液中柠檬酸的研究 c o o l i n gs t i r r i n gs l o w l yi sn e e d e di no r d e rt om a k ee x c h a n g ee v e n l y a n d t h e nc e n t r i f u g et os e p a r a t et h ec r y s t a lf r o mt h el i q u o r d r yi ta n dt h ep r o d u c t i sc i t r i ca c i dw h i c hw ew a n t ( 2 ) t h et o t a ly i e l do f c i t r i ca c i d ：u s er e s i nd 3 8 0 d 3 0 1 t , d 2 9 6 rt o e x t r a c t i o nc i t r i ca c i df r o mf e r m e n t a t i o nb r o t h ，a n dt h et o t a ly i e l di s 7 2 4 2 ， 8 2 16 a n d7 9 9 7 i nt u r n 4 p r o d u c ti d e n t i f i c a t i o n ：t h ep r o d u c ti sp r o v e dt ob ec i t r i ca c i db y p a p e rc h r o m a t o g r a p h ya n a l y s i sa n dd e t e r m i n i n gt h em e l t i n gp o i n t t h en e wi d e a si nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) s e t t i n gu pam e t h o do fp a p e rc h r o m a t o g r a p h yf o rq u a l i t a t i v e a n a l y s i st h ec o m p o s i t i o no ff e r m e n t a t i o nb r o t h t h ed e v e l o p m e n ts y s t e m c a nb eu s e dt os e p a r a t ec i t r i ca c i df r o mo t h e ra c i d s ( 2 ) w h e n p r e p a r et h ef e r m e n t a t i o nb r o t h ，t h ea c t i v ec a r b o ni sa d d e d t o r e d u c et h et i m ei nf i l t e r i n g ，s oa st or e d u c et h el o s to fc i t r i ca c i d ( 3 ) t h r e en e wt y p e so fm a c r o p o r o u sa n i o nr e s i na r eu s e di n s e p a r a t i n gc i t r i ca c i df r o mf e r m e n t a t i o nb r o t h ，a n de a c ht y p eo fr e s i ni s s t u d i e dp r e l i m i n a r y k e yw o r d s ：c i t r i ca c i d ；f e r m e n t a t i o nb r o t h ；p a p e rc h r o m a t o g r a p h y ； p h o t o c h e m i c a lr e a c t i o n ；s e p a r a t i o na n da b s t r a c t i o n , i o n e x c h a n g em e t h o d v 广西大掌硕士掌位论文离子变换法分离提取鬟，醇液中柠檬酸的研究 第一章绪论 1 7 8 4 年，柠檬酸首次由瑞典化学家s c h e e l e 从天然柠檬汁中分离出来。1 8 8 0 年， g l i m o u x 和a d a m 在实验室中由甘油合成了柠檬酸。1 8 9 3 年，w e b e r 发现某些微 生物在糖类介质中生长繁殖时可产生柠檬酸，从而为近代采用发酵法生产柠檬酸奠 定了基础。1 9 2 3 年芙国p f i z e r 公司首次成功地采用表面发酵法生产出柠檬酸。到奉 世纪中期，该公司又开发了深层发酵法，使柠檬酸的生产得以大规模进行，产量逐 年增加“1 。中国于4 0 年代初开始柠檬酸的研究，6 0 年代后期进入小规模生产。根 据中国原料结构的特点，经过对菌种和生产工艺的不断改进，形成了以薯干粉为原 料的独特生产工艺。到2 0 0 3 年，我国柠檬酸的产量为4 5 万吨，出口3 0 万吨，创 汇2 3 6 亿美元，产量和贸易量均居世界第一位。 1 1 柠檬酸的性质 柠檬酸又称枸橼酸，英文名c i t r i ca c i d ，学名为2 一羟基一l ，2 ，3 一丙三羧酸 ( 2 一h y d r o x y - 1 ，2 ，3 - p r o p a n et r i c a n b o x y l i ca c i d ) ，分子式为c 6 h s 0 7 ，结构式为： c o o h h o o c c h 2 - 一年一c h i o o h o h 1 1 1 柠檬酸的物理性质 柠檬酸为无色、无臭、具有强酸味的半透明晶体或白色结晶粉末，易溶于水、 醇，难溶于有机溶剂，无旋光性。根据从水溶液中析出的温度不同，可形成两种形 态的晶体无水柠檬酸( 3 6 6 以上) 和一水柠檬酸( 3 6 6 以下) 。柠檬酸晶体 在正常湿度的空气中是稳定的。但在1 二燥的空气中，一水柠檬酸会失去水分，在真 空下或有浓硫酸存在时，失水速度会大大加快。在潮湿的空气中，两种晶体都易吸 湿而结块。一水柠檬酸结晶的分子量为2 1 0 1 4 ，属斜方晶系，在常温下稳定，温和 加热到7 0 7 5 时会失水固化成无水结晶，加热到1 3 5 1 5 2 时完全熔化嘲。 1 1 2 柠檬酸的化学性质 柠檬酸是一种较强的三元有机酸，具有一般多元酸的通性，可以和许多碱金属、 j - - 西大掣顾士掌位论文离子交拱 法分离提取裳醇液中柠檬酸的研究 碱土金属的阳离子形成一元、二元或三元盐。在1 8 c 时，它的一级解离常数是 8 2 x l o 4 ，二级和三级解离常数分别是1 8 x l f f 5 、3 9 x l o 卅”。在加热情况下易分解成 多种产物，如顺乌头酸。柠檬酸易被各种氧化剂氧化，如过氧化物、次氯酸盐、过 硫酸盐、高锰酸盐、二氧化锰和硝酸等。柠檬酸与k m n 0 4 作用，生成物因反应温 度而定，在3 5 以下生成丙酮二羧酸，3 5 以上可生成草酸、甲醛等物质。柠檬酸 发生加氢反应时，失去羟基生成l ，2 ，3 一丙三羧酸。柠檬酸分子中，由于羟基和三 个羧基的存在，是一种多配位基的配位体，可以与铜、铁等会属形成可溶性鳌合物。 1 1 3 柠檬酸的生理性质 柠檬酸是一种普遍存在于各种生命细胞的中间代谢产物。各种人体组织及体液 中均含柠檬酸。人的血清中柠檬酸含量为l m g k g 体重，每天从人尿中排出柠檬酸 0 2 9 1 0 9 。柠檬酸酸味可口，能刺激唾液腺分泌，无论成人还是婴孩均能将柠檬 酸完全分解嘲。 1 2 柠檬酸的用途 柠檬酸由于具有无毒、安全、溶解性好、酸味可口、以及调节p h 值和对金属 离子的螯合作用等特点，传统用途以食用为主，作为酸味剂和抗氧化剂应用于食品 与饮料工业。7 0 年代以后，柠檬酸在其他工业领域也得到了广泛应用，特别是在洗 涤剂中代替磷酸盐作为增效助剂，在生产无磷沈涤剂中担任了重要角色。 ( 1 ) 用于食品与饮料 柠檬酸及其钠盐、钾盐，广泛地应用于各种饮料与食品中，作为酸味剂加入果 酱、果冻、蜜饯、糖果、糕点和各种饮料中。在海产品、罐头水果和蔬菜中加入柠 檬酸，可降低其p h 值，从而抑制微生物的生长，延长保存时问“1 。 ( 2 ) 用于医药和化妆品 柠檬酸是生产多种药品的原料，如柠檬酸铁铵可作为补血剂，柠檬酸钠用作输 血剂等。另外，柠檬酸及其盐类可作为酸化剂，加入许多药品中，使p h 值控制在 最佳条件，同时螯合金属离子，以保持药品的性能稳定，防止有效成分氧化”3 。 在各种化妆品中，如沈发剂、染发液、洗涤剂、刁一冒中加入柠檬酸，可以作为 缓冲剂调节p h 值，以防止产品分解和变质。 ( 3 ) 在工业中的应用 柠檬酸钠可代替磷酸盐作为增效剂，应用于各种日用和工业洗涤剂生产中。由 于磷酸盐在水中富集会使藻类迅速生长繁殖，严重影响生态平衡。因此，许多国家 都已经禁用或限用含磷洗涤剂。柠檬酸钠能够螯合硬水离子，使斑点分散，去污效 果很好。1 ，而且柠檬酸可被生物降解，不会造成环境污染。所以，柠檬酸钠可用于 2 广西大学硕士学位馆文离子交换法分离提取裳醇液中柠檬酸的研究 生产无磷洗涤剂。 在农业生产中，柠檬酸及其铵盐可以和液体肥料中的铁、铜、锌等微量营养元 素螯合，形成可溶性螯合物，使肥效增加。在动物饲料中加入柠檬酸及其箍类，可 增强饲辩的效力嘲。 在塑料工业中，柠檬酸和碳酸氢盐可代替氯氟化碳，在聚苯乙烯泡沫塑料中用 作发泡剂。柠檬酸酯可用作无毒增塑剂，生产聚氯乙烯薄膜”1 。 此外，柠檬酸及其盐类还广泛应用于锅炉清洗业、无氰电镀、石油工业以及水 泥缓凝、织物、纸张、陶瓷等的加工过程中。 1 3 柠檬酸的生产方法 1 3 1 从天然果汁中提取 这是早期制取柠檬酸的方法。在发酵法尚未出现之前，持续了约5 0 年的时间。 该法是从未成熟的柠檬、柑桔中压榨出果汁，然后将果汁与石灰乳混合，生成柠檬 酸钙沉淀，再用硫酸处理，得到不含杂质的柠檬酸溶液。然后溶液经浓缩、结晶得 到柠檬酸产品。用该方法生产柠檬酸的产量较低，自发酵法出现后便不再使用“1 。 1 3 2 化学合成法 1 8 8 0 年柠檬酸首次在实验室中被合成，到现在已经报道有多种不同的技术路线 和方法。但是它们普遍反应过程复杂，而且大多使用有毒化学品，所以至今未实现 工业化生产。 丙酮合成柠檬酸是化学合成法中比较常见的一种方法。丙酮经溴化生成二溴丙 酮，再和氢氰酸反应，水解后得到柠檬酸。除此之外，还有使用奎尼酸甲脂水溶液 合成、甲醛与异丁烯反应合成等方法”1 。 1 3 3 微生物发酵法 柠檬酸是世界上产量最大的发酵产品之一，约9 0 的柠檬酸都是通过黑曲霉液 体深层发酵法生产所得”1 。 1 3 3 1 发酵机理和原料 目i j ，发现能够生产柠檬酸的微生物有各种霉菌和酵母菌，如黑曲霉9 1 、解脂 假丝酵母“”、热带假丝酵目等，但工业生产中使用最多的是黑曲霉的各种变异菌种。 糖质原料发酵生成柠檬酸是一个非常复杂的生化过程。目前公认的机理是。葡 萄糖首先经过糖酵解途径转化为丙酮酸，丙酮酸脱羧生成乙酰辅酶a 和羧化生成草 酰乙酸。乙酰辅酶a 和草酰乙酸在柠檬酸缩合酶的作用下，经缩合反应生成柠檬酸。 广西大掌硕士掌位论文 离子交抉法分离提取发酵液中柠檬酸的研究 而在三羧酸循环中，柠檬酸在乌头酸酶的作用下被转化为异柠檬酸，由于得不到必 需的铁辅酶，其活性受到抑制，从而使三羧酸循环中断，柠檬酸得以累积“。 发酵生产柠檬酸的原料主要是淀粉质原料，如甘薯、木薯、马铃薯、玉米等。 其次是糖厂的副产物耱蜜，如甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜。发酵时先将淀粉水解转化为低 聚糖，再由低聚糖合成柠檬酸。工农业加工中所产生的许多坡詹、废液，如甘蔗渣、 酒糟、葡萄糖废母液、纸浆废液等也可回收作为发酵生产柠檬酸的原料。另外石油 烃如c l o c 2 2 的正构烷烃也可作为发酵生产柠檬酸的碳源“。 1 3 3 2 发酵方法 发酵法一般可以分为以下三种： ( 1 ) 液体表面发酵 表面发酵法也称为浅盘发酵法，是将液体培养基( 各种糖质原料加入一定量的 无机盐营养物) 放置在不锈钢制的浅盘内，将浅盘一层层堆放在发酵室内，经消毒 灭菌后，在液体表面接种黑曲霉的孢子。 ( 2 ) 固体发酵 固体发酵是将发酵原料及菌体吸附在疏松的固体支持物上，经过微生物的代谢 活动，将原料中的可发酵成分转化为柠檬酸，然后加以浸提嗍。 固体发酵法工艺、设备简单，原料来源广泛。水果加工及蔗糖业可以提供大量 的发酵原料。 ( 3 ) 液体深层发酵 液体深层发酵和液体表面发酵的原理相似，只是发酵过程在密闭的大型发酵罐 内进行，菌体均匀分散在整个液体介质中。深层发酵的关键设备是发酵罐。配好的 发酵原料经灭菌、冷却后，转移至发酵罐，再从种子罐内将培养好的菌种接种进去。 发酵期间罐内持续通无菌空气，控制发酵温度、p h 值、通气量及搅拌速度，维持 菌体正常生长叫。 因深层发酵法具有生产能力大，占地面积小，设备费用较低等特点，从而成为 当今世界上生产柠檬酸最主要的方法。 1 4 柠檬酸发酵液的主要性质及组成 柠檬酸成熟发酵醪呈黄褐色至深褐色，其颜色深浅与所用原料有关。本实验所 用的柠檬酸发酵液由广西工学院发酵工程研究室提供，以木薯淀粉为原料，采用黑 曲霉液体深层发酵法所得。发酵醪为糊状，呈深褐色。发酵醪液中除主要成分柠檬 酸外，还含有菌丝体、残糖、有机杂酸、蛋白质、色素及无机盐等多种杂质，它们 来源于原材料、未消耗的营养盐和发酵的副产物等。发酵醪的组成比较复杂，需经 4 广西大掌硕士掌位论文离子交换法分离提取宣醇液中柠檬豉的研究 过提取工艺进行处理，以除去杂质，得到柠檬酸纯品。 1 5 发酵液中柠檬酸的分离提取方法 从发酵液中分离提取柠檬酸的方法主要有以下几种：钙盐提取法、溶剂萃耿法、 离子交换吸附法以及膜分离法。下面就这几种方法分别作一个简要介绍。 1 5 1 钙盐提取法 钙盐法也称石灰硫酸法，是一种传统的从发酵液中提取有机数的方法，目前 被国内柠檬酸生产厂家普遍采用。它是利用柠檬酸钙不溶于水，但能溶于酸的特点， 在含柠檬酸的上清液中加入石灰乳或c a c 0 3 中和，使柠檬酸生成柠檬酸钙沉淀。固 液分离后，柠檬酸钙经过洗涤再用硫酸酸解，生成柠檬酸水溶液，再经过脱色、去 除阴、阳杂离子后，将得到的提取液浓缩、结晶，最终得到纯柠檬酸固体产品“”。 该方法的工艺流程图见图卜l 。 c a c 0 3h 2 0 图1 - 1 钙盐法提取发酵液中柠檬酸的工艺流程图 f i g 1 - lp r o c e s sd i a g z a mo f c i t r i ca c i de x t r a c t i o nf r o mf e r m e n t a t i o nb r o t hu s i n g c a l c i u mc i t r a t ep e r e i p i t a t i o nm e t h o d 钙盐法工艺成熟、设备简单、原材料易得，而且产品质量稳定，但它也存在严 重的缺陷：( 1 ) 单元操作损失多，总收率低，国内生产厂家一般在6 0 一7 0 “；( 2 ) 生 产过程中同液分离量大，能耗高；( 3 ) 生产过程中产生大量的废水、废渣，严重污 染环境 1 4 q 因此，钙盐法己越来越不适应当前柠檬酸的生产需求。 1 5 2 溶剂萃取法 溶剂萃取技术用于分离提取发酵所得的生物产品，已有几十年的历史，我国从 上世纪7 0 年代就开始研究用溶剂萃取技术提取柠檬酸。溶剂萃取技术的原理主要 是，利用发酵液中柠檬酸和其他杂质组分在萃取剂中的溶解度不同，把柠檬酸萃取 广西大掌硕士掌位论3 离子交换法分离期e 取裳萌：液中柠檬喇t 的研究 到溶剂相中。然后提高温度，用水对溶剂相进行反萃取，使柠檬酸重新进入水相， 再经过离子交换、蒸发、结晶，最后得到产品。目前常用的萃取剂大多是有机胺类 j 5 - 1 8 3 ，如三月桂胺、n 。n - 二烷基酰胺、n 一烷基酰胺等，还有三烷基氧磷、磷酸三 丁酪、石油亚碱等非胺类物质，反萃剂多用8 0 c 的热水啕。但是直接用萃取法提取 柠檬酸效果不佳，为了有效分离柠檬酸，萃取与反筚取过程都采用连续多级逆流工 艺，以保证有机相与水相的更好接触，多级萃取可使萃取收率达到9 0 ，其工艺流 程图“”见图卜2 。 柠檬酸 产品 萃余液纯水 图1 - 2 多级溶剂萃取发酵液中柠檬酸的工艺流程图 f i g 1 - 2p r o c e s sd i a g z a mo f c i t r i ca c i de x t r a c t i o nf r o mf e r m e n t a t i o nb r o t h - s i n gm u l t i l e v e ls o l v e n te x l r a e l i o n 该方法具有分离效果好、回收率高、不会产生大量废渣等优点，但在萃取剂的 选择上具有一定的难度。目前使用较多的萃取剂均有一定的毒性、异味，一般只能 得到工业产品，而不能满足医药、食品的要求。 1 5 3 离子交换吸附法 上世纪七、八十年代，离子交换吸附法开始应用于发酵液中柠檬酸的分离提取 过程。它是利用特定的有机高分子树脂的高选择离子交换性，通过寻找、使用合适 的树脂，直接从处理后的发酵滤液中提取柠檬酸或其盐类。国内一般的流程是发酵 液经过滤后用离子交换柱交换吸附，氨水洗脱后过阳离子交换柱转型，再经活性炭 脱色、除杂后浓缩、结晶，最后得到柠檬酸产品“”。 用于提取柠檬酸的主要是阴离子交换树脂，常用的有m 型、d 3 0 1 型o ”、d 3 1 5 。” 型，大多是具有叔胺和吡啶官能团的弱碱型树脂“2 ”，但也有带季铵官能团的强碱型 树脂和中性”阴离子树脂，如交联的聚苯乙烯聚合物和非离子疏水性聚丙烯酸脂聚合 物等。 离子交换法工艺简单、能耗低，收率可达8 5 “”以上。当然，该工艺也存在一 些缺点，例如，离子交换树脂在使用中需要频繁再生，会产生大量废液；再之，离 子交换树脂具有一定的寿命，也需要经常更换，会产生大量的固体废弃物。因此， 寻求或研制高效、寿命长、易回收利用的离子交换树脂，就成为该工艺得以工业化 推广的关键。 6 广翟r 大学硕士掌位论文离子变拱嘻盼离提取戋醇液中柠檬酸的研究 1 5 4 膜分离法 膜分离技术是一门跨学科的新兴技术，它具有快速、高效和节能等优点。近年 来，膜分离技术已逐步应用于发酵有机酸的分离提取研究中，而且受到人们越来越 多的关注。 膜分离过程的实质是物质透过或被截留于膜的过程，近似于筛分过程，依据滤 膜孔径的大小而达到分离的目的。 1 5 4 1 液膜分离法 液膜分离技术是上世纪6 0 年代兴起的一项新的分离技术，其原理是利用与水 不相溶的有机溶剂形成的液膜，以浓度差为推动力，来选择分离水溶液中待分离的 溶质。7 。在分离过程中，液膜的侧是待分离的料液，另一侧是反萃液。料液中 的溶质首先被萃入液膜，然后再从液膜反萃到反萃取液中啪”。所以，在分离过程 中，萃取与反萃取同时进行。但该工艺对膜相的稳定性和回收技术要求严格，目前 尚存在一定的难度。同时，采用的载体、表面活性剂具有一定的毒性，达不到生产 食用和医药产品的要求。液膜分离法的工艺流程图见图1 3 瑚1 。 捧出 内水相 柠檬酸钠 图卜3 液膜法提取发酵液中柠檬酸的工艺流程图 f i g i - 3p r o c e s sd i a g z a mo f c i 研ca c i de x t r a c t i o nf r o mf e r m e n t a t i o nb r o t h u s i n gl i q u i ds u r f a c t a n tm e m b r a n em e t h o d 1 5 4 2 固体膜分离法 用于发酵有机酸分离提取的固体膜分离法主要有两种一超滤法和电渗析法。 ( 一) 超滤法 超滤，是一种以压力差为推动力，按粒径选择分离溶液中所含的微粒和大分子 的膜分离操作，只是简单的物理分离过程。该工艺简单、易于控制，而且不会产生 污染。它的关键是选择合适空径的耐酸超滤膜，以满足柠檬酸发酵液中杂质较多、 成分复杂、分离困难的要求，如选用抗氧化性和耐酸性皆佳的聚砜类膜。“”。通常 膜组件的通量较小，而且易堵塞，所以超滤法一般只作为一种预处理手段，截留发 酵液中的大分子有机物，如残糖、蛋白质、未发酵的原料颗粒等，以减轻后续提取 工序的污染。 7 广西大掣埽甄士掌位论文离子交换法分离提取冀；酵液中柠捆i 酸的研究 工序的污染。 ( 二) 电渗析法 电渗析法是一种高效的膜分离技术，它的工作原理是利用阴、阳离子交换膜的 选择透过性，在电场力的作用下，分别将混合液中的柠檬酸根和 r 分离出来，生成 柠檬酸。由于不需要离子交换中的转型步骤，所以工艺简单、收率可达8 5 ”。 左右，便于工业化和自动控制，而且对环境没有太大污染。但该方法耗电大、分离 膜昂贵并且容易堵塞，因此还需要进一步的研究开发。国内外普遍看好的是双极膜 电渗析器。3 ，以及m i a o ”7 1 等提出的电渗析法与纳滤和吸附工艺的结合使用等。 1 6 柠檬酸发酵液的综合利用 柠檬酸发酵液中，菌丝体中含有多种酶和营养成分，处理后可作为动物饲料的添 加成分，不仅能够改善饲料的口感，而且可以提高家畜的生长速度旧。以薯干粉为发 酵原料的菌丝渣中含有薯粉渣，可和z n c l ：一起高温炭化，制成商质量的活性炭粉“。 菌丝体滤渣也可以发酵生产沼气。发酵中使用的黑曲霉菌株能分泌糖化酶、触酶和果 胶酶。如果发酵液不经加热直接压滤，菌丝体滤渣保留大部分酶活力，进一步加工、 干燥后所得的产品能使果汁澄清。 1 7 本课题研究采用的分离提取方法 离子交换吸附法是一种被广泛应用的分离提取方法，所用树脂无毒、可反复再 生使用，设备简单、易于自动化，生产过程产生的三废少，而且收率较高。因此， 本论文采用离子交换吸附法进行分离提取柠檬酸，其分离提取方法的理论依据如 下。 1 7 1 离子交换吸附法 1 7 1 1 基本化学原理 离子交换吸附法理论上可以分为三步完成”3 ： 1 ) 吸附：3 r o h + c 6 h 8 0 7 _ r 3 c 6 h 5 0 7 + 3 h 2 0 2 )洗脱：r 3 c 6 h 5 0 7 十3 n a o h _ n a 3 c 6 h s 0 7 + 3 r o h r 3 c 6 h 5 0 7 + 3 n h 3 。h 2 0 _ ( n h 4 ) 3 c 6 h 5 0 7 + 3 r o h 3 ) 转型：n a 3 c 6 h 5 0 7 + 3 r s 0 3 h _ 3 r s 0 3 n a + c 出8 0 1 ( n 地) 3 c 6 h 5 0 7 + 3 r s 0 3 h _ 3 r s 0 3 ( n h 4 ) + c 6 h s 0 7 1 7 1 2 离子交换法的工艺流程 论文中采用的工艺流程图见图卜4 。 广西大学硕士掌位论文 离子交换法分离提取裳醇液中柠檬酸的研究 柠檬酸发酵液过滤后经活性炭脱色，过碱性阴离子交换柱吸附和交换柠檬酸 根，再用蒸馏水洗脱树脂表面吸附的杂质。接着，用氨水或n a o h 溶液解析，得到 的稀柠檬酸氨( 或柠檬酸钠) 再经h + 型阳离予树脂转型。最后，将得到的柠檬酸 溶液浓缩、结晶，制成产品。 发酵液 热的发酵液 体以及 l 阴离子交换柱 离交 l 蒸馏水冲洗 氨水或氢氧化钠 溶下脱 洗脱液在阳离子 交换柱转型 l 减j f i = 浓缩、结晶 i 柠檬酸产品 图卜4 离子交换法提取发酵液中柠檬酸的工艺流程图 f i g 1 - - 4p r o c e s sd i a g z a mo f c i t r i ca c i de x t r a c t i o nf i o mf e r m e n t a t i o nb r o t hu s i n gi o n - e x c h a n g em e t h o d 1 ，7 2 结晶与重结晶 结晶是制备纯物质的有效方法，是从均一的溶液中析出固体的过程，通常由三 个步骤组成：形成过饱和溶液、晶核的形成和晶体的成长w 。 9 广西大掌硕士掌位论文离子变换法分离提取袭 液中柠捌t 俄的研兜 ( 1 ) 过饱和溶液的形成 结晶的首要条件是形成过饱和溶液，制备过饱和溶液的方法一般有四种：化 学反应结晶：调节p h 值或加入反应剂，使生成新的物质，其浓度超过它的溶解度； 将部分溶剂蒸发；将热饱和溶液冷却；盐析结晶。 ( 2 ) 晶核的形成 使溶液产生晶核，俗称起晶。一般起晶的方法有三种：晶种起晶法，即将溶 液蒸发控制在介稳区的养晶区浓度，投入一定数量和大小的晶种，使溶液中的过饱 和溶质在所加的晶种表面长大；刺激起晶法，将溶液蒸发至较高介稳区，通过改 变真空度、温度、搅拌强度或加入少量晶粒进行刺激，从而生成一定量的晶核，由 于晶体析出，使溶液浓度降低，随即将其控制在介稳区的养晶区，使晶核长大； 自然起晶法，在一定温度下，使溶液蒸发进入不稳区自然析出晶核，当生成晶核的 数量符合要求时，加入稀溶液使浓度降低至介稳区，来终止成核，溶质即在晶核的 表面长大。 ( 3 ) 晶体的成长 晶核一经形成，立即开始长成晶体，与此同时，新的晶核还在不断生成，所得 晶体的大小，取决于晶体的生长速度和晶核生成速度的对比关系。若要获得比较粗 大和均匀的晶体，一般温度不宜太低，搅拌不宜太快，并要控制好晶核生成速度大 大小于晶体生长速度，最好在较低的过饱和度下，即将溶液控制在介稳区内结晶。 在此区域内结晶不能自动进行，需加入晶种诱导结晶。 ( 4 ) 重结晶 一次结晶得出的晶体可能还含有杂质，晶体常会含有母液、尘埃和气泡等，所 以还需要对晶体进行重结晶，以提高产品纯度。 1 8 本课题研究采用的柠檬酸测定方法 柠檬酸的定性、定量测定方法有纸层析法。5 ”、高效气相色谱法啪1 、高效液相 色谱法“、离子色谱法“2 “”、酸碱滴定法m 1 、光化学法m “、分光光度法“”等。 本论文研究采用纸层析法为柠檬酸的定性测定方法。纸层析法是以滤纸作为载体， 用一定的溶剂系统( 展开剂) 展开而达到分离的目的。固定相一般为滤纸纤维上吸 附的水分，流动相为不与水混溶的有机溶剂。纸层析法常用于样品的定性测定，通 过测定r f 值来确定。光化学法用于定量测定柠檬酸。在紫外光照下，柠檬酸根与f e “ 发生光化学反应，通过测定吸光度，然后根据标准曲线的回归方程来计算柠檬酸的 含量。酸碱滴定法虽方便快捷，但杂酸的干扰较大，准确性差；高效液相色谱的测 定结果准确，但设备昂贵、检测成本高，不适用于实验中的频繁测样。因此，本论 文中柠檬酸的定量测定方法选用光化学法。 1 0 广西大掌司e 士掌位话文离子变换法分离提取裳醇液中柠捆n 院的研究 1 9 论文选题背景及主要研究内容 1 9 1 论文选驻背景及研究意义 我国是柠檬酸生产大国，2 0 0 3 年的产量和贸易量均居世界第一位。虽然我国的 柠檬酸工业发展迅速，在发酵技术特别足在发酵菌种和生产工艺方面处于世界领先 水平，但下游的提取工艺却比较落后，普遍采用高耗能、高污染的钙盐提取法，严 重制约着该行业的进一步发展。目i ； 柠檬酸行业都面临着“高产低收”的局面，柠 檬酸发酵液的分离提取已经严重地制约了柠檬酸行业的发展。广西富产甘蔗、木薯， 利用糖蜜和木薯粉进行深层发酵生产柠檬酸，将会是一个非常有前景的工业项目。 因此，改进落后的提取工艺，寻求高效、环保节能、便于工业化和自动化的新型工 艺已迫在眉睫。离子交换法具有工艺简单、高收率、低能耗等优点，应用于柠檬酸 工业生产的潜力巨大，关于这方面的研究将是一个非常有意义、有前景的课题。 1 9 2 论文主要研究内容 本论文主要的研究内容包括以下几方面： ( 1 ) 根据柠檬酸的特性，确定发酵液中柠檬酸的定性、定量分析方法。 ( 2 ) 确立了离子交换法分离提取的工艺条件，并研究了发酵液中所含的少量 草酸是否会对提取产物产生影响。 ( 3 ) 进行产品和纯度鉴定，证明提取产物是纯柠檬酸。 广西大掌硕士掌位论文离子交换法分离捷取宣舟 液中柠檬酸的研究 第二章发酵液中柠檬酸的测定 在发酵法生产柠檬酸的研究工作中，柠檬酸的定性、定量测定方法有纸层析法 。川、薄层层析法删、酸碱滴定法“”、光化学法“、乙酸酐一毗啶法、分光光度 法“、色谱法”2 1 ”等。滴定法虽操作简便，但选择性差，有机酸干扰严重；乙酸酐 一毗啶法反应较快，过程不好控制；分光光度法需要生物碱分解样品，十分繁琐： 气相色谱法具有较高的灵敏度和选择性，但设备昂贵、测样成本高。本论文中用纸 层析法分离发酵液中的有机酸，通过测定并与标准样的r f 值进行比较，从而得到定 性结论，使用光化学法进行定量测定。 2 i 实验材料 2 1 1 主要仪器 本章实验中所用主要仪器见表2 1 。 表2 - l 实验所用主要仪器表 t a b l e2 - 1m a i ni n s t r u m e n t si nt h i sc h a p t e r 2 1 2 主要试剂 本章实验中所用主要试剂见表2 - 2 。 1 2 广西大掣啊甄士掌位论文离子变朔时基分离提取发酵液中柠檬蘸的研究 表2 - 2 实验所用主要试剂表 t a b l e2 - 2m a i nr e a g e n t si nt h i sc h a p t e r 主要试剂生产厂家 9 5 乙醇( a r ) 冰醋酸( a r ) 甲酸( a r ) 正丁醇( a r ) 氨水( a 1 l ) 氢氧化钠( a r ) 碳酸钙( a r ) 柠檬酸( a & ) 草酸( a ) 苹果酸( a r ) 苯二甲酸氢钾( a r ) 溴甲酚绿( a r ) 颗粒状活性炭 新华3 号层析滤纸 天津大茂化学试剂厂 广州市东红化工厂 成都科龙化工制剂厂 广东汕头西陇化工厂 成都科龙化工制剂厂 广州化学试剂厂 广东台山粤侨试剂塑料有限公司 广东台山粤侨试剂塑料有限公司 广东台山粤侨化工厂 中