CN111454306B - 一种氨糖的环保型分离提纯方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于生物化工领域，公开了一种氨糖的环保型分离提纯方法。本发明提出的氨糖的环保型分离提纯方法主要是将氨糖发酵液通过陶瓷膜处理装置、特种反渗透膜装置、分阶段顺序模拟移动床色谱系统、活性炭脱色处理后，制得高浓度、高纯度的氨糖组分溶液，然后蒸发结晶制得氨糖产品和结晶母液，并将结晶母液回收再次处理。本发明采用陶瓷膜处理装置进行杂质颗粒、菌丝体和大分子化合物杂质的初步分离，用特种反渗透膜装置进行浓缩，活性炭脱色，减少后续分离提纯的处理量，降低能耗，降低色谱系统工程规模；用分阶段顺序模拟移动床色谱系统实现氨糖与无机盐、有机盐、低聚糖、色素、单糖、双糖、多肽和核苷酸等多组分杂质的分离。
Description
技术领域
本发明属于生物化工领域，具体涉及一种氨糖的环保型分离提纯方法。
背景技术
氨基葡萄糖(2-amino-2-deoxy-D-glucose，GlcN)俗称氨基糖，简称氨糖，是一种重要的氨基己糖，由葡萄糖的一个羟基被氨基取代形成，易溶于水及亲水性溶剂。通常以N-乙酰基衍生物(如甲壳素)或以N-硫酸酯和N-乙酰-3-O-乳酸醚(胞壁酸)形式存在于微生物、动物来源的多糖和结合多糖中。
N-乙酰氨基葡萄糖，中文别名N-乙酰-D-氨基葡萄糖，英文名称N-acetyl-D-(+)-glucosamine，是分子式C8H15NO6，分子量221.21，比旋光度42°。在临床上是治疗风湿性及类风湿性关节炎的药物，也可以作为食品抗氧化剂及婴幼儿食品添加剂，糖尿病患者甜味剂。主要用于临床增强人体免疫系统的功能，抑制癌细胞或纤维细胞的过度生长，对癌症和恶性肿瘤起到抑制和治疗作用；对于各种炎症，能起到有效的治疗，对骨关节炎及关节疼痛也有治疗作用。
因为氨基葡萄糖是糖胺多糖(粘多糖)的前体，而N-乙酰-D-氨基葡萄糖是治疗关节软骨的主要成分，所以氨基葡萄糖常被用于骨关节炎的辅助治疗。
生产GlcN的方法主要有3种，即酸水解法、酶解法及微生物发酵法。前两种方法的生产原料基本上来源于虾蟹的外骨骼，即从虾蟹壳中提取甲壳素与壳聚糖，再经酸解或酶解获得GlcN。高浓度的盐酸在一定的反应条件下能够将虾蟹壳中的甲壳素与壳聚糖降解为GlcN，但由于浓盐酸的大量使用会带来严重的环境问题，将逐步受到国家相关政策的限制；酶解法是利用壳聚糖酶对虾蟹壳进行降解，现在面临的最大问题是生产效率低下，表现为壳聚糖酶价格较高、转化时间较长及生产成本较高。且来源于虾蟹壳的GlcN在临床应用过程中会引起过敏体质患者的过敏反应。所以微生物发酵法生产GlcN得到了越来越多研究者的关注。相较于酸水解法与酶解法，微生物发酵法生产GlcN消除了地域季节对原料来源的限制，产品无鱼腥味；生产周期短，强度高；对环境污染较小；不产生过敏反应等。
中国专利(CN106188167B)公开了从氨糖发酵中分离提取N-乙酰-D-氨基葡萄糖和D-氨基葡萄糖的方法，将发酵液依次经过微滤、超滤和反渗透过滤后，进行蒸发、结晶制得产品。但在实际过滤过程中，杂质颗粒容易堵塞超滤滤芯，使用寿命短，需要频繁更换滤芯，而且一旦发生堵塞，需要将使用中的滤芯整批从机器上卸下之后进行更换，增加生产成本，影响生产进度。而专利中所述微滤、超滤和反渗透方法实际上都无法使发酵液中的氨糖与占大部分杂质组分的无机盐、有机盐、单糖、双糖、核苷酸等进行分离。
本发明采用陶瓷膜处理装置进行杂质颗粒、菌丝体和大分子化合物杂质的初步分离，用一次膜浓缩技术进行浓缩，减少后续分离提纯的处理量，降低色谱系统工程规模；用分阶段顺序模拟移动床色谱系统实现氨糖与其他杂质组分的分离，获得高纯度的氨糖精制液。该色谱系统能将进料、进水、多组分出料收集各阶段的同时连续运行操作；此外，在色谱分离装置之后，采用了活性炭脱色处理和二次膜浓缩技术浓缩分离后的氨糖组分，降低蒸发浓缩处理量，减少能耗，提高氨糖产品的纯度和浓度。
本发明在采用陶瓷膜处理装置后还增加了膜脱色技术，使得前期预处理效果更好，避免和保护色谱分离树脂受色素的吸附污染，降低后期活性炭脱色的处理量，节约能耗，降低成本。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种氨糖的环保型分离提纯方法。本发明的分离提纯工艺过程中能将蒸发浓缩量压缩到最小，降低能耗；由于在分离提纯时未添加任何化学品，因此分离出氨糖组分后的发酵液，可以在农作物生长中作为肥料使用，无额外三废排放；分离提纯过程的氨糖产品收率＞90％。
本发明提供一种氨糖的环保型分离提纯方法，包括N-乙酰-氨基葡萄糖和氨基葡萄糖的分离提纯方法，具体步骤为：
(1)先将氨糖发酵液通过预处理技术去除大颗粒杂质、菌丝体和大分子化合物杂质得到粗提液；
(2)通过一次膜浓缩处理技术将步骤(1)中所述的粗提液进行浓缩，增加其含固量浓度，减少其体积，得到浓缩粗提液；降低后续色谱分离装置规模，减少色谱工程设备投入和降低生产成本；
(3)使用色谱分离技术将(2)中所述的浓缩粗提液中的氨糖与其他杂质组分分离，获得高纯度的氨糖精制液；
(4)将步骤(3)中所述的氨糖精制液经过活性炭脱色处理方法提纯；
(5)再经过二次膜浓缩技术，将步骤(4)中所述的氨糖精制液进行浓缩，制得高浓度、高纯度的氨糖组分溶液；
(6)将步骤(5)中所述的高浓度、高纯度的氨糖组分溶液蒸发浓缩后，冷却结晶，得到合格的氨糖产品和结晶母液；
(7)将步骤(6)中所述的结晶母液与步骤(2)中所述的浓缩粗提液合并，进行再次色谱分离提纯。
其中，所述预处理技术采用陶瓷膜处理装置；其中，所述陶瓷膜处理装置中陶瓷膜的材料为氧化铝、氧化锆、氧化钛和氧化硅中的一种或几种。
此外，所述陶瓷膜孔径规格为0.1μm～1.8μm。
此外，所述一次膜浓缩技术和二次膜浓缩处理技术均采用特种反渗透膜装置；
其中，步骤(2)中运用所述特种反渗透膜装置，将所述浓缩粗提液的折光浓度提高到28～35％，降低后续色谱分离装置的规模；正常的反渗透装置在压力50Kg，温度80℃条件下，仅能够浓缩到折光20～23％；
步骤(5)中运用所述特种反渗透膜处理装置，将所述高浓度的氨糖组分溶液的折光浓度提高到28～35％，以降低后续蒸发浓缩的处理量，减少蒸汽消耗量，降低成本。
此外，所述特种反渗透膜处理装置中的反渗透膜为醋酸纤维素膜、芳香族聚酰肼膜或芳香族聚酰胺膜。
此外，所述反渗透膜的孔径为＜10-4μm，能够耐70℃～75℃高温，和30Kg～35Kg高压。
此外，所述色谱分离技术采用分阶段顺序模拟移动床色谱系统，在所述分阶段顺序模拟移动床色谱系统内与氨糖分离的其他杂质组分主要为无机盐、有机盐、低聚糖、色素、单糖、双糖、多肽和核苷酸等杂质组分中的一种或几种。
此外，所述分阶段顺序模拟移动床色谱系统分为进料、组分出料和循环分离数个运行阶段，采用自动控制的方式来改变和分配进液口、进水口和各组分出口的位置，根据需要分离的组分数目配置色谱柱数量，从而实现进料、进水、多组分出料收集各阶段的同时连续运行操作。
此外，所述色谱分离系统内采用三甲胺基团-RN+(CH3)3OH-碱性聚苯乙烯均孔色谱树脂，其活性基团的电离常数(pK值)控制在12.5～13.5范围内。
本发明还提供一种氨糖的环保型分离提纯方法，具体步骤如下：
(1)先将氨糖发酵液通过陶瓷膜处理装置去除大颗粒杂质、菌丝体和大分子化合物杂质，再经过膜脱色装置以去除色素，得到粗提液；
(2)通过特种反渗透膜装置将步骤(1)中所述的粗提液进行浓缩，增加其含固量浓度，减少其体积，得到浓缩粗提液；降低后续色谱分离装置规模，减少色谱工程设备投入和降低生产成本；
(3)使用分阶段顺序模拟移动床色谱系统分离步骤(2)中所述的浓缩粗提液中的氨糖与其他杂质组分，获得高纯度的氨糖精制液；
(4)将步骤(3)中所述的氨糖精制液经过活性炭脱色处理方法提纯；
(5)再经过特种反渗透膜装置，将步骤(4)中所述的氨糖精制液进行浓缩，制得高浓度、高纯度的氨糖组分溶液；
(6)将步骤(5)中所述的高浓度的氨糖组分溶液蒸发浓缩后，冷却结晶，得到合格的氨糖产品和结晶母液；
(7)将步骤(6)中所述的结晶母液与步骤(2)中所述的浓缩粗提液合并，进行再次色谱分离提纯。
本发明的氨基葡萄糖的分离提纯方法操作工艺简单，分离步骤少，生产成本低，生产能耗小，而且不添加任何化学品，无三废排放；氨糖产品收率达到90％以上。
具体发明内容
下面结合具体实施方式进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
(1)先将含量为45％、折光浓度为9.5％的氨糖发酵液通过材质为氧化铝、孔径为1.5μm的陶瓷膜处理装置去除大颗粒杂质、菌丝体和大分子化合物杂质得到含量为52％、折光浓度为8％的氨糖发酵粗提液；
(2)然后经过特种反渗透膜处理装置，其中反渗透膜材质为芳香族聚酰胺膜，孔径＜10-4μm，能够耐70℃高温和30Kg高压，将含量为52％、折光浓度为8％的氨糖发酵粗提液进行浓缩，得到折光浓度为28％浓缩粗提液，增加其含固量浓度，减少其体积，以降低所述后续色谱分离装置的处理量，减小色谱装置规模，减低生产成本；
(3)用分阶段顺序模拟移动床色谱系统将折光浓度为28％浓缩粗提液中的氨糖组分与无机盐、有机盐、低聚糖、色素、单糖、双糖、多肽和核苷酸等杂质组分进行分离，该分阶段顺序模拟移动床色谱系统采用自动控制的方式来改变和分配进液口、进水口和各组分出口的位置，根据需要分离的组分数目配置色谱柱数量为6根，其中，该色谱分离系统内采用三甲胺基团-RN+(CH3)3OH-碱性聚苯乙烯均孔色谱树脂，其活性基团的电离常数(pK值)控制在～13，从而实现进料、进水、多组分出料收集各阶段的同时连续运行操作，获得折光浓度为13％、含量为92％的高纯度氨糖精制液；
(4)再将折光浓度为13％、含量为92％的高纯度氨糖精制液经过活性炭脱色处理提纯；
(5)经过特种反渗透膜处理装置，将步骤(4)中得到的高纯度氨糖精制液进行浓缩，制得折光浓度为28％的高浓度、高纯度的氨糖组分溶液，以降低后续蒸发浓缩的处理量，大大降低蒸汽消耗，降低成本；
(6)将步骤(5)中得到的折光浓度为28％的高浓度、高纯度的氨糖组分溶液通过蒸发浓缩后进行结晶得到纯度为98.6％的合格饲料级氨糖产品；
(7)将结晶母液与步骤(2)中所述的浓缩粗提液合并，与粗提液合并进行再次色谱分离提纯处理。
实施例2
(1)先将含量为45％、折光浓度为9.5％的氨糖发酵液通过材质为氧化锆、孔径为0.6μm陶瓷膜处理装置去除大颗粒杂质、菌丝体和大分子化合物杂质得到含量为54％、折光浓度为7.5％的氨糖发酵粗提液；
(2)然后经过特种反渗透膜处理装置，其中反渗透膜材质为芳香族聚酰胺膜，孔径＜10-4μm，能够耐70℃高温和30Kg高压，将含量为54％、折光浓度为7.5％的氨糖发酵粗提液进行浓缩，得到折光浓度为29％浓缩粗提液，增加其含固量浓度，减少其体积，以降低所述后续色谱分离装置的处理量，减小色谱装置规模，减低生产成本；
(3)用分阶段顺序模拟移动床色谱系统将折光浓度为29％浓缩粗提液中的氨糖组分与无机盐、有机盐、低聚糖、色素、单糖、双糖、多肽和核苷酸等杂质组分进行分离，该分阶段顺序模拟移动床色谱系统采用自动控制的方式来改变和分配进液口、进水口和各组分出口的位置，配置的色谱柱数量为8根，其中，该色谱分离系统内采用三甲胺基团-RN+(CH3)3OH-碱性聚苯乙烯均孔色谱树脂，其活性基团的电离常数(pK值)控制在～13.3，从而实现进料、进水、多组分出料收集各阶段的同时连续运行操作，获得折光浓度为12％、含量为94.8％的高纯度氨糖精制液；
(4)再将折光浓度为12％、含量为94.8％的高纯度氨糖精制液经过活性炭脱色处理提纯；
(5)经过特种反渗透膜处理装置，将步骤(4)中得到的高纯度氨糖精制液进行浓缩，制得折光浓度为29.5％的高浓度、高纯度的氨糖组分溶液，以降低后续蒸发浓缩的处理量，大大降低蒸汽消耗，降低成本；
(6)将步骤(5)中得到的折光浓度为29.5％的高浓度、高纯度的氨糖组分溶液通过蒸发浓缩后进行结晶得到纯度为99.5％的合格食品级氨糖产品；
(7)将结晶母液与步骤(2)中所述的浓缩粗提液合并，与粗提液合并进行再次色谱分离提纯处理。
实施例3
(1)先将含量为49％，折光浓度为10.2％的氨糖发酵液通过孔径0.3μm的氧化硅陶瓷膜处理装置去除杂质颗粒、菌丝体和大分子杂质得到含量为56％，折光浓度为8.7％的氨糖发酵粗提液；
(2)再经过分子量为3000的超滤脱色膜装置，去除(以分光光度计在520nm处测定)其中93％的色素；
(3)然后经过特种反渗透膜处理装置，材质为芳香族聚酰肼膜，孔径＜8-4μm，能够耐75℃高温和35Kg高压的反渗透膜；将所述粗提液进行浓缩，达到折光浓度30％，降低后续色谱分离装置的处理量；
(4)用分阶段顺序模拟移动床色谱系统，配置的色谱柱数量为10根，将氨糖组分与无机盐、有机盐、低聚糖、色素、单糖、双糖、多肽和核苷酸等其他杂质组分进行分离，获得折光浓度为15.5％，含量为96.5％的高纯度的氨糖精制液；
(5)再将所述氨糖精制液经过活性炭脱色处理提纯；
(6)经过特种反渗透膜处理装置，将所述氨糖精制液进行浓缩，制得折光浓度为30％的高浓度、高纯度的氨糖组分溶液，以降低后续蒸发浓缩的处理量，大大降低蒸汽消耗，降低成本；
(7)通过蒸发浓缩后进行结晶得到纯度≥99.8％的合格药品级氨糖产品；
(8)将结晶母液回收至所述色谱分离装置，与粗提液合并再次进行色谱分离提纯处理。
以上所述，仅为本发明的优选实施方式，并非对本发明总体构想和保护范围进行限定。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种氨糖的环保型分离提纯方法，其特征在于，所述氨糖的环保型分离提纯方法包括N-乙酰-氨基葡萄糖和氨基葡萄糖的分离提纯方法，具体步骤如下：
(1)先将氨糖发酵液通过预处理技术去除大颗粒杂质、菌丝体和大分子化合物杂质得到粗提液；
(2)通过一次膜浓缩处理技术将步骤(1)中所述的粗提液进行浓缩，增加其含固量浓度，减少其体积，得到浓缩粗提液；降低后续色谱分离装置规模，减少色谱工程设备投入和降低生产成本，所述一次膜浓缩处理技术采用特种反渗透膜装置，将所述浓缩粗提液的折光浓度提高到 28～35%；
(3)使用色谱分离技术将(2)中所述的浓缩粗提液中的氨糖与其他杂质组分分离，获得高纯度的氨糖精制液；
所述色谱分离技术采用分阶段顺序模拟移动床色谱系统，在所述分阶段顺序模拟移动床色谱系统内与氨糖分离的其他杂质组分主要为无机盐、有机盐、低聚糖、色素、单糖、双糖、多肽和核苷酸中的一种或几种；
所述分阶段顺序模拟移动床色谱系统内采用三甲胺基团-RN+(CH3)3OH-碱性聚苯乙烯均孔色谱树脂，其活性基团的电离常数控制在12.5～13.5范围内；
(4)将步骤(3)中所述的氨糖精制液经过活性炭脱色处理方法提纯；
(5)再经过二次膜浓缩技术，将步骤(4)中所述的氨糖精制液进行浓缩，制得高浓度、高纯度的氨糖组分溶液，所述二次膜浓缩处理技术采用特种反渗透膜装置，将所述氨糖组分溶液的折光浓度提高到 28～35%，以降低后续蒸发浓缩的处理量，减少蒸汽消耗量，降低成本；
(6)将步骤(5)中所述的高浓度、高纯度的氨糖组分溶液蒸发浓缩后，冷却结晶，得到合格的氨糖产品和结晶母液；
(7)将步骤(6)中所述的结晶母液与步骤(2)中所述的浓缩粗提液合并，进行再次色谱分离提纯；
其中，步骤（2）和步骤（5）中所述特种反渗透膜处理装置中的反渗透膜为醋酸纤维素膜、芳香族聚酰肼膜或芳香族聚酰胺膜。
2.根据权利要求1所述的氨糖的环保型分离提纯方法，其特征在于，所述预处理技术采用陶瓷膜处理装置；其中，所述陶瓷膜处理装置中陶瓷膜的材料为氧化铝、氧化锆、氧化钛和氧化硅中的一种或几种。
3.根据权利要求2所述的氨糖的环保型分离提纯方法，其特征在于，所述陶瓷膜孔径规格为0.1μm～1.8μm。
4.根据权利要求1所述的氨糖的环保型分离提纯方法，其特征在于，所述反渗透膜的孔径为＜10-4μm，能够耐70℃～75℃高温、30Kg～35Kg高压。
5.根据权利要求1所述的氨糖的环保型分离提纯方法，其特征在于，所述分阶段顺序模拟移动床色谱系统分为进料、组分出料和循环分离数个运行阶段，采用自动控制的方式来改变和分配进液口、进水口和各组分出口的位置，根据需要分离的组分数目配置色谱柱数量为4根～10根，从而实现进料、进水、多组分出料收集各阶段的同时连续运行操作。
6.根据权利要求1～5中任意一项所述的氨糖的环保型分离提纯方法，其特征在于，所述预处理技术还包括膜脱色装置以去除色素。
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