連續(xù)色譜技術(shù)在D—核糖純化中的應(yīng)用

杜明華

摘 要：采用傳統(tǒng)色譜技術(shù)和連續(xù)色譜技術(shù)分別對D-核糖的離交脫鹽液和二次結(jié)晶母液進行處理，實驗結(jié)果表明，這兩種方法得到的D-核糖純度和收率均一致，但是連續(xù)色譜技術(shù)較傳統(tǒng)色譜技術(shù)的處理量大，得到的產(chǎn)品濃度高，能節(jié)省更多的樹脂和用水量，也能節(jié)省蒸汽的耗量，是一種符合節(jié)能減排政策的生產(chǎn)方法。

關(guān)鍵詞：D-核糖；連續(xù)色譜技術(shù)；節(jié)能減排

中圖分類號：O658 文獻標識碼：A

D-核糖是遺傳物質(zhì)核酸和能量物質(zhì)三磷酸腺苷（ATP）的組成成分，是生物體內(nèi)的一種天然戊糖，其具有維持心肌能量和緩解肌肉酸痛等生理功能，也能作為前體合成核苷類藥物，具有較好的應(yīng)用前景。

連續(xù)色譜技術(shù)近年廣泛應(yīng)用于木糖醇與雜糖的分離、果糖與葡萄糖的分離、甘露醇與山梨醇的分離等方面，連續(xù)移動床不僅具有設(shè)備體積小、占地面積小等優(yōu)點，而且分離效率高、流動相消耗低，便于自動化連續(xù)性生產(chǎn)等優(yōu)點。

目前D-核糖的生產(chǎn)主要采用發(fā)酵提取的方式，整體工藝流程為：D-核糖發(fā)酵液除菌、離交樹脂脫鹽，接著用色譜層析樹脂分離得到純度95%以上的D-核糖，經(jīng)過兩次濃縮結(jié)晶后得到產(chǎn)品；二次結(jié)晶母液中的D-核糖需要再次色譜分離純化。生產(chǎn)上采用傳統(tǒng)固定床色譜分離技術(shù)來實現(xiàn)純化，但是傳統(tǒng)色譜技術(shù)存在物料分離不徹底需要返工造成、產(chǎn)品濃度低造成能耗高等等問題，采用連續(xù)色譜技術(shù)對D-核糖的離交脫鹽液（以下簡稱“正品”）和二次結(jié)晶母液（以下簡稱“母液”）進行分離是一個重大革新。

1 材料與儀器

1.1 進料

物料來自D-核糖專業(yè)生產(chǎn)廠家，將正品通過膜濃縮到200g/L，母液用蒸汽濃縮到600g/L備用。

1.2 設(shè)備

Sep Tor 20-4連續(xù)移動床、Dow糖層析樹脂、阿貝折光儀、雷磁DDSJ-318型電導(dǎo)率儀、日本島津HPLC高壓液相色譜。

1.3 D-核糖含量檢測

阿貝折光儀初步確定糖含量范圍，采用HPLC法進行糖含量的準確檢測。

2 實驗方法與結(jié)果

2.1 傳統(tǒng)色譜技術(shù)純化D-核糖

采用裝填了2L樹脂的柱子在室溫下進行D-核糖正品和母液的色譜實驗，試管收集流出液，使用電導(dǎo)儀或糖度儀來判斷收集的起、止時間，HPLC檢測每管的糖濃度和純度后將所有收集的物料分成三部分：廢液、雜糖和產(chǎn)品，計算各部分的總體積、濃度和純度。對進料體積和洗脫流速優(yōu)化后，發(fā)現(xiàn)單柱的處理周期為5h，單柱色譜實驗得到的結(jié)果見表1。

從表1可以看出，傳統(tǒng)色譜技術(shù)能進行D-核糖的純化，得到了純度為96%的D-核糖，但是一步單柱色譜實驗沒法將料液徹底分離，正品仍有50.2%的料需要返工分離，母液有57%的料液需要返工。

通過計算，處理正品的收率為94.7%，處理母液的收率為90.7%；采用傳統(tǒng)色譜技術(shù)，每升樹脂每小時能處理正品中的D-核糖為4g，處理結(jié)晶母液中的D-核糖為3.3g。

2.2 連續(xù)色譜技術(shù)純化D-核糖

采用20根柱的Sep Tor連續(xù)移動床設(shè)備來處理正品和母液，柱子中共裝填色譜層析樹脂16L，在單柱實驗的基礎(chǔ)上，進行連續(xù)移動床流程的設(shè)計，處理正品時的流程如圖1所示。

流程簡介如下：

（1）把連續(xù)移動床的20根樹脂柱分為4個區(qū)，每個區(qū)實現(xiàn)不同的功能，其中第一個區(qū)1-5#柱為洗脫區(qū)，用于洗脫已經(jīng)分離出來的D-核糖；第二個區(qū)6-10#為延長分離區(qū)，主要是提高D-核糖純度、濃度；第三個區(qū)11-15#為分離區(qū)，主要是分離出雜糖和鹽；第四個區(qū)16-20#為濃縮回流區(qū)，提高雜糖濃度，第四區(qū)的出水，可以回用到1區(qū)作為進水。

（2）待分離的物料從第三個區(qū)進入系統(tǒng)，液流方向從左到右推動結(jié)合力弱的雜糖組分遷移，而樹脂柱則由右向左逆向移動，把結(jié)合力強的組分D-核糖夾帶逆向移動，從而實現(xiàn)分離。

（3）經(jīng)過第二區(qū)和第三區(qū)的分離，基本實現(xiàn)D-核糖和雜糖的分離，雜糖從第三區(qū)流出；而D-核糖則在樹脂柱的逆向運動作用下帶到第一個區(qū)。

（4）D-核糖到達第一個區(qū)后，在洗脫水的推動力作用下流出。

（5）雜糖進入第四區(qū)后，經(jīng)過反復(fù)上下柱，實現(xiàn)雜糖組分的濃縮，出水可返回到一區(qū)循環(huán)利用。

由于母液中的D-核糖純度比正品低，在處理母液時，會將延伸分離區(qū)增加到6根柱子，而減少分離區(qū)1根柱。

為了得到最佳的實驗效果，首先對轉(zhuǎn)盤周期和處理量進行優(yōu)化，待系統(tǒng)運行穩(wěn)定后檢測產(chǎn)品的純度和收率，確定連續(xù)色譜技術(shù)的初步運行條件，接著進行產(chǎn)品濃度和回用水量的優(yōu)化實驗。優(yōu)化實驗結(jié)束后連續(xù)運行10～15天，考察處理量、產(chǎn)品的濃度、純度、收率以及水耗量等各項指標；整個實驗過程均在室溫下進行。實驗結(jié)果見表2。

實驗結(jié)果匯總后，以天為單位計算各組分的純度和收率，得到的平均結(jié)果見表2，最終優(yōu)化的實驗周期為260min/圈。

從表2可以看出，連續(xù)色譜技術(shù)能一步實現(xiàn)D-核糖的分離純化；從產(chǎn)品純度上看，處理正品得到的D-核糖純度能達到97%，收率能達到95.6%；而處理母液得到的D-核糖純度也可以達到96%，但是收率只有91.3%。

計算樹脂的處理量，采用連續(xù)色譜技術(shù)，每升樹脂每小時能處理正品中的D-核糖為6g，處理結(jié)晶母液中的D-核糖為5.2g。

2.3 兩種技術(shù)比較

根據(jù)以上固定床與連續(xù)移動床的實驗結(jié)果來考察兩者的消耗差別，以年產(chǎn)1000t D-核糖為例，每天大約需要處理18.3m?濃度為200g/L的D-核糖正品和1.1m?濃度為600g/L的母液，每天得到的各組分體積、濃度以及需要的水量和樹脂用量見表3。

從表3可以明顯看出連續(xù)移動床色譜技術(shù)比固定床色譜技術(shù)有以下優(yōu)勢：

（1）不會產(chǎn)生套用液，不用返工處理；

（2）得到的產(chǎn)品濃度高；

（3）用水量?。?/p>

（4）樹脂用量?。?/p>

（5）單位樹脂處理物料快。具體節(jié)省量見表4。

表4連續(xù)色譜技術(shù)相對傳統(tǒng)色譜技術(shù)的節(jié)省量

項目 固定床 移動床 節(jié)約量

M?/D M?/D %

廢水排放量 90.2 72.2 20.0

水耗 198.4 89.2 55.0

樹脂 46.5 30.5 34.4

節(jié)約蒸汽 64.5t/D

兩種色譜技術(shù)產(chǎn)生的產(chǎn)品濃度不一樣需要蒸發(fā)到一致，表4按照1噸蒸汽蒸發(fā)三噸水來計算需要的蒸汽量，從表中可以看出，年產(chǎn)1000tD-核糖，連續(xù)色譜技術(shù)的樹脂用量要比傳統(tǒng)色譜技術(shù)節(jié)省34.4%，水耗要節(jié)省55%，廢水排放量要省20%，由于固定床有套用液且產(chǎn)品濃度比移動床的低，為此每天要多消耗64.5t蒸汽進行濃縮。

結(jié)論

連續(xù)色譜技術(shù)能用于不同純度D-核糖物料的分離純化，說明連續(xù)色譜技術(shù)具有較好的適用范圍。

采用傳統(tǒng)色譜技術(shù)和連續(xù)移動床色譜技術(shù)均能從正品或母液中得到純度為95%以上的D-核糖，處理正品時的收率均在95%左右，處理母液時的收率均在91%左右。

但連續(xù)色譜技術(shù)中單位樹脂處理D-核糖的速度比傳統(tǒng)色譜技術(shù)要快：前者處理正品中D-核糖的速度為6g/L·H，處理結(jié)晶母液時的速度為5.2g/L·H；而固定床色譜技術(shù)處理正品時的速度只有4g/L·H，處理結(jié)晶母液時的速度只有 3.3g/L·H。

產(chǎn)品濃度方面，連續(xù)色譜技術(shù)處理正品時得到的產(chǎn)品濃度為102g/L，處理母液時的產(chǎn)品濃度為84g/L；傳統(tǒng)色譜技術(shù)處理正品時得到的產(chǎn)品濃度只有29g/L，處理母液時的產(chǎn)品濃度為64g/L。

根據(jù)實驗結(jié)果，當年處理1000t D-核糖時，連續(xù)移動床的樹脂用量要比固定床節(jié)省34.4%，每天用水量要省55%，廢水排放量要少20%，由于固定床有套用液和產(chǎn)品濃度比移動床的低，為此每天要多消耗64.5t蒸汽進行濃縮。

綜上所述，采用連續(xù)色譜技術(shù)實現(xiàn)正品和二次結(jié)晶母液中D-核糖的純化是完全可行的，結(jié)果中各指標均優(yōu)于傳統(tǒng)的色譜技術(shù)，是一種符合國家節(jié)能減排政策的生產(chǎn)方法。

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