CN1026130C

CN1026130C - 用非沸石型聚合吸附剂从发酵液中分离柠檬酸

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Publication number: CN1026130C
Application number: CN 88100972
Authority: CN
Inventors: 山蒂·库尔普拉菲彭扎
Original assignee: UOP LLC
Current assignee: Honeywell UOP LLC
Priority date: 1986-12-18
Filing date: 1988-01-18
Publication date: 1994-10-05
Anticipated expiration: 2003-01-18
Also published as: CN1034392A

Abstract

利用水不溶性聚合吸附剂从发酵液中分离出柠檬酸，所用吸附剂选择于下组物质：中性交联聚苯乙烯聚合物，非离子疏水聚丙烯酸酯聚合物，具有叔胺基或吡啶基的弱碱性阴离子交换树脂，具有季胺基的强碱性阴离子交换树脂和它们的混合物，解吸剂包括水或一种有机酸或酮或它们的混合物，为了维持选择性，最好将进料的pH值调节并维持低于柠檬酸的第1电离常数(P^Ka1)。

Description

本发明涉及的技术领域是从含柠檬酸、碳水化合物、氨基酸、蛋白质和盐的发酵液中进行柠檬酸的固体床吸附分离。更具体的说，本发明涉及的是一种从含有上述同样物质的发酵液中分离柠檬酸的方法，该方法采用能够选择性吸附柠檬酸的非沸石型聚合吸附剂，此类吸附剂可以选择于下组物质：中性交联聚苯乙烯聚合物、非离子疏水聚丙烯酸酯聚合物、具有叔胺基或吡啶基的弱碱性阴离子交换树脂和季胺基的强碱性阴离子交换树脂以及它们的混合物。

柠檬酸可用作食品酸化剂、制药工业和洗涤剂的配料。由于配有柠檬酸的液体洗涤剂的需求量增加，致使每年世界上柠檬酸的产量增加700百万磅，并有继续增涨的趋势。

生产柠檬酸采用浸没培养发酵方法，以糖蜜为原料，所用微生物为黑曲霉（Aspergillus Niger）。所得发酵制品含有柠檬酸、碳水化合物、氨基酸、蛋白质和盐，因此柠檬酸必须从发酵液中分离出来。

目前分离柠檬酸有两种技术，第一种包括柠檬酸的钙盐沉淀，并将所得的柠檬酸钙用硫酸酸化。第二种工艺，用三月桂胺、正辛醇和C₁₀或C₁₁异链烷烃的混合物从发酵液中提取柠檬酸，用加热法将柠檬酸从溶剂相中二次提取到水中。但是这两种技术是复杂和昂贵的，并将生成大量需处理的废料。

对从发酵液中分离柠檬酸，已有专利文献提出第三种可行方法。该方法包括利用薄膜过滤去除粗原料或高分子量杂质，这些杂质被吸附在聚苯乙烯或聚丙烯酸树脂的非离子型树脂上，然后收集截留相即残液中的柠檬酸并在溶液浓缩后结晶出柠檬酸，或将柠檬酸以钙盐形式沉淀出来，其后用硫酸酸化，再分离硫酸钙并与阴和阳离子交换剂接触。该方法公开在1985年8月14日，EPA151470号上，但这也是一种相当复杂和冗长的柠檬酸分离方法。相对而言，本方法可以只用一步吸附工艺来分离柠檬酸，并利用便于分离的解吸剂从吸附剂中回收柠檬酸以得到纯净的柠檬酸。

本发明的方法是将柠檬酸从发酵液中吸附到聚合吸附剂上，该聚合吸附剂选择于下组物质：中性交联聚苯乙烯聚合物、非离子疏水聚丙烯酸酯聚合物，具有叔胺基或吡啶基的弱碱性阴离子交换树脂和季胺基的强碱性阴离子交换树脂以及它们的混合物，然后在解吸条件下用适当的解吸剂通过解吸回收柠檬酸。本发明内容之一是发现仅需调整和保持原料溶液PH值低于柠檬酸的第一电离常数PKa₁（3.13）即可从盐和碳水化合物中高选择性分离出柠檬酸。PH值必须降低到能保持适当的选择能力的程度，该程度与原料溶液混合物中柠檬酸的浓度相互依赖;PH值与浓度成反比。当浓度降低到13%以下以至很低的浓度时，PH值可接近柠檬酸的PKa₁（3.13）;浓度为13%时，PH值的范围为0.9～1.7;但是当柠檬酸原料溶液浓度为40%时，必须将PH值降低到至少1.2或更低。在更高的浓度时，PH值还须更低;例如，50%的柠檬酸时，PH值必须是1.0或低于1.0。因此最好将原料混合液的PH值保持在0.5～2.5，PH值为0.5～2.2能得到最佳结果。本发明另一方面是发现在解吸剂中添加丙酮或其它低分子酮，能降低本发明所用聚合吸附剂的吸附温度;这样能避免吸附剂高温断裂。

本发明还涉及一种从含有柠檬酸的发酵液原料混合物中分离柠檬酸的方法，该方法使用选择于下组物质的吸附剂：中性交联聚苯乙烯聚合物、非离子型疏水聚丙烯酯聚合物、具有叔胺基或吡啶基的弱碱性阴离子交换树脂和具有季胺基的强碱性阴离子交换树脂及它们的混合物，该方法包括如下步骤：

（a）维持净液流单向通过所说的吸附剂填充柱，该柱至少包括三个进行分离操作的区域，并且所说柱的区域以端部依次相互联接，以提供连续性区域;

（b）在所说柱内，提供一吸附区，所说的吸附区由处于该区上游界面原料进口液流和下游界面吸附后残液出口液流之间的吸附剂确定;

（c）在所说的吸附区上游紧接提供一净化区，所说的净化区由处于该区上游界面提取物出口液流和下游界面原料进口液流之间的吸附剂确定;

（d）在所说的净化区上游紧接提供一解吸区，所说的解吸区由处于该区上游界面解吸剂进口液流和下游界面提取物出口液流之间的吸附剂确定;

（e）使所述原料混合液在吸附条件下通过吸附区，由吸附区中的吸附剂选择性地吸附柠檬酸，并从吸附区排出包括发酵液中未被吸附成份的残余流出液;

（f）在解吸条件下使解吸材料通过解吸区以从所说解吸区中的吸附剂上解吸出柠檬酸;

（g）从解吸区排出包括柠檬酸和解吸材料的提取物流出液;

（h）至少将一部分提取流出液送入分离装置，在分离条件下，此装置至少将一部分解吸材料分离;

（i）按流体在吸附区流动的逆流方向，定期使原料出口液流、吸附后残液排出液流、解吸剂进口液流、提取物排出液流通过所说的吸附柱而达到柱内区域变化，并得到提取液排出产物和吸附后残液排出产物，该残液能产生降低解吸材料浓度的残液产物，更进一步说，所说的解吸区上游可以紧接提供一缓冲区，所说的缓冲区由处于该区下游界面解吸剂进口液流和上游界面解吸后残液出口液流之间的吸附剂确定。

有关本发明进料混合物、吸附剂、解吸剂以及操作条件的其它详细内容将在下文说明。

图1是不同的柠檬酸浓度与相应的柠檬酸解离PH值的曲线图，该图以不同柠檬酸的，柠檬酸根离子和氢离子浓度反映出柠檬酸解离平衡点的变化情况。

图2是影响吸附剂吸附柠檬酸量的PH值静态曲线图。

图3A、3B、3C反映了实施例1中采用XAD-4从含13%柠檬酸、PH值分别为2.4、1.7和0.9的原料中分离柠檬酸的脉冲试验曲线图。

图4A、4B、4C、4D和4E反映了实施例2中PH值分别是2.4、1.7、0.9、2.8和1.4时采用不同的吸附剂所得的脉冲试验曲线图。

图5A和5B是实施例3中PH值分别为2.8和1.4，温度为93℃时的脉冲试验曲线图。

图6A、6B、6C是实施例4中PH值分别为1.94、 1.13、0.5时的脉冲试验曲线图。

图7A、7B和7C是实施例5在PH值分别为1.82、0.5和0.3时的脉冲试验曲线图。

图8A、8B是实施例6中PH值分别为1.5和1.0时的脉冲试验曲线图。

图9是实施例7的脉冲试验曲线，该实施例表明在较低的温度下（93℃变为45℃）经由含10%丙酮的水解吸剂所完成的吸附过程。

图10是实施例8的脉冲曲线图，该实施例用以交联丙烯酸树脂为基体的带有叔胺基的弱碱性阴离子交换树脂，从含40%的柠檬酸，PH值为1.6的进料中分离柠檬酸，用水解吸。

图11A、11B和11C是实施例9在PH值分别为7.0、3.5和2.4时的脉冲试验曲线图。

图12、13A和13B是实施例10的脉冲试验曲线图，在实施例中PH值为1.6，采用几种不同的以交联聚苯乙烯树脂为基体的具有吡啶官能基团的弱碱性阴离子交换树脂的吸附剂。用0.05N的硫酸或水进行解吸。

图14是实施例13在PH值1.6时的脉冲试验曲线图。

图15是实施例14的脉冲试验曲线图，在PH值2.2下采用不同的以交联聚苯乙烯树脂为基体的带有季胺基的较强碱性阴离子交换树脂吸附剂，用二价硫酸解吸。

在正文开始之前对所用的专业词汇作些定义将有助于清楚地理解本发明方法的操作、目的和优点。

“原料混合物”（feed mixture）是指一种按发明方法分离的包括一种或多种提取成份和一种或多种残液成份的混合物。“进料液流”指的是原料混合物液流，该液流流过本方法所用的吸附剂。

“提取成份”是能被吸附剂较多选择吸附的一种化合物或一类化合物，而“残液成份”是指几乎不被选择吸附的一种化合物或一类化合物。在该方法中，柠檬酸是提取成份而盐和碳水化合物是残液成份。术语“解吸材料”是指一般能解吸提取成份的材料。术语“解吸液流”或“解吸剂进口液流”指的是通过吸附剂的解吸材料的液流。术语“残液流”或“残液排出液流”指的是从吸附剂排出的残液成份的液流。残液流的组份可在基本上为100%的解吸材料到基本为100%残液成份的范围内变化。术语“提取液流”或“提取液出口液流”指的是已经解吸材料解吸的提取物从吸附剂中排出的液流，同样，提取液流的组分可以是从基本上100%解吸材料变成基本上100%的提取成份。至少将一部分提取液流和最好是至少一部分来自分离过程的残液流通过分离装置，典型的是分馏器，在分离装置中至少有一部分解吸材料被分离以生成提取产物和残液产物。术语“提取产物”和“残液产物”指的是经加工而产生的，其提取成份和残液成份的浓度分别高于提取液流和残液流的。虽然用本发明的方法有可能生产高得率、高纯度柠檬酸产物，但应知道提取成份决不可能完全地被吸附剂吸附，同样，残液成份也不能完全不被吸附剂吸附，因此，提取液流中可能会出现不同量的残液成份，而同样，残液流中也会出现不同量的提取成份。按照提取成份和残液成份在具体液流中的浓度比率可以将提取液流和残液流相互区分开来，亦可与进料混合液区分开。更具体说，在残液流中柠檬酸与难以被吸附成份的浓度之比最低，在进料混合液中次高，在提取液流中最高。同样，低选择性吸附成份的浓度与高选择性吸附的柠檬酸浓度之比在残液流中最高，在进料混合液中次之，在提取液流中最低。

术语吸附剂的“选择性微孔容积”定义为吸附剂从进料混合液中选择吸附提取成份的容积。术语吸附剂的“非选择性孔隙容积”是指不能从进料混合液中选择吸附提取成份的吸附剂容积。此容积包括吸附剂内无吸附作用的空穴和吸附剂颗粒之间的空隙空间。选择性微孔容积和非选择性空隙容积通常用容积量表示，其对于决定要求通过操作区的液体的适当流速以便有效利用给定量的吸附剂是重要的。当吸附剂“移入”按本发明方法的一种实施方式所安排的操作区（以后将予定义和描述）时，它的非选择性空隙容积与它的选择性微孔容积一起同时将流体带入该操作区。非选择空隙容积用以决定与吸附剂逆向流入相同区域的液流总量以置换存在于非选择性空隙体积中的液体。如果流入该区的液体流速低于移入该区的吸附剂材料的非选择性空隙容积速率，那么借助吸附剂就会有一定量的液体被带入该区域。因为该带入物是存在于吸附剂非选择性空间的液体，在多数情况下它可能几乎不选择吸附进料成份。一种吸附剂的选择性微孔容积在一定的情况下可能会吸附吸附剂周围液体中的部分残液成份，这是因为提取成份和残液成份对选择性微孔容积内的吸附空间有一定的竞争。相对提取物而言，如果有大量的残液成份围绕吸附剂时，残液成份就可能有足够竞争力被吸附剂吸附。

本发明所用的原料是用黑曲霉微生物浸没培养发酵糖蜜而获得的发酵产物。该发酵产物具有下面举例的组份：

柠檬酸 12.9%+3%

盐类 6，000ppm

碳水化合物（糖类） 1%

其它（蛋白质和氨基酸） 5%

盐是K、Na、Ca、Mg和Fe的盐。碳水化合物是糖类，其包括葡萄糖、木糖、甘露糖、DP2和DP3的低聚糖以及12或更多碳的未明确的多糖。进料组份可以变化而不同于上述给出的组份但仍用于本发明。但是，诸如柑橘果汁之类的汁液不能采用或考虑，这是因为其内所含其它成份将同时被吸附而不仅是吸附柠檬酸。约翰逊《食品农业科学》第33卷（3）PP287-93（Johnson，J，Sci.Food Agric，Vol33（3）PP287-93）。

现已发现将进料PH值调至低于柠檬酸的第一电离常数能极大地提高柠檬酸的分离作用，柠檬酸的第一电离常数是3.13，（《物理化学手册》第53版，Edi Tion，1972-3，CRC出版社）因此，柠檬酸进料的PH值应低于3.13。当13%浓度的柠檬酸溶液的PH值是2.4或更高时，例如如图3A（实施例1），柠檬酸与循环初始的盐和碳水化合物一起“穿透”（被解吸），表明全部柠檬酸都未被吸附。相反，当PH值是1.7时发现有极少量柠檬酸“穿透”，当13%浓度下PH值为0.9时则无“穿透”，分别如图3B和3C所示。

在水溶液中，未电离的柠檬酸与几种柠檬酸根离子和氢离子等量存在。这在下列反应式中可看出，25℃时柠檬酸的酸解离常数PKa₁、PKa₂、PKa₃分别是3.13、4.74和5.40：

反应式1

改变柠檬酸、柠檬酸根离子和氢离子的浓度能使柠檬酸电离平衡点转移。这在图1中可看出，该图是90℃下溶液中几种柠檬酸浓度所相应的PH值的变化。结果表明较高氢离子浓度（低PH值）下，未电离柠檬酸（H₃CA）百分比较高。降低PH值（增加H⁺离子的浓度）将导致溶液中有更多的未电离柠檬酸，同时几种柠檬酸离子（H₂CA^-1，HCA^-2和CA^-3）进一步减少。

根据柠檬酸的电解平衡点和前述树脂的性能，采用所描述的树脂型吸附剂能从发酵液中存在的其它类离子中（包括柠檬酸根离子）分离出未电离的柠檬酸。但是为取得较高的柠檬酸得率，就需要较低PH值的溶液。在大约25℃的室温下，本发明所用具体的树脂Amberlit XAD-4吸附柠檬酸的静止吸附等温线是进料PH值的函数。图2给出了该项研究的结果。结果表明降低PH值对未离解柠檬酸的吸附性。至于对溶液中未电离柠檬酸优先被吸附在本发明所用吸附剂上的机理到底是通过酸碱反应机理还是氢键合机理或相对疏水基类的强亲合机理或这些机理的综合反应加以解释限定是毫无意义的。

在现有技术的吸附分离方法中采用的解吸材料取决并随所用操作类型之类的因素而变化。在摆动床系统中，用清洗液流从吸附剂中回收被吸附的进料成份，解吸剂的选择并不重要，解吸材料包括甲烷、乙烷等之类气态烷烃或其它种类气体，如：氮气和氢气，可在升温或降压或两者兼有时采用，以便从吸附剂中有效地清洗出被吸附的进料成份。但是通常在需要基本恒压、恒温以确保液相的连续操作吸附分离方法中，必须选择适当的解吸剂以满足许多条件。首先，解吸剂应以合理的物料流速从吸附剂中置换出提取成份而它本身不会被牢固地吸附住以致极大地妨碍下一个循环过程中提取成份对解吸剂的置换。所说的选择性（以后将更为具体讨论），首先是指相对残液成份吸附剂对所有提取成份的选择性远高于解吸材料相对于残液成份的选择性。其次，解吸材料必须适合具体的吸附剂和具体的原料混合液。更具体地说，它们必须不致降低或破坏吸附剂对提取成份严格的选择性（相对残液成份而言）。另外解吸材料还应是能够容易地从进入工艺的原料混合液中分离出来的物质。从混有解吸剂的吸附剂中同时排出解吸后残液和提取液流，但是如不采用分离至少一部分解吸材料的方法，提取产物的纯度和残液产物既不会很高，解吸材料也不能再用于工艺中。因此本发明方法打算采用的解吸材料其平均沸点最好基本不同于进料混合物，这样则可采用简单的分馏方法从提取和残液流中的进料组分中分离至少一部分解吸剂，以便再次作为解吸剂用于工艺中。在此“基本不同”一词意指解吸材料和进料混合物间的平均沸点差应至少是5℃。解吸材料的沸点范围可高于或低于进料混合物。最后，解吸材料也应是价格上能接受的材料。在本发明操作工艺的较佳等温线、等压线和液相中，可以发现水是特别有效的解吸材料。还可以认为丙酮和其它低分子量酮，诸如甲乙酮和二乙酮在水中少量存在，最高到15%（重量）也是有效的，它们是否有效的关键是它们的水溶性。它们的优点是由于它们具有降低解吸发生时温度的能力。一些吸附剂以水作解吸剂时，必须提高温度以助于解吸过程，但提高温度将导致吸附剂过早失活。具体分离时带有那些问题的溶液可加入解吸剂重量的1-15%的丙酮，较好的是1-10%（重量）而最好的范围是5-10%（重量）。低分子酮有可能以二种方式影响吸附剂稳定性，去除可能导致失活作用的溶解组份或影响再生，即去除失活剂或逆转它的影响。例如，在解吸剂中加入10%（重量）的丙酮，分离时的解吸温度可降低大约50℃。向水解吸剂中加入1-15%（重量）的丙酮可使解吸温度降低大约5-70℃。当以稀无机酸作解吸剂时也发现了好的结果。硫酸、硝酸、盐酸、磷酸和它们的混合物的水溶液所用浓度可为0.01-1.0N（标准状态），0.01～1.0N的稀硫酸能获得最佳结果。

如无特别需要，现有技术指出的一定性质的吸附剂可令人满意地成功地用于选择吸附工艺操作中。这些性质对本工艺同样重要。其中这些性质是：（1）每体积的吸附剂对一定体积的提取成份的吸附能力;（2）相对残液成份和解吸材料，对提取成份的选择吸附性;（3）吸附剂吸附以及从其上解吸提取成份要有足够快的速度。当然，吸附剂吸附一定体积提取成份的能力是重要的，没有该能力的吸附剂对吸附分离是无任何用处的。更进一步说，对提取成份具有较高的吸附能力的吸附剂是较好的。增加具体吸附剂的能力能使原料混合液进料速率一定时分离已知提取成份浓度的提取成份所需的吸附剂用量减少。吸附分离所需的吸附剂用量的降低即减少了分离工艺的成本。吸附剂具有良好的初始能力并在实际使用分离过程中保持这样的能力在经济上是重要的。吸附剂的第二个必要性质是吸附剂分离进料成份的能力;换句话说，就是吸附剂所具有的吸附选择性（B），即一种组分相对于另一种组分。相对选择性不但能表示一种进料组份比较于另一种进料组份的选择性，而且还能显示进料混合物和解吸材料之间的选择性。选择性（B），惯穿于整篇说明书中，其定义为在平衡状态下吸附相的二种成份比率与未吸附相二种成份的比率之比。相对吸附性如下等式2所示：

等式2

吸附性＝（B）＝ (〔Vol·C%/Vol·D%〕A)/(〔Vol·C%/Vol·D%〕u)

其中，C和D是进料中二种组份的体积百分数，A和u代表相应的吸附相和未吸附相。当进料通过吸附床并与吸附床接触后，成份不再改变即确定为平衡状态。换句话说，此时在未吸附相和吸附相之间不再发生组份的净转移。当二种成份的选择性接近1.0时，吸附剂对一种组份的吸附不再优于另一种组份;就它们之间而言，二者被吸附（或未吸附）程度基本相同。当（B）小于或大于1.0时，吸附剂对一种组份相对另一组份有选择性吸附。比较吸附剂对组份C和组份D的选择性，当（B）大于1.0时，表明吸附剂优先吸附组份C;当（B）小于1.0时，表明组份D被优先吸附，而组份C富集在未吸附相中，吸附相富集组份D。理想的解吸材料的选择性对于全部提取组份应等于或稍小于1.0，这样可使适当流速的解吸材料能一次解吸全部提取组份并能使随后的吸附过程中的提取组份置换解吸材料。当吸附剂相对残液组份对提取组份的选择性大于1.0，其值最好是接近2.0，理论上可以从残液组份中分离出提取组份。类似相对挥发度，选择性越高，实现分离越容易。高选择性使吸附剂用量减少。第三个重要性质是进料混合液中提取组份的交换速率，或者换句话说，就是提取组份的相对解吸速率，该性质与工艺中必须使用的解吸材料的数量有直接的关系，解吸材料用于从吸附剂上回收提取物，较快的交换速率能减少去除提取成份时所需要的解吸材料的数量并且降低了工艺的运行费用。由于交换速率较快，用量低的解吸剂必须由泵抽送入工艺中，并从提取液流中分离出来再用于工艺中。

测定分析两种组份系统的分离程度，能帮助定量分析用于实际分离过程的吸附剂、解吸剂及反应条件具体结合后的效果。本申请的分析是限定在两个波峰中心之间的距离，中心点是在后面所描述的脉冲试验曲线图上，取1/2峰高度的平均峰宽而确定的。用于计算分离度的等式如下：

等式3

R＝ (L₂-L₁)/(1/2(W₁+W₂))

其中，L₁和L₂是相对参照点的距离，例如零到波峰中心的距离，单位ml，而W₁和W₂是指1/2峰高处的波峰的宽度。

用动态试验装置试验各种吸附剂，具体进料混合液和解吸剂一定时，测定吸附剂的吸附能力、选择性和交换速度性质。装置由吸附剂室组成，包括约70cc体积的垂直立柱，吸附室两端带有进口和出口。吸附室被装入温度控制装置内，另外，还装有压力控制仪以保证吸附室处于恒定的预定压力下操作，吸附室的出料管道连接有定量和定性分析仪，如折光仪、旋光仪和色谱仪，用于定量或定性分析吸附室排放液流的一种或多种成份。在该步骤以及以下的一般工序中采用此装置进行脉冲试验，用来测定各种吸附剂体系的选择性及其它数据。将解吸材料通过吸附室使其内吸附剂填充量与具体的解吸材料等同。在适当的时候，在几分钟脉冲时间内注入一定量的原料;原料中包含已知浓度的示踪物、提取成份或残液成份或者二者都有，这些成份都被解吸剂稀释。回收解吸剂液流，示踪物、提取成份或残液成份（或二者都有）被洗脱，进行液-固色谱分析。可在操作过程中分析排放液，或者是定期收集排放液样品，然后用分析仪分别进行分析，并得出相应成份波形扫描图。

从吸附剂试验中获得的资料，能显示出提取或残液成份的空隙体积和保留体积，一种成份相对另一种成份的选择性，解吸剂对提取物的解吸速率。提取物或残液成份的保留体积可由提取物或残液成份的峰形曲线中心与示踪物峰形曲线中心或其它已知参照点之间的距离来确定。它表明了在峰形曲线之间距离所代表的时间间隔内所抽入的解吸剂的体积（立方厘米）。提取物相对残液成份的选择性（B）可由这样一个比值来确定，即提取物峰形曲线中心与示踪物峰形曲线中心（或其它参照点）之间的距离与相应的残液成份峰形曲线中心和示踪物峰形曲线中心距离之比。提取物对解吸剂的交换速率一般可由1/2强度处的峰形曲线的宽度来确定。峰宽越窄，解吸速率越快。解吸速率也可由示踪物峰形曲线中心与刚被解吸的提取物的隐性中心之间的距离来确定。该距离又是该时间间隔内抽入的解吸剂的体积。

进一步评估有价值的吸附剂体系，欲将这些数据应用于具体分离工艺则需要在连续逆流式液固接触装置中实际试验最佳条件。该装置的一般操作原则在布劳顿的US2，985，589中已描述。利用这些原则的专门实验装置在德罗思特等人（deRosset etal）的 US3，706，812中已有描述。该装置包括装有大量液流管的多层吸附床，这些进液管与吸附床内的分配器连接并在其端部装有回转式分配阀。在给定的阀门位置，原料和解吸剂经由两根管道被输入，而残液和提取液流则从两根或多根管道排出。其余的液流管是不工作的，当有指令提升阀门时，可由一个吸附床推升所有工作管道的位置，这正是模拟吸附剂与液流反向运动条件。前面提到的非离子型吸附剂试验装置和吸附剂评估技术的具体内容可参阅“吸附法分离C₈芳香族化合物”（作者：A.J.deRosset，R.W.Neuzil，D.J.Korous，和D.H.Rosback，美国化学会，Los Angeles，加利福尼亚，1971年3月28日至4月2日）。

一组用于本发明方法的吸附剂包括非离子、疏水、水不溶性交联苯乙烯聚（乙烯）苯共聚物以及和聚（乙烯）苯以外的单乙烯类不饱和化合物或聚乙烯类不饱和单体聚合的共聚物，这些在古斯塔夫森的US3，531，463和3，663，467中已描述，这些专利作为本发明的对比文献，但本发明不为这些专利所限制。US3，531，463中描述的聚合物可按US顺序号749，526（申请日1958年7月18日），现在的专利号4，221，871、4，224，415、4，256，840、4，297，220、4，382，124以及4，501，826（Meitzer等人）中所公开的技术制作，所有这些文献都可作为本发明的对比文献。上述吸附剂由Rohm和Haas公司制造，并以“Amberlite”商品名销售。已知能有效地用于本发明的Amberlite聚合物的种类在Rohm和Haas公司的资料上称为Amberlite吸附剂XAD-1、XAD-2、XAD-4、XAD-7和XAD-8，资料上称它们为“硬而不溶的高表面积球形多孔聚合物”。各种Amberlite聚合吸附剂的物理性能稍有所不同，如微孔体积百分数，骨架密度和标准目数，但在表面积、平均孔径和偶极矩上相差多些。较好的吸附剂表面积应为10-2000米²/克，更好的是100-1000米²/克。这些性质列于下表：

表1 Amberlite聚合吸附剂性能

化学性质 XAD-1 XAD-2 XAD-4 XAD-7 XAD-8

聚苯乙烯聚苯乙烯聚苯乙烯丙烯酸酯丙烯酸酯

孔隙容积（%） 37 42 51 55 52

真湿密度（g/cc） 1.02 1.02 1.02 1.05 1.09

表面积（M²/g） 100 300 780 450 160

平均孔径（

） 200 90 50 90 225

骨架密度（g/cc） 1.07 1.07 1.08 1.24 1.23

标准目数 20-50 20-50 20-50 20-50 20-50

官能基团偶极矩 0.3 0.3 0.3 1.8 1.8

Rohm和Haas公司在产品资料上提出Amberlite聚合型吸附剂可用于纸浆厂漂白废液脱色、染料废液脱色和从废液中去除农药。当然，它并没有暗示我们的这种发现，即用Amberlite聚合吸附剂从黑曲霉发酵液中有效地分离柠檬酸。

用于本发明的第二组吸附剂包括以交联聚合物为基体如丙烯或苯乙烯的具有叔胺基或吡啶基的弱碱性阴离子交换树脂。当这类产品为珠状、且孔隙均匀、孔隙度高、化学和物理性稳定、以及有良好耐磨性时尤其适用（不同于大网络树脂）。

上述吸附剂由Rohm和Haas公司制造，并以“Amberlite”商品名销售。能有效地用于本发明方法的Amberlite聚合物种类在该公司资料上称为XE-275（IRA-35），IRA-68，资料上记载：“不溶于所有普通溶剂，具有多孔结构，能用于有效地吸附和解吸大分子，不会因有机污垢而丧失其能力”。Bio Rad制造的AG3-X4A和AG4-X4也是适用的，Dow化学公司出售类似树脂，诸如Dowex66，Dow实验树脂可按US4，031，038和US4，098，867制取。

这几组适用的不同种类的吸附剂在物理性质上稍有不同，例如空隙体积百分数，骨架密度和标准目数，而在表面积、平均孔径、偶极矩相差多些。优选的吸附剂其表面积应是10-2000米²/克，最好是100-1000米²/克。前面所列材料的详细性能可在公司资料或技术付本上查阅，在此可参阅表2，其它常用类型的吸附剂是适用的。

表2

吸附剂基体类型公司参考资料

AG3-4A 聚苯乙烯色谱仪电泳免役化学分子生物高效

1987年4月

（Bio Rad）液相色谱仪价格表M（Bio Rad）

AG4-X4 丙烯酸的色谱仪电泳免役化学分子生物高效

1987年4月

液相色谱仪价格表M（Bio Rad）

Dow实验树脂聚苯乙烯 US4，031，038;US4，098，867

Dowex66 聚苯乙烯材料安全资料增页 1987年2月17日

重印（Dow Chemical USA）

表2（续）

吸附剂基体类型公司参考资料

IRA-35 丙烯酸的 Amberlite离子交换树脂（XE-275）

（XE-275） Rohm和Haas公司.1975年

IRA-68 丙烯酸的 Amberlite离子交换树脂

Amberlite IRA-68

Rohm和Haas公司。1977年4月

Rohm和Haas公司的资料提出Amberlite聚合吸附剂可用于纸浆厂漂白废液脱色，染料废液脱色和从废液中去除农药。当然，本人的意外发现未在资料上暗示，即采用Amberlite聚合吸附剂从黑曲霉发酵液中有效地分离柠檬酸。

用于本发明的第三类吸附剂包括以交联聚合物为基体如二乙苯交联丙烯或苯乙烯树脂的具有季胺基强碱性阴离子交换树脂。当这类产品为珠状，孔隙均匀、孔隙度高、化学和物理性稳定时尤其适用。根据近期署名为Kunin和Hetherington的文章关于用大网络离子交换树脂从水中去除胶体的进展报告（国际水会议论文，1969年10月，匹兹堡，由Rohm和Haas公司再版），在极短的情况下，这些树脂可以是胶粒（胶类）或“大网络”。在近期吸附技术中，“微网状一词指的是胶体结构本身，微孔尺寸是原子直径并取决于胶体的膨胀性能”，同时，“大网络孔隙和真实孔隙度是指这样的结构，在结构中微孔直径大于原子间距而且没有凝胶体结构部分，周围环境的改变，如由渗透后变化而引起的改变，对它们的尺寸和形状没有大的影响。”在“常规吸附”中，“微孔和大孔通常分别是指小于20 和大于200

的孔。孔径在20

～200

之间的微孔被称作过渡孔。”本文作者用“大网络”一词指的就是本发明使用的新的离子交换树脂，这种树脂“兼有大网络和微网状孔两种结构。前者指的是膨胀胶体结构的链和交联键之间的距离，后者指的孔不是实际化学结构部分。结构的大网络部分实际可以包括微、大和过渡孔，过渡孔取决于孔尺寸分配情况。”（引自Kunin等人文章的第一页）。大网络结构的吸附剂也具有良好的耐磨性（不同于常规大网络树脂）。因此，在本申请中，所用“大网络”指的都是前述的由Kunin和Hethesing定义的具有两种孔隙的吸附剂类型。“凝胶体”和“凝胶体类”用的是常规概念。

纵观本发明使用的季胺基离子交换树脂，季胺基有阳离子並能与硫酸根离子形成离子键。由季胺基阴离子交换树脂形成的硫酸盐具弱碱性，换句话，能通过酸碱内聚反应吸附柠檬酸。

其中，P＝树脂部分

R＝低烷基C_1-3

C.A.＝柠檬酸根离子

上述吸附剂由Rohm和Haas公司制造并以Amberlite商品名销售。已知能有效用于本发明的Amberlite聚合物的种类在 Rohm和Haas公司资料上称为IRA400和900系列吸附剂。资料上这样描叙：“不溶于常规溶剂，多孔结构，能有效吸附和解吸大分子而不致因有机污垢丧失能力。”Bio Rad制造的AG1、AG2和AGMP-1树脂、由Dow化学公司出品的类似树脂如Dowex1，2，11，MSA-1和MSA-2等也是适用的。被称为中间基的离子交换树脂是强和弱碱性交换树脂的混合物这种树脂也适用。这里是指下列可商购树脂：Bio-Rex5（Bio-Rad1）;Amberlite IRA-47和Duolite A-340（都是Rohm和Hass公司的产品），例如：当需要的碱性离子交换树脂不要象强碱性树脂碱性那样强，或需要碱性大于弱碱性树脂时，上述产品是适用的。

这些适用种类的不同聚合吸附剂的物理性质稍有不同，如：孔隙容积百分数，骨架密度和标准目数，而表面积，平均孔径，偶极矩相差大些。优选的吸附剂表面积为10-2000米²/克，最好是100-1000米²/克。前面所列材料的详细性能可在公司资料和技术副本上查阅，在此可参阅表3。

吸附剂可紧密地装入固定床，该固定床能与进料混合物和解吸剂材料交替接触。在本发明的最简单实施方式中，仅将吸附剂装入单个固定床。在这种情况下，该方法仅仅是半连续的。在另一种实施方式中，可将两个或更多个床用于固定床，该固定床与适当的阀门连接，因此，在该装置中进料混合物可以流经一个或多个吸附床。而同时，解吸材料可通过另外一个或多个床。进料混合物和解吸材料可顺流亦可逆流通过解吸剂。在此，能用于液体-固体接触固定床的任何常规设备均可采用。

但是逆流移动床或模拟的移动床逆向流动体系比固定床体系的分离效果好得多，因此被优先选用。在移动床或模拟移动床方法中，吸附和解吸操作是连续进行的，并能使残液流和提取液流连续地产生以及连续地提供进料和解吸剂液流。本方法的一个优选实施方式是利用在现有技术上已知的模拟移动床逆流系统。这种流动体系的操作原则和次序在US2，985，589中已有描述，在此作参考并结合使用，在该系统中，正是多层液流管逐渐向吸附室的下方移动模拟出吸附室内的吸附剂向上移动。在任何一个时刻，仅仅有四条液流管是工作着的，即原料进口液流，解吸剂入口液流、残液出口液流和提取液出口液流的液流管。与固定吸附剂模拟向上移动的同时，即是吸附剂填充床空隙容积内所充满的液体的移动。为了保持逆流接触，可通过泵使液体向吸附室下方流动。随着一根工作着的液管进口点移动一周，即从室的顶端到末端，室循环泵就移过需要不同流速的不同区域，装置上可以安装程序流动控制器来调节这些流速。

工作着的液流管进出口点能有效地将吸附室分成多个分离区域。每个区域都有不同的功能。在本发明的这个实施方式中，为了使该方法实现，一般需要存在三个分离操作区域，但在一些例子中也可以使用任选的第四个区域。

吸附区，区1是由处入进料进口液流和残液出口液流之间的吸附剂来确定的，在该区，原料同吸附剂接触，提取成份被吸附，并排出残液，液体在区1的流动是从进料液流流入该区到残液排出该区，从原料进入到残液排出的流动方向，该区域内的流动被认为是顺流方向的。

相对于区1的流体流动方向，其上游紧接是净化区，即区2。净化区域是由处于提取物出口液流和原料进口液流之间的吸附剂而确定的。区域2中进行的基本操作是通过吸附剂改变了区域，而将进入该区的残液成份从吸附剂的无选择性空隙内置换出来，并且解吸出吸附在吸附剂选择性孔隙内的或吸附剂颗粒表面上的残液成份。通过区3的部分提取液从区2的上游界面引入区2，提取物料排出液流能置换残液成份，从而达到净化。区2内的液体流动是顺流方向，即从提取液的出口到进料液的进口。

相对于区2内流体流动方向，其上游紧接着的是解吸区即区3。解吸区是由处于解吸剂进口液流和提取液出口液流之间的吸附剂而确定的。解吸区域的作用是使解吸材料进入这个区域，以置换吸附剂上所吸附的提取成份。即在循环初始操作中，区1内同进料接触的吸附剂上的提取成份。区3中液体的流动方向实际上与区1和区2相同。

在某些情况下，可有缓冲区，即区4。也可没有。该区由处于残液出口液流和解吸剂进口液流之间吸附剂而确定。如果采用该区，该区应紧接区域3的上游。可利用区4来保存用于解吸过程的一定量解吸剂，因为可将从区1排出的一部分残液通入区4以置换该区内的解吸材料，再将置换出的解吸材料排出该区送入解吸区。区域应装有足够多的吸附剂，这样可以防止来自区1并进入区4的残液中的残液成份进入区3从而污染由区3排出的提取液。在有些实施中不必采用第4个操作区，因为从区1通入区4的残液必须要小心控制，只要当从区1通入区3的残液中残液成份的量明显多了，能直接停止区1至区3的液体流动，就不会造成提取物排出液的污染。

进料液流和排出液流经固定吸附床的一个循环过程是借助导管系统完成的，该系统中，导管上的阀门按顺序操作以改变进料液流和排出液流，由此而使液体相对于固体逆向流动。另一种方法也能使流体相对于固体吸附剂而逆流，该方法包括利用一个旋盘阀，使进料液和排出液通过该阀，还有若干根进料液、提取物排出液、解吸剂进料液、残液排出液管道，这些管道以相同的方向通过吸附床。导管排列和盘阀两种方法都是现有技术中已知的。在这个操作中专门使用的旋盘阀能在US3，040，777和3，422，848中找到。上述两篇专利介绍了旋转类型的连接阀，利用这些阀，可以毫不困难地将一定来源的各种输入和输出流体适当地推进。

在许多情况下，一个操作区域可含有比其它诸操作区域多得多的吸附剂。例如，在某些操作中，缓冲区域和吸附区域及净化区域就需要的吸附剂相比，缓冲区需要吸附剂的量少些。在一些情况下还可以看出，其中使用的解吸剂能容易地从吸附剂中解吸出提取液材料，那么这个解吸区所需要的吸附剂的量相对缓冲区或吸附区或净化区或所有这些区所需的吸附剂要相对少些。由于不要求将吸附剂装入一个柱内，因此，在本发明范围内就使用多室或系列柱。

同时利用所有的进液流或排出液流是不必要的。事实上，在许多情况下，可将流体之一切断，而其它的进行输入或输出物料。为实现本发明的方法而使用的设备还可包括一系列单独的床，这些床与联通管相联，在导管上有能使各种进、出口液流接通的进、出口开关，并且能有选择性地和周期性地变化以达到连续的操作。在某些情况下，联通导管能同输送开关相连接，在正常的操作期间，输送开关没有作用，仅作为导管使物料流入或排出工艺过程。

可以考虑将至少一部分提取物排出液通入分离装置中，在这里，至少有一部分解吸材料能被分离，并得到含有已降低了解吸剂浓度的提取产物。在工艺操作中最好但不是必须的将至少一部分残液排出液也通入分离装置，在此，至少一部分的解吸剂材料能被分离，得到了能再次用于工艺流程的解吸剂液流以及含有已降低了解吸剂浓度的残液产物。典型的分离装置是一个分级柱，其设计和操作在分离技术中是已知的。

参考US2，985，589（D.B.Broughton）和题名为“连续吸附工艺-一种新型分离技术”的论文，该论文作者D.B.Broughton，发表于第34届化学工程师协会年会（日本、东京，1969年4月2日召开），本发明参考了上述两篇文献，以进一步解释模拟移动床逆流工艺流程方案。

尽管在许多吸附分离方法中，能使用液相和蒸汽相两种操作方式，但在本方法中最好采用液相操作，因为采用液相操作需要的温度低，而且提取物的比率比采用蒸汽相的高。吸附条件包括温度大约为20-200℃，最好是大约65℃～100℃，压力范围从大约常压～500磅/吋²表压（3450KPa表压），在这些条件下能很好地保证液相。解吸条件包括同吸附条件相同范围的温度和压力。

本发明方法所用的设备的尺寸可以变化，从小规模试验工厂的尺寸到商购规模的尺寸（在此请参见受让人的US3，706，812号专利），流速可以小到1小时几立方厘米大到每小时几千加仑。

下面的实施例将说明能使本发明方法得以实现的选择关系，这些实施例绝不是对本发明权利要求书实质和范围进行限制。

实施例1

在本实施例中，用中性苯乙烯二乙烯苯聚合吸附剂（XAD-4，由Rohm和Haas公司制造）作了三个脉冲试验，以测定吸附剂在不同PH值下从发酵混合液中分离柠檬酸的能力，该发酵混合液含有柠檬酸、碳水化合物（DP₁、DP₂、DP₃、包括葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、棉子糖）、各类盐离子，这些盐离子包括Na⁺、K⁺、Mg⁺⁺、Ca⁺⁺、Fe⁺⁺⁺、Cl^-、So₄ ^二、Po^三 ₄、No^- ₃，和氨基酸以及蛋白质。第一个试验在45℃和PH值为2.4时进行，其它两个试验在PH值为1.7和0.9时进行，柠檬酸用水解吸，进料发酵混合液具有下列成份：

进料成份数量

柠檬酸 12.9%

盐（K⁺、Na⁺、Ca⁺⁺、Mg⁺⁺、Fe⁺⁺⁺） 0.60%（6000ppm）

碳水化合物（糖类） 1%

其它（So^二 ₄、Cl^-、Po^三 ₄、No^- ₃、 5%

蛋白质、氨基酸）

水 81.5%

利用前面已讨论过的脉冲试验设备和方法可获得保留体积和分离度。更详细地说，吸附剂填装在一个70CC直柱中，根据下列操作顺序进行脉冲试验。解吸材料以大约为1.0的正常液时空速（LHSV）向上连续地通过含有吸附剂的柱。通过观察充满干燥填充柱所需要的解吸剂体积来测定空隙体积。在适当的时候，停止解吸材料的流入，通过一个样品环管将10CC进料混合液样品注入柱中并且重新使解吸材料流入。样品排放液自动地收集在样品自动收集器内，用色谱分析法对收集的样品中的盐和柠檬酸进行分析。对某些收集的样品还要分析碳水化合物类，但是由于样品以近似于碳水化合物的速度被洗提，因此在这些实施例中，就不分析碳水化合物了，对其它含量较少的成份，氨基酸和蛋白质也是如此。通过对这些样品分析，可绘出进料混合液成份对浓度的峰值曲线。通过测量盐曲线的净保留体积的中点（以此点为参考点）和柠檬酸的中点之间的距离可以计算出柠檬酸的保留体积。用开始给出的公式3来计算分离度R，保留并按前述方法计算分离因子B。

在下面的表4中，列出了这些脉冲试验的结果。

表4

试验A PH值2.4

成份净保留体积半高峰宽分离度（半高）

盐 0 14.4 1.39

柠檬酸 44.4 49.5 参照

试验B PH值1.7

成份净保留体积半高峰宽分离度（半高）

盐 0 11.6 1.49

柠檬酸 42.2 45.1 参照

表4（续）

试验C PH值0.9

成份净保留体积半高峰宽分离度（半高）

盐 0 13.3 1.4

柠檬酸 40.9 45.1 参照

在图3A中，也给出了该结果。从中可以清楚地看出当柠檬酸比其它成份被更强地吸附的同时，还是有些未被吸附的柠檬酸，随盐和碳水化合物（未画出）排出而损失掉了。图3B所示的结果是好的，图3C的结果是最佳的，以这些方法分离柠檬酸结果是令人满意的。在PH值为1.7或更低时，显然本方法将是行得通的。可是，在PH值为2.4（图3A）时，值得注意的是，可将大量的柠檬酸以柠檬酸盐H₂CA^-1的形式，即随盐和碳水化合物的残液加以回收。从这点来说，证实了前面所解释的，即保持进料液较低的PH值可以降低离子化的可溶性成份，因此，反应式1的平衡向左进行。

实施例2

本实施例给出了用中性交联苯乙烯二乙烯苯（XAD-4）和中性交联聚丙烯酸酯共聚物（XAD-8）对实施例1的进料混合液在不同PH值下进行同样的分离所得到结果，以便进一步证实当PH值为2.4或更高，或高于柠檬酸的第一电离常数PKa₁＝3.13时有不好的分离效果。此例分离过程所用的方法和设备同实施例1，但温度为60℃，进料混合液为5ml。

图4A、4B、4C是PH值分别为2.4、1.7和0.9时，用XAD-4进行脉冲试验所得结果的图示。图4A表明柠檬酸与盐（碳水化合物）一起“穿透”了。这个问题通过降低PH值到1.7能得到部分解决如图4B。如将PH值进一步降低到0.9就能获得显著的分离效果。如图4C所示，这再次清楚地说明通过调节PH值这种分离方法具有商业实用性。

图4D和4E是在与上两相同的条件下，用XAD-8在PH值为2.8和1.4，温度为65℃时进行脉冲试验所得结果的图示。PH值为2.8时的图4D，表明未分离，开始如同盐、碳水化合物和柠檬酸一起被洗提，在大约67毫升之后，在大部分碳水化合物和盐以及一些柠檬酸被回收之后，能得到一些相对纯的柠檬酸，但回收率是低的。图4E是PH值为1.4的情况，表明在柠檬酸和碳水化合物及盐之间的选择性，能得到满意的分离结果和柠檬酸回收率。

实施例3

本实施例给出了用中性交联苯乙烯二乙烯苯（XAD-4）在两个不同的PH值下，对实施例1的进料混合液进行同样的分离结果。结果证明PH值为2.4或更高时，分离效果不好。图5A和图5B中，除温度为93℃，进料混合液的量是10ml以外，所用设备和方法同实施例1。

图5A和5B是在PH值分别为2.8和1.4时，用XAD-4进行脉冲试验的结果的图示。图5A表明柠檬酸与盐和碳水化合物一起“穿透”了。这个问题通过将PH值降到1.4就可以避免，如图5B所示。这又一次清楚地说明通过调节PH值，这种分离方法是有商业实用性的。

实施例4

将实施例1所描述的方法和设备用于本实施例的样品。温度为60℃，进料混合液为5ml。除进料混合液中的柠檬酸浓度为40%之外，进料成份类似于前面所使用的，如此能看到浓度对PH值的影响。在图6A中，即便温度为60℃时，PH值为1.9还是太高了，以致不能分离40%浓度的柠檬酸。如图6B和6C所示，通过调节PH值，降低至PH值1.13和0.5时，柠檬酸被优先吸附并且获得很好的分离效果。在此未对每个样品中的碳水化合物进行分析，但是可以假设在分离过程中碳水化合物紧随盐在一起的。

实施例5

将实施例1所描述的方法和设备用于本实施例的3个样品，温度为93℃，进料混合液用量为5ml，进料成份与前面所用相类似，但进料混合液中柠檬酸浓度为40%，以便进一步证明浓度对PH值的影响，如图7A所示，在温度为93℃时，即使PH值为1.8还是太高了，以致不能将柠檬酸浓度为40%的进料中的柠檬酸分离出来，通过调节降低PH值，如图7B和7C所示，柠檬酸被优先吸附，并能达到显著的分离效果。在此同样，未对碳水化合物进行分析，但可以假设在分离过程中它们是紧随盐在一起的。

实施例6

重复实施例1的脉冲试验，在此所用吸附剂为XAD-4，样品是两个柠檬酸浓度为50%的样品，两种情况下，解吸剂均为水，除柠檬酸浓度为50%外，进料混合液的成份与实施例1的是相同的。对第1个样品，温度为93℃，PH值为1.5，如图8A所示，柠檬酸未被分离，当降低PH值至1.0时，第2个样品中的柠檬酸很容易地被分离了，如图8B所示。在此同样未对碳水化合物进行分析，但可以假定它们是紧随着盐在一起的。可以认为图8B所示的分离效果是好的。

实施例7

图7B和7C所代表分离实例由于从XAD-4吸附剂上解吸柠檬酸很困难，因此需要高温，例如93℃，以达到分离浓度为40%柠檬酸的目的。高温对于吸附剂的寿命及操作成本是不利的，在本实施例中，采用10%（重量）丙酮和90%水的混合解吸剂即能使温度降低在45℃下很容易地分离。参见图9，将包括40%（重量）的柠檬酸，4%碳水化合物和2%的含有K⁺、Na⁺、Mg⁺⁺、Fe⁺⁺⁺、Ca⁺⁺元素的盐以及蛋白质和氨基酸的进料液引入如前所述的脉冲试验设备中，除温度为45℃之外，按前述方法进行试验。在本项试验中，保持PH值为0.5，但解吸剂中含有上述的丙酮，柠檬酸的保留体积为10.7ml，分离度为0.61，因此，很容易地进行分离。

实施例8

在本实施例中，作了四个脉冲试验，所用两种吸附剂是以具有叔胺基与硫酸根氢键键合的交联凝胶类丙烯酸树脂为基体（AG4-X4由Bio Rad Laboratories制造，Richmond，加利福尼亚）和以交联丙烯酸树脂为基体的叔胺基与硫酸根氢键键合的弱碱性阴离子树脂，以测定在PH值为1.6时吸附剂从发酵混合液中分离柠檬酸的能力，在此含柠檬酸的发酵混合液含有碳水化合物（DP₁、DP₃、DP₃，包括葡萄糖、木糖、阿拉伯糖和棉子糖）和包括Na⁺、K⁺、Mg⁺⁺、Ca⁺⁺、Fe⁺⁺⁺、Cl^一、SO^二 ₄、PO^三 ₄和NO^一 ₃的盐离子以及氨基酸和蛋白质。第一个试验是在温度为75℃时进行，其余的试验在温度为60℃时进行，在脉冲试验1中（图10）用水解吸柠檬酸，脉冲试验2和3用浓度分别为0.05N和0.25N的硫酸解吸柠檬酸。脉冲试验4类似于脉冲试验2，但所用吸附剂已用了24柱床体积进料。进料发酵混合液有下列成份：

进料成份百分率

柠檬酸 4.0%

盐（K⁺、Na⁺、Ca⁺⁺、Mg⁺⁺、Fe⁺⁺⁺） 1.5%

碳水化合物 4%

其它（SO^二 ₄、Cl^一、PO^三 ₄、NO^一 ₃， 5%

蛋白质和氨基酸）

水 49.5%

除使用5CC样品外，采用实施例1所描述的脉冲试验设备和方法来获得保留体积和分离因子（B），通过测定盐峰值曲线中点（以此为参照点）和柠檬酸峰值曲线中点之间的距离来计算出柠檬酸的净保留体积（NRV）。用被分离成份的保留体积和第一盐成份（即盐1）的保留体积之比来计算分离因子B。

在下表5中给出了这些脉冲试验的结果。

表5

脉冲试验树脂/解吸剂进料成份 NRV B

1 AG4-X4/水盐1 1.6 34.25

柠檬酸 54.8 参比

未知物A 0 示踪物

未知物B 6.6 8.30

盐2 54.6 1.00

2 AG4-X4/0.05N 盐 3.2 11.87

H₂SO₄柠檬酸 38.0 参比

未知物A 0 示踪物

未知物B 2.7 14.07

3 AG4-X4/0.25N 未知物A 0 示踪物

H₂SO₄柠檬酸 26.9 参比

盐 2.3 11.70

未知物B 7.6 3.54

4 AG4-X4/0.05N 未知物A 0 示踪物

H₂SO₄柠檬酸 38.0 参比

盐 2.4 15.8

未知物B 7.2 5.28

脉冲试验2～4的结果类似于图10，从表5中可以清楚地知道，在本方法中用水作解吸剂柠檬酸的分离效果是令人满意的，且纯度较高，同时根据较大的净保留体积还证明用水解吸比用稀硫酸来得慢些。在吸附剂用了24柱床体积进料老化之后，正如从图13中所观察到的吸附剂没有失活迹象。其实际上和图11（相同条件下采用新鲜吸附剂）相同。

实施例9

除温度为65℃外，采用相同的方法和设备重复实施例8的第一个脉冲试验。解吸剂是水，本实施例给出了采用具有交联聚苯乙烯基体的弱碱性大孔阴离子交换树脂（Dowex66），在前两个脉冲试验中，PH值分别为7.0和3.5时，对与实施例8相同的进料混合液（40%柠檬酸）进行同样分离后的结果（分别如图11A和11B所示）。结果证明当PH值超过柠檬酸的第一电离常数PKa₁＝3.13时，尤其是两个样品中，柠檬酸的浓度是40%，则PH值超过1.7时，就不能完成要求的分离。在本实施例的第三个试验（如图11C），将进料稀释到柠檬酸浓度为13%，并降低PH值到2.4。证明分离得到了改善，同时很明显还须进一步降低PH值和/或浓度，以防止柠檬酸的“穿透”，例如，在13%浓度时，估计PH值必须低至大约1.6～2.2。

图11A和11B分别是PH值为7.0和3.5时，使用Dowex66进行脉冲试验所得结果的图示。图11A和11B表示在较高PH值时，柠檬酸与盐（和碳水化合物）一起“穿透”了，这个问题通过降低浓度到13%和降低PH值到2.4能部分地得到解决，如图11C所示。其中，仅有少量的柠檬酸未被吸附，“穿透”进入残液，而大部分被吸附在吸附剂树脂上（但在该图中未示出），通过调节PH值和浓度到最适水平，显然这种分离是有商业实用性的。

实施例10

在与实施例8相同的条件下（除另有注明外），对具有同样进料成份的柠檬酸样品进行另外三项脉冲试验，但使用两种不同的吸附剂。对前二个样品解吸剂是0.05N H₂SO₄（图12和图13A）。而对第三个样品使用水（图13B）。所用进料成份与实施例8相同。温度是60℃，PH值是1.6。在第一个试验中，吸附剂^＃1是有下列结构的带有吡啶基团的大孔二乙烯苯交联树脂：

其中，P是形成树脂的聚苯乙烯部分。在第二和第三个样品中使用的第二种吸附剂^＃2是一种叔胺，也具有吡啶基团，有下列结构：

其中，P如上所述。这两种树脂都是与二乙烯苯交联的，在某些情况下，水是一种具有优良分离性的有效的解吸剂，但不是以迅速地回收被吸附了的柠檬酸而使该方法具有强烈的商业吸引力。见图13B，其中条件同上所述，使用^＃2吸附剂，水是解吸剂。在这种情况时，直到大约95ml的解吸剂通过吸附剂，柠檬酸才被洗脱下来。因此，稀硫酸是优选的解吸剂，这从图12和13A所示的结果就可明显地看出，从图12、13A和13B还可以看出，可获得显著的柠檬酸分离效果。

实施例11

利用实施例8所述的方法、条件和设备来分离四个柠檬酸样品（具有相同进料成份），所用的两类不同树脂的吸附剂与实施例8相同，（除第一和第四个样品，柱温是50℃，解吸剂是0.05NH₂SO₄，第二和第三个样品PH值是2.2，解吸剂是浓度为0.15N稀硫酸之外），两个树脂，购自Rohm和Haas公司（IRA-68和IRA-35）均有一个胺基并有下列结构：

其中，P是聚丙烯酸基体，R¹和R¹¹是CH₃;Amberlite IRA-68（样品1、2、3号）是凝胶类树脂，IRA-35（样品4号）是大网络型树脂。除了吸附剂在前已被用过分离69柱床体积的进料之外，样品3和样品2相同，样品1和2在PH值为1.6～2.2时，从发酵液中分离柠檬酸是两个优秀的吸附剂，样品3在吸附剂已用过69柱床体积的进料老化之后，证明在该分离过程中的树脂的稳定性仅有一点儿或根本没有发生失活）。在下表6给出了净保留体积（NRV）和选择性（B）：

表6

样品号树脂成份 NRV B

1 Amberlite 盐 5.5 8.24

IRA-68 柠檬酸 45.3 参比

未知物A 0 示踪物

未知物B 9.3 4.87

2 Amberlite 盐 2.3 12.61

IRA-68 柠檬酸 29.0 参比

未知物A 0 示踪物

未知物B 6.5 4.46

3 Amberlite 盐 2.85 10.32

IRA-68 柠檬酸 29.4 参比

未知物A 0 示踪物

未知物B 7.0 4.2

4 Amberlite 盐 1.3 27.38

IRA-35 柠檬酸 36.9 参比

未知物A 0 示踪物

未知物B 5.9 6.25

为了进一步将实施例1至7所用的吸附剂与实施例8至9中所使用的吸附剂进行比较，对几个提取物样品作易碳化杂质（RCS）（食品和化学法规（FCC）专著3^＃）和钾的量分析。用下列方法测定RCS：1克提取液样品（测定实际柠檬酸浓度）在90℃下用 10ml95%H₂SO₄碳化。用带有直径为0.5英吋的管的2Cm测定池于500nm下在分光光度计上测定碳化物，对50%柠檬酸溶液计算RCS的量。所得值与将这种方法用于前述FCC试验的钴标准溶液所得值进行比较。通过原子吸收光谱仪来测定钾，为了比较，对进料的样品进行相同的分析测定，所用吸附剂为XAD-4、AG4-X4和实施例3中的吸附剂1^＃和2^＃，对50%的柠檬酸计算RCS。结果列于表7。

表7

脉冲试验所得提取物质量（RCS/钾）

吸附剂解吸剂计算RCS ppm钾柠檬酸净保留体积

（对50%柠檬酸）

XAD-4 H₂O 6.86，8.98 59，137 13.0

AG4-X4 0.05NH₂SO₄1.77，1.42 24，81 34.8

^＃2（实施例10） 0.05NH₂SO₄3.17，3.33 24，54 30.8

^＃1（实施例10） 0.05NH₂SO₄2.17 62 31.0

以上数据说明弱碱性树脂与中性树脂相比RCS和钾两个量均降低了。在所有样品中，RCS降低至少50%，在两个样品中，钾降低50%以上，从净保留体积可以观察到，两种类型的吸附剂均有好的分离度，但是强碱吸附剂经受的循环次数稍有增加。使用高浓度的硫酸，例如直到0.2N，最好在0.1～0.2N范围，能降低循环次数。

在另一种实施方式中，在解吸之前，可将吸附剂上所吸附的柠檬酸就地转化成柠檬酸盐。例如，与碱土金属或碱金属的氢氧化物或氢氧化铵反应，然后立即用金属氢氧化物，氢氧化铵或水作为解吸剂洗脱。但是，也可能会因未知杂质造成吸附剂失活，该吸附剂及时用较强解吸剂冲洗可以再生。例如，用比解吸剂浓度高的硫酸、碱金属氢氧化物或NH₄OH或者有机溶剂如丙酮或乙醇。

实施例12

在本实施例中，用前面第21页所提到的结构式1的具有三个甲基取代基的凝胶型强碱阴离子交换树脂（由Rohm和Haas公司制造的IRA458）进行了两项脉冲试验，以测定吸附剂在PH值为2.2时，从发酵混合液中分离柠檬酸的能力，该含柠檬酸的发酵混合液包括碳水化合物（DP₁、DP₂、DP₃包括葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、棉子糖）和包括Na⁺、K⁺、Mg⁺⁺、Ca⁺⁺、Fe⁺⁺⁺、Cl^一、SO^二 ₄、PO^三 ₄和NO^一 ₃的盐离子以及氨基酸和蛋白质。P是与二乙烯苯交联的丙烯酸，脉冲实验样品1是在温度为50℃时进行的，脉冲实验样品2是在温度为60℃时进行的，吸附床是用过33柱床体积进料已老化之后的，进一步试验直至62柱床体积，没有吸附剂失活迹象。两个样品均用0.1N的硫酸溶液来解吸出柠檬酸，进料发酵混合液具有下列成份：

进料成份百分率（%）

柠檬酸 40

盐（K⁺、Na⁺、Ca⁺⁺、Mg⁺⁺、Fe⁺⁺⁺） 1.5

碳水化合物（糖类） 4

其它（SO^二 ₄、Cl^一PO^三 ₄、NO^一 ₃5

蛋白质和氨基酸）

水 49.5

用实施例1所描述的脉冲试验设备和方法能得到保留体积和分离因子。

这些脉冲试验结果在表8中给出：

表8

样品号树脂进料成份 NRV B

1 IRA-458 盐 1.0 38.9

柠檬酸 38.9 参比

未知物A 0 示踪物

未知物B 6.6 5.89

2 IRA-458 盐 0.9 43.3

柠檬酸 39.0 参比

未知物A 0 示踪物

未知物B 7.1 5.49

很显然在这个方法中，柠檬酸被满意地分离出。在吸附剂用过了33柱床体积进料老化之后，吸附剂未显出失活迹象，与在相同条件使用新鲜吸附剂所得结果基本上相同。

实施例13

以交联的二乙烯苯的丙烯酸树脂为基体的具有季胺基的强碱性大孔阴离子交换树脂吸附剂IRA-958，对相同进料的柠檬酸样品重复实施例12的脉冲试验。解吸剂是0.05N硫酸，进料成份与实施例12所用的相同。温度是60℃，PH值是1.6，在这项试验中，吸附剂是第19页上结构式（1）的树脂，其中R是甲基，该树脂来自于Rohm和Haas公司。

正如图14所示，在45ml的解吸剂通过吸附剂之后，柠檬酸开始洗脱，并能有效地从发酵混合液中分离出来，其纯度高，回收率甚佳。

实施例14

采用类似结构式（2）（第19页）的以季胺基交联聚苯乙烯凝胶类树脂为基体的强碱性阴离子交换树脂吸附剂（其中R为甲基）AG2-X8（由BioRad公司制造），对相同进料的柠檬酸样品重复实施例12的脉冲试验。解吸剂是0.15N硫酸，进料成份同实施例11所用的相同，温度为50℃，PH值为2.2。

如图15所示，在约43ml的解吸剂通过吸附剂后，柠檬酸开始洗脱，并能从发酵混合液中分离出来，且纯度高，回收率也极高。

进一步地将实施例1至7所用的吸附剂与实施例12至14所用的吸附剂进行比较，对数个样品提取液作易碳化杂质（RCS）（食品和化学法规（FCC）专著3^＃）和钾量分析，对每个吸附剂XAD-4，IRA-458、IRA-959和AG2-X4与对应的解吸剂所得结果在下表9中列出：

表9

脉冲试验得到的提取物质量

吸附剂解吸剂 RCS（单位）（对50% PPm钾（对50% 柠檬酸净

柠檬酸的计算）柠檬酸的计算）保留体积

XAD-4 水 6.86，8.98 59，137 13.0

IRA-458 0.1N硫酸 1.5 80 37.9

IRA-958 0.05N硫酸 2.73 82 32

AG2-X4 0.15N硫酸 5.3 131 43

将强碱性树脂与中性树脂相比较，上述数据说明RCS和钾两个值均减少了，是有改进的。在所有样品中，RCS降低40～85%，钾降低0～20%。从实施例12、13、14（图14）中可以注意到，这两种类型的吸附剂具有好的分离性。但是，此处吸附剂经受的循环次数稍有增加。采用高浓度的硫酸，例如直到0.2N，最好在0.1～0.2N之间的硫酸能减少循环次数。

在另一种实施方式中，在解吸之前，可将吸附在吸附剂上的柠檬酸就地转变成柠檬酸盐，例如，与碱土金属氢氧化物或碱金属氢氧化物或氢氧化铵反应，然后立即用金属氢氧化物、氢氧化铵或水作为解吸剂洗脱。但是可能会因未知杂质引起吸附剂失活，可以及时用强解吸剂冲洗使之再生，如用比解吸剂浓度高的硫酸、碱金属氢氧化物或氢氧化铵或者有机溶剂如丙酮或乙醇。

Claims

1、一种从含有柠檬酸的发酵液进料混合物中吸附分离柠檬酸的方法，该方法包括在选择的吸附条件下选择性地吸附所说的柠檬酸，然后在解吸条件下用解吸剂从吸附剂上回收柠檬酸，其特征在于(1)所说的聚合吸附剂选自下组物质：中性交联聚苯乙烯聚合物、非离子疏水聚丙烯酸酯聚合物，以及它们的混合物，和(2)所说吸附条件包括pH低于柠檬酸的第一电离常数(PKa₁)，以及所说解吸剂是水或水和低分子量酮的混合液。

2、根据权利要求1的方法，其特征在于所说的吸附和解吸条件包括温度为20℃～200℃，压力为常压至500磅/英寸²表压（3450千巴表压）。

3、根据权利要求1的方法，其特征在于所说的解吸剂是水。

4、根据权利要求1的方法，其特征在于所说的解吸是用水或水和丙酮的混合液在液相中完成的。

5、根据权利要求1的方法，其特征在于所说的进料混合物的pH值低于柠檬酸的第一电离常数（pKa₁）。

6、根据权利要求1至5中任何一项的方法，其特征在于它包括步骤：

（a）维持净液流单向通过所说的吸附剂填充柱，该柱至少包括三个进行分离操作的区域，所说柱的区域以端部依次相互联接，以提供连续性区域;

（d）在所说的净化区上游紧接提供一解吸区，所说的解吸区由处于该区上游界面解吸剂进口液流和一下游界面提取物出口液流之间的吸附剂确定;

（e）使所说的原料混合物在吸附条件下通过吸附区，由吸附区中的吸附剂选择性地吸附柠檬酸，并从吸附区排出包括发酵液中未被吸附成分的残液;

（g）从解吸区排出包括柠檬酸和解吸材料的提取物流出液;

（h）至少将一部分提取物流出液送入分离装置，在分离条件下，此装置至少将一部分解吸材料分离;

（i）按流体在吸附区流动的逆流方向，定期使原料出口液流，吸附后残液排出液流，解吸剂进口液流、提取物排出液流通过所说的吸附柱而达到柱内区域的改变，并得到提取液排出产物和残液排出产物。

7、根据权利要求6的方法，其特征在于在所说的解吸区上游紧接提供一缓冲区，所说的缓冲区由处于该区下游界面解吸剂进口液流和上游界面残液出口之间的吸附剂确定。

8、一种从含有柠檬酸的发酵液进料混合物中吸附分离柠檬酸的方法，该方法包括将所说的混合物与具有叔胺基或吡啶基且有交联丙烯酸或苯乙烯树脂基体的水不溶的大网络或凝胶的弱碱性阴离子交换树脂接触，在选择的吸附条件下选择性地吸附所说的柠檬酸，将所吸附的柠檬酸与碱金属的氢氧化物、碱土金属的氢氧化物或氢氧化铵反应，从而将所说的柠檬酸转化为盐，并用碱性水溶液或水冲洗所说的盐。