CN104744241A - 一种从柠檬酸发酵液中提纯柠檬酸的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种从柠檬酸发酵液中提纯柠檬酸的方法，包括利用阴离子交换树脂色谱系统，对含柠檬酸发酵液进行层析分离以去除残糖并得到纯化柠檬酸的步骤，且所述阴离子交换树脂的粒径为0.15-0.35mm。通过控制使用阴离子交换树脂的粒径范围在0.15-0.35mm之间，可有效降低使用阴离子交换树脂色谱系统进行提纯柠檬酸工艺中洗脱剂的用量，可有效控制分离得到柠檬酸纯化液的稀释程度，不仅可以提高分离效率，且后续浓缩成本大幅降低。

Description

一种从柠檬酸发酵液中提纯柠檬酸的方法

技术领域

本发明涉及一种从柠檬酸发酵液中提纯柠檬酸的方法,属于微生物发酵及提纯技术领域。

背景技术

柠檬酸，又称枸橼酸，化学名称是2-羟基丙烷三羧酸，其广泛分布于柠檬、醋栗、覆盆子和葡萄等植物中，因其具有令人愉悦的酸味，入口爽快，无后酸味，完全无毒，是当前世界上生产量和消费量最大、最主要的使用有机酸类产品之一、广泛应用于医药、食品、饮料和洗涤等行业。

目前，多数的柠檬酸产品是采用淀粉液化液以及糖蜜等为原料，通过黑曲霉（Aspergillus Niger）深层发酵制得。由于发酵过程中加入的还原糖不能被全部利用，而且作为营养物质加入的原料中会夹带一些不能被菌体利用的非还原糖、多糖等物质，因此收获的发酵液中除目标产品柠檬酸外，还存在蛋白质、色素、无机盐以及由原料中所含糖类组成的残留，需要进一步对发酵后的柠檬酸进行分离纯化才能使用。

传统的分离纯化技术一般采用间歇式或连续式钙盐法，纯化过程中需要消耗碳酸钙和硫酸，产生大量固体废弃物硫酸钙，并排放大量的二氧化碳。以间歇钙盐法计算，每生产一吨柠檬酸需要0.9吨硫酸和0.9吨碳酸钙，产生约2.5吨的湿硫酸钙，排放0.39吨二氧化碳，不仅增加了生产成本，而且对环境产生影响，不利于节能减排。

另外采用萃取法也可实现柠檬酸的分离纯化，但是其对萃取剂的选择性很高，目前常用的萃取剂主要有柠檬酸三丁酯，有机胺等。萃取法虽然纯化的效果较好，但由于适宜的萃取剂都有毒性，一般只能用于工业，不能应用于食品与医药等行业，而且萃取法纯化得到的产品浓度低，收率低，生产成本较高。

树脂吸附解吸法是目前技术上较为可行的柠檬酸提取方法。根据吸附原理，可分为离子交换直接吸附柠檬酸根法、离子交换吸附杂质离子法和模拟移动床直接分离柠檬酸法三大类。

中国专利文献CN1358707A公开了一种柠檬酸发酵液中提取柠檬酸的清洁生产工艺,并具体公开了包括合成用于专门吸附分离柠檬酸的弱酸强碱两性树脂,并采用装有本树脂的固定床,使用连续错流变温色谱吸附技术从发酵液中分离提纯,获得纯净柠檬酸产品。在低温下发酵液通过树脂床，柠檬酸被吸附，用热水通过饱和树脂床，使柠檬酸吸附。上述方案采用热水进行洗脱，洗脱温度不低于80℃。洗脱温度较高，长期使用会降低树脂的使用寿命，增加成本，且增加了分离过程的能耗，得到的柠檬酸产品稀释程度较高。

中国专利文献CN1648257A公开了一种生产柠檬酸和/或柠檬酸盐的方法，并具体公开了一种利用单一阴离子交换树脂交换法，通过该树脂自身碱型与盐型的转换过程，采用移动该树脂的多级离子交换分离装置从柠檬酸发酵清液中分离浓缩得到柠檬酸和/或柠檬酸盐的生产方法。上述方案虽然可以分离得到柠檬酸，但是，一方面纯化后得到的柠檬酸洗脱液稀释程度很高，后期浓缩成本较高；另一方面，由于使用NaOH再生阴离子交换树脂，使纯化过程中会产生部分柠檬酸钠，因而不能将所有的柠檬酸都提纯出来，导致提纯率偏低；再者，采用70-90℃热水做洗脱剂，洗脱温度高，长期使用会影响阴离子交换树脂的使用寿命。

发明内容

因此，本发明的目的在于克服现有技术中利用阴离子交换树脂提纯柠檬酸的工艺中，必须大量使用洗脱剂导致产品稀释程度过高、提纯率低、且后期处理工艺复杂的缺陷，从而提供一种产品稀释程度低、提纯率高的从发酵液中提纯柠檬酸的方法。

因此发明提供一种从柠檬酸发酵液中提纯柠檬酸的方法，包括利用阴离子交换树脂色谱系统，对含柠檬酸发酵液进行层析分离以去除残糖并得到纯化柠檬酸的步骤，且所述阴离子交换树脂的粒径为0.15-0.35mm。

作为一种优选，所述阴离子交换树脂的粒径为0.2-0.3mm。

所述阴离子交换树脂选自树脂骨架交联聚苯乙烯系、交联聚甲基丙烯酸系、酚醛系、环氧系、脲醛系或氯乙烯系结构之一，且离子交换基团为-NH₂、-NHR、-NR₂之一的阴离子交换树脂。

所述阴离子交换树脂的离子交换容量大于3.4mmol/g干基树脂。

所述阴离子交换树脂为凝胶型和/或大孔型。

所述利用阴离子交换树脂色谱系统对含柠檬酸发酵液进行层析分离的步骤中，所用洗脱剂为质量浓度为0.01-0.5%的硫酸水溶液。

优选的，所述洗脱剂为质量浓度为0.2-0.5%的硫酸水溶液。

更优选的，所述洗脱剂为质量浓度为0.2-0.4%的硫酸水溶液。

所述利用阴离子交换树脂色谱系统进行层析分离步骤的操作温度为35-70℃。

优选的，所述利用阴离子交换树脂色谱系统进行层析分离步骤的操作温度为45-65℃。

更优选的，利用阴离子交换树脂色谱系统进行层析分离步骤的操作温度为45-50℃。

所述利用阴离子交换树脂色谱系统进行层析分离步骤中，所述含柠檬酸发酵液的截面积流速为1-50cm/min；所述洗脱剂的截面积流速为1-100cm/min。

优选的，所述含柠檬酸发酵液的截面积流速为7-46cm/min；所述洗脱剂的截面积流速为3-85cm/min

更优选的，所述含柠檬酸发酵液的截面积流速为12-30cm/min；所述洗脱剂的截面积流速为20-45cm/min。

所述含柠檬酸发酵液中，柠檬酸的浓度为20-55%(w/v)，残糖的浓度为2-10%(w/v)。

优选的，所述柠檬酸发酵液中所述柠檬酸的浓度为30-55%（w/v）。

更优选的，所述柠檬酸发酵液中所述柠檬酸的浓度为30-40%（w/v）。

所述利用阴离子交换树脂色谱系统进行层析分离的步骤通过模拟移动床色谱系统进行。

本发明还提供了一种从柠檬酸发酵液中提纯柠檬酸的方法提纯得到的柠檬酸。

本发明提供的一种从柠檬酸发酵液中提纯柠檬酸的方法具有以下优点：

1.本发明所述的从柠檬酸发酵液中提纯柠檬酸的方法，通过大量研究发现，所述阴离子树脂交换色谱系统中所使用阴离子交换树脂的粒径会对层析过程中洗脱剂的用量产生较大影响，通过控制所使用阴离子交换树脂的粒径范围在0.15-0.35mm之间，可有效降低使用阴离子交换树脂色谱系统进行提纯柠檬酸工艺中洗脱剂的用量，从而有效控制经上述层析分离得到的柠檬酸的稀释程度，降低后续浓缩成本,而且控制上述粒径范围,还可以提高柠檬酸的收率；控制阴离子交换树脂的粒径在0.2-0.3mm之间可获得更低的稀释倍数和更高的柠檬酸收率。

2.本发明所述的从柠檬酸发酵液中提纯柠檬酸的方法，采用的阴离子交换树脂为选自树脂骨架交联聚苯乙烯系、交联聚甲基丙烯酸系、酚醛系、环氧系、脲醛系或氯乙烯系结构之一，且离子交换基团为-NH₂、-NHR、-NR₂之一的阴离子交换树脂，可高效高质的对柠檬酸进行分离纯化。

3.本发明所述的从柠檬酸发酵液中提纯柠檬酸的方法，采用体积质量比为0.01-0.5%的硫酸水溶液作为洗脱剂，可将吸附在上述阴离子交换树脂上的残糖和柠檬酸根逐步洗脱下来，并在所述色谱系统中的不同位置被分离出来，洗脱效率高，且温度在35-70℃均可，而在此温度要求下，一般的柠檬酸发酵液原料的温度即可满足上述要求，正常运转时一般不需要特意加热，因而可以节省能源；而且上述温度不会对阴离子交换树脂造成损伤，长期使用也不会降低其使用寿命；且由于使用阴离子交换树脂的整个色谱系统仅需使用一种洗脱剂，工艺简单方便，且不使用NaOH等物质就可以再生，并循环使用，节约了再生材料和洗脱剂的原料成本。

4.本发明所述的从柠檬酸发酵液中提纯柠檬酸的方法，可通过现有技术的诸多色谱分离方式予以实现，优选以模拟移动床色谱系统予以完成，通过控制通过进料口进入到模拟移动床色谱系统中柠檬酸发酵液所含有的柠檬酸浓度和残糖浓度与洗脱剂浓度相配合，并在特定柠檬酸发酵液流速和洗脱剂流速的配合下，使得纯化柠檬酸、残糖杂质持续的从萃取液出口和萃余液出口被分离出来，并能达到很高的分离效率；而且整个分离过程中不需要添加其他化学物质，不产生额外的废弃物，有利于保护环境。

附图说明

图1是本发明下述实施例中实现所述柠檬酸提纯工艺的模拟移动床色谱系统的工作流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一种从柠檬酸发酵液中提纯柠檬酸的方法做进一步的详细描述。

本发明下述各实施例中所述的从柠檬酸发酵液中提纯柠檬酸的方法通过图1所示的模拟移动床色谱系统进行，所述模拟移动床色谱系统的机构及控制途径详见公开号为CN1358707A的中国发明专利。

如图1所示，所述模拟移动床色谱系统是由至少4根的色谱柱串联连接成首尾连接的闭合系统；每根柱均有进料口、洗脱剂入口、萃取液出口、萃余液出口；所述模拟移动床色谱系统中所有串联的色谱柱分为四个区：

I区，位于洗脱剂入口和萃取液出口之间，在此区域柠檬酸被洗脱并由萃取液出口收集，树脂得到再生；

II区，位于萃取液出口和进料口之间，在此区域柠檬酸得到富集，残糖等杂质被洗脱至第III区；

III区，位于进料口和萃余液出口之间，在此区域柠檬酸被吸附，残糖等杂质被洗脱并由萃余液出口排出；

IV区，位于萃余液出口与洗脱剂入口之间，在此区域残糖等杂质被吸附，洗脱剂得到再生。

整个模拟移动床色谱系统用设有保温装置，保证床层在设定的温度之间；整个模拟移动床色谱系统采用电脑自动控制的方式来改变进料口、洗脱剂口、萃取液出口、萃余液出口的位置，从而实现进料、进洗脱液、出萃取液、出萃余液同时连续运行操作。

实施例1

本实施例中选用柠檬酸含量为40%（w/v）、残糖含量为5%（w/v）的柠檬酸发酵液，将其预热到40℃（工厂化连续生产中由于柠檬酸发酵液本身的温度就能达到温度要求，一般不需要特意加热）备用。

本实施例中选用浓度为0.5%（m/v）,温度为50℃的稀硫酸为洗脱剂。

选用D201×7MB型阴离子交换树脂，树脂为均粒树脂，离子交换容量为4.1mmol/g干基树脂，活化后将树脂按粒径为0.05mm、0.12mm、0.15mm、0.17mm、0.20mm、0.25mm、0.30mm、0.32mm、0.35mm、0.40mm和0.50mm分别装入内径为26mm色谱柱，分别得到8根床层高度均为70cm的阴离子交换树脂色谱柱，并按照四区模拟移动床进行排布，每区2根色谱柱，通过循环水系统将色谱柱温度恒定为50℃。

控制粒径大小为0.05mm、0.12mm、0.15mm、0.17mm和0.20mm的色谱柱中洗脱剂流速为10cm/min，柠檬酸发酵液流速为7cm/min；

控制粒径大小为0.25mm、0.30mm、0.32mm、0.35mm、0.40mm和0.50mm的色谱柱中洗脱剂流速为85cm/min，柠檬酸发酵液流速为50cm/min。

控制柠檬酸发酵液、洗脱剂的截面积流速，控制模拟移动床阀门切换时间，并在如图1所示的萃取口位置收集纯化后的柠檬酸溶液，在萃余口位置收集残糖废液。

根据柠檬酸发酵液中残糖浓度、柠檬酸浓度、进料量以及纯化后柠檬酸溶液中残糖浓度、柠檬酸溶液稀释倍数分别计算出经过阴离子交换树脂分离后，易碳化物去除率和柠檬酸收率，其中柠檬酸溶液稀释倍数是指：料液中柠檬酸浓度与萃取液中柠檬酸浓度的比值。如表1所示，其中残糖含量用易碳化合物含量表示。

表1：在不同粒径条件下稀释倍数、易碳化合物去除率和柠檬酸收率

实施例2

本实施例中选用柠檬酸含量为30%（w/v）、残糖含量为5%（w/v）的柠檬酸发酵液，将其预热到70℃备用。

本实施例中选用浓度为0.01%（m/v）,温度为65℃的稀硫酸为洗脱剂。

选用D201型阴离子交换树脂，树脂为均粒树脂，离子交换容量为3.4mmol/g干基树脂，活化后将树脂按粒径为0.05mm、0.12mm、0.15mm、0.17mm、0.20mm、0.25mm、0.30mm、0.32mm、0.35mm、0.40mm和0.50mm分别装入内径为26mm色谱柱，分别得到8根床层高度均为70cm的阴离子交换树脂色谱柱，并按照四区模拟移动床进行排布，每区2根色谱柱，通过循环水系统将色谱柱温度恒定为65℃。

控制粒径大小为0.05mm、0.12mm、0.15mm、0.17mm和0.20mm的色谱柱中洗脱剂流速为3cm/min，柠檬酸发酵液流速为1cm/min；

控制粒径大小为0.25mm、0.30mm、0.32mm、0.35mm、0.40mm和0.50mm的色谱柱中洗脱剂流速为45cm/min，柠檬酸发酵液流速为30cm/min。

控制柠檬酸发酵液、洗脱剂的截面积流速，控制模拟移动床阀门切换时间，并在如图1所示的萃取口位置收集纯化后的柠檬酸溶液，在萃余口位置收集残糖废液。

根据柠檬酸发酵液中残糖浓度、柠檬酸浓度、进料量以及纯化后柠檬酸溶液中残糖浓度、柠檬酸溶液稀释倍数分别计算出经过阴离子交换树脂分离后，易碳化物去除率和柠檬酸收率，其中柠檬酸溶液稀释倍数是指：料液中柠檬酸浓度与萃取液中柠檬酸浓度的比值。如表2所示，其中残糖含量用易碳化合物含量表示。

表2：在不同粒径条件下稀释倍数、易碳化合物去除率和柠檬酸收率

实施例3

本实施例中选用柠檬酸含量为55%（w/v）、残糖含量为10%（w/v）的柠檬酸发酵液，将其预热到40℃备用。

本实施例中选用浓度为0.2%（m/v）,温度为35℃的稀硫酸为洗脱剂。

选用70A型阴离子交换树脂，树脂为均粒树脂，离子交换容量为3.7mmol/g干基树脂，活化后将树脂按粒径为0.05mm、0.12mm、0.15mm、0.17mm、0.20mm、0.25mm、0.30mm、0.32mm、0.35mm、0.40mm和0.50mm分别装入内径为26mm色谱柱，分别得到8根床层高度均为70cm的阴离子交换树脂色谱柱，并按照四区模拟移动床进行排布，每区2根色谱柱，通过循环水系统将色谱柱温度恒定为35℃。

控制粒径大小为0.05mm、0.12mm、0.15mm、0.17mm和0.20mm的色谱柱中洗脱剂流速为20cm/min，柠檬酸发酵液流速为12cm/min；

控制粒径大小为0.25mm、0.30mm、0.32mm、0.35mm、0.40mm和0.50mm的色谱柱中洗脱剂流速为100cm/min，柠檬酸发酵液流速为46cm/min。

控制柠檬酸发酵液、洗脱剂的截面积流速，控制模拟移动床阀门切换时间，并在如图1所示的萃取口位置收集纯化后的柠檬酸溶液，在萃余口位置收集残糖废液。

根据柠檬酸发酵液中残糖浓度、柠檬酸浓度、进料量以及纯化后柠檬酸溶液中残糖浓度、柠檬酸溶液稀释倍数分别计算出经过阴离子交换树脂分离后，易碳化物去除率和柠檬酸收率，其中柠檬酸溶液稀释倍数是指：料液中柠檬酸浓度与萃取液中柠檬酸浓度的比值。如表3所示，其中残糖含量用易碳化合物含量表示。

表3：在不同粒径条件下稀释倍数、易碳化合物去除率和柠檬酸收率

实施例4

本实施例中选用柠檬酸含量为20%（w/v）、残糖含量为2%（w/v）的柠檬酸发酵液，将其预热到50℃备用。

本实施例中选用浓度为0.4%（m/v）,温度为45℃的稀硫酸为洗脱剂。

选用D815II型阴离子交换树脂，树脂为均粒树脂，离子交换容量为3.9mmol/g干基树脂，活化后将树脂按粒径为0.05mm、0.12mm、0.15mm、0.17mm、0.20mm、0.25mm、0.30mm、0.32mm、0.35mm、0.40mm和0.50mm分别装入内径为26mm色谱柱，分别得到8根床层高度均为70cm的阴离子交换树脂色谱柱，并按照四区模拟移动床进行排布，每区2根色谱柱，通过循环水系统将色谱柱温度恒定为45℃。

控制粒径大小为0.05mm、0.12mm、0.15mm、0.17mm和0.20mm的色谱柱中洗脱剂流速为15cm/min，柠檬酸发酵液流速为8cm/min；

控制粒径大小为0.25mm、0.30mm、0.32mm、0.35mm、0.40mm和0.50mm的色谱柱中洗脱剂流速为60cm/min，柠檬酸发酵液流速为43cm/min。

控制柠檬酸发酵液、洗脱剂的截面积流速，控制模拟移动床阀门切换时间，并在如图1所示的萃取口位置收集纯化后的柠檬酸溶液，在萃余口位置收集残糖废液。

根据柠檬酸发酵液中残糖浓度、柠檬酸浓度、进料量以及纯化后柠檬酸溶液中残糖浓度、柠檬酸溶液稀释倍数分别计算出经过阴离子交换树脂分离后，易碳化物去除率和柠檬酸收率，其中柠檬酸溶液稀释倍数是指：料液中柠檬酸浓度与萃取液中柠檬酸浓度的比值。如表4所示，其中残糖含量用易碳化合物含量表示。

表4：在不同粒径条件下稀释倍数、易碳化合物去除率和柠檬酸收率

显然，上述实施例仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (11)

1.一种从柠檬酸发酵液中提纯柠檬酸的方法，其特征在于，包括利用阴离子交换树脂色谱系统，对含柠檬酸发酵液进行层析分离以去除残糖并得到纯化柠檬酸的步骤，且所述阴离子交换树脂的粒径为0.15-0.35mm。

2.根据权利要求1所述的从柠檬酸发酵液中提纯柠檬酸的方法，其特征在于：所述阴离子交换树脂的粒径为0.2-0.3mm。

3.根据权利要求1或2所述的从柠檬酸发酵液中提纯柠檬酸的方法，其特征在于：所述阴离子交换树脂选自树脂骨架交联聚苯乙烯系、交联聚甲基丙烯酸系、酚醛系、环氧系、脲醛系或氯乙烯系结构之一，且离子交换基团为-NH₂、-NHR、-NR₂之一的阴离子交换树脂。

4.根据权利要求3所述的从柠檬酸发酵液中提纯柠檬酸的方法，其特征在于：所述阴离子交换树脂的离子交换容量大于3.4mmol/g干基树脂。

5.根据权利要求4所述的从柠檬酸发酵液中提纯柠檬酸的方法，其特征在于：所述阴离子交换树脂为凝胶型和/或大孔型。

6.根据权利要求1-5任一所述的从柠檬酸发酵液中提纯柠檬酸的方法，其特征在于：所述利用阴离子交换树脂色谱系统对含柠檬酸发酵液进行层析分离的步骤中，所用洗脱剂为质量浓度为0.01-0.5%的硫酸水溶液。

7.根据权利要求1-6任一所述的从柠檬酸发酵液中提纯柠檬酸的方法，其特征在于：所述利用阴离子交换树脂色谱系统进行层析分离步骤的操作温度为35-70℃。

8.根据权利要求6或7所述的从柠檬酸发酵液中提纯柠檬酸的方法，其特征在于：所述利用阴离子交换树脂色谱系统进行层析分离步骤中，所述含柠檬酸发酵液的截面积流速为1-50cm/min；所述洗脱剂的截面积流速为1-100cm/min。

9.根据权利要求1-8任一项所述的从柠檬酸发酵液中提纯柠檬酸的方法，其特征在于：所述含柠檬酸发酵液中，柠檬酸的浓度为20-55%(w/v)，残糖的浓度为2-10%(w/v)。

10.根据权利要求1-9任一所述的从柠檬酸发酵液中提纯柠檬酸的方法，其特征在于：所述利用阴离子交换树脂色谱系统进行层析分离的步骤通过模拟移动床色谱系统进行。

11.根据权利要求1-10任一所述的从柠檬酸发酵液中提纯柠檬酸的方法提纯得到的柠檬酸。