一种顺序式模拟移动床提取谷氨酸的方法

本发明属于分离纯化，具体涉及一种顺序式模拟移动床纯化提取谷氨酸的工艺技术。

背景技术：

1、谷氨酸（glutamic acide），化学名称为α-氨基戊二酸。谷氨酸有左旋体、右旋体和外消旋体。左旋体，即l-谷氨酸，统称为谷氨酸，是一种酸性氨基酸，分子中有两个羧基，鳞片状或粉末状晶体，呈微酸性，无毒。l-谷氨酸微溶于冷水，易溶于热水，几乎不溶于乙醚、丙酮及冷醋酸中，也不溶于乙醇和甲醇。在200℃时升华，247℃-249℃分解。l-谷氨酸的用途广泛，其钠盐有特殊的鲜味用作食品的鲜味剂，分子式为c5h9o4。近年来，随着经济的发展和科技的进步，化学工业对于分离过程的能耗、溶剂消耗、分离效率、分离产品的复杂性以及分离过程控制的灵活程度都有了更高的要求。绝大多数氨基酸产品是通过发酵产生的，因此，粗液的组成成分含有诸多杂质，如介质成分、生物酶和各种氨基酸，这就导致通过结晶分离氨基酸过程中，很有可能会产生其它多种氨基酸、糖类、色素等杂质。

2、目前，国内主流厂家分离提取谷氨酸的方法有等电点-离子交换法。等电点-离子交换法是发酵液经等电法分离提取谷氨酸后，再将等电点母液通过离子交换树脂柱进行交换吸附，然后用碱液洗脱树脂上的谷氨酸，收集高流分，将其与下一批发酵液混合，再用等电点法提取谷氨酸，该提取工艺消耗较高的酸碱，分离过程繁琐复杂，过程控制相对较难。cn101402584a利用一种金属膜分离技术和浓缩连续等点法相结合的从发酵液中提取与精制谷氨酸，精制后的谷氨酸溶液质量提高，经浓缩连续等电法提取后得到的谷氨酸产品经氨基酸分析仪分析纯度可达99%以上，但是过程中需要使用酸碱调节ph值，会产生大量污染废水，对环境造成一定压力。cn101293848b公开了一种谷氨酸提取工艺，其先将谷氨酸发酵液加热后，进行超滤、之后再用纳滤系统再过滤，将纳滤后发酵液加热，加硫酸调发酵液ph至3.0-4.0，然后进入结晶锅进行蒸发浓缩，当蒸发掉50％-80％水份后，出料至助晶槽缓慢冷却至 60℃以下，离心分离谷氨酸。虽然酸碱使用量较少，且方法相对简单，但是得到谷氨酸产品纯度及提取收率相对较低。

3、本发明将重点研究顺序式模拟移动床分离谷氨酸的吸附机理和参数变化趋势，在谷氨酸体系内比较其与传统模拟移动床分离过程的异同，利用基因算法进行多目标优化，总结出适用于提纯谷氨酸的变量调控机制，并深入探索随着优化目标的变化，操作条件产生改变的内在科学依据，有望为谷氨酸体系的分离提纯提供新思路和新方法。

技术实现思路

1、本发明提供一种顺序式模拟移动床（ssmb）提取谷氨酸的方法，包括如下步骤：

2、（1）筛选适宜分离谷氨酸和葡萄糖的吸附树脂

3、根据体系特性初步选定7款交换树脂，将树脂充分冲洗干净，在单柱装置上进行谷氨酸和葡萄糖单次脉冲实验，确定吸附树脂。

4、所述单次脉冲实验条件：谷氨酸和葡萄糖浓度为10-20g/l、温度为40-60℃、流速为4-12ml/min、进样量为4-10ml/min。

5、筛选出稳定色谱峰，以及对比各种树脂在分离体系内的分辨率、选择性、空隙率以及保留时间上的优劣，确定适宜的固定相树脂。其中，选择性和分离度越高越好，空隙率在0.3-0.4之间较为合适。

6、本发明的一个实施例中，筛选出lx-1850ca型吸附树脂，其选择性α=1.847，空隙率ε=0.373，以及谷氨酸保留时间tr=40.78min，葡萄糖保留时间tr=30.12min，分离度rs=0.52。

7、（2）测定单柱参数，所述单柱参数包括系统死体积、死时间、半峰宽、线速度、柱总体积、保留时间、选择性、相率和空隙率等参数，并确定葡萄糖和谷氨酸吸附等温线参数和动力学参数。单柱参数为后续顺序式模拟移动床操作及多目标优化提供依据。

8、所述吸附等温线参数测定通过在脉冲实验下测定，并结合前沿分析法进行判断得到。

9、2.1 基于前期筛选实验所确定固定相树脂，进行脉冲实验，计算吸附等温线参数，探究谷氨酸和葡萄糖在所选色谱柱上的吸附行为：在液相色谱系统中，不同流速下对谷氨酸与葡萄糖分别进行脉冲实验，记录不同流速下谷氨酸和葡萄糖的流出曲线。根据流出曲线可得到不同流速下谷氨酸与葡萄糖的保留时间、死时间、半峰宽、线速度和空隙率等单柱参数，用公式（2-3）计算吸附等温线参数。

10、        (2-3)

11、其中，线速度u按照公式（2-4）计算：

12、                            (2-4)

13、式中，h为亨利常数，i为组分指数，包括谷氨酸、葡萄糖两种组分，hi是组分i的亨利常数，u为线速度，单位cm/min，ε为空隙率，tr为保留时间，单位min，vc为色谱柱总体积，单位cm3，l为色谱柱长度，单位cm，r为色谱柱内径半径，单位cm，q为流量，单位ml/min；t0为色谱柱死时间t0=td-tplant，其中td为系统死时间，单位为min，tplant为设备死时间（不接色谱柱测得），单位为min。

14、本发明的一个实施例中，单柱参数还包括半峰宽wh/2，即色谱流出曲线峰高一半处的峰宽度，从谱图上读出；系统死体积vd（连接色谱柱后测得），单位为ml；以及相率。

15、在本发明的一个实施例中，通过进样与固定相无吸附作用的蓝葡聚糖可以得到系统死体积（连接色谱柱后测得）vd=4.72ml、死时间td=0.944min、柱总体积vc=565.2 cm3、相率φ=1.681、柱长l=100cm、r=2.5cm，设备死时间tplant=0.420min。

16、代入公式（2-4），得到亨利常数h，而且，不同流速下，各组分亨利常数h的基本稳定性，可初步认为谷氨酸和葡萄糖在步骤（1）所选固定相树脂和实验浓度范围内的吸附特征属于线性吸附行为。

17、在本发明的一个实施例中，脉冲实验谷氨酸和葡萄糖的流速分别为6ml/min，8ml/min，10ml/min，12ml/min四个流速。

18、2.2 利用脉冲实验结果得出动力学参数

19、根据前期谷氨酸和葡萄糖脉冲实验得到的单柱参数以及亨利常数，进行动力学参数的拟合，计算以uλ和n，并以uλ为横坐标，1/n为纵坐标作图并进行动力学参数的拟合，得到谷氨酸和葡萄糖拟合线性公式，使用拟合公式的截距和斜率可分别求解传质系数km和轴向扩散系数nl：得到谷氨酸和葡萄糖传质-扩散（td）模型的参数，传质系数km和轴向扩散系数nl。

20、具体来说，对每个组分而言，都有一个独立的模型参数n（即理论板数）。n与td模型参数nl和km有关，由公式（2-5）表示：

21、   （2-5）

22、其中，dl为总扩散系数；λ由，l和h表示，表达式如下：

23、          （2-6）

24、h和n由下式表示：

25、                             (2-3)

26、           （2-8）

27、式中，tr为保留时间，wh/2为半峰宽，tplant设备死时间，单位min，选择性α ≈1.847。

28、根据等式（2-5），在不同的流速下测得的亨利常数，可以用来计算td模型的参数nl和 km，当流速在合理范围内的时候，1/n与u成线性关系。

29、以uλ为横坐标，1/n为纵坐标作图并进行动力学参数的拟合，得到谷氨酸和葡萄糖拟合线性公式，并使用拟合公式的截距和斜率可分别求解传质系数km和轴向扩散系数nl。

30、本发明的一个实施例中，谷氨酸拟合公式为y=3.2474x+0.0197，葡萄糖拟合公式为y=1.3023x+0.0029。使用拟合公式的截距和斜率可分别求解得到传质系数km和轴向扩散系数nl。

31、2.3 使用前沿分析法测定谷氨酸和葡萄糖的吸附等温线参数，验证脉冲实验准确性，并确定线性吸附关系。

32、流动相平衡色谱系统中，配制一系列不同浓度的谷氨酸和葡萄糖样品，包含被测样品的浓度，将配制初始浓度的谷氨酸或葡萄糖溶液作为流动相直接连续进样，第一个样品的流出曲线达到稳定的平台后持续固定的一段时间，则次样品浓度下的突破曲线完成测定，立刻更换下一个浓度的谷氨酸和葡萄糖溶液作为进样流动相，按上述操作重复实验，按浓度顺序测出一系列阶梯形状的突破曲线。

33、根据前沿分析法所测定的流出曲线，通过公式（2-11）可得到不同浓度下谷氨酸和葡萄糖对应吸附量，采用式（2-12）表示的线性模型，描述谷氨酸和葡萄糖在制备色谱柱上的吸附平衡关系。

34、                       （2-11）

35、式中，qn是第n步单位体积树脂的吸附谷氨酸或葡萄糖的质量，单位g，vc是色谱柱总体积，单位cm3，td是系统死时间，单位min，tn是第n步的突破时间，cn是第n步的浓度，ε是色谱柱的空隙率，无量纲。

36、                       （2-12）

37、式中，hi是组分i的亨利常数，qn是第n步单位体积树脂的吸附谷氨酸或葡萄糖的质量，单位g，ci为谷氨酸或葡萄糖浓度，单位g/l。

38、根据脉冲实验测定吸附等温线参数拟合曲线可知谷氨酸与葡萄糖在所选固定相上为线性吸附特征，在此基础上，可以使用线性吸附模型拟合吸附等温线，通过浓度c和吸附量q图的斜率可求吸附等温线参数亨利常数h，将参数带入（2-12）可分别得到谷氨酸和葡萄糖的亨利常数，即吸附等温线参数。

39、比较脉冲实验得到的吸附等温参数和前沿分析法得到的吸附等温线参数（亨利常数），二者数值相近，则可以确定脉冲实验方法得到的吸附等温参数的正确性，满足线性吸附模型。

40、由于现有技术并未研究本技术体系下谷氨酸和葡萄糖两个组分的吸附行为，本技术首次根据脉冲试验和前沿分析法得出了谷氨酸和葡萄糖在所选树脂和实验浓度范围内上的吸附特征属于线性吸附行为，并验证该吸附行为的准确性，为后续建模提供基础。

41、（3）通过多目标优化得到操作参数

42、根据步骤（2）的单柱实验结果，使用fortran语言，以传质-扩散（td）模型和线性吸附模型为基础对顺序式模拟移动床分离过程进行建模，利用单柱实验所测参数以及依据三角形理论得到的顺序式模拟移动床i、ii、iii、iv四个分离区域的流量比m值，选择合适的优化目标，利用非支配排序遗传算法（nsga-ii），在compaq visual fortran 6.5软件运行程序，得到进样流量和进料、循环、洗脱三个子步骤的切换时间（t1、t2和t3）。

43、其中，所述传质-扩散（td）模型的公式为：

44、            （3-1）

45、                       （3-2）

46、线性吸附模型公式：        （2-12）

47、式中，c表示液相中的浓度（g/l）；q表示固定相中的浓度（g/l）；i表示组分指数；j表示柱指数（可表示固定柱编号1-8）；t表示时间（min）；表示相率；ε表示柱空隙率；u表示线速度；z表示轴向坐标；nl表示轴向扩散系数；km表示传质系数；hi表示i组分的亨利系数。

48、依据三角理论得到的m值，m为ssmb的四个区域i、ii、iii、iv（如图1所示）的流量比，无量纲，m的计算公式如3-3所示：

49、       （3-3）

50、其中，m为四个分离区域流量比，x代表区域序号（x=i-iv），ts为进料、循环、洗脱三个子步骤的总切换时间，单位min。

51、所述优化目标可以为纯度、收率、处理量、水耗等中的任意两个。

52、所述非支配排序遗传算法（nsga-ii）流程见图2。

53、基于非支配排序遗传算法-ii（nsga-ii）进行条件筛选，在输出结果文件夹中的“prod.txt”文档中，分析并画出相应的以两个优化目标为横纵坐标的pareto曲线。同时，将pareto曲线中的所有点对应的四个m值依次找出，并计算出三个子步骤时间和进料流量等操作条件。

54、经过优化的4个顺序式模拟移动床ssmb变量（三个子步骤时间和进料流量）可以通过以下公式依次确定：

55、                                  （3-4）

56、                              （3-5）

57、                         （3-6）

58、                     （3-7）

59、式中，t1、t2、t3分别为ssmb中进料、循环、洗脱三个子步骤的时间；qfeed为进料流量（ml/min）；qmax为ssmb系统适宜的最大流量（ml/min）；vc为柱总体积（cm3）。

60、（4）根据优化得到的操作参数,进行顺序式模拟移动床实验，经进料、循环、洗脱以及多次内部循环后，分析谷氨酸和葡萄糖的样品纯度。

61、本发明的一个实施例中，如图1所示，第一步为进料阶段，配制好的溶液通过进料口被feed色谱泵吸入到iii区，即色谱系统内5-6柱，此时隔离3-4柱、7-8柱，同时，洗脱液受eluent色谱泵牵引，进入到i区，即1-2柱，萃余口可以收集轻组分（葡萄糖），萃取口可以收集重组分（谷氨酸）。

62、第二步为循环阶段，1-8色谱柱通过阀门切换全部连通，进行内部循环，达到平衡内部浓度的作用。此步骤也是顺序式模拟移动床节约流动相的关键步骤，当前步骤无物料收集。

63、第三步为洗脱阶段，阀门继续切换，将1-6六根色谱柱连通，隔离7-8色谱柱，洗脱液从1色谱柱进入，流经2-5色谱柱，从6色谱柱排出，可以在6色谱柱端口收集到萃余液（葡萄糖）。

64、（5）系统经多个（10到15个）循环结束后，收集萃取物与萃余物样品，分析样品纯度及回收率。

65、本发明的一个实施例中，顺序式模拟移动床实验结果，谷氨酸纯度可达99%，葡萄糖纯度94%。

66、本发明的有益效果：

67、1、本发明使用顺序式模拟移动床得到高纯度谷氨酸产品，传统的离子交换工艺/等电＋离交法相比，该工艺实验过程中仅采用纯水溶剂，不需要酸碱试剂调节ph值，减少溶剂的使用，环境压力低，降低成本，同时降低后续污水处理难度，减少污染，绿色、节能且对环境友好，具备较好的工业实用价值。

68、2、本发明采用的吸附树脂不同于传统的离子树脂，不含有离子交换基团，再生过程相对容易，可以反复使用。

69、3、本发明将模拟移动床技术引入到氨基酸体系，对于分离氨基酸、手性结构、糖类等体系，通过调控特定的变量模拟移动床进行分离操作，使用了更为先进的遗传算法多目标优化方法进行条件摸索，以产品最终性能（纯度、收率、处理量、溶剂消耗等）为直接目标，利用fortran编程进行过程模拟，进行操作条件筛选和模拟移动床实验设计，使整个分离过程更快速高效，不需要大量的实验来摸索条件，简化工艺流程，节约了人力物力，而且顺序式模拟移动床可直接得到高纯度的谷氨酸产品（大于99%）。

70、4、本发明的顺序式模拟移动床包含内部循环分离步骤，可以大大降低水资源等溶剂的消耗；同时顺序式模拟移动床达到内部浓度稳定，可以连续得到高纯度、高回收率的谷氨酸产品。