CN104861005B - 一种氨糖的电场和流场耦合调控纳滤分离方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种氨糖的电场和流场耦合调控纳滤分离方法，将待分离的氨基葡萄糖盐酸盐或硫酸盐和N‑乙酰氨基葡萄糖以任意比例形成的混合物配制成质量百分比浓度为1％‑40％的水溶液，采用电场和流场耦合调控策略进行纳滤分离，纳滤分离的条件为：膜材料荷电或电中性，膜外侧和芯侧加装可调、可反电极，两端电极可接直流或交流电；操作压力范围控制在1bar～45bar，膜表面流速控制在1m/s～10m/s，溶液温度控制在1℃～55℃，溶液pH控制在1～9。本发明具有分离效率高、经济性好、操作简单、环境友好等优点。

Description

一种氨糖的电场和流场耦合调控纳滤分离方法

技术领域

本发明属于糖和分离工程领域，涉及一种氨糖与其他中性单糖的纳滤膜分离方法，尤其是一种通过电场和流场耦合调控的氨糖纳滤分离方法。

背景技术

糖是世界上最丰富的有机化合物，以纤维素、半纤维素和甲壳素等形式存在于自然界的动、植物和微生物中。糖类是人类赖以生存的重要结构和功能活性物质，糖类研究和生产在食品、医药、发酵等工业中意义重大、地位重要。由于糖分子在区域选择性控制和立体构型、构象上复杂、多样的特殊性，使得糖类化合物的设计、制备、分离与表征都困难重重。

氨糖(D-氨基葡萄糖、氨基葡萄糖，Glucosamine)对人体具有重要的生理功能，参与肝肾解毒，发挥抗炎护肝作用，对治疗风湿性关节炎症和胃溃疡有良好的疗效，是合成抗生素和抗癌药物的主要原料，还可用于食品，化妆品和饲料添加剂中。

目前氨糖的生产方式主要通过甲壳素或壳聚糖的酸水解或酶水解获得，也可以通过生物发酵方法获得N-乙酰氨基葡萄糖后再成盐获得。然而，氨糖在提取、制备及纯化过程中，一般都伴存其他形式的氨糖或其衍生物，或者残留有未发酵利用的葡萄糖，在氨糖混合物中制备高纯度的氨糖的技术难度较大。目前对于氨糖的分离主要采用离子交换萃取，但是它需要在萃取平衡体系接近中性时才能达到较佳的萃取效果并且萃取完后可用强酸进行反萃才能回收溶剂和萃取剂的目的，这样就会使得萃取条件苛刻以及操作过程繁琐；通过膜分离技术分离上述混合糖，由于荷电性质及分子量或分子尺寸接近的因素，很难直接通过膜分离纯化。因此找到一种简单、快速、高效的分离方法成为必要。

申请号为CN02145402.7，公开号为CN1500796A的中国专利申请低聚糖的纯化方法公布了一种用纳滤纯化低聚糖的力法；用以解决之前技术中杂质单糖和二糖分离效果差、需用较多纯水、废水回收难、主产品回收率低等问题：将低聚木糖或异麦芽低聚糖糖浆通过纳滤膜处理，采用的操作压力为l-4兆帕，操作温度为20-70℃，透析水量的2-15倍，该发明基于单糖和低聚糖的分子量(分子尺寸)的不同，基于纳滤膜的分子尺寸不同产生的筛分效应将较小的单糖透过膜，较大的低聚糖截留纯化，该发明主要用于功能性低聚糖的纯化，要求待分离物质之间分子量差异要非常显著，而适合分离单糖这类的同分异构体或结构类似物，更不能应用于氨糖的分离。

申请号为CN201310006970.8，公开号为CN103059071A的中国专利申请一种单糖的纳滤分离方法，公开了本专利发明人前期的研究成果，提出了基于上述单糖之间各种物理性质差异和空间结构差异，通过纳滤膜的选择性、以及物料物性调控，可以将单糖同分异构体或各种结构和分子量相近或相似的单糖混合物进行分离的理论和方法。该技术尽管已经能够分离氨糖及其衍生物，但其分离度较低(低于20％)，未达到工业化应用所需要的分离度，需要进一步的针对氨糖类进行研究开发，以期使氨糖与其他单糖的分离度或分离效率达到50％以上，以适合工业化生产要求。

本发明通过对纳滤膜元件及装备进行电场和流场耦合调控设计，通过电场调控，结合纳滤膜的荷电特征和截留分子量特性，对氨糖和N-乙酰氨基葡萄糖或葡萄糖等低分子中性糖混合物溶液进行高效纳滤分离。本发明为将纳滤膜技术应用开拓了创新性思路、策略和工艺，也为电解质与非电解质混合物体系的纳滤分离提出了创新性策略、方法和依据。

发明内容

本发明的目的就是为了克服现有技术不能进行有效分离而提供一种效率高、经济性好、操作简单的氨糖纳滤分离方法。

本发明提供了一种氨糖的电场和流场耦合调控纳滤分离方法，其特征在于，将待分离混合物配制成质量百分比浓度为1％-40％的水溶液，将溶液通过纳滤系统，操作压力范围控制在1bar～45bar，膜表面流速控制在1m/s～10m/s，溶液温度控制在1℃～55℃，溶液pH控制在1～9，其中纳滤膜系统的纳滤膜为材料荷电或电中性纳滤膜材料，膜外侧和内侧加装可调、可反电极，电极可接交流或直流电。

所述的荷电可以荷正电，也可以荷负电。

较优的，操作压力范围为10bar～25bar。

较优的，膜表面流速控制在4m/s～5m/s。

较优的，溶液温度控制在25℃～35℃。

较优的，溶液pH控制在4.5～6.5。

所述的待分离氨糖混合物包括氨基葡萄糖盐和其他成分，其他成分为N-乙酰氨基葡萄糖或葡萄糖等低分子量中性糖。

所述氨基葡萄糖盐和其他成分的质量比为(1-3)：(1-2)。

所述的纳滤分离方法，其特征在于，所述膜外侧和内侧分别加装电极，且电极可反转、可调控，可接直流电，也可接交流电。

所述的纳滤分离方法，其特征在于，所述膜外侧和内侧电极电压差范围为1～250V。

所述的纳滤分离方法，其特征在于，所述的纳滤膜的截留分子质量为150Da～500Da，纳滤分离方式包括一级纳滤或多级纳滤，每一级的纳滤膜采用相同的或者不同特征的纳滤膜。其中，多级纳滤优选5-10级滤膜。

纳滤膜系统在使用过程中控制电极的条件为：根据纳滤系统的在线检测反馈的膜过滤通量、压力、浓度参数，系统自动按设定的程序，通过调频、倒极(电极反转)方式，调节加在电极两端的电压和电流、倒换电极正负(即反转倒换电极板电性)。如，当膜能量下降、膜跨膜压力升高、物料浓度升高等现象出现时，程序将自动相应提高两极间电压，并程序性波动调整电流，间隔性倒极，从而形成电场的程序波变调控，使场内电解质趋向于均匀分布，促进分离效率和提高膜通量。压力和流量等流场的相应调控，配合电场的程序控制，进一步优化了分离效率。

本发明通过对纳滤膜元件及装备进行电场和流场耦合调控设计，通过电场调控，结合纳滤膜的荷电特征和截留分子量特性，对氨糖和N-乙酰氨基葡萄糖或葡萄糖等低分子中性糖混合物溶液进行高效纳滤分离。用本发明的方法分离后，滤液侧得到N-乙酰氨基葡萄糖纯度为65％以上，浓缩侧得到氨基葡萄糖盐酸盐(或硫酸盐)纯度为65％以上。

本发明为将纳滤膜技术应用开拓了创新性思路、策略和工艺，也为电解质与非电解质混合物体系的纳滤分离提出了创新性策略、方法和依据。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1:

将氨基葡萄糖盐酸盐(或硫酸盐)和N-乙酰氨基葡萄糖按照1：2(w/w，质量比)混合，总糖百分比浓度10％(质量百分比浓度)，在膜面流速4m/s，压力10bar，温度25℃，pH＝4.5，使用荷正电纳滤膜，膜的截留分子量为250Da的条件下，两端加直流电，电压110V，且芯侧电极为阳极；经过10级膜分离过滤，滤液侧得到N-乙酰氨基葡萄糖纯度为98％糖浆产品，浓缩侧得到氨基葡萄糖盐酸盐(或硫酸盐)纯度95％的糖浆。

芯侧电极：由于纳滤膜是卷式膜，芯侧就是膜卷的中轴位置，而外侧指膜卷的外圆周侧。

实施例2：

将N-乙酰氨基葡萄糖和氨基葡萄糖硫酸盐(或盐酸盐)按照2：1(w/w)混合，总糖浓度1％(质量百分比浓度)，在膜面流速1m/s，压力1bar，温度35℃，pH＝8.3，使用荷负电纳滤膜，膜的截留分子量为500Da的条件下，两端加直流电，电压1V，且芯侧电极为阳极；经过5级膜分离过滤，滤液侧得到N-乙酰氨基葡萄糖纯度为78％糖浆产品，浓缩侧得到氨基葡萄糖盐酸盐(或硫酸盐)纯度65％的糖浆。

实施例3：

将氨基葡萄糖盐酸盐和氨基葡萄糖硫酸盐按照1：1(w/w)混合，总糖浓度40％(质量百分比浓度)，在膜面流速5m/s，压力25bar，温度35℃，pH＝4.5，使用荷正电纳滤膜，膜的截留分子量为500Da的条件下，两端加直流电，电压10V，且芯侧电极为阳极；经过6级膜分离过滤，滤液侧得到氨基葡萄糖盐酸盐纯度为85％糖浆，浓缩侧得到氨基葡萄糖硫酸盐纯度为60％糖浆产品。

实施例4：

将N-乙酰氨基葡萄糖和氨基葡萄糖盐酸盐按照3：1(w/w)混合，总糖浓度20％(质量百分比浓度)，在膜面流速10m/s，压力45bar，温度1℃，pH＝1，使用电中性纳滤膜，膜的截留分子量为150Da的条件下，两端加交流电，电压220V；经过5级膜分离过滤，滤液侧得到N-乙酰氨基葡萄糖纯度为90％糖浆产品，浓缩侧得到氨基葡萄糖盐酸盐纯度为85％糖浆。

实施例5：

将氨基葡萄糖盐酸盐(或硫酸盐)和N-乙酰氨基葡萄糖按照1：2(w/w)混合，总糖浓度15％(质量百分比浓度)，在膜面流速4m/s，压力10bar，温度35℃，pH＝9，使用荷正电纳滤膜，膜的截留分子量为250Da的条件下，两端加直流电，电压30V，且芯侧电极为阳极；经过5级膜分离过滤，滤液侧得到N-乙酰氨基葡萄糖纯度为90％糖浆产品，浓缩侧得到氨基葡萄糖盐酸盐(或硫酸盐)纯度75％的糖浆。

实施例6：

将N-乙酰氨基葡萄糖和氨基葡萄糖硫酸盐按照3：1(w/w)混合，总糖浓度30％(质量百分比浓度)，在膜面流速5m/s，压力16bar，温度20℃，pH＝6.5，使用荷负电纳滤膜，膜的截留分子量为250Da的条件下，两端加直流电，电压250V，且芯侧电极为阳极；经过5级膜分离过滤，滤液侧得到N-乙酰氨基葡萄糖纯度为95％糖浆产品，浓缩侧得到氨基葡萄糖硫酸盐纯度65％的糖浆。

实施例7：

将葡萄糖和氨基葡萄糖硫酸盐按照2：1(w/w)混合，总糖浓度30％(质量百分比浓度)，在膜面流速5m/s，压力25bar，温度25℃，pH＝4.5，使用荷负电纳滤膜，膜的截留分子量为250Da的条件下，两端加直流电，电压110V，且芯侧电极为阳极；经过1级膜分离过滤，滤液侧得到葡萄糖纯度为95％糖浆产品，浓缩侧得到氨基葡萄糖硫酸盐纯度95％的糖浆。

对比实施例1

将氨基葡萄糖盐酸盐(或硫酸盐)和N-乙酰氨基葡萄糖按照1：2(w/w)混合，总糖浓度10％(质量百分比浓度)，在膜面流速4m/s，压力10bar，温度25℃，pH＝4.5，使用荷正电纳滤膜，膜的截留分子量为250Da的条件下，经过10级膜分离过滤，滤液侧得到N-乙酰氨基葡萄糖纯度为69.8％糖浆产品(原混合液中浓度66.7％)，浓缩侧得到氨基葡萄糖盐酸盐(或硫酸盐)纯度31.5％的糖浆(原混合液中浓度33.3％)，即两种氨糖的纳滤分离率约为5％。

对比实施例2

将N-乙酰氨基葡萄糖和氨基葡萄糖硫酸盐(或盐酸盐)按照2：1(w/w)混合，总糖浓度1％(质量百分比浓度)，在膜面流速1m/s，压力1bar，温度35℃，pH＝8.3，使用荷负电纳滤膜，膜的截留分子量为500Da的条件下，经过5级膜分离过滤，滤液侧得到N-乙酰氨基葡萄糖纯度为66.8％糖浆产品，浓缩侧得到氨基葡萄糖盐酸盐(或硫酸盐)纯度33.2％的糖浆，即两种氨糖没有被分离(分离率低于1％)。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种氨糖的电场和流场耦合调控纳滤分离方法，按照下述步骤进行：将待分离混合物配制成质量百分比浓度为1％～40％的水溶液，将溶液通过纳滤膜系统，操作压力范围控制在1bar～45bar，膜表面流速控制在1m/s～10m/s，溶液温度控制在1℃～55℃，溶液pH控制在1～9，其中纳滤膜系统的纳滤膜材料荷电或电中性纳滤膜材料，膜外侧和芯侧加装可调、可反电极，电极可接交流或直流电，所述的待分离混合物包括氨基葡萄糖盐和其他成分，其他成分为N-乙酰氨基葡萄糖或葡萄糖。

2.根据权利要求1所述的一种氨糖的电场和流场耦合调控纳滤分离方法，其特征在于，所述氨基葡萄糖盐和其他成分的质量比为(1-3)：(1-2)。

3.根据权利要求1所述的一种氨糖的电场和流场耦合调控纳滤分离方法，其特征在于，所述操作压力范围为10bar～25bar。

4.根据权利要求1所述的一种氨糖的电场和流场耦合调控纳滤分离方法，其特征在于，所述膜表面流速控制在4m/s～5m/s。

5.根据权利要求1所述的一种氨糖的电场和流场耦合调控纳滤分离方法，其特征在于，所述溶液温度控制在25℃～35℃。

6.根据权利要求1所述的一种氨糖的电场和流场耦合调控纳滤分离方法，其特征在于，所述溶液pH控制在4.5～6.5。

7.根据权利要求1所述的一种氨糖的电场和流场耦合调控纳滤分离方法，其特征在于，所述膜外侧和芯侧分别加装电极，且电极可反转、可调控，可接直流电，也可接交流电。

8.根据权利要求1所述的一种氨糖的电场和流场耦合调控纳滤分离方法，其特征在于，所述膜外侧和芯侧电极电压差范围为1V～250V。

9.根据权利要求1所述的一种氨糖的电场和流场耦合调控纳滤分离方法，其特征在于，所述的纳滤膜的截留分子质量为150Da～500Da，纳滤分离方式包括一级纳滤或多级纳滤，每一级的纳滤膜采用相同的或者不同特征的纳滤膜。

10.据权利要求9所述的一种氨糖的电场和流场耦合调控纳滤分离方法，其特征在于，所述多级纳滤为5～10级滤膜。