（植物学专业论文）发酵液中d核糖分离纯化过程的研究.pdf

摘要 摘要 d 一核糖是一种重要的生理物质 常用于食品工业和医疗工业中 如 调味品的生产和维生素b 的合成 近几年来 随着发酵生产d 一核糖研究 的不断深入 发酵液中d 一核糖的分离纯化过程已成为重要的研究课题 本文以d 一核糖发酵液为研究体系 对发酵液中d 一核糖的分离纯化过程进 行了研究 本研究利用活性炭对发酵液脱色 利用阴阳离子交换树脂脱盐 过 滤除蛋白质 最后结晶得到d 一核糖 主要内容如下 1 研究了活性炭对d 一核糖发酵液的脱色工艺 为其工艺的优化设 计和操作提供依据 实验表明 用活性碳脱色在间歇操作条件下最佳的 吸附时间为3 0m f f n 操作温度为5 0 p h 为3 左右 2 利用2 0 l 7 强碱型阴离子交换树脂和g 0 1 4 强酸型阳离子交换 树脂去除d 一核糖发酵液中的阴阳离子 对d 一核糖发酵液离子交换树脂脱 盐工艺进行了研究 实验表明 采用2 5 倍发酵液体积的去离子水对脱 盐后的树脂进行清洗 可得到最大的d 一核糖收率 溶液电导率可减小到 5 9 u s c m 盐度减到0 5p p t 核糖收率达到8 0 以上 3 在研究发酵液离子交换树脂脱色的基础上 结合活性炭吸附工艺 建立了发酵液活性炭和离子交换树腊联合脱色的工艺模型 为降低分离 成本提供了理论和技术 4 利用有机溶剂分离纯化d 一核糖 研究了d 一核糖的结晶工艺 关键词 d 一核糖 分离纯化 脱色 离子交换 结晶 发酵液中d 核糖分离纯化过程的研究 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 文献综述 第一章文献综述 d 一核糖是组成生物体内遗传物质核糖核酸的重要成分 是一种有重要生理作用 的糖类 目前d 一核糖的生产主要以发酵法为主 发酵法生产d 一核糖是微生物代谢 较复杂的生化反应过程 发酵液中除了d 一核糖之外 还有代谢副产物 未消耗完的 培养基 有机色素 菌体 蛋白质和胶体物质等 d 一核糖的分离纯化是d 核糖工业生产中的一个重要环节 本章综述了d 一核糖 发酵液的预处理 活性炭脱色 离子交换树脂除离子 膜分离除蛋白及d 一核糖提取 工艺近几年的研究发展 阐述了d 一核糖的性能 用途及提取方法 在此基础上 提 出了本文的研究内容 1d 一核糖的性质 d 一核糖 r i b o s e 分子式为c h 0 分子质量为1 5 0 1 3 它是一种五碳醛糖 3 其分子结构如下图卜1 所示 c h o i h c o h h c o h h c o h c h 2 0 h 图1 1d 核糖的分子结构 d 一核糖为极易潮解的斜方晶体 溶于水 微溶于乙醇 不溶于醚 苯 丙酮及 氯仿 可以利用此性质在d 一核糖水溶液中加入乙醇等有机溶剂从而降低d 核糖的 溶解度以达到结晶d 一核糖的目的 d 一核糖熔点8 6 8 74 c n o 一2 3 7 2 3 7 由 于其具有手性碳原子 所以核糖具有光学异构现象 从而具有d 一型和l 一型两种构 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 发酵液中d 核糖分离纯化过程的研究 2d 一核糖的应用 d 一核糖是一种有重要生理作用的糖类 它存在于所有动物 植物和微生物的细 胞中 d 一核糖是生物体内遗传物质核糖核酸 m r n a t r n a r r n a 和5 s r n a 等各种 r n a 的碳水化合物组成部分 它又是细胞膜中核糖醇壁酸的重要成分 在生理上 起着重要的作用 生物体基因主要成分d n a 脱氧核糖核酸 是辅酶i n a d h 辅 酶i i n a d h p 以及乙酰辅酶a 的主要结构 而d n a 是通过还原反应使核苷酸分予 中的核糖脱氧得到的 核糖还是生物体内从无到有台成a t p 的前体物质 近年来d 一核糖作为抗癌和抗病毒药物 调味品和调味香精等的合成原料在制药 工业和食品工业上得到广泛的应用 在食品工业上 d 核糖可作为调味品 调味香 精等风味物质的合成原料 如5 一肌苷酸 5 鸟苷酸 在医药工业中 核糖的应用也 很广泛 首先核糖是维生素b 2 的重要合成原料 1 维生素b 化学名称核黄素 微溶 于水 它对生命活动是不可缺少的 维生素b 经a t p 磷酸化生产的f m n 与f a d 是许 多脱氢酶的辅酶 是很重要的递氢体 可促进生物氧化作用 对糖 脂和氨基酸的 代谢都很重要 此外维生素b 是动物发育及许多微生物生长的必要因素 同时人体 缺乏维生素b 时会导致细胞代谢失调 首先受影响的为眼 皮肤 舌 口角和神经 组织 缺乏症有眼角膜 口角血管增生 白内障 口角炎 眼角膜炎等症状 还可 导致舌炎和阴囊炎 1 目前 维生素b 的世界年总产量约为6 0 0 0 吨左右 仅日 美 两国需求量就在万吨以上 世界年需求量超过2 4 万吨以上 国际市场缺口很大 1 国内市场对核黄素需求量也日益增加 售价稳中有升 而我国现在年产量不足 造 成国内市场供不应求 大力发展核黄素工业愈显重要 因此 医药工业也就需要大 量的核糖为前体来生产维生素b 2 其次 医疗保健方面 d 一核糖具有治疗心肌局部 缺血的作用 加强心脏抗局部去血的能力 从而全面改善心脏功能 d 一核糖还可用 于治疗运动引起的肌肉酸痛 腺苷酸脱氨酶缺陷造成的僵硬 胞内缺乏磷酸化酶造 成的肌肉酸痛以及糖尿病等 另外 d 一核糖可用来合成类固醇 前列腺素 维生素 d 的结构类似物 萜类化合物 修饰氨基酸 凝乳酶抑制因子等 随着近年来核酸 药物的发展 利用核糖可以合成一些抗病毒和抗癌的药物 如问型霉素 吡唑呋喃 菌素以及它们的一些关键中间产物的结构类似物等 也可由d 一核糖制各抗肿瘤 黑 素瘤和白血病 以及治疗卵巢癌的药物 1 文献报道d 一核糖可能具有一定的延缓衰 老和增强耐缺氧能力的作用 1 总之 d 一核糖的应用非常广泛 是一种具有重要生理作用的单糖类物质 文献综述 3d 一核糖的生产方法 自1 8 9 1 年k o s s e l 在水解酵母时发现并确定核糖 到利用细菌发酵法生产核糖 大约经历了8 0 多年的时间 这期间经历了使用水解法和化学合成法等方法来生产 核糖 但最终发现利用微生物发酵法生产核糖才是最有效和最经济的 d 一核糖的生产方法可归纳为3 种 1 通过化学法和酶水解法水解酵母核酸 核苷酸的方法提取核糖 但这种 方法收率低 成本高 不适于工业化生产 1 2 用l 一阿拉伯糖 葡萄糖酸 l 一谷氨酸和d 一木糖等原料的化学合成法 这 些方法都不同程度存在着工艺复杂 原料价格高 有副产物生成 收率低等不足 3 2 0 世纪7 0 年代 日本的s a s a j l m a 等人 1 利用枯草芽抱杆菌 b a c i l j u s s u b t i l i s 的转酮酶 e c 2 2 1 1 缺陷突变株 以d 一葡萄糖为原料用发酵法生产 d 一核糖取得成功 以转酮酶缺陷型的芽孢杆菌作为生产菌种 以葡萄糖为原料 在合理的工艺条 件下 d 一核糖积累量达到7 0 m g i i l 1 近年来随着分子遗传学和新的发酵工艺的应 用又使得d 一核糖的产量超过9 0 m g m l 并且发酵时间和副产物的产生量都大大减 少 发酵法生产d 一核糖以其独有的特点 已成为当前最经济有效的d 一核糖的生产 方法 4d 一核糖的提取方法 将发酵液预处理除菌 脱色 脱蛋白 除盐后 将d 一核糖从发酵液中分离出来 这一过程叫d 一核糖的提取 d 一核糖的分离提纯主要应用其弱电介质的性质 溶解度 分子大小与吸附剂的 相互作用等来达到将d 一核糖从发酵液中提取的目的 目前发酵工业主要的提取方法有如下几种 1 离子交换法 离子交换法是利用人造的离子交换树脂作为吸附剂 将发酵液中的发酵产物吸 附在树脂上 根据晶格理论 作为离子交换树脂的固体可视为是离子型 离子交换 法中所应用的离子交换树脂固体 尽管是离子聚合物组成 但它们必须带有可离解 的基团 交换反应可逆 一般遵循化学平衡规律工艺原理 天津轻工业学院张燕等 人是用硼酸型阴离子交换树脂吸附d 一核糖 再利用硼酸盐缓冲液洗脱达到浓缩纯化 的目的 3 发酵液中d 核糖分离纯化过程的研究 2 色谱分离法 色谱分离法又称色层分离法或层析法 它是一类高效的分离纯化技术 能用于 分离化学结构与性质极相似的物质 具有分离效率高 设备简单 操作方便且无需 加热等特点 因此不易引起变性 特别适用于大分子有机物的分离纯化 s a i t o 和 s u g i y a m a 离心去除菌体 用强碱性阴离子树脂 硼鼎 交换层析 从食虫假单孢菌 p s e u d o m o n a sr e p t i l i v o v a 的培养液中分离得到d 一核糖糖浆 最后从糖浆中获得 d 一核糖结晶 h o u g h 等人通过高强度的纤维层析 从各种糖的混合物中分离得到 d 一核糖 邱蔚然 6 等在发酵液中添加絮凝剂后 压滤去除菌体 然后串联通过 7 3 2 d 3 1 5 h d 1 等离子交换树脂 去除大量色素 使收率提高2 0 一3 0 并可 得到高纯度的结晶 5 发酵液的预处理 核糖发酵液中存在着大量的菌体和杂蛋白 这些杂质在核糖提取前如不进行分 离 在后续的操作中容易引起离子交换柱的堵塞 造成分离困难 5 1 发酵液中菌体的去除方法 发酵液中菌体的去除方法有 过滤法 离心法和加絮凝剂法 核糖发酵液属于非牛顿型流体 采用过滤法去除菌体比较困难 目前除菌体常 用的聚丙烯酰胺等有机溶剂都有一定的毒性 且除菌体效果不理想 用离心分离法 去除菌体是一种很有效的方法 由于核糖发酵液所使用的微生物一般为枯草芽孢杆 菌 短小芽孢杆菌等微生物 其个体比较微小 因此必须采用高速离心的方法才能 去除 采用转速4 0 0 0r m i n 离心1 5 分钟的方法 即可将菌体从发酵液中去除 得到澄清透明的发酵液 工业上则可采用高速离心机分离的方法除去菌体 满足工 艺要求 5 2 发酵液中蛋白的去除方法 5 2 1 醋酸铅法 发酵液中的蛋白容易与重金属盐 如铅等 生成不溶性沉淀被除去 研究表明 发酵液除蛋白效果与饱和醋酸铅添加量有关 在发酵液中添加1 0 一1 5 的饱和醋 酸铅 可以基本除尽发酵液中的残蛋白 而且不会对后续操作造成明显影响 在实 验中还发现 醋酸铅在除蛋白过程中有一定的絮凝作用 对色素的去除 发酵液的 澄清都具有积极的作用 4 文献综述 5 2 2 加热法 7 1 由于蛋白质具有热敏性 在加热 7 0 c 一8 0 c 条件下使其变性形成而除去 但对于d 一核糖发酵液中蛋白质的处理 由于d 一核糖也容易热变性 所以此法并不 适合 5 2 3 等电点法除蛋白 7 1 加酸使蛋白质达到等电点 一般蛋白质的等电点皆偏酸性 溶解度降低而沉 淀 浓酸可使蛋白质成为不溶性变性蛋白质而沉淀 如同时加热又加酸 则更易沉 淀 5 2 4 有机溶剂法除蛋白 7 3 乙醇 丙酮能吸水 破坏蛋白质胶粒上的水化层 而使蛋白质沉淀 低温时 用丙酮脱水 还可保存原有的生物活性 但用乙醇脱水 时间较长后可使蛋白质变 性 52 5 膜分离技术 8 1 以上分离蛋白质的方法大部分都能起到很好的脱除蛋白质的作用 但是都会或 多或少的耗费大量的酸碱 有机溶剂或者无机盐试剂 不但经济上造成一定的损耗 也会污染环境 选用膜分离对发酵液中的蛋白质进行截流可以避免以e 问题的出 现 6 发酵液的脱色 发酵液中一般都含有一定的黄褐色色素 如果不进行脱色处理 色素带入成品 会影响核糖的色泽和纯度 发酵液透光率的高低常常是用来衡量其中杂质多少的 指标之一 透光率高 相对说明其中杂质的含量较少 色素产生的原因有如下几个方面 1 生产过程中各种成分的化学变化产生有色物质 如淀粉水解过程中时间 长 温度高 使葡萄糖聚合产生蔗糖 铁制的设备接触酸碱产生电化作用 其结果 使设备腐蚀 游离出许多铁离子 除产生红棕色外 还与水解糖内单宁结合 生成 紫黑色单宁铁 葡萄糖与氨基酸在受热情况下也会结合产生黑色素等等 都会使溶 液带有大量色素 2 生产过程中由于操作不当 使发酵液颜色加深 如实验中黄血盐加量不 适合导致发酵液中色素增加等 6 1 色素的表征方法 发酵液中d 核糖分离纯化过程的研究 溶液中的色素浓度是一个难于测量的参数 使色素浓度的单位难以确定 目前 色素的表征方法分为以下几种 1 利用色值法对色素进行表征 当杂质的成分和浓度为未知时 可用杂质 的某些特性如色度来提供浓度的数据 由于糖浆色值与色素浓度成正比关系 s k a s 糖浆色值 a 一色素浓度 因而可用色值间接地表示色素的浓度 华南 理工大学的赖风英等人在对糖浆脱色效能研究时采用了这种方法 2 利用溶液的透光率对色素进行表征 由于不同浓度的色素溶液其透光率 不同 可以利用溶液的透光率相对表征色素的浓度 目前大多研究论文利用此法对 色素进行表征 3 利用比色法表征色素浓度 通过对比标准比色管中不同色素含量的溶液 颜色 读出代测液的浓度 此法精确度不高 虽然色素浓度的表征方法很多 但一般来说这些方法都是对色素浓度作定性的 考察 还缺乏其过程表征和计算的深入研究 6 2 脱色的方法 目前国内脱色方法主要有活性炭脱色和离子交换树脂脱色 62 1 活性炭脱色 活性炭的脱色原理 活性炭的脱色除杂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气中进行 也可以在溶液中进行 它能将气体 蒸 汽或溶液中的溶质吸附在自己表面 活性炭的表面积越大 越有利于它的吸附作用 在活性炭的吸附过程中 同时包含有物理吸附和化学吸附两种作用 物理吸附作用的机理是 吸附过程由吸附剂表面与被吸附物质分子之间的范德 华力引起 这种吸附作用的选择性很大 在高温下吸附量反而降低 吸附过程中能 量变动较小 因而容易解吸 化学吸附的机理是 吸附剂表面存在着不饱和键 可以与被吸附分子的极性基 团形成某些副价键 例如氢键等 从而产生吸附作用 化学吸附作用有一定的选择 性 而且适当升高温度可以加快吸附速度 吸附过程中发生能量的变化 解吸较困 难 在活性炭对色素的吸附过程中 以上两种吸附作用都有 但主要是化学吸附 根据用途不同 对活性炭质量的要求也不同 用于发酵液的脱色 要求活性炭脱色 能力强 灰份少 并且以不吸附或少吸附d 一核糖为原则 文献综述 粉末活性炭的脱色工艺条件如下 1 温度对粉末活性炭脱色效果的影响 一般来说 温度高 溶液的粘度减 少 降低了分子的运动阻力 从而使分子运动速度加快 被吸附物质分子向吸附剂 表面的扩散速度增加 因而进入吸附剂小孔的机会多 温度高 吸附剂表面的液膜 层薄 有利于被吸附质扩散通过液膜 有利于吸附作用 这些因素都是有利于吸附 过程进行的 但是温度升高到一定程度后 吸附量就不再增加 如果温度太高 色 素的解吸速度也会迅速增大 反而有利于解吸过程进行 这也就是在某些场合下 温度升高 吸附量反而降低的原因之一 2 p h 值对粉末活性炭脱色的影响 溶液的p h 值对脱色效果的影响很大 根 据粉末活性炭的特性 溶液在p h34 时 活性炭脱色效果较好 3 活性炭用量 应当根据活性炭脱色能力的强弱和发酵液色素深浅等情况 决定活性炭用量多少 一般活性炭用量为o 6 w v 左右 炭用量过大 一方面增加 成本 另一方面因炭要吸附一定量的核糖 影响收率 4 脱色时间的影响 活性炭的脱色效果与脱色时间密切相关 脱色时间长 被吸附的物质分子与活性炭表面的接触机会多 有利于吸附作用 尤其是当被吸附 的物质是一些分子量较大的色素分子时 由于分子大 扩散速度慢 吸附作用就更 需要一定的时间 为了加强吸附过程的进行 进行适当的搅拌是必要的 因搅拌可 以促迸扩散运动的进行 5 粉末活性炭的脱色操作 在发酵液中加入0 6 w v 的活性炭 在水浴振 荡器中控制温度进行脱色 6 2 2 离子交换树脂脱色 离子交换树脂的脱色作用 主要依靠树脂的多空隙表面对色素进行吸附作用 这种吸附作用主要是树脂的基团与色素的某些基团形成共价键 因而对杂质起到吸 附与交换作用 1 树脂的选择 离子交换树脂的种类很多 但什么样的树脂具有较好的脱色能力 同时不吸附 d 核糖 又不增加其它杂质 张燕 2 3 等人的实验结果显示 碱性大孔离子交换树脂 脱色较好 但室温下不易洗脱 a b 一8 树脂有较高的糖回收率 且洗脱集中 郑长城 等人 的实验结果显示 极性n k a i i 树脂再生后脱色性能变化不大 即说明在实 验条件下树脂基本完全再生 2 树脂脱色操作要点 发酵液中d 核糖分离纯化过程的研究 a 再生剂的选择 树脂再生的好坏 对脱色效果起重大的作用 再生的好坏决定再生剂的种类及 再生条件 b 上柱液温度 发酵液中的杂质 有些分子量较大 在交换过程中扩散速度较慢 因此适当的 提高上柱液温度可以使扩散力加快 但温度也能促进解吸 一般控制在常温条件脱 色 1 c 上柱流速 碱性树脂对其离子交换速度慢 因此上柱脱色时 必须选择一个适当的交换流 速 而使之充分的进行交换反应 实验测定1 o b v h 有利于脱色 d p h 对交换作用的影响 弱碱性的阴离子交换树脂当p h 增大时 它们呈不解离倾向 以致交换吸附困 难 造成脱色效果差 一般p h 控制到3 4 e 交换量与初始透光率的关系 上柱量的大小与初始色素含量有很大的关系 初始色素含量低 交换量小 初 始色素含量高 交换量大 6 3 吸附脱色研究进展 63 1 阴离子交换树脂脱色 弱碱性阴离子交换树脂 是一类开发很早 应用较为广泛的功能性高分子材料 早在1 9 4 9 年就应用于糖类脱色 我国南开大学 吸附分离与功能高分子国家重点 实验室合成了对色素具有高吸附量 强选择性的大孔阴离子交换树脂 详细研究了 影响树脂脱色性能的各种因素 仝明豪 3 3 等采用大孔强碱季铵i 型阴离子树脂d 一2 9 0 代替2 0 1 4 凝胶型树脂 对庆大霉素原料提取部分的洗脱液脱色效果良好 树脂 用量减少 抗污染能力强 机械强度高 交换吸附能力大 庆大霉素损失少 天津 大学和南开大学 4 1 联合采用8 种树脂对东北红豆衫提取进行了脱色研究 郑长城等 人 研究了用树脂对d 一核糖发酵液进行脱色 6 3 2 活性炭脱色 活性炭为黑色多孔性粉末或颗粒 无嗅无味 常温时化学性能稳定 不溶于水 和普通溶剂 表观密度随原料来源和制造方法的不同差别很大 因活性炭对有机物 吸附量高 所以被广泛应用于去除水的色度和嗅味 以及酿造用水 糖浆精制用水 文献综述 清凉饮料用水的净化 在废水处理中也大量使用活性炭 活性炭纤维 a c f 是近 年来新开发的高效吸附材料 其微孔含量大 孔径小 孔径分布窄 比表面积高达 1 0 0 0 3 0 0 0m 2 g 吸附容量大 吸附速度快 目前 国外己将a c f 广泛应用于环境 工程 医学 电子 化工等领域 6 3 3 活性白土脱色 活性白土是膨润土的一种深加工产品 它由膨润土脱水粉碎 加硫酸活化 经 水洗 分离 干燥而得 活性白土在水中和油中膨胀极少 有滑腻感 湿润时有玻 璃光泽 分子间为层状结构 表面有许多不规则的孔穴 加热至3 0 0 c 以上脱除层 间水 具有独特的吸附性能 易吸潮 水分过高时 影响脱色效果 活性白土主要用于矿物油 植物油 动物油 石蜡 脂肪酸以及有机化学品的 脱色精制 哈力滨工业大学探讨了小兴安岭改性页岩在糖液脱色方面的应用 获 得了最佳改性条件和脱色条件 研究结果表明 改性页岩对糖液具有较好的脱色能 力咖 7 发酵液除盐 发酵液中残存着大量的无机离子 对后续操作及产品质量影响较大 因而需对 发酵液进行脱盐处理 采用一般的强酸 强碱性离子交换树脂对d 一核糖发酵液进行除盐即可达到满意 的结果 脱盐过程中不断测定发酵液p h 以控制脱盐效果 7 1 离子交换树脂脱盐的研究 d 一核糖发酵液的离子种类比较多 脱除起来有一定难度 由于发酵液中离子的 去除涉及产品的纯度和产量 属于商业机密 在文献中报道较少 一般文献中都认 为用强酸 强碱性树脂进行脱盐 7 11 离子交换的基本原理 离子交换的基本理论主要包括两个方面 一是离子交换反应在一定条件下的反 应方向和反应速度 这就是离子交换平衡问题 即离子交换热力学 二是离子交换 反应的历程和达到平衡的时间 这就是离子交换速度问题 即离子交换动力学 7 12 离子交换选择性 1 一个离子交换平衡反应是否有实际意义 在很大程度上依靠树脂的选择性 因 此 研究离子交换选择性具有十分重要的意义 影响离子交换树脂选择性的因素很多 其中主要是 9 发酵液中d 核糖分离纯化过程的研究 1 离子交换树脂总是选择高价的反离子 树脂对高价反离子的选择性不仅 与溶液中电介质的稀释度有关 尤其与树脂内部的高度容积率有关 2 树脂内部促使颗粒膨胀的力 在水溶液中 树脂相的固定离子和活动离子 以及溶液中的游离离子都被水分 子包围 离子的水化产生了树脂的膨胀力 膨胀力的变化与水化离子半径有关 当 然树脂离子的水化半径越小越好 3 树脂交联度 树脂的交联度是影响树脂的选择性的重要因素 交联度越大 对树脂的选择性 的影响就越大 而交联度较小时 这种影响就减小到最后可以忽略不计 这是由于 交联网络形成的筛网作用造成的 7 1 3 离子交换脱盐的化学反应乜朝 稀释溶液中的脱盐主要用强酸性氢型阳离子交换树脂和强碱性阴离子交换树 脂 发酵液和阴离子交换树脂发生如下反应 r o h a 一 r a o f f 0 h 一十 r h 2 0 发酵液与阳离子交换树脂发生如下反应 h a b b a h h o h h 0 7 1 4 脱盐的基本工艺流程 1 离子交换脱盐有别于蒸馏法除盐 称为化学法除盐 基本工艺流程如下 1 过滤液 卜h 型强酸性阳离子交换 卜0 h 型强碱性阴离子交换 脱 盐液 2 过滤液 卜h 型强酸性阳离子交换 卜o h 型弱碱性阴离子交换斗 o h 型强碱性阴离子交换 脱盐液 流程 1 是基本的 能完成脱盐的所有化学反应 去掉发酵液中各种阳 阴 离子 流程 2 基本上充分利用了弱碱性树脂比强碱性树脂再生费用低的特点 7 1 5 树脂的衰退 强酸和强碱性离子交换树脂在使用中会发生衰退 失去部分交换基团或退化成 弱碱或弱酸性基团 使工作容量下降 离子交换树脂在使用过程中性能恶化的原因可能是 热力学上不稳定的基团逐 渐水解 交换集团在使用过程中损失 原因不明的老化 即所谓自结垢作用等 结 果交换速率急剧下降 树脂使用寿命缩短 1 0 文献综述 这些因素发生作用的急缓和树脂的类型及所处理发酵液的品质有关 7 16 树脂的再生 当树脂在使用中其交换容量接近或达到饱和 此树脂就需要再生处理 再生后 的树脂可以继续使用 这也使得树脂使用起来更加经济 但考虑到传统的再生方法 中 再生的费用高以及对环境污染严重 所以有必要进一步的改进树脂的再生方法 7 2 离子交换技术的发展 科学技术和生产的发展 对产品提出了高质量 多规模的要求 大大促进了离 子交换树脂的品性和性能 在工艺和装置方面也有了发展 1 合成新型离子交换树脂 近年来合成的数十种新型树脂 为离子交换处理提供了更大的保证 新型树脂 有 磁性树脂 粉状树脂 热再生树脂等 2 采用新的工艺流程 2 1 双层床新组合 a 单柱阳一混型双层床 脱盐塔上层为强酸性阳离子交换树脂床 下层为 混合床 这种装置结构简单 操作便利 易于再生 b 单柱混一阳型双层床 脱盐单塔上层为混合床 下层为阳树脂床 其处 理效果与串联混合床与阳树脂的双塔脱盐装置相同 设备投资与再生操作费用少 c 单柱混混型二层床 单柱上下层均为混合床 上层为几乎不含盐型树脂 的混合床 下层为少量的盐型树脂的混合床 2 2 新型三层床 a 单柱阳阴 混三层床 由上层强酸阳树脂床 中层强碱性阴树脂床 下 层混合床组成单柱脱盐塔 b 单柱阳一混一混型三层床 上层为强酸型阳树脂 中 下层均为混合床的 三层组合 2 3 单柱四层床 在一个塔中 最上层为强酸阳树脂 第二层为强碱性树脂 脂 最下层为强碱性阴树脂 组成四层床脱盐单塔 3 脱盐新技术 一种有别于经典脱盐工艺的新技术将脱盐过程分三步完成 即将弱碱性阴离子交换树脂转变成酸式碳酸型 继而进行碱化 第三层为强酸性树 先进行树脂碳化 最后进行脱栽 这 发酵液中d 核糖分离纯化过程的研究 种工艺适于处理含盐量高的溶液 经济有效 7 3 离子浓度测定方法 溶液中离子浓度的测定方法有很多种 但对于发酵液中 由于离子种类很多 所适用的测定方法并不多 7 3 1 溶液中离子不仅一种时离子浓度的测定 1 用酸度计测定离子的浓度 1 1 用酸度计的p h 档测定离子浓度时 只需配制一个标准溶液 通过比较试液和 标准溶液的p h 值变化 就可求出试液的离子浓度 2 用电导法确定溶液中离子浓度 徐铜文等 在有关电解质理论的基础上 导出了混合组分溶液的电导与各组分 的浓度关系 用实验证实了稀溶液中各组分的相互独立性 即混合组分的电导与各 组分的浓度成正比 比例系数 斜率 与它们在纯溶液时的相同 因此我们可以用电 导一浓度标准曲线来测定离子浓度 7 3 2 溶液中离子含量为多种时离子浓度的测定 1 原子吸收光谱法测定d 一核糖发酵液中阳离子含量用w f x l 3 型浓度直读 原子吸收光谱分光光度计 可直接测量溶液中的阳离子浓度 但是需要配制一系列 的储备液和标准溶液 且测量时需加入相应的掩蔽剂 做起来工作量大 不宜采用 2 离子色谱法测定d 一核糖发酵液中阴离子含量 利用阴离子色谱柱对d 核糖发酵液中阴离子进行分离 并通过电导检测仪进行 外标定量检测 利用外标高效液相色谱法可快速 准确地分离和测定d 一核糖发酵液 中阴离子浓度 但测定条件要求较高 3 离子选择电极法测定发酵液中阴阳离子含量 应用离子选择电极统 n 定发酵液中阴阳离子含量 此法虽然十分适用于工业 生产的分析 测量迅速 但是发酵液中离子种类很多 这需要大量的电极 且有的 离子至今尚未有用来测量的选择性电极 这种方法不能准确测出溶液中的总离子含 量 是一缺点 4 电导率表征离子浓度的测定方法 发酵液中离子种类繁多 电导率可表征溶液中离子的总浓度 所以可用电导率 表征脱盐前后的离子浓度 8d 一核糖的结晶 文献综述 结晶是工业发酵生产过程中重要的单元操作之一 广泛应用于氨基酸发酵 有 机酸发酵 核苷酸发酵 酶制剂发酵和抗生素发酵等的提取和精制过程中 结晶是 制备纯物质的有效方法 结晶过程具有高度选择性 只有同类分子或离子才能结合 成晶体 因此析出的晶体很纯净 在工业发酵中许多发酵产品如柠檬酸 味精 核 甘酸 酶制剂和抗生素是纯净而又是固体状态的 且有一定的结晶形状 结晶的目 的就是为了获得更纯净的固体发酵产品 8 1 结晶的基本原理 结晶是指溶质自动从过饱和溶液中析出 形成新相的过程 为了进行结晶 必 须先使溶液达到过饱和后 过量的溶液才会从固态结晶出来 晶体的产生最初是产 生细小的晶核 然后这些晶核再生形成一定大小形状的晶体 溶质浓度达到过饱和 浓度时 溶质的溶解度与结晶速度相等 尚不能使晶体析出 当达到了一定的过饱 和度时才 能析出晶体 过饱和度 通常用过饱和溶液的浓度与饱和溶液的浓度之比 称之为过饱和度 因此 结晶的全过程应包括形成过饱和溶液 晶核的形成和晶体 的生长三个阶段 溶液达到过饱和是结晶的前提 过饱和度是结晶的推动力 重结晶就是将晶体用合适的溶剂溶解后再次进行结晶以提高纯度 虽然从理论 上说通过结晶可以得到纯的产物 但实际上通过一次结晶得到的产品总含有一些杂 质 这是因为一些溶解度与产品相近的杂质也会部分的结晶下来 有些杂质还会被 结合到产品结晶的晶核中去 或因洗涤不完全不能除去结晶中夹杂的母液 使晶体 沾染了杂质 因此需要重结晶进一步提高产品的纯度 重结晶的操作方法是将该产 物先溶于溶解度较大的溶剂中 然后慢慢加入第二种溶剂至稍呈浑浊 即结晶刚开 始时为j l 冷却放置一段时间使结晶完全 8 2 影响结晶生成的因素 8 2 1 过饱和率 过饱和率直接影响晶核的形成速度和晶体的生长速度 同时也影响晶核的大 小 过饱和率增加能使成核速度和晶体生长速度增加 而过饱和率对成核速度的影 响较晶体生长速度的影响大 当过饱和率达到某一定值时有最大的成核速度 超过 一定值时 过饱和率继续增加 而成核速度反而减少 这是由于过饱和率过高时 系统粘度大 分子运动减慢 成核受阻 因此使成核速度降低 一般过饱和率在不 大的情况下 对晶体颗粒的大小影响往往不甚显著 只有当过饱和率很高时才显出 影响 实际上当过饱和率较大时 得到的晶体就较细小 发酵液中d 核糖分离纯化过程的研究 8 2 2 粘度 粘度大 溶质分子扩散速度慢 妨碍溶质在晶体表面上的定向排列 晶体生长 速度与溶液的粘度呈反比 8 2 3 温度 温度的高低也能直接影响成核速度和晶体生长速度 温度升高 可使成核速度 和晶体的生长速度增快 经验表明 温度对晶体生长速度的影响较成核速度的影响 更为显著 因为温度升高 成核速度也升高 但温度又对过饱和率有影响 一般温 度升高时 过饱和度降低 所以温度对成核速度的影响要从温度与过饱和率相互消 长速度来决定 根据实验 一般成核速度开始随温度上升而上井 达到最大值之后 温度再升高 成核速度反而降低 温度对晶体的大小也影响较大 在较高温度下结 晶 实际形成的晶体也较大 在较低温度下结晶 得到晶体较细小 温度改变过大 时 常会导致晶形和结晶水的变化 8 2 4 搅拌 搅拌能促进成核和促进扩散 提高晶核长大速度 搅拌可使晶体与母液均匀接 触 使晶体长得更大和均匀生长 但当搅拌强度达到一定程度后 再提高搅拌速度 强度效果就不显著 相反地还会使晶体打碎 搅拌转速的快慢应根据不同的发酵产 品晶体的要求以及浓度的高低而异 2 5 冷却速度 冷却速度能直接影响晶核的生成和晶体的大小 迅速冷却和剧烈搅拌 能达到 的过饱和率较高 有利于大量晶核的生成 而得出的晶体较细小 而且常导致生成 针状结构 8 2 6p h 值和等电点 结晶生成过程要注意选择适宜的p h 值 结晶溶液的p h 值 一般选择在被结晶 溶液的溶质的等电点的近处 可有利于晶体的析出 因为在接近等电点的p h 条件 下 所带的阴离子与阳离子相等 两性电解质的发酵产品便形成结晶析出 8 2 7 晶种 加入晶种能诱导结晶 晶种可以是同种物质或相同晶形的物质 为了较易控制 晶粒的数目和大小及均匀度 往往在结晶将要开始前 投入晶粒 作为晶种 再通 过缓慢冷却的温度控制 以便系统始终处于介稳区中 系统不会自动成核 因未达 到不稳定区 这样能得到一定大小较均匀的晶体 加入晶种 能控制晶体的形状 大小和均匀度 为此要求晶体首先要有一定的形状 大小而且比较均匀 文献综述 8 3 工业发酵中常用的结晶方法 结晶是工业发酵生产中发酵产品提纯的有效方法之一 它具有成本较低 设备 较简单 操作方便等优点 因此在大规模生产中广泛应用 结晶的首要条件是过饱 和 创造过饱和条件 在工业生产中的常用方法是将热饱和溶液冷却 添加晶种结 晶 将部分溶媒蒸发结晶 添加有机溶剂结晶 盐析结晶和等电点结晶等 8 4 糖类结晶的研究 华南理工大学张力田 由麦芽糖浆制取含水麦芽糖晶体是用甲醇沉淀除去较 大分子的低聚糖 糊精等 用活性炭吸附麦芽糖 水洗 在乙醇中结晶制得b 一麦 芽糖 吉化公司木糖厂张海金 等人研究了木糖膏的结晶 木糖结晶的相平衡问题 木糖晶核的形成和晶体的生长 由上述文献得知 影响结晶的因素很多 因此d 一核糖的结晶影响因素也很多 8 5 结晶分离技术的研究进展 结晶分离技术近年来发展很快 传统结晶法进一步得到发展与完善 新型结晶 技术也正在工业上得到应用或推广 随着国际化工市场的竞争日趋激烈 要求化工 产品的质量不断提高 而成本不断下降 因此人们在研究开发新的结晶技术过程中更加重视结晶方法的选择 新型结晶 器的开发及结晶工艺的设计 当前国际国内比较新型的结晶分离技术有 冷却剂直接接触冷却结晶法 反应 结晶法 蒸馏一结晶耦合法 氧化还原结晶液膜法 萃取结晶法 磁处理结晶法 冲击喷射结晶法 物理场辅助结晶法等 另外还有人研究了在结晶釜中加入结晶调节剂等添加剂以改善晶体性能 提高 产品纯度的结晶方法 8 6 反应结晶法研究进展 结晶方法一般可以分为溶液结晶 熔融结晶 升华 沉淀等四类 反应结晶或 反应沉淀是沉淀的主要类型之一 在大多数情况下 是藉助于化学反应产生难溶或 不溶的固相物质的过程 反应结晶 沉淀 在实验室的化学分析和工业生产中有着广 泛的应用 反应结晶 沉淀 过程是一个复杂的传热传质过程 在不同的物理 化学环境下 结晶过程的控制步骤可能改变 反应出不同的结晶行为 发酵液中d 核糖分离纯化过程的研究 随着人们对反应结晶 沉淀 过程研究逐步深入 目前已经取得了一些突破性进 展 但是对它们的作用机理还不够清楚 陆杰等论述了国内外反应结晶 沉淀 过程 研究的现状 着重阐述了该过程中老化 聚结一破裂等二次过程的摄新研究成果 以及最新的混合反应结晶研究动态 对反应结晶过程做了系统全面的描述 并提出 了未来的研究方向 纵观近几年来国内外对反应结晶 沉淀 研究的现状 可以得出以下启发 应加 强反应结晶过程机理研究 进一步探索各过程相互作用机制 系统的研究操作参数 对晶体产品的定性定量关系 并提出合理 通用的工业放大设计方法 以指导工业 生产 适应反应结晶 沉淀 应用范围迅速扩大的趋势 9 本论文研究的内容 本论文在分析总结了近年来d 一核糖工业分离纯化的发展状况后研究了以下主 要内容 1 在微生物发酵生产d 一核糖工艺中 无论是直接生产d 一核糖 还是由其 发酵液进一步生产维生素b 等其它产品 发酵液脱色是重要的环节 对于发酵液脱 色单元操作 仅有一些有关其工艺的定性描述 本论文以微生物发酵生产d 一核糖为 体系 深入研究发酵液吸附脱色工艺 为其工艺的优化设计和操作提供依据 2 由于d 一核糖发酵液中含有大量无机离子 有必要在提取d 一核糖之前进 行除盐工作 离子交换技术是根据物质的酸碱度 极性和分子大小的差异而给予分 离的技术 利用2 0 1 x7 强碱型阴离子交换树脂和0 0 1 4 强酸型阳离子交换树脂去 除d 一核糖发酵液中的阴阳离子 确定最佳的操作工艺 3 利用树脂的脱色性能建立活性炭与树脂联合脱色经济模型 为降低分离 成本提供了理论和技术 4 经过脱色 除盐 除蛋白质后的d 一核糖发酵液中影响目的产物d 一核糖 分离的杂质已经基本上被除去 选择合理的方法 利用有机溶剂将d 一核糖从发酵液 中提取出来 1 6 活性炭对d 核糖发酵液吸附脱色工艺的研究 第二章活性炭对d 一核糖发酵液吸附脱色工艺的研究 无论是微生物 植物细胞还是动物细胞 在发酵或培养过程中 几乎都产生相 当量的色素 因此为了保证产品质量 发酵液或培养基的脱色是重要的单元操作 对于天然产物的提取和化工产品精制过程的脱色单元操作已有许多研究 而对于 发酵液脱色单元操作 仅有一些有关其工艺的定性描述 还缺乏其过程表征和计 算的深入研究 因此目前仍是凭经验进行发酵液脱色单元操作的设计与操作 d 一核糖是组成生物体内遗传物质核糖核酸的重要成分 也是一些辅酶和维生素 的重要成分 因此在食品 和医药等领域有广泛的用途 特别是