CN114307252B - 一种利用准二维色谱法分离糖和酸的工艺 - Google Patents
一种利用准二维色谱法分离糖和酸的工艺 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种利用准二维色谱法分离糖和酸的工艺，所述准二维色谱系统包括含有H型阳离子交换树脂的第一维色谱柱和含有弱极性吸附树脂第二维色谱柱；所述工艺包括如下步骤：S1：通过第一维色谱柱脱除含糖和酸的混合溶液中的无机酸和部分糖；S2：将第一维色谱柱中剩余的糖和有机酸转入到第二位色谱柱中；通过第二维色谱柱脱除剩余的糖和有机酸。本发明通过联用两种对糖酸混合物具有不同分离特点的树脂并结合二维色谱的设计思路，提出了一种新型准二维色谱法。通过本发明技术方案可实现硫酸、木糖和乙酸的回收率分别为100％、99.6％、100％，木糖的质量纯度为99.9％，并回收了42％的洗脱水。
Description
技术领域
本发明属于化工领域，具体涉及一种利用准二维色谱法分离糖和酸的工艺。
背景技术
随着化石资源储备的逐年减少，同时由于化石资源消耗所引发的气候与环境问题逐年加剧。为了解决气候、环境和经济社会发展之间的矛盾，打破化石资源储量的制约，充分开发和利用其他含量丰富并且可再生的资源非常有必要。第二代生物转化技术逐渐受到越来越多的研究者关注，因其原料是农林废弃生物质资源如玉米秸秆、小麦秸秆、玉米芯等它们都具有可广泛获取、产量丰富、可再生等特点，同时且不与粮食作物形成土地竞争。这些废弃生物质首先通过预处理将纤维素和半纤维素降解为多种单糖，然后利用各种“糖平台技术”将这些单糖转化成我们所需的精细化学物质和生物燃料。相关研究表明，良好的糖酸分离工艺可以进一步降低“糖平台技术”的成本。
糖酸分离最初使用的技术是运用中和法，该方法通过使用生石灰与硫酸中和生产硫酸钙沉淀达到纯化糖的效果，但是该方法无法回收催化剂硫酸同时会产生大量的固废。近些年随着环保意识的提高一些较为环保的糖酸分离技术受到了很多的关注，如酸阻滞技术、离子排斥色谱技术、电渗析技术等。酸阻滞技术是利用强碱性阴离子交换树脂对硫酸的吸附作用从而实现糖酸分离，糖为弱保留组分硫酸为强保留组分。酸阻滞技术其优点在于优秀的糖回收率，但其酸拖尾的问题导致在树脂再生时需要大量的纯水，从而产生大量的低浓度酸废液造成严峻的环保问题。电渗析是利用阳离子和阴离子交换膜交替放置在阴极和阳极之间，当两个电极之间施加电位差时，带电荷的阴阳离子会在电场下选择性地透过离子交换膜，而不带电的物质不受电场的影响保持原来的运动状态，从而形成带电物种与不带电物种的分离。电渗析技术其优点在于可以不稀释酸催化剂的同时实现糖和无机酸的分离，但电渗析的不足：膜易被污染，例如对木质纤维素水解物进行分离时，需要一个预先步骤(如超滤膜处理)来去除任何可能在较高的pH条件下沉淀和污染或堵塞膜的大分子，其还存在一定的糖损失和能耗高的问题。离子排斥色谱技术是目前糖酸分离中应用最广的技术，离子排斥技术的原理是树脂上的官能团将强电解质排除在树脂外，而非电解质和弱电解质可在流动相和颗粒内的停滞液体之间分配平衡，最终形成了组分间的保留时间差，硫酸为弱保留组分，糖为中间保留组分，有机酸为强保留。其优点在于在整个分离过程中不发生离子交换且不存在酸阻滞技术的酸拖尾问题，因此树脂仅需要1～2倍床层体积的纯水就可再生。但其缺点在于糖为中间保留组分其回收率和纯度受到前后的硫酸和有机酸的制约，且现有离子排阻色谱技术对有机酸 (如乙酸、甲酸)与糖组分的分离度差从而导致糖的回收率和纯度不能同时保证。因此，本发明提供了一种利用准二维色谱法分离中糖酸的工艺。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种利用准二维色谱系统分离糖和酸的工艺。
本发明的技术构思：研究发现不同类型的树脂对糖和酸混合溶液呈现出不同的分离性能。例如：本发明中使用的凝胶型强酸性H阳离子交换树脂可以基本实现木糖和硫酸的基线分离。本发明中使用的弱极性吸附树脂其基本骨架为苯乙烯-二乙烯基苯结构且表面有少量的羟基醚键等官能团，可以实现有机酸和单糖的基线分离。如图1所示，本发明将两种不同类型的树脂联用，在充分利用各自树脂的优点前提下，结合二维色谱设计思路，通过设计了合适的进样量、流量、各组分的收集时间以及那一部分需要进入第二维色谱，提出了一种新型准二维色谱技术，依次有效提高回收率、纯度等。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种利用如图2所示的准二维色谱系统从含糖和酸的混合溶液中分离糖和酸的工艺，所述准二维色谱系统包括含有凝胶型强酸性H型阳离子交换树脂的第一维色谱柱和含有弱极性吸附树脂第二维色谱柱，所述第一维色谱柱的与第二维色谱柱串联，所述第一维色谱柱的出口与第二维色谱柱的入口通连接，所述第一维色谱柱的出口还并联设有无机酸储罐和糖储罐，所述第二维色谱柱的出口并联设有糖储罐、有机酸储罐和洗脱剂储罐。
其中，所述凝胶型强酸性H型阳离子交换树脂以苯乙烯-二乙烯基苯共聚物为基本骨架，官能团为磺酸，粒径为50～550μm，优选为75～300μm，总交换容量≥1meq/g，
含水量≥60％；所述凝胶型强酸性H型阳离子交换树脂可实现在0.1BV的进料量的前提下基本实现无机酸与单糖基线分离。
其中，所述弱极性吸附树脂以苯乙烯-二乙烯基苯共聚物为基本骨架，官能团为羟基和醚键，粒径为550～650μm，表观密度为1.01～1.08g/mL；所述弱极性吸附树脂孔径以微孔为主，存在少量介孔，所述弱极性吸附树脂中平均孔径为4.4～5.4nm，比表面积为800.98～810.98m2/g，孔容为0.795～1.195m3/g，所述弱极性吸附树脂中，微孔的孔径为0.45～0.62nm，微孔的比表面积为540～552m2/g，微孔的孔容为0.162～0.362m3/g；所述弱极性吸附树脂可实现在0.1BV的进料量的前提下实现有机酸与单糖基线分离。
其中，所述第一维色谱柱和第二维色谱柱中树脂填充的高度，与色谱柱内径的比为 1/12～1/15。
其中，所述工艺包括如下步骤：
S1：通过第一维色谱柱依次脱除含糖和酸的混合溶液中的无机酸和部分糖；所述部分糖为当第一维色谱柱出口的流出液中含有有机酸时，停止收集糖；
S2：将第一维色谱柱中剩余的糖和有机酸转入到第二位色谱柱中；通过第二维色谱柱脱除剩余的糖和有机酸。
在一些实施例中，所述工艺包括如下步骤，如图2所示，在下面步骤中当开启指定阀门，默认为其他阀门关闭：
S1：开启阀-2、阀-7，将含糖和酸的混合溶液上样到第一维色谱柱中，洗脱，收集洗脱剂(系统中的床层间隙水)；当第一维色谱柱出口的流出液中含有无机酸时，停止收集洗脱剂，开启阀-1、阀-3，开始收集无机酸；当第一维色谱柱出口的流出液中不含有无机酸时，停止收集无机酸，开启阀-1、阀-4，开始收集糖；当第一维色谱柱出口的流出液中含有有机酸时，停止收集糖；
S2：继续洗脱，开启阀-2、阀-7，将第一维色谱柱中剩余的糖和有机酸转入到第二维色谱柱中，收集洗脱剂(收集系统中的床层间隙水)；当第二维色谱柱出口的流出液中含有糖时，停止收集洗脱剂，开启阀-2、阀-5，开始收集剩余的糖；当第二维色谱柱出口的流出液中含有有机酸时，停止收集糖，开启阀-2、阀-6，开始收集有机酸直至流出液中不含有有机酸，停止洗脱。
步骤S2中，进入第二维色谱柱的有机酸与单糖组分，是经过第一维色谱柱预先分离的组分。此操作比有机酸和单糖混合进样的分离效果更好。
其中，所述混合溶液中，糖的浓度为40～120g/L，酸的浓度为3～118g/L；在一些实施例中，所述含糖和酸的混合溶液包括糖，有机酸和/或无机酸；所述混合溶液中，糖的浓度为40～120g/L，无机酸的浓度为15～98g/L，有机酸的浓度为3～20g/L；在一些实施例中，所述含糖和酸的混合溶液为木质纤维素水解液；在一些实施例中，所述含糖和酸的混合溶液为经脱毒处理后的糖酸混合溶液；在一些实施例中，所述含糖和酸的混合溶液为经脱毒处理后的木质纤维素水解液。
其中，所述糖可以为葡萄糖和/或木糖等单糖；所述无机酸可为盐酸和/或硫酸；所述有机酸可以为甲酸和乙酸等。
其中，所述含糖和酸的混合溶液的上样流量为0.1～0.45BV/h，优选为0.35BV/h。
其中，所述含糖和酸的混合溶液的上样量为0.03～0.065BV，优选为0.058BV，在该参数下，所述凝胶型强酸性H型阳离子交换树脂利用率高，同时可以实现较好地无机酸和糖的基线分离。
其中，所述脱除的过程中以水为洗脱剂。
其中，所述脱除的过程中洗脱流量为0.1～0.45BV/h，优选为0.35BV/h。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优势：
(1)本发明在整个分离过程中不需要使用其他试剂，仅需要使用去离子水，且树脂的用水量小于酸转入技术的用水量。
(2)本发明实现了有机酸与糖之间的高分离度，保证了糖的高纯度和高回收率，同时避免了无机酸组分的进一步稀释，并回收了42％纯水。
(3)本发明整个过程在室温下进行无需额外的保温措施，能耗低；整个工艺所需的设备要求低，成本低。
(4)本发明所使用凝胶型强酸性H阳离子交换树脂可以在进料量为0.1BV时基本实现木糖和硫酸的基线分离，此特征是其他现有技术所不能达到的。
(5)本发明将两种不同类型的树脂联用，在充分利用各自树脂的优点前提下，结合二维色谱设计思路，通过设计了合适的进样量、流量、各组分的收集时间以及哪一部分需要进入第二维色谱，提出了一种新型准二维色谱技术。
(6)本发明进入第二维色谱柱的有机酸与单糖组分是经过第一维色谱柱预先分离的组分，该操作减少了有机酸和单糖组分在系统外的混合，进一步增加了二者的分离度。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/ 或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1为本发明的构思思路。
图2为本发明的工艺流程简图。
图3为实施例1中H型阳离子交换树脂分离三组分的效果图。
图4为实施例2中弱极性吸附树脂分离三组分的效果图。
图5为实施例3利用准二维色谱法分离三组分的效果图。
图6为对比例1中0.05BV的进料量的条件下三组分的效果图。
图7为对比例1中0.15BV的进料量的条件下三组分的效果图。
具体实施方式
下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
下述实施例中所述玉米芯水解液经过脱毒后，其组成如表1所示。
表1 玉米芯水解液脱毒后的组成
| 溶质 | 木糖 | 葡萄糖 | 阿拉伯糖 | 乙酸 | 硫酸 |
| 浓度(g/L) | 50 | 8 | 4 | 6 | 20 |
下述实施例中所述凝胶型强酸性H型阳离子交换树脂是将凝胶型阳离子交换树脂经预处理制备所得；其中所述预处理方法：首先用浓度为1mol/L的NaOH溶液浸泡凝胶型阳离子交换树脂、搅拌12h以上，然后用纯水漂洗至中性，再用1mol/L的HCl 溶液浸泡、搅拌12h以上，最后用纯水漂洗至中性，即得凝胶型强酸性H型阳离子交换树脂，所述凝胶型强酸性H型阳离子交换树脂的参数如表2所示。
表2 凝胶型强酸性H型阳离子交换树脂的参数
下述实施例中所述弱极性吸附树脂中的孔径以微孔为主，存在少量介孔，所述弱极性吸附树脂各个参数如表3所示。
表3 弱极性吸附树脂的参数
下述实施例中所述洗脱剂，如无特殊说明，均为纯水。
实施例1：考察凝胶型强酸性H型阳离子交换树脂三组分的分离实验。
待分离的料液：依据表1的浓度，将木糖、硫酸、乙酸复配，所得混合水溶液中，木糖的浓度为50g/L，硫酸的浓度为20g/L，乙酸的浓度为6g/L。
制备色谱柱：称取一定质量的凝胶型强酸性H型阳离子交换树脂，将其转移至玻璃色谱柱中(柱内径为2.2cm，凝胶型强酸性H型阳离子交换树脂装填高度为28cm)，并用纯水不断冲洗柱中的树脂，确保树脂装填均匀，直至树脂高度恒定。
分离：在室温下，通过蠕动泵控制进样流量和洗脱流量为0.6BV/h，进样量为0.1BV，进样结束后换用洗脱剂，通过自动部分收集器定时收集色谱柱出口处的流出液(5 min/管)。
流出液浓度通过HPLC检测流出液中各组分的浓度。通过，三组分的效果如图3所示，计算得到本次案实施例中硫酸与木糖的分离度几乎为1，且硫酸的脱除率和回收率均分别为100％。该案本实施例为本发明保证木糖纯度和高回收率提供了可行性依据。
实施例2：考察弱极性吸附树脂三组分的分离实验。
待分离的料液：由于第二维色谱柱中没有硫酸组分的存在，所用依据表1的浓度，将木糖和乙酸复配，所得混合水溶液中，木糖的浓度为50g/L，乙酸的浓度为6g/L。
制备色谱柱：分别称取一定质量、预处理完全的弱极性吸附树脂，将其转移至玻璃色谱柱中(柱内径为2.2cm，弱极性吸附树脂装填高度为28cm)，并用纯水不断冲洗柱中的树脂，确保树脂装填均匀，直至树脂高度恒定。
分离：在室温下，通过蠕动泵控制进样流量和洗脱流量为0.6BV/h，进样量为0.1BV，进样结束后换用洗脱剂，柱出口处的流出液通过自动部分收集器定时收集色谱柱出口处的流出液(5min/管)。
通过HPLC检测流出液中各组分的浓度，三组分的效果如图4所示，计算得到本实施例中木糖和乙酸的分离度为1，两者几乎实现了基线分离，极大程度上保证了木糖的纯度和回收率，乙酸的脱除率。本实施例为本发明保证木糖纯度和高回收率提供了可行性依据。
实施例3：利用准二维色谱法对复配料液进行糖组分纯化。
待分离料液：同实施例1。
搭建色谱柱装置：第一维色谱柱：将一定质量的凝胶型强酸性H型阳离子交换树脂填充于玻璃色谱柱中(柱内径为2.2cm，树脂装填高度为28cm)，并用纯水不断冲洗柱中的树脂，确保树脂装填均匀，直至树脂高度恒定；第二维色谱柱：将一定质量的弱极性吸附树脂填充于玻璃色谱柱中(柱内径为1.8cm，树脂装填高度为27cm)，并用纯水不断冲洗柱中的树脂，确保树脂装填均匀，直至树脂高度恒定；将第一维色谱柱和第二维色谱柱按照图2的工艺流程搭建装置。
分离：在室温下，通过蠕动泵控制进料流量和洗脱流量都设置为0.35BV/h，下面具体操作中当开启指定阀门，默认为其他阀门关闭，结合本发明的工艺流程简图(图2)，更容易理解。
(1)开启阀-2和阀-7，将待分离的料液泵入第一维色谱柱中，具体为从上样口进料10min，然后切换纯水为流动相持续输送至40min，这步是为回收系统中的床层间隙的死体积水；
(2)继续使用纯水为流动相，开启阀-1和阀-3收集硫酸至70min，这步是为收集硫酸使其及时从混合体系中回收并在一定程度上保证了硫酸的回收浓度；
(3)继续使用纯水为流动相，开启阀-1和阀-4收集木糖至86min，这步是为收集已经与硫酸和乙酸得到完全分离的木糖组分；
(4)继续使用纯水为流动相，开启阀-2和阀-7回收系统中的洗脱水至125min，这步是为让木糖剩余组分与乙酸组分完全进入色谱柱-2中并有效回收系统中的洗脱水；
(5)继续使用纯水为流动相，开启阀-2和阀-5回收木糖至145min，这步是为收集完全分离的剩余木糖组分；
(6)继续使用纯水为流动相，开启阀-2和阀-6回收乙酸至180min，这步是为收集进入系统的所有乙酸。
整个工艺一个循环周期时间为180min，整个过程共使用洗脱剂水170mL，通过HPLC检测流出液中各组分的浓度，三组分的效果如图5所示，经过上述工艺，硫酸、木糖和乙酸的回收率分别为100％、99.6％、100％，硫酸储罐、木糖储罐和乙酸储罐中硫酸、木糖和乙酸的浓度分别为6.1g/L、14.4g/L、1.7g/L，木糖的质量纯度为99.9％，纯水储罐中水的体积为70mL，即回收了41.2％纯水。
其中，所述木糖的质量纯度＝(糖储罐中木糖的质量)/(糖储罐中木糖的质量+木糖储罐中其他两组分的质量)×100％。
对比例1：不同进料量对凝胶型强酸性H型阳离子交换树脂三组分的分离性能的影响。
待分离料液：同实施例1。
制备色谱柱：同实施例1。
分离：在室温下，通过蠕动泵控制进样流量和洗脱流量为0.6BV/h，进样量分别为0.05BV、0.15BV，进样结束后换用洗脱剂，通过自动部分收集器定时收集色谱柱出口处的流出液(5min/管)。
通过HPLC检测流出液中各组分的浓度，0.05BV的进料量的条件下三组分的效果如图6所示，硫酸与木糖已实现基线分离，很容易看出这个进料量未能充分利用色谱柱的分离性能。0.15BV的进料量的条件下三组分的效果如图7所示，硫酸与木糖未能实现基线分离，这样不利于提高木糖的纯度和回收率。
本发明提供了一种利用准二维色谱法分离木质纤维素稀酸水解液中糖和酸的工艺的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，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。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (8)
1.一种利用准二维色谱系统分离糖和酸的工艺，其特征在于，所述准二维色谱系统包括含有H型阳离子交换树脂的第一维色谱柱和含有弱极性吸附树脂第二维色谱柱；
所述工艺包括如下步骤：
S1：通过第一维色谱柱脱除含糖和酸的混合溶液中的无机酸和部分糖；
S2：将第一维色谱柱中剩余的糖和有机酸转入到第二维 色谱柱中；通过第二维色谱柱脱除剩余的糖和有机酸；
其中，所述H型阳离子交换树脂以苯乙烯-二乙烯基苯共聚物为基本骨架，官能团为磺酸，粒径为50～550μm，总交换容量≥1meq/g，平均孔径的直径
含水量≥60％；
其中，所述弱极性吸附树脂以苯乙烯-二乙烯基苯共聚物为基本骨架，官能团为羟基和醚键，粒径为550～650μm，表观密度为1.01～1.08g/mL；所述弱极性吸附树脂的孔径包括微孔和介孔，所述弱极性吸附树脂的平均孔径为4.4～5.4nm，比表面积为800.98～810.98m2/g，孔容为0.795～1.195m3/g，所述弱极性吸附树脂中，微孔的孔径为0.45～0.62nm，微孔的比表面积为540～552m2/g，微孔的孔容为0.162～0.362m3/g。
2.根据权利要求1所述利用准二维色谱系统分离糖和酸的工艺，其特征在于，所述第一维色谱柱和第二维色谱柱中树脂填充的高度，与色谱柱内径的比为1/12～1/15。
3.根据权利要求1所述利用准二维色谱系统分离糖和酸的工艺，其特征在于，所述混合溶液中，糖的浓度为40～120g/L，酸的浓度为3～118g/L。
4.根据权利要求1所述利用准二维色谱系统分离糖和酸的工艺，其特征在于，所述含糖和酸的混合溶液包括糖，有机酸和/或无机酸；所述混合溶液中，糖的浓度为40～120g/L，无机酸的浓度为15～98g/L，有机酸的浓度为3～20g/L。
5.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述含糖和酸的混合溶液的上样流量为0.1～0.45BV/h，上样量为0.03～0.065BV。
6.根据权利要求1所述利用准二维色谱系统分离糖和酸的工艺，其特征在于，所述脱除的过程中以水为洗脱剂。
7.根据权利要求1所述利用准二维色谱系统分离糖和酸的工艺，其特征在于，所述脱除的过程中洗脱流量为0.1～0.45BV/h。
8.根据权利要求1所述利用准二维色谱系统分离糖和酸的工艺，其特征在于，所述工艺包括如下步骤：
S1：将含糖和酸的混合溶液上样到第一维色谱柱中，洗脱，收集洗脱剂；当第一维色谱柱出口的流出液中含有无机酸时，停止收集洗脱剂，开始收集无机酸；当第一维色谱柱出口的流出液中不含有无机酸时，停止收集无机酸，开始收集糖；当第一维色谱柱出口的流出液中含有有机酸时，停止收集糖；
S2：继续洗脱，将第一维色谱柱中剩余的糖和有机酸转入到第二维色谱柱中，收集洗脱剂；当第二维色谱柱出口的流出液中含有糖时，停止收集洗脱剂，开始收集剩余的糖；当第二维色谱柱出口的流出液中含有有机酸时，停止收集糖，开始收集有机酸直至流出液中不含有有机酸。
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