CN103145771B - 一种采用超滤与离子交换技术从发酵液中提取d-核糖的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种采用超滤与离子交换技术从发酵液中提取D‑核糖的方法，其方法步骤如下：（1）发酵液的微滤：D‑核糖发酵液通过膜孔径为50nm～1000nm的滤膜，除去发酵液中大部分的菌体及较大的蛋白及杂质颗粒；（2）滤清液的离子交换：滤清液经过阳、阴离子交换柱，除去滤液中的多价离子；（3）离子交换液的超滤：离子交换液通过截留分子量为500～5000的滤膜；（4）滤清液的层析浓缩结晶：本发明的优点是：采用的二级膜分离工艺不仅简化了已有的多级膜分离工序，减少了提取分离步骤；将离子交换技术使用在两次膜分离中间，很好的解决了实际生产中由于膜分离过程中浓缩倍数的提高，金属盐物质析出，造成膜通量下降的缺陷，具有工艺简单合理、提取分离度高、收率高、操作简便等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种从发酵液中直接提取D-核糖的方法，尤其涉及一种采用超滤与离子交换技术从发酵液中提取D-核糖的方法。
背景技术
D-核糖作为遗传物质核糖核酸（RNA）、脱氧核糖核酸（DNA）的组成成分存在于所有生物细胞之中。它的还原体核糖醇又是细胞膜中核糖醇壁酸的重要成分，在生理上起着重要作用。
D-核糖是工业上合成维生素B2的重要原料，是许多核酸类药物的重要中间体。特别是近年来，D-核糖作为抗癌和抗病毒药物、核黄素及风味增强剂等的合成原料在制药工业和食品工业上的需求逐步增大。随着对D-核糖研究的深入，D-核糖在医疗保健方面的作用逐步显现。D-核糖具有治疗心肌局部缺血，提高心脏对局部缺血的耐性，从而改善心脏功能的作用。同时，D-核糖具有治疗运动引起的肌肉酸痛、胞内磷酸化缺乏造成的肌肉酸痛、腺苷酸脱氢酶缺陷造成的僵硬、增强机体耐缺氧能力的作用。随着对D-核糖及其衍生物功能的研究及应用，势必造成全球范围内对D-核糖的需求日益增长。
目前，D-核糖的生产制备方法有3种：一种是通过化学法和酶水解法水解酵母核酸、核苷酸的方法提取D-核糖；一种是利用L-阿拉伯糖、葡萄糖酸、L-谷氨酸和D-木糖等原料通过化学方法合成D-核糖；一种是利用枯草芽孢杆菌的转酮酶缺陷突变株，以D-葡萄糖为原料发酵生产D-核糖。但由于化学法生产D-核糖工艺复杂，生产条件要求高，产品收率低、生产成本高等一系列缺陷逐步被发酵法所取代。
由于发酵液中含有大量的菌体、蛋白、离子、色素、杂糖及不溶性的杂质颗粒，为了从发酵液中提取分离获得D-核糖，需要将这些物质分离去除，才能获得高纯度的D-核糖产品。目前，D-核糖的提取分离按预处理方法分类包括：离心去除菌体法，如US4904587（1990）公开的一种提取分离方法，其主要是通过离心分离发酵液菌体，浓缩后加入乙醇去除蛋白，活性炭脱色后，浓缩、结晶获得D-核糖产品；酸化絮凝去除菌体法，如CN1508138A（2004）公开了一种提取分离方法，其主要通过加酸调节发酵液PH至1.5～3.5后，加入絮凝剂升温后将发酵液中的菌体、蛋白及大颗粒杂质絮凝沉淀出后，经过离子交换、柱层析方法去除离子杂质，活性炭脱色后，浓缩、结晶获得D-核糖产品。但是不管是直接离心除菌还是絮凝后除菌，由于发酵液中菌体细小，都存在除菌不彻底的情况。其次这两种方法对发酵液的色素去除情况不理想，通过采用活性炭脱色后仍有部分色素残留，致使结晶后的成品颜色微黄，影响产品质量。于此相比，在CN1266158C中公开了一种利用膜分离技术从发酵液中提取D-核糖的方法，该方法的优点在于膜分离精度高，不仅能除去菌体及大颗粒杂质，还能去除大部分小分子蛋白及色素物质，从而提高提取效率，提高产品质量及产品收率。但该方法中D-核糖发酵液按去除精度依次通过了4次膜过滤，操作步骤繁琐、耗时长，影响产品收率。并且由于发酵液中含有大量的金属离子，随着膜过滤过程中浓缩倍数的提高，会不断的从清液中析出金属盐物质，从而在膜过滤过程中附着在膜芯表面，造成后续的膜过滤速度降低，甚至导致堵塞膜孔的情况，大大的影响了过滤效果。
因此，工业应用上急需寻找一种简便可行的采用膜技术提取发酵液中的D-核糖方法，工艺简单合理，能克服膜分离中存在的缺点，让膜分离技术完美的应用于D-核糖的发酵液的提取。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用超滤与离子交换技术从发酵液中提取D-核糖的方法，该方法在微滤后进行离子交换，确保了进入超滤前离子含量极低，通过超滤后，料液中色素等杂质含量极低。本发明工艺操作简单易行，工艺路线短，克服了现有膜分离技术应用过程中存在的步骤多、膜通量下降快、易堵塞的缺陷，全面提高了D-核糖产品质量及收率。
本发明的目的是这样来实现的，它采用以下方法步骤来实施：
（1）发酵液的微滤：D-核糖发酵液通过膜孔径为50nm～1000nm的滤膜，除去发酵液中大部分的菌体及较大的蛋白及杂质颗粒，操作压力0.1～0.4MPa，操作温度10～50℃，浓缩倍数6～12倍，透析水量以体积百分比计占进料体积的10～50%；
（2）滤清液的离子交换：滤清液经过阳、阴离子交换柱，除去滤液中的多价离子；
（3）离子交换液的超滤：离子交换液通过截留分子量为500～5000的滤膜，除去离子交换液中的大部分蛋白及色素物质，操作压力0.5～2.0MPa，操作温度20～40℃，浓缩倍数10～20倍，透析水量以体积百分比计占进料体积的10～50%。
（4）滤清液的层析浓缩结晶：将上述3个步骤处理后的滤液，经过常规的离子交换层析、大孔吸附树脂层析、浓缩、结晶，获得纯度达99.5%以上的D-核糖产品。
以上实施方法的（1）、（2）、（3）步骤为发酵液的预处理，目的在于除去发酵液中的菌体、蛋白、及大部分色素、离子。
所述步骤（1）中的滤膜为氧化铝膜、陶瓷膜、PVC膜。
所述步骤（2）中的离子交换顺序为滤清液先以1～5BV/H流速经过阳柱，再以1～5BV/H流速经过阴柱。本方法中的阳离子交换采用的树脂包括D001、732、D113阳离子交换树脂，阴离子交换树脂包括331、D315、717阴离子交换树脂。优选强酸性阳离子交换树脂、弱碱性阴离子交换树脂。
所述步骤（3）中提及的滤膜为卷式超滤膜，可以是醋酸纤维素膜、聚醚砜膜、聚偏氟乙烯膜、聚酰胺膜。
所述步骤（4）中提及的大孔吸附树脂为HZ-803树脂，H103树脂，D101树脂。
本发明的优点是：在已有的膜分离技术提取D-核糖的基础上，创新性的采用了离子交换与膜分离技术相结合的方法进行发酵液中D-核糖的提取。本发明采用的二级膜分离工艺不仅简化了已有的多级膜分离工序，减少了提取分离步骤，进而提高了产品收率；将离子交换技术使用在两次膜分离中间，很好的解决了实际生产中由于膜分离过程中浓缩倍数的提高，金属盐物质析出，造成膜分离速度的下降的缺陷，保证了生产过程的连续性，缩短了提取时间，并对膜芯起到了很好的保护作用，提高了膜设备的使用效率。本发明方法具有工艺简单合理、提取分离度高、收率高、操作简便等优点。采用本发明方法提取结晶后获得的D-核糖产品经高效液相色谱分析纯度可达99.5%以上。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不构成对本发明的任何限制。
实施例1
D-核糖发酵液100L通过膜孔径为1000nm的微滤膜，入膜压力0.2MPa，出膜压力0.1MPa，操作温度25℃，将发酵液浓缩10倍后，加入透析水量20L。滤清液以2BV/H流速通过732型阳离子交换树脂柱，阳柱流出液同样以2BV/H流速直接串入717型阴离子交换树脂柱。离子交换液通过膜截留分子量5000的超滤膜，操作压力1.4MPa，操作温度30～35℃，将离子交换液浓缩15倍后，加入透析水量25L。滤液依次经过732型阳离子交换树脂，331型阴离子交换树脂，HZ-803树脂。树脂层析流出液经过减压浓缩，温度控制50～60℃，真空度-0.09MPa，浓缩至糖浆状后，加入糖浆体积的2倍量的无水乙醇，升温溶解后搅拌均匀，加少量晶种，缓慢降温使核糖结晶析出，离心甩干后，母液再次经过层析、浓缩结晶。D-核糖结晶经过真空干燥后，共获得D-核糖产品4.80Kg。经高压液相色谱检测D-核糖产品的纯度为99.50%。
实施例2
D-核糖发酵液100L通过膜孔径为200nm的微滤膜，入膜压力0.2MPa，出膜压力0.1MPa，操作温度25℃，将发酵液浓缩10倍后，加入透析水量30L。滤清液以2BV/H流速通过732型阳离子交换树脂柱，阳柱流出液同样以2BV/H流速直接串入717型阴离子交换树脂柱。离交液通过膜截留分子量1000的超滤膜，操作压力1.4MPa，操作温度30～35℃，将离交液浓缩15倍后，加入透析水量30L。按照实施例1中后续提取方法，D-核糖结晶经过真空干燥后，共获得D-核糖产品4.93Kg。经高压液相色谱检测D-核糖产品的纯度为99.80%。
实施例3
D-核糖发酵液100L通过膜孔径为500nm的微滤膜，入膜压力0.2MPa，出膜压力0.1MPa，操作温度25℃，将发酵液浓缩8倍后，加入透析水量25L。滤清液以2BV/H流速通过732型阳离子交换树脂柱，阳柱流出液同样以2BV/H流速直接串入717型阴离子交换树脂柱。离交液通过膜截留分子量2000的超滤膜，操作压力1.4MPa，操作温度30～35℃，将离交液浓缩15倍后，加入透析水量25L。超滤液依次经过732型阳离子交换树脂，331型阴离子交换树脂，HZ-803树脂。树脂层析流出液经过减压浓缩，温度控制50～60℃，真空度-0.09MPa，浓缩至糖浆状后，加入糖浆体积的2倍量的无水乙醇，升温溶解后搅拌均匀，加少量晶种，缓慢降温使核糖结晶析出，离心甩干后，母液再次经过层析、浓缩结晶。D-核糖结晶经过真空干燥后，共获得D-核糖产品4.78Kg。经高压液相色谱检测D-核糖产品的纯度为99.64%
。
Claims (3)
1.一种采用超滤与离子交换技术从发酵液中提取D-核糖的方法，其特征在于方法步骤如下：将D-核糖发酵液100L通过膜孔径为1000nm的微滤膜，入膜压力0.2MPa，出膜压力0.1MPa，操作温度25℃，将发酵液浓缩10倍后，加入透析水量20L，滤清液以2BV/H流速通过732型阳离子交换树脂柱，732阳离子交换树脂柱流出液同样以2BV/H流速直接串入717型阴离子交换树脂柱，离子交换液通过膜截留分子量5000的超滤膜，操作压力1.4MPa，操作温度30～35℃，将离子交换液浓缩15倍后，加入透析水量25L，滤液依次经过732型阳离子交换树脂，331型阴离子交换树脂，HZ-803树脂，树脂层析流出液经过减压浓缩，温度控制50～60℃，真空度-0.09MPa，浓缩至糖浆状后，加入糖浆体积的2倍量的无水乙醇，升温溶解后搅拌均匀，加少量晶种，缓慢降温使核糖结晶析出，离心甩干后，母液再次经过层析、浓缩结晶。
2.一种采用超滤与离子交换技术从发酵液中提取D-核糖的方法，其特征在于方法步骤如下：将D-核糖发酵液100L通过膜孔径为200nm的微滤膜，入膜压力0.2MPa，出膜压力0.1MPa，操作温度25℃，将发酵液浓缩10倍后，加入透析水量30L，滤清液以2BV/H流速通过732型阳离子交换树脂柱，732型阳离子交换树脂柱流出液同样以2BV/H流速直接串入717型阴离子交换树脂柱，离子交换液通过膜截留分子量1000的超滤膜，操作压力1.4MPa，操作温度30～35℃，将离子交换液浓缩15倍后，加入透析水量30L，滤液依次经过732型阳离子交换树脂，331型阴离子交换树脂，HZ-803树脂，树脂层析流出液经过减压浓缩，温度控制50～60℃，真空度-0.09MPa，浓缩至糖浆状后，加入糖浆体积的2倍量的无水乙醇，升温溶解后搅拌均匀，加少量晶种，缓慢降温使核糖结晶析出，离心甩干后，母液再次经过层析、浓缩结晶。
3.一种采用超滤与离子交换技术从发酵液中提取D-核糖的方法，其特征在于方法步骤如下：将D-核糖发酵液100L通过膜孔径为500nm的微滤膜，入膜压力0.2MPa，出膜压力0.1MPa，操作温度25℃，将发酵液浓缩8倍后，加入透析水量25L，滤清液以2BV/H流速通过732型阳离子交换树脂柱，732型阳离子交换树脂柱流出液同样以2BV/H流速直接串入717型阴离子交换树脂柱，离子交换液通过膜截留分子量2000的超滤膜，操作压力1.4MPa，操作温度30～35℃，将离子交换液浓缩15倍后，加入透析水量25L，超滤液依次经过732型阳离子交换树脂，331型阴离子交换树脂，HZ-803树脂，树脂层析流出液经过减压浓缩，温度控制50～60℃，真空度-0.09MPa，浓缩至糖浆状后，加入糖浆体积的2倍量的无水乙醇，升温溶解后搅拌均匀，加少量晶种，缓慢降温使核糖结晶析出，离心甩干后，母液再次经过层析、浓缩结晶。
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