基于順序式模擬移動床色譜法的兩種木糖母液分離工藝比較

李洪飛 孫大慶 李良玉 于 偉 張麗萍

(黑龍江八一農墾大學國家雜糧工程技術研究中心，黑龍江，大慶 163319)

模擬移動床技術(SMB)，是由美國UOP公司于20世紀60年代，利用色譜吸附原理和逆流色譜分離工藝制造出的一種新型分離制備工藝及裝備，由于缺少可供工藝模擬的理論模型、有效數值計算方法及相關的計算機軟件，其技術成熟和快速發(fā)展則是在近10年[1]。

近年，法國NOVASEP公司新開發(fā)了一種順序式模擬移動床技術(SSMB)，被稱為第二代SMB技術。SSMB是一種改進的間歇順序操作的SMB，在保留傳統(tǒng)SMB高效分離、便于操作、利于工業(yè)化優(yōu)點的同時，采用了間歇進料、間歇出料，完全解決了系統(tǒng)內物料的反混問題[2]；將傳統(tǒng)SMB的每一步驟分解為3～4個子步驟，實現了更精確的控制，使各組分都在最佳調節(jié)下分離[3]；增加了可供分離中間組分流的出口，實現了三元組分的分離，大大提高了產品純度，有效降低了成本?；谝陨蟽?yōu)勢，SSMB技術正迅速取代傳統(tǒng)SMB技術，在石油化工、生物發(fā)酵、食品、醫(yī)藥等領域迅猛發(fā)展[4]。

木糖母液是木糖生產中的主要副產物，其主要含有木糖、阿拉伯糖、葡萄糖等單糖。美國、日本等發(fā)達國家已開發(fā)出多種低耗、高效的回收木糖母液的方法。而在中國，木糖母液主要被用來制備焦糖色素[5]、生產飼料酵母[6]等低端產品，利用效率低，不但造成了資源浪費，也給環(huán)境帶來了一定的污染。因此，研究一種高效、環(huán)保的木糖母液綜合回收技術具有十分重要的意義[7-9]。

目前，SSMB技術在國外發(fā)達國家已得到較為廣泛的應用，但在中國的研究和應用還處于起步階段。試驗擬利用先進的SSMB色譜分離設備，對木糖母液中木糖、阿拉伯糖和葡萄糖的分離回收工藝進行深入研究，旨在解決木糖母液低效利用的難題，為木糖產業(yè)的提檔升級提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

木糖母液：鶴崗經緯糖醇有限公司；

其他試劑均為分析純；

順序式模擬移動床色譜分離設備：SSMB-6Z6L型，國家雜糧工程技術研究中心；

液相色譜儀：1200s型，美國安捷倫科技有限公司；

電導率儀：FE30K型，梅特勒—托利儀器有限公司；

發(fā)酵罐：RZY系列，南京潤澤生物工程設備有限公司；

全溫振蕩器：HZQ-QX型，哈爾濱市東聯電子技術開發(fā)有限公司；

糖度計：WYT型，成都豪創(chuàng)光電儀器有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 原料液的制備

(1) 兩組分分離原料液的制備：稱取70%木糖母液50 kg，以去離子水稀釋至濃度為25%，添加1%的酵母，37 ℃發(fā)酵24 h，添加5‰的活性炭進行脫色，過濾，濾液濃縮至濃度為60%，即為兩組分分離原料液[10]，工藝流程見圖1。

(2) 三組分分離原料液的制備：稱取70%木糖母液50 kg，以去離子水稀釋至濃度為50%，添加1%的活性炭進行脫色，過濾，濾液濃縮至濃度為60%，即為三組分分離的原料液，工藝流程見圖2。

1.2.2 分離工藝參數優(yōu)化 以60%木糖母液為原料，采用SSMB色譜分離設備，設定切換時間、進料流速、解吸流速和循環(huán)流速4個主要參數，60 ℃下進行SSMB平衡穩(wěn)定試驗，每個色譜柱切換一次包括3個步驟，即循環(huán)步(S1)、解吸步(S2)、進料解吸步(S3)，完成后切換到下一根色譜柱。一般色譜柱切換12次SSMB色譜系統(tǒng)才能達到穩(wěn)定狀態(tài)，此時在各出料口收集流出液，測定溶液中葡萄糖、木糖及阿拉伯糖的純度，以木糖和阿拉伯糖純度為指標，優(yōu)化切換時間、進料流速、解吸流速及循環(huán)流速4個技術參數。

圖1 兩組分分離工藝流程圖

圖2 三組分分離工藝流程圖

1.3 檢測方法

(1) 總糖濃度：采用糖度計法。

(2) 葡萄糖、木糖及阿拉伯糖純度：采用高效液相色譜法[11-12]。色譜柱為糖基柱；流動相為水；柱溫75 ℃；流速0.6 mL/min；進樣量10 μL；視差檢測器。分別按式(1)～(3)計算回收率、溶劑消耗率、固定相生產率。

(1)

式中：

Y——回收率，%；

C1——分離后木糖(阿拉伯糖)組分總糖濃度，mg/mL；

C0——原料液總糖濃度，mg/mL；

ρ1——分離后木糖(阿拉伯糖)組分中木糖純度，%；

ρ0——原料液中木糖組分濃度，%；

V1——分離后木糖(阿拉伯糖)組分溶液體積，mL；

V0——原料液的體積，mL。

(2)

式中：

SR——溶劑消耗率，L/g；

QD——解吸流速，mL/min；

QF——進料流速，mL/min；

QE——流出組分(以木糖計)流速，mL/min；

CE——流出組分(以木糖計)平衡時濃度，g/L。

(3)

式中：

PR——固定相生產率，g/(h·L)；

QE——流出組分(以木糖計)流速，mL/min；

CE——流出組分(以木糖計)平衡時濃度，g/L；

Vcolumn——固定相體積，950 mL；

ε——色譜柱總空隙率，0.360 9。

2 結果與分析

2.1 二組分分離最佳工藝的確定

由表1可知，木糖最高純度為87.53%，在此工藝條件下得到阿拉伯糖純度為83.41%，木糖及阿拉伯糖回收率分別為80.32%，83.35%；當阿拉伯糖最高純度為88.41%時，木糖純度為86.30%，此時木糖及阿拉伯糖回收率均達到最大值，分別為85.20%，89.26%，較前者分別提高了4.88%，1.91%，而兩種單糖的純度與前者差異不顯著，依據純度及回收率兩個指標的要求，得出SSMB法二組分分離木糖母液的最佳工藝條件為進料流速35 mL/min、解吸流速30 mL/min、切換時間1 230 s、循環(huán)流速30 mL/min。

2.2 三組分分離最佳工藝的確定

由于木糖母液單柱試驗得出葡萄糖與木糖及阿拉伯糖不能完全分離，色譜峰存在重疊部分，因此，木糖及阿拉伯糖純度與回收率的最大值不可能在同一工藝條件下出現[13-14]。由表2可知，當木糖最高純度為77.43%時，阿拉伯糖純度為79.94%，此時，木糖及阿拉伯糖回收率最高為82.00%，87.00%；當阿拉伯糖最高純度為80.10%時，木糖純度為75.40%，此時，木糖及阿拉伯糖回收率僅為75.80%，79.30%，比前者最高回收率分別低了6.20%，7.70%，此時木糖及阿拉伯糖純度與前者無明顯差異。根據純度、回收率兩個指標的要求，確定SSMB法三組分分離木糖母液的最佳工藝參數為進料流速33 mL/min、解吸流速30 mL/min、切換時間795 s、循環(huán)流速30 mL/min。

表1 二組分分離操作條件和試驗結果

表2 三組分分離操作條件和試驗結果

2.3 兩種分離工藝比較

為了進一步比較分析兩種分離工藝的各項指標，考察了兩種分離工藝的各自優(yōu)勢，將兩種分離工藝的主要指標進行了比較，結果如表3所示。

表3 兩種分離工藝各指標比較結果

由表3可知，兩組分分離工藝的各項指標均優(yōu)于三組分分離工藝，其木糖、阿拉伯糖純度分別較三組分分離工藝高出8.87%，8.47%，回收率高出3.20%，2.26%，日處理量增加2.16 kg/d，溶劑消耗率降低了10.48%，固定相生產率提高了1.17倍?？赡苁嵌M分分離時原料中的葡萄糖已被發(fā)酵去除，而三組分分離時原料中13%的葡萄糖色譜層對木糖和阿拉伯糖產生較強的干擾，致使葡萄糖、木糖和阿拉伯糖三者相互之間分離度降低[15-16]，從而導致木糖與阿拉伯糖的純度及回收率明顯下降。同時，由于三組分的分離難度大，為達到最佳的分離效率，在分離工藝中應降低進料量，增加解吸劑用量，但會導致溶劑消耗率上升，固定相生產率下降，相應的日處理量也有所降低。因此，僅從SSMB法分離工序來看，兩組分分離工藝的各分離性能指標均優(yōu)于三組分分離工藝。

從兩種生產工藝整體來看，在原料前處理過程中，兩組分分離工藝發(fā)酵去除葡萄糖時酵母添加量比三組分分離酵母添加量超出近61.5%，增加了一定的生產成本。由于三組分分離后，木糖母液中已有61.5%的葡萄糖被單獨分離，木糖組分中僅剩余38.5%的葡萄糖需要通過發(fā)酵法去除。因此，從整體生產工藝來說，三組分工藝在酵母使用費用上優(yōu)于兩組分分離工藝。

3 結論

利用SSMB技術對木糖母液進行了兩種不同分離工藝技術的研究，在兩種分離工藝的最佳條件下，木糖純度均≥77%，阿拉伯糖純度均≥79%，木糖回收率均≥82%，阿拉伯糖回收率均≥87%。木糖和阿拉伯糖均可以達到回收再利用的要求，有效地解決了木糖母液回收利用的難題。兩種木糖母液回收利用工藝都可以有效地解決木糖母液低效回收處理的難題，各有特點，不同的木糖生產企業(yè)可以根據各自的實際情況選擇不同的工藝路線，為木糖生產企業(yè)的升級改造，提供了強有力的技術支持。后續(xù)可進行試驗優(yōu)化，兩種木糖母液回收工藝的產品純化和回收率會繼續(xù)增加，工藝成本將有所降低，為企業(yè)帶來更大的收益。