CN111647027A - N-乙酰氨基葡萄糖的分离和纯化方法 - Google Patents

N-乙酰氨基葡萄糖的分离和纯化方法 Download PDF

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Abstract

本发明N‑乙酰氨基葡萄糖的分离和纯化方法，属于生物工程技术领域。本发明通过微生物发酵或者水解几丁质得到的含有N‑乙酰氨基葡萄糖的原料液，对原料液进行絮凝预处理，通过连续离心或压滤后去除微生物、蛋白质和多糖等悬浮固形物，获得澄清液。再经过双级离子交换层析去除带电荷的有机分子和无机盐等杂质。通过膜浓缩高效去除水分，提高目标产物的浓度。最后通过喷雾干燥或者进一步蒸发浓缩和结晶，最后干燥获得纯度超过99％的N‑乙酰氨基葡萄糖晶体。

Description

N-乙酰氨基葡萄糖的分离和纯化方法
技术领域
本发明涉及N-乙酰氨基葡萄糖的分离和纯化方法，属于生物工程技术领域。
背景技术
N-乙酰-D-氨基葡萄糖(GlcNAc)是一种葡萄糖的衍生物，白色粉末。在0℃水中的溶解度为140g/L，难溶于乙醇、丙醇等有机溶剂。理化性质稳定，熔点约为200℃。N-乙酰-D-氨基葡萄糖是几丁质的基本组成单位之一。广泛存在于人体、动物、植物和微生物中，在各类生物中发挥着重要的生理和结构作用。在人体中GlcNAc也是合成糖胺聚糖和双歧因子的重要前体。在临床上是治疗风湿性及类风湿性关节炎的药物，也是合成N-乙酰神经氨酸的前体物质。可以作为食品抗氧化剂和糖尿病患者甜味剂。因此在食品、药品及化妆品行业得到广泛应用。目前N-乙酰-D-氨基葡萄糖的合成以化学法为主。主要以酸水解几丁质的方法获得氨基葡萄糖盐酸盐，再利用醋酐乙酰化制备得到。由于N-乙酰-D-氨基葡萄糖用途广泛，市场前景广阔，已引起越来越多的研究者和市场投资者的兴趣。
绝大部分酵母菌、丝状真菌的细胞壁中和部分细菌细胞内存在着GlcNAc。它也是这些微生物氨糖代谢途径中的重要前体物质，对微生物的生长代谢起着至关重要的作用。GlcNAc和GlcN对修复和维持人体软骨健康具有重要功能。人体合成及代谢GlcNAc及GlcN能力随着年龄的增大而下降。因此补充GlcNAc及GlcN可以有效地防止人体软骨损伤，并有助于修复受损软骨和保持软骨健康。
目前GlcNAc的生产方法主要有三大类：化学法、酶法和微生物法。对于天然原料如虾蟹壳和真菌细胞壁，首先需要去除原料中存在的蛋白质、脂类、碳酸钙等杂质，得到几丁质。再通过酸水解或酶水解几丁质才能得到GlcNAc单体。虾蟹壳等原料受季节和地理条件的限制。采用化学法生产时需要消耗大量的无机酸，存在能耗大、对环境污染大的缺点。并且由于虾蟹类生物原料存在过敏原，可能会引起人体过敏反应。真菌细胞壁中也含有几丁质，但含量相对较少，且与细胞壁的其它成分如蛋白质、其它多糖、脂类物质结合紧密，分离提取工艺复杂。这些问题限制了化学法生产GlcNAc。
酶法主要是通过几丁质酶专一性水解几丁质，涉及的酶主要包括内切几丁质酶、外切几丁质酶和β-N-乙酰己糖胺酶。酶法合成具有环境污染小、能耗低的特点。但反应过程中涉及到多种酶的复合作用，过程复杂不易控制。酶的生产成本也比较高，限制了酶法在GlcNAc生产的大规模应用。
随着基因工程、代谢工程和合成生物学的快速发展，采用重组微生物合成GlcNAc的技术得到了快速发展。利用重组大肠杆菌、重组枯草芽孢杆菌等微生物可以直接利用葡萄糖合成GlcNAc，产物浓度甚至可以超过100g/L，这为GlcNAc的大规模产业化奠定了良好的基础。利用微生物发酵法生产GlcNAc具有优势：(1)原料对产物的转化率高，原料成本低；(2)发酵产物浓度高，生产过程的物耗和能耗都比较低；(3)发酵过程不受季节影响，生产周期短，适合大规模生产；(4)无需化学水解或酶水解，环境影响小，成本可大幅降低。因此这一生产路径受到越来越多的重视。
由于不同原料所含目标成分和杂质的种类、组成及含量千差万别，针对不同的GlcNAc提取原料，需要开发要相对应的GlcNAc提取工艺。因此目前关于GlcNAc的提取，无论是以微生物发酵液，还是虾蟹壳类为原料，反应液中都具有成分复杂的特征，现有的提取方法往往存在分离效率低、能耗高、环境污染大等缺点。
例如，中国专利ZL2016112278411、发明名称为“一种脱乙酰基耦合吸附分离D-氨基葡萄糖盐酸盐的方法”公开了一种脱乙酰氨基葡萄糖的提取工艺。采用了陶瓷膜过滤去除微生物菌体、活性炭脱色、阳、阴柱除杂和浓缩的工艺。但存在提取周期长，微滤膜除菌体过程中会导致目标产物浓度稀释、固渣和废水量大、膜组件易堵塞、设备投资和维护成本高等不足。
又如，申请号为CN2016100641584、发明名称为“基于微生物发酵的N-乙酰-D-氨基葡萄糖的制备方法”的专利申请公开了一种通过膜过滤、活性炭脱色和壳聚糖絮凝对发酵液进行预处理，再经过离交、浓缩和醇提的工艺，获得N-乙酰-D-氨基葡萄糖。但存在工艺路线复杂、有机溶消耗大、能耗高，溶剂易爆、生产风险高等不足。
又如，申请号为CN2018103088811、发明名称为“高纯度N-乙酰-D氨基葡萄糖的制备方法”公开了一种利用陶瓷超滤膜除杂、活性炭脱色、电渗析脱盐、蒸发浓缩结晶、真空干燥的提取方法。该方法所用的原料为配制的N-乙酰-D氨基葡萄糖粗提物，原料中的产物纯度已经比较高，提取过程存在固渣和废水量大、膜组件易堵塞、设备投资和维护成本高等不足。
发明内容
针对现有技术中存在的诸如提取工艺中设备投资高、能耗高、对环境污染强等缺陷，本发明提出了一种环境友好的N-乙酰氨基葡萄糖的分离和纯化方法，该方法以富含N-乙酰氨基葡萄糖的发酵液或者几丁质的酶水解液为原料，能够高效提取获得N-乙酰-氨基葡萄糖固体粉末和/或高纯度晶体。
本发明的目的是提供一种N-乙酰氨基葡萄糖的制备方法，该方法以含有N-乙酰氨基葡萄糖的溶液为原料，依次对原料液进行絮凝、固液分离、双级离子交换层析和干燥处理，获得纯度≥99％的N-乙酰氨基葡萄糖晶体，也可以获得浓度为20-50％的高纯度N-乙酰氨基葡萄糖浓缩液或悬浊液。
在一种实施方式中，所述方法包括如下步骤：
(1)向含有N-乙酰氨基葡萄糖的溶液中加入絮凝剂进行絮凝；
(2)将步骤(1)絮凝后的溶液进行固液分离，获得清液和固渣；
(3)对步骤(2)固液分离后的清液进行离子交换处理；所述离子交换为双级离子交换层析，包括第一离子交换柱和第二离子交换柱；
(4)对步骤(3)处理后的溶液进行浓缩处理，再将浓缩后的液体产品进行干燥；或将步骤(3)处理的溶液直接进行干燥；
在一种实施方式中，所述固液分离可采用连续离心或压滤；所述压滤采用板框过滤。
在一种实施方式中，所述双级离子交换处理是利用离子交换树脂吸附杂质，收集未被离子交换树脂吸附而流出的液体。
在一种实施方式中，步骤(1)中所述含有N-乙酰氨基葡萄糖的溶液可以是微生物发酵所得，也可以是酶水解含有几丁质的生物原料所得，也可以是化学水解含有几丁质的原料所得。
在一种实施方式中，步骤(1)所用的絮凝剂是食品安全的有机絮凝剂，也可以是食品安全的无机絮凝剂；可以是聚丙烯酰胺、二甲基胺-表氯醇共聚物、聚合氯化铁、氯化铁、硫酸铁、硫酸亚铁中的一种或两种以上的组合。
在一种实施方式中，添加单一絮凝剂时，按如下剂量添加：聚丙烯酰胺的添加量为原料中生物量干重的0.01～0.3％；二甲基胺-表氯醇共聚物的添加量为生物量干重的0.01～0.2％、聚合氯化铁的添加量为生物量干重的0.1～1.0％、氯化铁的添加量为生物量干重的0.1～0.9％、硫酸铁的添加量为生物量干重的0.1～1.0％、硫酸亚铁的添加量为生物量干重的0.2～2.0％。
在一种实施方式中，添加含有两种以上组分的絮凝剂时，每种絮凝剂的添加量为单一组分用量的20-50％。
在一种实施方式中，步骤(2)所述的固液分离通过板框压滤或连续离心操作；所述板框压滤可以是厢式板框压滤机，也可以是隔膜式压滤机；所述连续离心可以通过碟片式离心机离心。
在一种实施方式中，压滤操作前需添加助滤剂；助滤剂可以是硅藻土、凹凸棒土、珍珠岩、粉末活性炭中的任意一种或多种组合，助滤剂的总添加量为原料液的0.5-5％(w/v)。
在一种实施方式中，步骤(3)所述的双级离子交换层析是指系统阳柱-阴柱系统，也可以是阴柱-阳柱系统，可以是固定床，也可以是模拟移动床。
在一种实施方式中，所述的双级离子交换层析采用模拟移动床进行；所述模拟移动床的填料为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂，例如酸性阳离子交换树脂或碱性阴离子交换树脂；处理温度为5-40℃，所述进料流速为2.0–10.0BV/h，所述洗脱液的流速为1.0-8.0BV/h。洗脱液分别为0.30-3.0mol/L盐酸溶液和0.50-3.0mol/L NaOH溶液。
在一种实施方式中，步骤(4)所述的浓缩处理可采用反渗透膜，或纳滤膜；所述纳滤膜的孔径在0.5～2nm之间；所述反渗透膜的截留分子量为50～100Da。
在一种实施方式中，所述的浓缩处理，其特征在于，所述的纳滤膜为陶瓷膜，操作压力为2-5atm，所述的反渗透膜为有机卷式膜或者陶瓷膜，操作压力为4-10atm。
在一种实施方式中，膜浓缩处理后的浓缩液可以直接喷雾干燥得到N-乙酰氨基葡萄糖粉末；喷雾干燥的进风温度为150-300℃。
在一种实施方式中，所述步骤(5)是对浓缩后的产品先进行蒸发处理，再进行结晶，再离心，最后进行干燥。
在一种实施方式中，所述蒸发可以是单效蒸发，也可以是双效蒸发，也可以是三效蒸发；所述结晶的温度为5～40℃。
在一种实施方式中，对离心后的结晶母液进行脱色，并将脱色后的结晶母液重新进入蒸发系统循环利用；所述脱色的方法为活性炭吸附脱色或大孔树脂脱色。
在一种实施方式中，所得干燥为真空低温干燥或者闪蒸干燥；所述真空低温干燥的温度为40-80℃，真空度为70～95kPa；所述闪蒸的进风温度为150～300℃。
在一种实施方式中，所述的多效蒸发浓缩处理，其特征在于，所述的多效蒸发浓缩为三效蒸发，温度分别为80℃、70℃和60℃。
本发明还要求保护所述方法在制备含N-乙酰氨基葡萄糖或其上下游产品方面的应用。
有益效果：
1、本发明通过先进行絮凝处理，并可选地与助滤剂、吸附剂组合使用，一方面可以去除微生物菌体、蛋白质、多糖等大分子物质，另一方面可以同时去除一部分色素，与陶瓷膜-脱色法预处理相比，本发明所述工艺对原料进行预处理后，目标产物浓度不会被稀释，活性炭用量可减少30％，方便后续处理。
2、本发明采用双级离子交换处理固液分离后的清液，一方面可以高效去除带电荷的杂质，还可以进一步去除色素，利用模拟移动床可以提升离子交换的分离效率和操作连续化和自动化水平，使树脂用量减少60％，树脂再生所需的酸液和碱液消耗减少40％，同时可以减少约50％的废水产生量。
3、本发明采用反渗透膜或纳滤对离子交换处理后的N-乙酰氨基葡萄糖溶液进行浓缩，具有高效节能、密闭操作的特点。采用的喷雾干燥具有操作简单、设备投资低、卫生条件易控制的特点，所得N-乙酰氨基葡萄糖的纯度可达98％；进一步采用的多效蒸发具有连续化生产、能耗低、连续结晶和进一步脱色的特点，可使N-乙酰氨基葡萄糖产品纯度提升至99％以上，使产品质量得到显著的提高。
附图说明
图1为N-乙酰氨基葡萄糖的提取工艺路线。
具体实施方式
技术术语：
下柱液：离子交换过程中，原料液中未被离子交换树脂吸附而直接流出和被去离子水清洗出来的液体。
实施例1
按图1中支路A和支路C的工艺路线制备N-乙酰氨基葡萄糖，具体步骤为：
(1)收集50m3通风发酵所得的浓度为50kg/m3的N-乙酰氨基葡萄糖发酵液于发酵液储罐中，向发酵液储罐中泵入浓度为100g/L硫酸铁溶液20L，泵入浓度为10g/L食品级聚丙烯酰胺溶液25L，搅拌混合完全后絮凝20min；
(2)将步骤(1)絮凝后的溶液连续泵入转速为12000rpm的碟片式离心机中，收集到的清液流入清液罐中，固渣收集入暂储槽中；
(3)将步骤(2)获得的清液依次泵入第一离子交换柱和第二离子交换柱，第一离子交换柱和第二离子交换柱中的填料分别为酸性阳离子交换树脂和碱性阴离子交换树脂，也可以分别为碱性阴离子交换树脂和酸性阳离子交换树脂，流速为4.0BV/h，将第二离子交换柱的下柱液汇集入至储罐中，再用去离子水清洗第一离子交换柱和第二离子交换柱，并收集下柱液至储罐中；所述储罐用于收集下柱液，并作为膜浓缩的原料液储罐；储罐中共收集获得51m3 N-乙酰氨基葡萄糖浓度为46kg/m3的下柱液；
可选地，根据交换柱的吸附容量，适时地采用1.0mol/L的HCl溶液和1.0mol/L的NaOH溶液分别洗脱阳柱和阴柱，使离子交换柱再生，再用去离子水清洗离子交换柱至pH中性，使离子交换柱处于备用状态；
(4)将步骤(3)收集的储罐中的料液泵入反渗透膜设备中进行浓缩，所述的反渗透膜的截留分子量为50-100Da，操作压力为4-10atm。浓缩后得到16.5m3 N-乙酰氨基葡萄糖浓度为138g/L的浓缩液；
可选地，步骤(3)收集的料液也可以直接进入步骤(5)进行喷雾干燥。
(5)将步骤(4)获得的浓缩液进行喷雾干燥。喷雾干燥的进风温度为190℃，进料流速为2m3/h，干燥后即得2230kg的N-乙酰氨基葡萄糖粉末，经测定，氨基葡萄糖粉末的纯度为99.2％，总回收率为89.2％。
实施例2
按图1中支路B和支路C的工艺路线制备N-乙酰氨基葡萄糖，具体步骤为：
(1)收集50m3通风发酵所得浓度为50kg/m3的N-乙酰氨基葡萄糖发酵液于发酵液储罐中，向发酵液储罐中泵入100g/L氯化铁溶液20L，泵入浓度为10g/L食品级聚丙烯酰胺溶液25L，投入500kg硅藻土，搅拌混合后絮凝20min；
(2)将步骤(1)絮凝后的溶液泵入板框压滤机，压滤快结束时加入2m3净水洗涤固渣(滤饼)，得到50.2m3 N-乙酰氨基葡萄糖的浓度为49kg/m3的滤出液，收集入清液罐中；
(3)将步骤(2)清液罐中的清液连续泵入模拟移动床系统的填料为001×7强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂的阳柱中，经过阳柱的下柱液再连续泵入模拟移动床系统的填料为201×7强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂阴柱中，流速为5.5BV/h；共收集到53m3 N-乙酰氨基葡萄糖的浓度为45.7kg/m3下柱液送至储罐中；若离子交换树脂已吸附饱和，采用1.0mol/L的HCl溶液和1.0mol/L的NaOH溶液连续清洗阳柱和阴柱，使离子交换柱再生，再采用去离子水连续清洗离子交换柱至pH中性；
(4)将步骤(3)储罐中的料液泵入反渗透膜设备中进行浓缩，所述的反渗透膜的截留分子量为50-100Da，操作压力为4-10atm；浓缩后获得16.7m3浓缩液，浓缩液中N-乙酰氨基葡萄糖浓度为142g/L；
(5)将步骤(4)的浓缩液进行喷雾干燥。喷雾干燥的进风温度为150℃，进料流速为2m3/h，干燥后即得2380kg的N-乙酰氨基葡萄糖粉末，经测定，氨基葡萄糖粉末的纯度为99.1％，总回收率为95.2％。
实施例3
按图1中支路D的工艺路线，对实施例2中步骤(4)获得的的浓缩液进行处理，具体步骤为：
(a)将N-乙酰氨基葡萄糖浓度为142g/L的料液泵入三效蒸发设备中，操作条件为：进料流量为4m3/h，加热蒸汽压力为0.7MPa，三效冷凝器的真空度为90kPa；冷却水进水温度为8～15℃，出料产品浓度为710g/L；
(b)将步骤(a)的出料流入至结晶器，通过结晶器的夹套冷却使结晶温度控制在10℃；
(c)将(b)产生的悬液进入离心机分离；
(d)将步骤(c)分离出的结晶母液用活性炭脱色柱进行脱色，再将脱色后的结晶母液返回至三效蒸发设备前的储罐中；并将离心所得的晶泥通过螺旋输送器进入闪蒸干燥器，闪蒸干燥的进风温度为180℃，出风温度为80℃，即得2350kg的N-乙酰氨基葡萄糖晶体，经测定，氨基葡萄糖粉末的纯度为99.5％，总回收率为94.0％。
实施例4
按图1中支路B和支路C的工艺路线制备N-乙酰氨基葡萄糖，具体步骤为：
(1)收集230m3通风发酵所得的浓度为110g/L的N-乙酰氨基葡萄糖发酵液于发酵液储罐中，向发酵液储罐中泵入浓度为100g/L硫酸铁溶液100L，泵入浓度为10g/L食品级聚丙烯酰胺溶液100L，再投入1500kg凹凸棒土和500kg粉末活性炭，搅拌20min混匀，进行絮凝和脱色；
(2)将步骤(1)絮凝和脱色后的溶液泵入板框压滤机中，将滤出的初始液体返回至发酵液储罐，待滤出液变澄清后，将所得的滤出液收集入清液罐中，所得的固渣(滤饼)含水率约为62％；
(3)将步骤(2)过滤获得的清液连续泵入模拟移动床系统的第一离子交换柱(阴离子树脂填料)中，将第一离子交换柱的下柱液再连续流入模拟移动床系统的第二离子交换柱(阳离子树脂材料)中，第一离子交换柱和第二离子交换柱的进料流速均为5.0BV/h，将第二离子交换柱的下柱液收集至膜浓缩设备前的储罐中。若离子交换树脂已吸附饱和，分别采用1.0mol/L的HCl溶液和1.0mol/L的NaOH溶液连续清洗阳柱和阴柱，使离子交换柱再生。采用去离子水连续清洗离子交换柱至pH中性。模拟移动床自动进料、洗脱和再生阴柱和阳柱的填料，阴柱填料为201×7强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂，填料为001×7强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂的阳柱。
(4)将步骤(3)储罐中的料液泵入陶瓷纳滤膜设备中进行浓缩，所述的陶瓷纳滤膜的孔径为1nm，操作压力为1.0～1.5MPa。浓缩后的100m3浓缩液中N-乙酰氨基葡萄糖浓度为140g/L；
(5)将步骤(4)的浓缩液进行喷雾干燥，喷雾干燥的进风温度为200℃，进料流速为2m3/h。干燥后即得24.2吨N-乙酰氨基葡萄糖粉末，经测定，氨基葡萄糖粉末的纯度为99.2％，总回收率为95.6％。
实施例5
在实施例4步骤(1)～(4)的基础上，按图1中支路D的工艺路线制备N-乙酰氨基葡萄糖，具体步骤为：
(a)将实施例4步骤(4)纳滤膜设备浓缩后的100m3 N-乙酰氨基葡萄糖浓度为140g/L的浓缩液泵入三效蒸发设备中，操作条件为：进料流量为8m3/h，加热蒸汽压力为0.7MPa，三效冷凝器的真空度为90kPa；冷却水进水温度为8～15℃，出料产品浓度为700g/L；
(b)将步骤(a)的出料送至结晶器，通过结晶器的夹套冷却使结晶温度控制在20℃；
(c)将步骤(b)结晶器结晶产生的悬液在离心机中分离，将结晶母液送至活性炭脱色柱中脱色，操作温度为25℃，流速为2.0m3/h，脱色后返回至三效蒸发设备前的储罐中；离心所得的晶泥通过螺旋输送器进入闪蒸干燥器，闪蒸干燥的进风温度为180℃，出风温度为80℃，即得23.8吨N-乙酰氨基葡萄糖晶体，经测定，氨基葡萄糖粉末的纯度为99.5％，总回收率为94.1％。
实施例6
按图1中支路A和支路C的工艺路线制备N-乙酰氨基葡萄糖，具体步骤为：
(1)收集50m3通风发酵所得的浓度为50kg/m3的N-乙酰氨基葡萄糖发酵液于发酵液储罐中，向发酵液储罐中泵入浓度为1.0％(w)食品级二甲基胺-表氯醇共聚物溶液20L，泵入10％食品级氯化铁溶液18L，搅拌混合完全后絮凝20min；
(2)将步骤(1)絮凝后的溶液泵入碟片式离心机，将12000rpm收集到的48.5m3 N-乙酰氨基葡萄糖浓度为50kg/m3的清液流入清液罐中，固渣收集入暂储槽中；
(3)将步骤(2)收集的清液连续依次泵入连续移动离子交换床的填料为001×7强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂的阳柱和填料为201×7强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂的阴柱中，双柱的流速均为2.5BV/h，再用去离子水清洗阳柱和阴柱，共收集到55m3 N-乙酰氨基葡萄糖浓度为43kg/m3的下柱液，将下柱液流入至反渗透膜设备前的储罐中。采用1.0mol/L的HCl溶液和1.0mol/L的NaOH溶液分别清洗连续移动离子交换床的阳柱和阴柱，使离子交换柱再生，再用去离子水清洗离子交换柱至pH中性，使离子交换柱处于备用状态。采用不同离子交换方式提取乙酰氨基葡萄糖的物料消耗量如表1所示；
(4)将步骤(3)收集在储罐中的下柱液直接进行喷雾干燥。喷雾干燥的进风温度为140℃，进料流速为2m3/h。干燥后即得2295kg的N-乙酰氨基葡萄糖粉末，经测定，氨基葡萄糖粉末的纯度为99.3％，总回收率为91.8％。
实施例7
按图1所示的工艺路线制备N-乙酰氨基葡萄糖，具体步骤为：
(1)以含有N-乙酰氨基葡萄糖的溶液为原料，加入絮凝剂；该溶液可以是微生物发酵所得，也可以是酶水解含有几丁质的生物原料所得，也可以是化学水解含有几丁质的原料所得；
絮凝剂是食品安全的有机絮凝剂，也可以是食品安全的无机絮凝剂；可以是聚丙烯酰胺、二甲基胺-表氯醇共聚物、聚合氯化铁、氯化铁、硫酸铁、硫酸亚铁中的一种或两种以上的组合；
当添加单一絮凝剂时，按如下剂量添加：聚丙烯酰胺的添加量为原料中生物量干重的0.01～0.3％；二甲基胺-表氯醇共聚物的添加量为生物量干重的0.01～0.2％、聚合氯化铁的添加量为生物量干重的0.1～1.0％、氯化铁的添加量为生物量干重的0.1～0.9％、硫酸铁的添加量为生物量干重的0.1～1.0％、硫酸亚铁的添加量为生物量干重的0.2～2.0％；
当添加两种组分的絮凝剂时，絮凝剂的添加量为生物量干重的0.02～0.7％，每一种絮凝剂的添加量为其作为单一组分添加使用量的20～50％；
(2)将步骤(1)絮凝后的溶液通过板框压滤或连续离心操作；所述板框压滤可以是厢式板框压滤机，也可以是隔膜式压滤机；所述连续离心可以通过碟片式离心机离心；
当采用板框压滤时，在压滤操作前需添加助滤剂；助滤剂可以是硅藻土、凹凸棒土、珍珠岩、粉末活性炭中的任意一种或多种组合，助滤剂的添加量为原料液的0.5-5％(w/v)。
将固液分离后的滤渣用于制备肥料，将滤液用于下一步分离提取；
(3)将步骤(2)获得的清液进行双级离子交换层析；所述的双级离子交换层析是指阳柱-阴柱系统，也可以是阴柱-阳柱系统，可以是固定床，也可以是模拟移动床；
所述的双级离子交换层析采用模拟移动床进行；所述模拟移动床的填料为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂，例如强酸性阳离子交换树脂或强碱性阴离子交换树脂；处理温度为5-40℃，所述进料流速为2.0–10.0BV/h，所述洗脱液的流速为1.0-8.0BV/h；阳离子交换树脂和阴离子交换树脂的洗脱液分别为0.30-3.0mol/L盐酸溶液和0.50-3.0mol/LNaOH溶液；
(4)将步骤(3)离子交换层析后的下柱液进行反渗透膜或纳滤膜浓缩，所述的纳滤膜为陶瓷膜，纳滤膜的孔径在0.5～2nm之间，操作压力为2-5atm；所述的反渗透膜为有机卷式膜或者陶瓷膜，截留分子量为50～100Da，操作压力为4-10atm；
(5)将步骤(4)获得的浓缩液进行真空干燥或者闪蒸干燥；所述真空低温干燥的温度为40-80℃，真空度为70～95kPa；所述闪蒸温度为150～300℃，获得N-乙酰氨基葡萄糖的回收率达90％以上，纯度达99％。
实施例8
具体实施方式同实施例7，区别在于，对步骤(4)获得的浓缩液进行蒸发处理，再在5～40℃结晶；所述蒸发可以是单效蒸发，也可以是双效蒸发，也可以是三效蒸发。
对结晶后的料液进行离心，再对离心后的结晶母液进行脱色，并将脱色后的结晶母液重新进入蒸发系统循环利用；所述脱色的方法为活性炭吸附脱色或大孔树脂脱色。
将离心后的结晶进行干燥，获得N-乙酰氨基葡萄糖的结晶产品，回收率达90％以上，纯度达99.5％。
对比例1
按照申请号为CN2016112278411的方法制备N-乙酰氨基葡萄糖，具体步骤为：
(1)收集50m3通风发酵所得浓度为50kg/m3的N-乙酰氨基葡萄糖发酵液于发酵液储罐中，采用陶瓷纳滤膜过滤去除微生物菌体，膜孔径为5nm，浓缩微生物菌体后共添加50m3纯水透析膜浓相，共收集获得90m3N-乙酰氨基葡萄糖浓度为25.3kg/m3的滤出液，产生10m3高含有机质的废渣；
(2)将步骤(1)的滤出液泵入装填有活性炭的吸附柱；活性炭用量为2.5kg/m3陶瓷膜滤出液；
(3)将步骤(2)经活性炭吸附后的下柱液再泵入装填有强酸性阳离子树脂交换柱中，再将经强酸性阳离子树脂交换柱流出的下柱液再泵入装填有强碱性阴离子树脂的交换柱中，流速为4.5BV/h。收集到97m3 N-乙酰氨基葡萄糖浓度为22kg/m3的下柱液；采用1.0mol/L的HCl溶液和1.0mol/L的NaOH溶液清洗阳柱和阴柱，使离子交换柱再生。采用去离子水连续清洗离子交换柱至pH中性。
(4)将步骤(3)处理后的下柱液按照实施例3所述方法进行三效蒸发浓缩、结晶和干燥，得到1990kg的N-乙酰氨基葡萄糖晶体，总回收率79.6％。
对比例2
按照申请号2018103088811的专利申请中公开的方法制备N-乙酰氨基葡萄糖，具体包括如下步骤：
(1)收集50m3通风发酵所得的浓度为50kg/m3的N-乙酰氨基葡萄糖发酵液于发酵液储罐中，采用陶瓷超滤膜过滤去除微生物菌体，膜孔径为50nm，浓缩微生物菌体后共添加50m3纯水透析膜浓相，共收集获得92m3浓度为25.5kg/m3的滤出液，产生8m3高含有机质的废渣；
(2)将步骤(1)陶瓷超滤膜的滤出液泵入装填有活性炭的吸附柱，活性炭用量为2kg/m3；
(3)将经步骤(2)吸附脱色后的下柱液再泵入电渗析膜处理系统进行脱盐处理，共添加40m3去离子水至浓缩液的电导率低于50μs/cm；电渗析膜的类型是均相离子交换膜；得到17m3浓缩液，产物浓度为126kg/m3；
(4)将步骤(3)处理后的浓缩液再通过实施例3所述方法进行三效蒸发浓缩、结晶和干燥，得到1960kg的N-乙酰氨基葡萄糖晶体，总回收率78.4％。采用不同固液分离方式时乙酰氨基葡萄糖的提取效果如表2所示。
表1采用不同离子交换方式提取N-乙酰氨基葡萄糖的物料消耗量
Figure BDA0002534219800000101
Figure BDA0002534219800000111
表2采用不同固液分离方式时乙酰氨基葡萄糖的提取效果
Figure BDA0002534219800000112
注：原料处理体积为50m3，原料液中乙酰氨基葡萄糖浓度为50g/L。清液色度测量方法：取清液样品50mL，冷冻干燥后得固体粉末，重新稀释配制至50g/L浓度，再进行色度分析。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种N-乙酰氨基葡萄糖的制备方法，其特征在于，以含有N-乙酰氨基葡萄糖的溶液为原料液，依次对原料液进行絮凝、固液分离、双级离子交换层析和干燥处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)向含有N-乙酰氨基葡萄糖的原料液中加入絮凝剂进行絮凝；
(2)将步骤(1)絮凝后的溶液进行固液分离，获得清液和固渣；
(3)对步骤(2)固液分离后的清液进行离子交换处理；所述离子交换为双级离子交换层析；
(4)对步骤(3)经离子交换处理后的溶液进行浓缩，得到浓度为20-50％的高纯度N-乙酰氨基葡萄糖液体产品，再将浓缩后的产品进行干燥；
或将步骤(3)处理后的溶液直接进行干燥。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述原料液为通过微生物发酵，或水解几丁质得到的含有N-乙酰氨基葡萄糖的溶液；所述水解包括但不限于酶水解或化学法水解。
4.根据权利要求1～3任一所述的方法，其特征在于，利用离子交换树脂吸附N-乙酰氨基葡萄糖的一种或多种杂质，将未被离子交换树脂吸附而流出的液体进行浓缩、干燥。
5.根据权利要求2～4任一所述的方法，其特征在于，步骤(1)所用的絮凝剂是食品安全的絮凝剂，包括但不限于有机絮凝剂或无机絮凝剂；
可选地，所述絮凝剂是聚丙烯酰胺、二甲基胺-表氯醇共聚物、聚合氯化铁、氯化铁、硫酸铁、硫酸亚铁中的一种或两种以上的组合；
可选地，所述絮凝剂的添加方式为(a)或(b)：
(a)按如下剂量添加单一组分的絮凝剂：聚丙烯酰胺的添加量为原料中生物量干重的0.01～0.3％；二甲基胺-表氯醇共聚物的添加量为生物量干重的0.01～0.2％；聚合氯化铁的添加量为生物量干重的0.1～1.0％；氯化铁的添加量为生物量干重的0.1～0.9％；硫酸铁的添加量为生物量干重的0.1～1.0％；硫酸亚铁的添加量为生物量干重的0.2～2.0％；
(b)添加含有两种以上组分的絮凝剂时，每种絮凝剂的添加量为单一组分按照(a)所述用量的20-50％。
6.根据权利要求2～5任一所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述的固液分离采用板框压滤或连续离心设备；板框压滤的设备可以是厢式板框压滤机或隔膜式压滤机；连续离心的设备可以为碟片式离心机；
可选地，压滤操作前添加助滤剂；所述助滤剂可以是硅藻土、凹凸棒土、珍珠岩、粉末活性炭中的任意一种或多种组合；助滤剂的总添加量为原料液的0.5-5％。
7.根据权利要求2～6任一所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述的双级离子交换层析采用阳柱-阴柱系统，或阴柱-阳柱系统，其设备形式可以为离子交换固定床或离子交换模拟移动床或离子交换连续移动床；
所述阳柱或阴柱的填料为酸性阳离子交换树脂或碱性阴离子交换树脂；
所述离子交换层析的处理温度为5-40℃，进料流速为2.0–10.0BV/h，洗脱液的流速为1.0-8.0BV/h。
8.根据权利要求2～7任一所述的方法，其特征在于，步骤(4)所述的浓缩处理可采用反渗透膜或纳滤膜；
所述纳滤膜的孔径在0.5～2nm之间；所述反渗透膜的截留分子量为50～100Da。
9.根据权利要求2～8任一所述的方法，其特征在于，步骤(4)所述的干燥为(a)或(b)：
(a)喷雾干燥、真空低温干燥或闪蒸干燥；所述喷雾干燥的进风温度为150-300℃；所述真空低温干燥的温度为40-80℃，真空度为70～95kPa；所述闪蒸的进风温度为150～300℃；
(b)先进行蒸发处理，再进行结晶，再对晶相物质进行干燥；所述蒸发包括但不限于单效蒸发、双效蒸发或多效蒸发；所述结晶的温度为5～40℃。
10.权利要求1～9任一所述方法在制备含N-乙酰氨基葡萄糖或其上下游产品方面的应用。
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Denomination of invention: Separation and purification methods of N-acetylglucosamine

Granted publication date: 20210430

Pledgee: Bank of China Limited by Share Ltd. Zhenjiang Dagang sub branch

Pledgor: Jiangsu Haifei Biotechnology Co.,Ltd.

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