蘇氨酸廢母液色譜分離實驗與探討

汲廣習(xí)，董力青，王 錚

（齊齊哈爾龍江阜豐生物科技有限公司，黑龍江 齊齊哈爾161031）

蘇氨酸（Threonine）易溶于水而不溶于乙醇、乙醚等有機(jī)溶劑，屬于脂肪族氨基酸，味微甜，是構(gòu)成人類及動植物蛋白質(zhì)的一種必需氨基酸。除了作為飼料添加劑大量應(yīng)用于飼料工業(yè)外，還可用于醫(yī)藥、化學(xué)試劑和食品強(qiáng)化劑等方面。隨著養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，畜禽飼料需求量迅速增加，蘇氨酸的需求量也越來越大。蘇氨酸生產(chǎn)過程中大部分是以玉米漿及糖蜜作為發(fā)酵氮源，通過蘇氨酸轉(zhuǎn)化菌株進(jìn)行發(fā)酵，發(fā)酵液經(jīng)陶瓷膜設(shè)備過濾，將其中的菌體蛋白等雜質(zhì)去除，再經(jīng)濃縮結(jié)晶、離心分離、干燥、篩分和包裝等工藝操作，生產(chǎn)出蘇氨酸成品，此過程中將產(chǎn)生大量的廢母液，其成分包括蘇氨酸、雜質(zhì)氨基酸、蛋白質(zhì)、殘?zhí)呛蜔o機(jī)鹽等，怎樣合理處置是一個難題。將其賣給飼料添加劑廠，降低了母液的價值；直接排放到環(huán)境中，會造成極大的浪費和污染。

色譜分離技術(shù)是利用混合物組分在固定相中吸附和分配系數(shù)的微小差別，達(dá)到分離各組分的目的。色譜分離的本質(zhì)是待分離物質(zhì)分子在固定相與流動相之間分配平衡的過程，不同的物質(zhì)在兩相之間的分配不同，使其流動相運動速度不同，隨著流動相的運動，混合物中的不同組分在固定相上相互分離。色譜分離技術(shù)的優(yōu)點是分離效率高，運行能耗低，設(shè)備中的樹脂柱失效后可再生且無須加熱，對于用傳統(tǒng)方法難以分離的物質(zhì)以及熱敏性物質(zhì)，該方法具有明顯的優(yōu)越性。因此，運用色譜分離技術(shù)回收蘇氨酸廢母液，可以有效地將色素、無機(jī)鹽、糖與蘇氨酸分開，提高蘇氨酸回收率，降低生產(chǎn)損失。

1 色譜分離實驗流程及設(shè)備

1．1 色譜分離實驗流程

色譜分離實驗流程見圖1。

圖1 色譜分離實驗流程Fig．1 Chromatographic separation process

1．2 實驗設(shè)備

色譜分離實驗裝置（蘇氨酸母液處理量為16m3／d），由廈門三達(dá)膜廠家提供。

1．3 蘇氨酸廢母液成分分析

蘇氨酸母液帶有食品香味、色澤深，要想達(dá)到分離蘇氨酸的目的，必須對其進(jìn)行成分分析，確定母液中各成分的含量，從而明確分離對象，選擇分離方案。

其中，氨基酸測定采用高效液相色譜法，殘總糖測定采用蒽酮比色法，無機(jī)鹽測定采用重量法，結(jié)果見表1。

表1 蘇氨酸母液成分分析Table 1 Composition analysis of mother liquor of threonine

2 色譜分離小試實驗

實驗色譜設(shè)備中的樹脂柱共有20根，分3個區(qū)，第1區(qū)為洗脫區(qū)，有6根；第2區(qū)為蘇氨酸回流區(qū)，有7根；第3區(qū)為進(jìn)料區(qū)，有7根，如圖2所示。

圖2 色譜分離實驗流程圖Fig．2 Flow chart of chromatographic separation equipment

設(shè)置9個不同的實驗工藝，根據(jù)最終蘇氨酸回收率及殘總糖的去除情況，判定用于色譜分離裝置的最佳樹脂和工藝條件。各工藝為

工藝1：國產(chǎn)鈉型樹脂（IR120），母液加熱后進(jìn)入進(jìn)料區(qū)，回流產(chǎn)品進(jìn)入回流區(qū)，洗脫水（去離子水）進(jìn)入洗脫區(qū)。

工藝2：進(jìn)口鈣型樹脂（XA1），母液加熱后進(jìn)入進(jìn)料區(qū)，回流產(chǎn)品進(jìn)入回流區(qū)，洗脫水進(jìn)入洗脫區(qū)。

工藝3：進(jìn)口鈣型樹脂（XA1），對母液、回流產(chǎn)品和洗脫水加熱，母液進(jìn)入進(jìn)料區(qū)，回流產(chǎn)品進(jìn)入回流區(qū)，洗脫水pH調(diào)節(jié)到4．5后進(jìn)入洗脫區(qū)。

工藝4：進(jìn)口鈣型樹脂（XA1），對母液、回流產(chǎn)品和洗脫水加熱；母液pH調(diào)節(jié)到3后進(jìn)入進(jìn)料區(qū)，回流產(chǎn)品進(jìn)入回流區(qū)，洗脫水進(jìn)入洗脫區(qū)。

工藝5：進(jìn)口鈣型樹脂（XA1），對母液、回流產(chǎn)品和洗脫水加熱，母液進(jìn)入進(jìn)料區(qū)，回流產(chǎn)品pH調(diào)節(jié)到4．5后進(jìn)入回流區(qū)，洗脫水進(jìn)入洗脫區(qū)，并用電暖器對10～16號樹脂柱加熱。

工藝6：進(jìn)口鈣型樹脂（XA1），對母液、回流產(chǎn)品和洗脫水加熱，母液進(jìn)入進(jìn)料區(qū)，回流產(chǎn)品進(jìn)入回流區(qū)，用氨水調(diào)節(jié)洗脫水pH到10后進(jìn)入洗脫區(qū)，并用電暖器對10～16號樹脂柱進(jìn)行加熱。

工藝7：進(jìn)口鈣型樹脂（XA1），對母液，回流產(chǎn)品，洗脫水加熱，母液進(jìn)入進(jìn)料區(qū)，用氨水調(diào)節(jié)回流產(chǎn)品pH到10后進(jìn)入回流區(qū)，洗脫水進(jìn)入洗脫區(qū)，并用電暖器對10～16號樹脂柱進(jìn)行加熱。

工藝8：進(jìn)口鈣型樹脂（XA1）改型成氨型，對母液、回流產(chǎn)品和洗脫水加熱，母液進(jìn)入進(jìn)料區(qū)，回流產(chǎn)品進(jìn)入回流區(qū)，用氨水調(diào)節(jié)洗脫水pH到10后進(jìn)入洗脫區(qū)，并用電暖器對10～16號樹脂柱、3～9號樹脂柱進(jìn)行加熱。

工藝9：進(jìn)口鈣型樹脂（XA1）改型成氨型，對母液、回流產(chǎn)品和洗脫水加熱，母液進(jìn)入進(jìn)料區(qū)，用氨水調(diào)節(jié)回流產(chǎn)品pH到10后進(jìn)入回流區(qū)，洗脫水進(jìn)入洗脫區(qū)，并用電暖器對10～16號樹脂柱、3～9號樹脂柱進(jìn)行加熱。

實驗結(jié)果如下：

工藝1：國產(chǎn)鈉型樹脂，運行3d后，鈉型樹脂被轉(zhuǎn)型，實驗未運行成功。

工藝2：進(jìn)口鈣型樹脂，母液加熱后分離效果較差，回流產(chǎn)品中蘇氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%～4%，含量較低。是由于母液在分離過程中，pH升高到蘇氨酸等電點，導(dǎo)致蘇氨酸沉淀下來，阻塞流道和樹脂柱，實驗未運行成功。

工藝3：進(jìn)口鈣型樹脂，調(diào)節(jié)洗脫水pH到4．5左右，并維持pH恒定，洗脫水經(jīng)過一根樹脂柱后，pH升高到中性?；亓鳟a(chǎn)品中蘇氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)升到7%左右，產(chǎn)品濃度較為理想，實驗運行成功，但是并不能解決蘇氨酸等電點結(jié)晶從而阻塞流道和樹脂柱的問題。

具體實驗條件為：進(jìn)料區(qū)流入速率80mL／min，流出速率16mL／min；洗脫區(qū)流入速率92mL／min，流出速率28mL／min；回流區(qū)流入速率64mL／min，流出速率64mL／min；轉(zhuǎn)速150min／圈。運行數(shù)據(jù)見表2。

表2 蘇氨酸回收率及殘總糖去除情況Table 2 Threonine recovery and sugar removal rate %

工藝4：調(diào)節(jié)母液pH到3左右，并使其進(jìn)入樹脂，目的是讓料液遠(yuǎn)離蘇氨酸等電點。但運行3d后，發(fā)現(xiàn)樹脂分離效果和之前單柱實驗相比變差，說明樹脂被轉(zhuǎn)型，實驗未運行成功。用大量質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的氯化鈣溶液沖洗樹脂柱系統(tǒng)，排出來的廢液呈酸性，說明樹脂被轉(zhuǎn)成氫型。氯化鈣溶液沖洗到后期，廢液逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹行?，說明轉(zhuǎn)型完全。

工藝5：運行2d后，產(chǎn)品洗脫區(qū)出現(xiàn)沉淀，阻塞流道和樹脂柱，實驗未運行成功。判斷是由于洗脫區(qū)pH升高，碰到蘇氨酸等電點，導(dǎo)致蘇氨酸在這一區(qū)域沉淀。對10～16號樹脂柱加熱，提高系統(tǒng)溫度，有利于蘇氨酸的溶解，防止蘇氨酸在產(chǎn)品回流區(qū)沉淀。

工藝6：運行2d后發(fā)現(xiàn)氨水進(jìn)入進(jìn)料區(qū)，導(dǎo)致進(jìn)料區(qū)pH升高，升高到蘇氨酸等電點，蘇氨酸沉淀出來，阻塞流道，實驗未運行成功。

工藝7：運行1d后，在6號樹脂柱排出大量蘇氨酸沉淀，阻塞流道和樹脂柱，實驗未運行成功。判斷這種沉淀是由于氨水進(jìn)入進(jìn)料區(qū)引起的。進(jìn)行燒瓶實驗，將母液、樹脂和氨水兩兩混合，短時間內(nèi)不會出現(xiàn)沉淀，但是3樣混合，則會出現(xiàn)沉淀。可以判斷，母液中的某種離子（鈉離子和氫離子可能性較大）將樹脂上的鈣離子置換下來，與氨水中的氫氧根結(jié)合，出現(xiàn)沉淀。

工藝8：將鈣型樹脂轉(zhuǎn)化成氨型樹脂，避免樹脂中的鈣離子被置換下來從而形成沉淀的問題。通過單柱實驗發(fā)現(xiàn)，氨型樹脂容易被轉(zhuǎn)型，導(dǎo)致分離效果降低。在洗脫水進(jìn)入洗脫區(qū)時引入氨水，可以發(fā)現(xiàn)被蘇氨酸母液轉(zhuǎn)型的樹脂再次轉(zhuǎn)化成氨型，樹脂柱系統(tǒng)中出現(xiàn)的沉淀可以溶解掉，能夠提高系統(tǒng)效率，減少洗脫區(qū)用水量。將洗脫水pH調(diào)節(jié)到10左右，再進(jìn)入系統(tǒng)，運行2d后，在進(jìn)料區(qū)又出現(xiàn)大量沉淀，阻塞流道和樹脂柱，實驗未運行成功。原因可能有兩個，一是氨水進(jìn)入進(jìn)料區(qū)，使進(jìn)料區(qū)的料液pH升高，觸碰到蘇氨酸的等電點，導(dǎo)致蘇氨酸沉淀；二是樹脂上的銨根離子被置換下來，使母液pH升高，導(dǎo)致蘇氨酸沉淀。對3～9號樹脂柱加熱，是為了提高洗脫區(qū)溫度，提高蘇氨酸洗脫效率。

工藝9：更換氨水的加入口，將回流產(chǎn)品pH調(diào)節(jié)到9～10之間，進(jìn)入回流區(qū)，發(fā)現(xiàn)在進(jìn)料區(qū)流道中出現(xiàn)沉淀的現(xiàn)象得到解決，實驗運行成功。因此判斷，工藝8是由于氨水進(jìn)入進(jìn)料區(qū)，導(dǎo)致進(jìn)料區(qū)pH升高，蘇氨酸沉淀。

具體實驗條件為：進(jìn)料區(qū)流入速率83mL／min，流出速率13mL／min；洗脫區(qū)流入速率93mL／min，流出速率22mL／min；回流區(qū)流入速率70mL／min，流出速率70mL／min；轉(zhuǎn)速140min／圈。具體運行數(shù)據(jù)見表3。

表3 蘇氨酸回收率及殘總糖去除情況Table 3 Threonine recovery and sugar removal rate %

由以上實驗過程可知，工藝3和9實驗運行成功，其中工藝9分離效果較為理想。產(chǎn)品中蘇氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為7．72%，殘?zhí)琴|(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為0．32%。蘇氨酸正收率平均值為83．96%，反收率平均值為72．16%，正反收率平均值為78．06%。

付勇［8］對分析柱分離蘇氨酸的色譜工藝條件研究表明，流速對蘇氨酸的分離影響較大，當(dāng)流速由1．0mL／min增加到3．0mL／min，分離度由2．7增至3．5，蘇氨酸的色譜峰峰寬得到改善。

因此，確定選用工藝9中的進(jìn)口鈣型（XA1）轉(zhuǎn)氨型樹脂對蘇氨酸廢母液進(jìn)行色譜分離，進(jìn)料流速為80～90mL／min，洗脫流速為85～95mL／min，出料流速為25～30mL／min，洗脫水pH為10左右，回料pH調(diào)節(jié)至9～10。

3 色譜分離技術(shù)擴(kuò)大試驗

生產(chǎn)設(shè)備：模擬移動床色譜分離裝置（蘇氨酸母液處理量360m3／d），由法國諾華賽廠家提供。

生產(chǎn)工藝：采用實驗工藝9。

原理：此連續(xù)色譜系統(tǒng)為順序式模擬移動床（SSMB），經(jīng)過脫色處理的蘇氨酸廢母液連續(xù)進(jìn)入色譜分離單元，由于不同物質(zhì)穿透樹脂的速度不同，使蘇氨酸與殘?zhí)?、鹽份及其他雜質(zhì)相分離開來。

運行步驟：

1）將蘇氨酸廢母液的溫度調(diào)節(jié)到65℃左右。

2）對進(jìn)料母液和洗提液進(jìn)行氣提。

3）進(jìn)入色譜系統(tǒng)分離。

運行數(shù)據(jù)見表4。

表4 色譜分離運行數(shù)據(jù)Table 4 Threonine recovery and sugar removal rate

解鶴［4］的實驗研究表明：溫度對蘇氨酸二次母液的分離影響很大，溫度過低，蘇氨酸二次母液的黏度大，不利于分離；溫度過高，對色譜樹脂的要求高。

根據(jù)表4中蘇氨酸廢母液經(jīng)色譜分離后蘇氨酸回收率及殘?zhí)呛望}分等的分離效果和實際生產(chǎn)中用水量、蒸汽損耗量，最終確定蘇氨酸回收率為88%為最適回收率，蘇氨酸母液進(jìn)料溫度為65℃。工藝過程物料平衡如圖3所示。

圖3 工藝過程物料平衡圖Fig．3 Process material balance diagram

多次對蘇氨酸廢母液色譜分離試驗，對分離前后的參數(shù)平均數(shù)進(jìn)行對比，如表5所示。

表5 色譜分離試驗前后對比數(shù)據(jù)Table 5 Comparison data before and after chromatographic separation test %

4 結(jié) 論

傳統(tǒng)生產(chǎn)中蘇氨酸廢母液直接進(jìn)入污水處理系統(tǒng)或者用于加工飼料和有機(jī)肥，廢母液中的蘇氨酸沒有回收，造成了浪費。目前蘇氨酸市場價格8 000元／t，用廢母液生產(chǎn)肥料，肥料價格約500元／t。齊齊哈爾龍江阜豐生物科技有限公司生產(chǎn)上每天產(chǎn)生約125m3左右的蘇氨酸廢母液，如果用色譜分離技術(shù)對其中的蘇氨酸進(jìn)行回收，可以得到18t左右蘇氨酸，直接經(jīng)濟(jì)效益14．4萬元左右。本研究用色譜分離技術(shù)將蘇氨酸廢母液中的蘇氨酸進(jìn)行回收，可以有效地將色素、無機(jī)鹽、糖與蘇氨酸分開，收率達(dá)到96．2%以上，與劉海艷［5］利用超濾色譜耦合工藝分離回收蘇氨酸技術(shù)進(jìn)行對比，實驗工藝得到了優(yōu)化，蘇氨酸的回收率也提高0．94%，有效降低了生產(chǎn)損失。