CN115006884B - 一种在线解耦式模拟移动床分离系统及其分离木糖和阿拉伯糖的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在线解耦式模拟移动床分离系统及其分离木糖及阿拉伯糖的方法。所述模拟移动床分离系统包括分离区和在线解耦离线反洗区;所述在线解耦离线反洗区包含1根色谱柱,所述分离区包含N‑1根色谱柱;N为6~11。在移动床分离系统运行中,有1根色谱柱柱前和柱后的循环阀关闭,色谱柱处于解耦离线状态,且与该根色谱柱前后相邻的两根色谱柱通过超越管串联。本发明设计的在线解耦式模拟移动床分离系统,通过分离区和反洗区的在线解耦切换,减少了模拟移动床运行中的返混现象,减缓了分离介质的性能衰减,延长了分离介质的寿命和提高了色谱系统的分离效率和产品纯度,有效地从木糖母液中分离木糖、阿拉伯糖和杂糖。
Description
技术领域
本发明属于生化分离技术领域,尤其涉及一种在线解耦式模拟移动床分离系统及其分离木糖和阿拉伯糖的方法。
背景技术
木糖是一种重要的功能糖,在自然界中主要是以多糖的形式存在于植物体之中,例如农林废弃物玉米芯、秸秆、甘蔗渣等中含量较多。木糖能促进人体的钙吸收,由于其不被人体所消化吸收,不会提供能量和不促进肥胖。木糖多用于食品行业,其还原加氢后的产物木糖醇具有更加广泛的用途。阿拉伯糖又称果胶糖,一般与其他单糖结合后存在于植物果浆或者胶体内。阿拉伯糖一方面可以抑制蔗糖的吸收,控制血糖升高和抑制肥胖,另一方面还可以促进人体内益菌的生长,抑制人体腹部脂肪的增长,甚至有改善糖尿病的生理功效。
作为在食品和化工行业都有广泛应用的两种功能糖,木糖与阿拉伯糖的生产受到日益重视。工业上通常对农林废弃物玉米芯、秸秆、甘蔗渣等进行酸性水解后,再进行精制、浓缩、结晶来制取晶态木糖,此过程中会产生大量的木糖母液。木糖母液是木糖结晶后剩余的深色粘稠液体,含有木糖、阿拉伯糖、葡萄糖、半乳糖等组分。通常木糖母液中含木糖42%~55%、阿拉伯糖19%~24%、半乳糖8%~11%、葡萄糖11%~14%、其他杂糖5%~8.5%。生产企业一般以较低的价格售卖木糖母液、或将木糖母液作为制焦糖色的原料,极大地降低了产品本应该有的效益,因此分离木糖母液中的糖组分是很有必要的。
到目前为止,对木糖母液中糖组分的分离主要集中在木糖和阿拉伯糖上,采用的方法有一般性的处理分离,如将农林废弃物进行汽爆和酸化,然后再进行水提、脱色精制、结晶和离心分离,得到木糖;还有生物发酵和酶法的辅助,通过特定的微生物和酶转化杂糖,提高原料液中木糖和阿拉伯糖的含量;或者通过一些其它方法分离提取木糖与阿拉伯糖;但是较为实用的方法是用色谱分离木糖母液中的木糖和阿拉伯糖。
色谱分离中固定相是一个极其重要的部分,分离产品的不同决定了固定相种类的不同。在糖醇的分离领域内,通常使用的固定相填料为离子交换树脂,树脂的类型、粒度、分布等因素都会影响分离的效率。周强(河北工业大学硕士论文,2010)用阳离子树脂和阴离子树脂分离纯化木糖母液并优化了实验条件,最终得到阳离子树脂的分离效果好于阴离子树脂。也有研究团队使用不同的固定相,探索更合适的色谱分离填料。中国专利(CN104611476A)使用强酸性离子交换纤维作为色谱填料,分离木糖母液中的木糖和阿拉伯糖,其中强酸性离子纤维在使用前要进行钙离子的置换,将离子纤维从氢型转到钙型。然而这种方法对于色谱分离装置没有进行描述,没有说明所用模拟移动床的模式与架构。朱路甲等人(中国食品添加剂,2012(1):144-147)研究了分散聚合法合成的钙型苯乙烯系树脂作为色谱填料分离木糖,树脂的平均孔径约50μm,比表面积32m2/g,含水量为58.2%。
使用色谱分离木糖母液中木糖和阿拉伯糖的方法,一般先对木糖母液发酵降低葡萄糖含量,再用色谱分离提取木糖和阿拉伯糖,其它组分作为杂糖。色谱分离获得富含木糖组分的糖液回到上游工段进行木糖结晶,富含阿拉伯糖组分的糖液则经过精制、浓缩和结晶制得晶体物。目前,在糖醇分离的领域之中,所用色谱分离装置多为模拟移动床。
中国专利(公开号CN101792822A)公布了一种传统四区模拟移动床装置从半纤维素酸水解液中分离木糖和阿拉伯糖的方法;该文书中所提的模拟移动床分为4个区,设有洗脱液、提取液、进料液、提余液的进口与出口,每个进口和出口都设置有阀门。然而上述方法没有说明其模拟移动床的是如何运行,也没有叙述系统运行情况。专利(公开号CN102924538A)公布了一种六区模拟移动床装置分离木糖发酵液中木糖、阿拉伯糖和半乳糖的方法。该方法对木糖发酵液进行离子交换后的清液经过浓缩后通过六根或六根以上的模拟移动床进行分离,但是没有叙述装置运行过程。中国专利(CN111747997A)公布了一种间歇式模拟移动床同时制取木糖、阿拉伯糖和半乳糖的方法,该方法使用6根色谱柱分为4个区带,每个周期分为两个子步骤,通过子步骤一分离出杂糖,子步骤二将木糖,阿拉伯糖和半乳糖分离出。专利(CN107142337A)公布了一种以甘蔗渣为原料制备木糖和阿拉伯糖的方法,其中模拟移动床装置由两组色谱系统组成,第一组1根色谱柱,第二组4根色谱柱。通过对分离出的木糖液和阿拉伯糖液除去离子后结晶得到产品。尽管文书中有提到模拟移动床装置,但对于模拟移动床装置的运行模式没有详细说明。专利(CN103923130A)以秸秆纤维酶解液为原料,将原料液进行脱盐、脱色、浓缩处理后,通过过滤得到澄清液体;通过洗脱剂为去离子水,吸附剂为钙型强酸性阳离子交换树脂的顺序式模拟移动床色谱分离装置对处理后的原料液进行分离;顺序式模拟移动床装置由9根色谱柱组成,2个进料口2个出料口,但是该装置仅限于分离两个组分。专利(CN112321653A)公布了5根色谱柱组成的分离装置分离木糖母液中的木糖和阿拉伯糖。该方法由一号柱得到木糖产品溶液,五号柱得到阿拉伯糖产品溶液,并对木糖母液中的杂糖通过三号柱分离出来。最终得到的木糖含量在85%以上,阿拉伯糖含量在80%以上。专利文书中没有说明每次进料的不同保留组分的杂糖的分离,且还存在分离组分少、返混、分离区间的交叉污染等问题,会导致产品的纯度不够以及分离效率的降低。
为了提高模拟移动床装置精制木糖母液的效率,许多学者都采用不同的方法对模拟移动床装置进行改进和优化。李洪飞等人(食品与机械,2019,35(10):210-213)采用了两种工艺方法提取木糖母液中的木糖和阿拉伯糖。所用色谱分离装置均为顺序式模拟移动床装置,使用两组分分离工艺和三组分分离工艺。钱朋智等人(中国糖料,2018,40(4):6-10)建立了一种连续色谱法分离甘蔗叶提取木糖和阿拉伯糖的方法,文书中采用了20根柱连续移动床设备分离母液。
综上,顺序式模拟移动床是一种有效的分离装置,但由于运行步骤和分离模式的缺陷,会出现分离组分少、分离区间交叉污染等问题。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提供了一种在线解耦式模拟移动床分离系统及其分离木糖和阿拉伯糖的方法。本发明创新设计了在线解耦式多种色谱分离系统,通过分离区和反洗区的在线解耦切换,减少了模拟移动床运行中的返混现象,减缓了分离介质的性能衰减,延长了分离介质的寿命和提高了色谱系统的分离效率和产品纯度,有效地从木糖母液中分离木糖、阿拉伯糖、前杂糖和后杂糖四种组分。
本发明的技术方案如下:
一种在线解耦式模拟移动床分离系统,所述模拟移动床分离系统包括分离区和在线解耦离线反洗区;所述在线解耦离线反洗区包含1根色谱柱,所述分离区包含N减1根色谱柱;N为6~11;每一根所述色谱柱前均设有进料通道、进水通道,色谱柱后均设有出料通道;所述色谱柱中,相邻两根色谱柱之间通过连接管道串联;间隔色谱柱之间设置超越管;每根色谱柱前后均设置循环阀和循环泵;在移动床分离系统运行中,色谱柱中有1根色谱柱柱前和柱后的循环阀关闭,色谱柱处于解耦离线状态,且与该根色谱柱前后相邻的两根色谱柱通过超越管串联;所述色谱柱中,每根色谱柱的进料通道、进水通道、出料通道上均设置有自动控制的两通阀门;所述进料通道、进水通道上分别设有进样泵、流量计;所述移动床分离系统还包括控制系统。
进一步地,所述色谱柱设有排气口、视镜、树脂装填口、树脂排出口、人孔和液体分布器;色谱柱内装填有支撑层,所述支撑层由4~8mm、2~4mm和1~2mm规格的石英砂从上到下依次铺设形成;所述支撑层上设置树脂层;
所述色谱柱使用循环水或电加热夹套保温,运行温度60~75℃。
一种所述在线解耦式模拟移动床分离系统分离木糖母液的方法,包括如下步骤:
(1)木糖母液的预处理:木糖母液稀释后发酵,将葡萄糖含量降低至8%以下,过滤除去固形物质,再用活性炭及阴阳离子交换树脂除去色素和无机离子,使糖液的透光率高于70%、电导率低于200μS/m,温度为65℃~80℃,将糖液蒸发浓缩至折光浓度为40%~60%,得到原料。
(2)在线解耦式模拟移动床色谱系统分离:步骤(1)得到的原料液经过在线解耦式模拟移动床分离系统分离得到木糖、阿拉伯糖和杂糖;
所述在线解耦式模拟移动床分离系统的色谱固定相为钙型强酸性阳离子交换树脂,洗脱剂为去离子水,系统运行温度60℃~80℃。
进一步地,步骤(1)中,所述木糖母液的总折光浓度40%~55%;所述木糖母液包括如下质量分数的组分:木糖含量35%~60%,阿拉伯糖含量15%~25%,半乳糖含量5%~15%,葡萄糖含量12%~18%,其余糖合计2%~10%。
进一步地,所述固定相为钙型强酸性阳离子交换树脂,交联水平4%~10%,树脂粒径为0.25~0.35mm。
进一步地,步骤(2)中,所述在线解耦式模拟移动床色谱系统分离的每个周期均包括五个子步骤,即子步骤一、子步骤二、子步骤三、子步骤四和子步骤五,全部子步骤运行完后,各进出料位置均沿液体流动方向前移一根色谱柱,完成全部进出料运行循环后恢复至进出料的初始位置。
进一步地,以N=7为例,所述五个子步骤具体为:
子步骤一:打开第1根色谱柱前的进料阀注入原料,在第3根色谱柱末杂糖出口阀流出弱保留组分前杂糖;
子步骤二:子步骤一运行完后,关闭第1根色谱柱前的进料阀、开启第5根色谱柱前的进水阀,第5根色谱柱至第6根色谱柱组成第一分离区,洗脱剂水流动方向为第5根色谱柱至第6根色谱柱,在洗脱剂水的推动下,第6根色谱柱末的杂糖出口阀流出上个分离周期内的强保留组分后杂糖;
子步骤三:子步骤二运行完后,关闭分离区所有的进出口阀,开启分离区所有色谱柱前柱后的循环阀,第1根色谱柱至第6根色谱柱组成首尾连接的第二分离区,在洗脱剂水的推动下,中等保留组分木糖位于第6根色谱柱与第1根色谱柱之间的第二分离区,将其与中强等保留组分阿拉伯糖分离;
子步骤四:子步骤三运行完后,关闭分离区所有色谱柱前柱后的循环阀,开启第5根色谱柱前的进水阀,在洗脱剂水推动下,第2根色谱柱末木糖出口阀流出中等保留组分木糖。
子步骤五:子步骤四运行完后,开启第6根色谱柱前的进水阀,在洗脱剂水推动下,第1根色谱柱末木糖出口阀流出中等保留组分阿拉伯糖;
子步骤一至二运行中,始终保持第7根色谱柱的前后反洗阀开启,反洗第7根色谱柱;所述反洗所用溶液为水;流量为5~15mL/min;子步骤二运行完后,关闭第7根色谱柱的前后反洗阀至子步骤五运行完。
进一步地,子步骤五运行完后,子步骤一中的进料由第1根色谱柱前切换至第2根色谱柱前,前杂糖出口由第3根色谱柱末切换至第4根色谱柱末,第1根色谱柱解耦并对其反洗;子步骤二中进水由第5根色谱柱前切换至第6根色谱柱前,后杂糖出口由第6根色谱柱末切换至第7根色谱柱末,第1根色谱柱保持解耦状态并对其反洗;子步骤三中第2根色谱柱至第7根色谱柱组成首尾连接的色谱分离区,第1根色谱柱保持解耦状态;子步骤四中进水由第5根色谱柱前切换至第6根色谱柱前,木糖出口由第2根色谱柱末切换至第3根色谱柱末,第1根色谱柱保持解耦状态;子步骤五中进水阀由第6根色谱柱前切换至第7根色谱柱前,阿拉伯糖出口阀由第1根色谱柱末切换至第2根色谱柱末,第1根色谱柱保持解耦状态;
所有子步骤运行完后,各进出料阀的位置沿液体流动方向前移一根色谱柱,完成全部色谱柱进出料阀运行循环后,系统恢复至进出料阀的初始位置,分别收集木糖组分、阿拉伯糖组分和杂糖组分。
进一步地,所述原料的流量为2~4mL/min,所述洗脱液的流量为2~6mL/min,所述木糖的流量为2~4mL/min,所述阿拉伯糖的流量为2~4mL/min。
进一步地,所述子步骤一的运行时间为7~9min,;所述子步骤二的运行时间6~8min,;所述子步骤三的运行时间为27~33min;所述子步骤四的运行时间为8~10min,木糖折光度25%~30%;所述子步骤五的运行时间2~4min,阿拉伯糖折光度10%~15%。
进一步地,整个分离系统通过程序控制色谱柱前后指定自控阀的启闭,实现进水及进原料、出糖组分、以及固定相的模拟移动和反洗系统的启闭;
所述分离区的相邻色谱柱之间通过管线连接,间隔色谱柱之间通过超越管连接;所述在线解耦离线反洗区通过管线与分离区的色谱柱连接。
所述在线解耦式模拟移动床分离系统按照运行功能分为分离区和解耦反洗区;所述在线解耦式模拟移动床分离系统在运行时的任一时刻,有一根色谱柱处于解耦反洗状态,其余色谱柱组成分离区进行木糖、阿拉伯糖和前后杂糖的分离。
进一步地,步骤(2)中,所述在线解耦式模拟移动床色谱系统包括分离区和在线解耦离线反洗区;所述在线解耦离线反洗区包含1根色谱柱,所述分离区包含N减1根色谱柱;N为6~11;当N=6时,所述在线解耦式模拟移动床分离系统的每个周期包含五个子步骤,具体分离过程如下:
子步骤一:第1根色谱柱前的进料阀注入原料,第二根色谱柱末杂糖出口阀流出弱保留组分前杂糖;启动地6根色谱柱的前后反洗阀,反洗第6根色谱柱。
子步骤二:子步骤一运行结束后,关闭第1根色谱柱前的进料阀、开启第4根色谱柱前的进水阀,第4根色谱柱至第5根色谱柱组成第一分离区,洗脱剂水流动方向为第4根色谱柱至第5根色谱柱,在洗脱剂水的推动下,第5根色谱柱末的杂糖出口阀流出上个周期内的强保留组分后杂糖;保持第6根色谱柱的前后反洗阀的开启,继续反洗第6根色谱柱。
子步骤三:子步骤二运行结束后,关闭分离区所有的进出口阀,开启分离区所有色谱柱前柱后的循环阀,第1根色谱柱至第5根色谱柱组成首尾连接的第二分离区,在洗脱剂水的推动下,中等保留组分木糖驻留在第5根色谱柱与第1根色谱柱之间的分离区域,使其中强等保留组分阿拉伯糖分离;同时关闭第6根色谱柱的前后反洗阀。
子步骤四:子步骤三运行结束后,开启第4根色谱柱前的进水阀,在洗脱剂水推动下,第2根色谱柱末木糖出口阀流出中等保留组分木糖。
子步骤五:开启第5根色谱柱前的进水阀,在洗脱剂水推动下,第1根色谱柱末木糖出口阀流出中等保留组分阿拉伯糖。
子步骤五运行完后,子步骤一中的进料由第1根色谱柱前切换至第2根色谱柱前,前杂糖出口由第2根色谱柱末切换至第3根色谱柱末,第1根色谱柱解耦并对其反洗;子步骤二中进水由第4根色谱柱前切换至第5根色谱柱前,后杂糖出口由第5根色谱柱末切换至第6根色谱柱末,第1根色谱柱保持解耦状态并对其反洗;子步骤三中第2根色谱柱至第6根色谱柱组成首尾连接的第二分离区,第1根色谱柱保持解耦状态;子步骤四中进水由第4根色谱柱前切换至第5根色谱柱前,木糖出口由第2根色谱柱末切换至第3根色谱柱末,第1根色谱柱保持解耦状态;子步骤五中进水阀由第5根色谱柱前切换至第6根色谱柱前,阿拉伯糖出口阀由第1根色谱柱末切换至第2根色谱柱末,第1根色谱柱保持解耦状态;
即,所有子步骤运行完后,各进出料阀的位置沿液体流动方向前移一根色谱柱,完成全部色谱柱进出料阀运行循环后,系统恢复至进出料阀的初始位置,分别收集木糖组分、阿拉伯糖组分和杂糖组分。
所述N=8时,所述在线解耦式模拟移动床分离系统的每个周期包含五个子步骤:
子步骤一:第1根色谱柱前的进料阀注入原料,第4根色谱柱末杂糖出口阀流出弱保留组分前杂糖;启动第8根色谱柱的前后反洗阀,反洗第8根色谱柱。
子步骤二:子步骤一运行结束后,关闭第1根色谱柱前的进料阀、开启第6根色谱柱前的进水阀,第6根色谱柱至第7根色谱柱组成第一分离区,洗脱剂水流动方向为第6根色谱柱至第7根色谱柱,在洗脱剂水的推动下,第7根色谱柱末的杂糖出口阀流出上个周期内的强保留组分后杂糖;保持第8根色谱柱的前后反洗阀的开启,继续反洗第8根色谱柱。
子步骤三:子步骤二运行结束后,关闭分离区所有的进出口阀,开启分离区所有色谱柱前柱后的循环阀,第1根色谱柱至第7根色谱柱组成首尾连接的第二分离区,在洗脱剂水的推动下,中等保留组分木糖驻留在第7根色谱柱与第1根色谱柱之间的分离区域,使其与中强等保留组分阿拉伯糖分离;同时关闭第8根色谱柱的前后反洗阀。
子步骤四:子步骤三运行结束后,开启第6根色谱柱前的进水阀,在洗脱剂水推动下,第2根色谱柱末木糖出口阀流出中等保留组分木糖。
子步骤五:子步骤四运行结束后,开启第7根色谱柱前的进水阀,在洗脱剂水推动下,第1根色谱柱末木糖出口阀流出中等保留组分阿拉伯糖。
子步骤五运行完后,子步骤一中的进料由第1根色谱柱前切换至第2根色谱柱前,前杂糖出口由第4根色谱柱末切换至第5根色谱柱末,第1根色谱柱解耦并对其反洗;子步骤二中进水由第6根色谱柱前切换至第7根色谱柱前,后杂糖出口由第7根色谱柱末切换至第8根色谱柱末,第1根色谱柱保持解耦状态并对其反洗;子步骤三中第2根色谱柱至第8根色谱柱组成首尾连接的色谱分离区,第1根色谱柱保持解耦状态;子步骤四中进水由第6根色谱柱前切换至第7根色谱柱前,木糖出口由第2根色谱柱末切换至第3根色谱柱末,第1根色谱柱保持解耦状态;子步骤五中进水阀由第7根色谱柱前切换至第8根色谱柱前,阿拉伯糖出口阀由第1根色谱柱末切换至第2根色谱柱末,第1根色谱柱保持解耦状态;
即,所有子步骤运行完后,各进出料阀的位置沿液体流动方向前移一根色谱柱,完成全部色谱柱进出料阀运行循环后,系统恢复至进出料阀的初始位置,分别收集木糖组分、阿拉伯糖组分和杂糖组分。
本发明有益的技术效果在于:
(1)本发明在一次进料中分离出木糖和阿拉伯糖两个组分的同时,还可以分离出前杂糖和后杂糖两个组分,产品有较高的纯度和收
(2)本发明创新性的采用了在线解耦式运行模式,通过分离区和反洗区在线解耦切换,减少了模拟移动床运行中的返混现象,减缓了分离介质的性能衰减,延长了分离介质的寿命,同时提高了色谱系统的分离效率和产品纯度。
(3)本发明分离出的木糖的纯度达到90%及以上,阿拉伯糖的纯度达到89%及以上,两者的收率均在92%及以上;反洗区色谱柱经过反洗后分离效率比未反洗提高了15%。本发明通过对在线解耦反洗区色谱柱的反洗速度及反洗时间的控制,所述在线解耦式模拟移动床分离系统经过7次循环后色谱柱的分离效率基本没有影响,相比没有反洗的系统,本发明通过对色谱系统的设计,实现了分离的同时通过在线解耦对部分色谱柱进行反洗,提高了分离效率的同时,提高了分离纯度。同时提高了色谱柱的使用寿命,避免了多次分离后再洗涤时有机溶剂在色谱柱长时间驻留造成洗涤难度大的问题。
附图说明
图1为本发明在线解耦式模拟移动床分离木糖、阿拉伯糖和前后杂糖的示意图。
图中:a、为子步骤一的进料、出前杂糖、柱反洗的运行示意图;b、为子步骤二的进水、出后杂糖、柱反洗的运行示意图;c、为子步骤三的系统循环的运行示意图;d、为子步骤四的进水、出木糖的运行示意图;e、为子步骤五的进水、出阿拉伯糖的运行示意图。
图2为本申请对比例1所述五区模拟移动床色谱系统分离木糖和阿拉伯糖的示意图。
图3为传统四区模拟移动床色谱分离木糖或阿拉伯糖的示意图。
图4为顺序式模拟移动床色谱分离木糖或阿拉伯糖的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例,对本发明进行具体描述。
本发明的工作机制:钙离子与树脂上的磺酸基团通过配位形成钙型强酸性阳离子交换树脂后,由于糖分子中含有羟基,羟基去质子化后会带有负电荷,带负电性的糖分子与阳离子交换树脂发生相互作用,使糖分子在固定相树脂上被保留。在木糖母液中,各个糖分子在固定相树脂中的保留能力都不相同,根据其保留能力的不同,通过洗脱液的冲洗,不同糖分子在色谱柱中的移动速度也不相同,将不同的糖分子分离开。在本发明的模拟移动床系统中采用了在线解耦式运行模式,进料后先将上一次进料的保留能力最强的后杂糖分离出来,再将本次进料的保留能力最弱的前杂糖分离出来,然后分离收取木糖与阿拉伯糖。一个切换时间运行结束后,反洗区的一根色谱柱切换为工作状态,分离区的一根色谱柱切换为反洗状态,再开始运行下一个切换时间,依次循环,实现木糖与阿拉伯糖的分离。
实施例1
一种在线解耦式模拟移动床分离系统,如图1所示,包括分离区和在线解耦离线反洗区;如图1a所示,所述在线解耦离线反洗区包含1根色谱柱,所述分离区包含6根色谱柱(图中1#柱、2#柱、3#柱、4#柱、5#柱、6#柱、7#柱分别表示第1根色谱柱、第2根色谱柱、第3根色谱柱、第4根色谱柱、第5根色谱柱、第6根色谱柱、第7根色谱柱);所述色谱柱设有排气口、视镜、树脂装填口、树脂排出口、人孔和液体分布器;色谱柱内装填有支撑层,所述支撑层由4~8mm、2~4mm和1~2mm规格的石英砂从上到下依次铺设形成;所述支撑层上设置树脂层;所述色谱柱使用循环水或电加热夹套保温,运行温度60℃;每一根所述色谱柱前均设有进料通道、进水通道,色谱柱后均设有出料通道;所述色谱柱中,相邻两根色谱柱之间通过连接管道串联;间隔色谱柱之间设置超越管;每根色谱柱前后均设置循环阀和循环泵;在移动床分离系统运行中,色谱柱中有1根色谱柱柱前和柱后的循环阀关闭,色谱柱处于解耦离线状态,且与该根色谱柱前后相邻的两根色谱柱通过超越管串联;所述色谱柱中,每根色谱柱的进料通道、进水通道、出料通道上均设置有自动控制的两通阀门;所述进料通道、进水通道上分别设有进样泵、流量计;所述移动床分离系统还包括控制系统。
一种在线解耦式模拟移动床分离系统分离木糖及阿拉伯糖的方法如下:
(1)木糖母液预处理:木糖母液总折光浓度40%,其中,按质量分数计,木糖含量46%,阿拉伯糖含量21%,半乳糖含量11%,葡萄糖含量16%,其余糖合计6%。稀释木糖母液折光浓度至25%,将活性干酵母粉接种到木糖母液中,比例为0.3%。充氧并控制温度35℃,发酵14h,获得液体中葡萄糖含量低于8%。
精密过滤除去液体中的固形物质,粉末活性炭脱色、阴阳离子交换树脂除去无机离子,使糖液透光率高于75%,温度控制在80℃,将糖液浓缩至折光浓度为40%,得到原料。
(2)在线解耦式模拟移动床分离系统分离:步骤(1)得到的原料液经过在线解耦式模拟移动床分离系统分离得到木糖、阿拉伯糖和杂糖;
所述在线解耦式模拟移动床分离系统的色谱固定相为钙型强酸性阳离子交换树脂,洗脱剂为去离子水,系统运行温度60℃;所述固定相为钙型强酸性阳离子交换树脂,交联水平4%,树脂粒径为0.25~0.35mm。
所述在线解耦式模拟移动床色谱系统分离的每个周期均包括五个子步骤,即子步骤一、子步骤二、子步骤三、子步骤四和子步骤五,全部子步骤运行完后,各进出料位置均沿液体流动方向前移一根色谱柱,完成全部进出料运行循环后恢复至进出料的初始位置。
所述五个子步骤具体为:
(a)子步骤一(如图1a所示):第1根色谱柱前的进料阀注入原料,原料液流量为2mL/min;第3根色谱柱末流出弱保留组分前杂糖,控制流量为2mL/min;启动第7根色谱柱的前后反洗阀,反洗第7根色谱柱,反洗液流量为5mL/min。此子步骤运行时间7min。
(b)子步骤二(如图1b所示):子步骤一运行结束后,关闭第1根色谱柱前的进料阀、同时开启第5根色谱柱前的进水阀,第5根色谱柱至第6根色谱柱组成分离区,洗脱剂水流动方向为第5根色谱柱至第6根色谱柱,流量为2mL/min,在洗脱剂水的推动下,第6根色谱柱末流出上个周期内的强保留组分后杂糖,流量为1.5mL/min;保持第7根色谱柱的前后反洗阀的开启,继续反洗第7根色谱柱,反洗液流量为5mL/min。此子步骤运行时间6min。
(c)子步骤三(如图1c所示):子步骤二运行结束后,关闭分离区所有进出口阀,开启分离区所有色谱柱的循环阀,第1根色谱柱至第6根色谱柱组成首尾连接的分离区,洗脱剂水为2mL/min,在洗脱剂驱动下,中等保留组分木糖驻留在第6根色谱柱与第1根色谱柱之间的分离区,使其与中等保留组分阿拉伯糖分离;关闭第7根色谱柱的前后反洗阀。此子步骤运行时间27min。
(d)子步骤四(如图1d所示):子步骤三运行结束后,开启第5根色谱柱前的进水阀,在洗脱剂水推动下,第2根色谱柱末流出中等保留组分木糖,流量为2mL/min。此子步骤运行时间8min。
(e)子步骤五(如图1e所示):子步骤四运行结束后,开启第6根色谱柱前的进水阀,在洗脱剂水驱动下,第1根色谱柱末流出中等保留组分阿拉伯糖,流量为2mL/min。此子步骤运行时间2min。
所有子步骤运行完后,各进出料阀的位置沿液体流动方向前移一根色谱柱,完成全部色谱柱进出料阀运行循环后,系统恢复至进出料阀的初始位置,分别收集木糖组分、阿拉伯糖组分和杂糖组分。
上述色谱分离操作后,木糖纯度91%、收率94%、折光度26%;阿拉伯糖纯度90%、收率92%、折光浓度13%;杂糖折光浓度3%。
重复上述反洗过程子步骤20次循环后,木糖纯度约89%、收率约92%,阿拉伯糖纯度约88%、收率约90%。
重复上述反洗过程子步骤100次循环后,木糖纯度约88%、收率约91%,阿拉伯糖纯度约87%、收率约89%。
实施例2
一种在线解耦式模拟移动床分离系统,如图1所示,包括分离区和在线解耦离线反洗区;如图1a所示,所述在线解耦离线反洗区包含1根色谱柱,所述分离区包含6根色谱柱(图中1#柱、2#柱、3#柱、4#柱、5#柱、6#柱、7#柱分别表示第1根色谱柱、第2根色谱柱、第3根色谱柱、第4根色谱柱、第5根色谱柱、第6根色谱柱、第7根色谱柱);所述色谱柱设有排气口、视镜、树脂装填口、树脂排出口、人孔和液体分布器;色谱柱内装填有支撑层,所述支撑层由4~8mm、2~4mm和1~2mm规格的石英砂从上到下依次铺设形成;所述支撑层上设置树脂层;所述色谱柱使用循环水或电加热夹套保温,运行温度68℃;每一根所述色谱柱前均设有进料通道、进水通道,色谱柱后均设有出料通道;所述色谱柱中,相邻两根色谱柱之间通过连接管道串联;间隔色谱柱之间设置超越管;每根色谱柱前后均设置循环阀和循环泵;在移动床分离系统运行中,色谱柱中有1根色谱柱柱前和柱后的循环阀关闭,色谱柱处于解耦离线状态,且与该根色谱柱前后相邻的两根色谱柱通过超越管串联;所述色谱柱中,每根色谱柱的进料通道、进水通道、出料通道上均设置有自动控制的两通阀门;所述进料通道、进水通道上分别设有进样泵、流量计;所述移动床分离系统还包括控制系统。
一种在线解耦式模拟移动床分离系统分离木糖及阿拉伯糖的方法如下:
(1)木糖母液预处理:木糖母液总折光浓度约48%,其中,按质量分数计,木糖含量约46%,阿拉伯糖含量约18%,半乳糖含量约10%,葡萄糖含量16%,其余糖合计约10%。稀释木糖母液折光浓度至约22%,将活性干酵母粉接种到木糖母液中,比例为0.3%。充氧并控制温度38℃,发酵16h,获得液体中葡萄糖含量低于6%。
精密过滤除去液体中的固形物质,粉末活性炭脱色、阴阳离子交换树脂除去无机离子,使糖液透光率高于76%,温度控制在75℃,将糖液浓缩至折光浓度为约50%,即原料。
(2)在线解耦式模拟移动床色谱分离系统分离:步骤(1)得到的原料液经过在线解耦式模拟移动床分离系统分离得到木糖、阿拉伯糖和杂糖;
所述在线解耦式模拟移动床分离系统的色谱固定相为钙型强酸性阳离子交换树脂,洗脱剂为去离子水,系统运行温度70℃;所述固定相为钙型强酸性阳离子交换树脂,交联水平7%,树脂粒径为0.25~0.35mm。
所述在线解耦式模拟移动床色谱系统分离的每个周期均包括五个子步骤,即子步骤一、子步骤二、子步骤三、子步骤四和子步骤五,全部子步骤运行完后,各进出料位置均沿液体流动方向前移一根色谱柱,完成全部进出料运行循环后恢复至进出料的初始位置。
所述五个子步骤具体为:
(a)子步骤一(如图1a所示):第1根色谱柱前的进料阀注入原料,原料液流量为3mL/min;第3根色谱柱末流出弱保留组分前杂糖,控制流量为3mL/min;启动第7根色谱柱的前后反洗阀,反洗第7根色谱柱,反洗液流量为10mL/min。此子步骤运行时间8min。
(b)子步骤二(如图1b所示):子步骤一运行结束后,关闭第1根色谱柱前的进料阀、同时开启第5根色谱柱前的进水阀,第5根色谱柱至第6根色谱柱组成分离区,洗脱剂水流动方向为第5根色谱柱至6根色谱柱,流量为4mL/min,在洗脱剂水的推动下,第6根色谱柱末流出上个周期内的强保留组分后杂糖,流量为4mL/min;保持第7根色谱柱的前后反洗阀的开启,继续反洗第7根色谱柱,反洗液流量为10mL/min。此子步骤运行时间7min。
(c)子步骤三(如图1c所示):子步骤二运行结束后,关闭分离区所有进出口阀,开启分离区所有色谱柱的循环阀,第1根色谱柱至第6根色谱柱组成首尾连接的分离区,洗脱剂水为4mL/min,在洗脱剂驱动下,中等保留组分木糖驻留在第6根色谱柱与第1根色谱柱之间的分离区,使其与中等保留组分阿拉伯糖分离;关闭第7根色谱柱的前后反洗阀。此子步骤运行时间30min。
(d)子步骤四(如图1d所示):子步骤三运行结束后,开启第5根色谱柱前的进水阀,在洗脱剂水推动下,第2根色谱柱末流出中等保留组分木糖,流量为3mL/min。此子步骤运行时间9min。
(e)子步骤五(如图1e所示):子步骤四运行结束后,开启第6根色谱柱前的进水阀,在洗脱剂水驱动下,第1根色谱柱末流出中等保留组分阿拉伯糖,流量为3mL/min。此子步骤运行时间3min。
所有子步骤运行完后,各进出料阀的位置沿液体流动方向前移一根色谱柱,完成全部色谱柱进出料阀运行循环后,系统恢复至进出料阀的初始位置,分别收集木糖组分、阿拉伯糖组分和杂糖组分。
上述色谱分离操作后,木糖纯度93%、收率92%、折光度28%;阿拉伯糖纯度91%、收率93%,折光度11%;杂糖折光浓度4%。
重复上述反洗过程子步骤20次循环后,木糖纯度约91%、收率约90%,阿拉伯糖纯度约89%、收率约91%。
重复上述反洗过程子步骤100次循环后,木糖纯度约90%、收率约89%,阿拉伯糖纯度约88%、收率约90%。
实施例3
一种在线解耦式模拟移动床分离系统,所述系统的结构如实施例1所述,所述色谱柱使用循环水或电加热夹套保温,运行温度75℃;
一种在线解耦式模拟移动床分离系统分离木糖及阿拉伯糖的步骤如下:
(1)木糖母液预处理:木糖母液总折光浓度55%,其中,按质量分数计,木糖含量49%,阿拉伯糖含量17%,半乳糖含量9%,葡萄糖含量17%,其余糖合计8%。稀释木糖母液折光浓度至24%,将活性干酵母粉接种到木糖母液中,比例为0.5%。充氧并控制温度36℃,发酵16h,获得液体中葡萄糖含量低于5%。
精密过滤除去液体中的固形物质,粉末活性炭脱色、阴阳离子交换树脂除去无机离子,使糖液透光率高于77%,温度控制在80℃,将糖液浓缩至折光浓度为约60%,即原料。
(2)在线解耦式模拟移动床分离系统分离步骤(1)得到的原料液经过在线解耦式模拟移动床分离系统分离得到木糖、阿拉伯糖和杂糖;
所述在线解耦式模拟移动床分离系统的色谱固定相为钙型强酸性阳离子交换树脂,洗脱剂为去离子水,系统运行温度80℃;所述固定相为钙型强酸性阳离子交换树脂,交联水平10%,树脂粒径为0.25~0.35mm。
所述在线解耦式模拟移动床色谱系统分离的每个周期均包括五个子步骤,即子步骤一、子步骤二、子步骤三、子步骤四和子步骤五,全部子步骤运行完后,各进出料位置均沿液体流动方向前移一根色谱柱,完成全部进出料运行循环后恢复至进出料的初始位置。
所述五个子步骤具体为:
(a)子步骤一:第1根色谱柱前的进料阀注入原料,原料液流量为4mL/min;第3根色谱柱末流出弱保留组分前杂糖,控制流量为4mL/min;启动第7根色谱柱的前后反洗阀,反洗第7根色谱柱,反洗液流量为15mL/min。此子步骤运行时间9min。
(b)子步骤二:子步骤一运行结束后,关闭第1根色谱柱前的进料阀、同时开启第5根色谱柱前的进水阀,第5根色谱柱至第6根色谱柱组成分离区,洗脱剂水流动方向为第5根色谱柱至第6根色谱柱,流量为6mL/min,在洗脱剂水的推动下,第6根色谱柱末流出上个周期内的强保留组分后杂糖,流量为6mL/min;保持第7根色谱柱的前后反洗阀的开启,继续反洗第7根色谱柱,反洗液流量为15mL/min。此子步骤运行时间8min。
(c)子步骤三:子步骤二运行结束后,关闭分离区所有进出口阀,开启分离区所有色谱柱的循环阀,第1根色谱柱至第6根色谱柱组成首尾连接的分离区,洗脱剂水为6mL/min,在洗脱剂驱动下,中等保留组分木糖驻留在第6根色谱柱与第1根色谱柱之间的分离区,使其与中等保留组分阿拉伯糖分离;关闭第7根色谱柱的前后反洗阀。此子步骤运行时间33min。
(d)子步骤四:子步骤三运行结束后,开启第5根色谱柱前的进水阀,在洗脱剂水推动下,第2根色谱柱末流出中等保留组分木糖,流量为4mL/min。此子步骤运行时间10min。
(e)子步骤五:子步骤四运行结束后,开启第6根色谱柱前的进水阀,在洗脱剂水驱动下,第1根色谱柱末流出中等保留组分阿拉伯糖,流量为4mL/min。此子步骤运行时间4min。
所有子步骤运行完后,各进出料阀的位置沿液体流动方向前移一根色谱柱,完成全部色谱柱进出料阀运行循环后,系统恢复至进出料阀的初始位置,分别收集木糖组分、阿拉伯糖组分和杂糖组分。
上述色谱分离操作后,木糖纯度92%、收率94%、折光度约27%,阿拉伯糖纯度90%、收率93%,折光度14%,杂糖折光浓度4%。
重复上述反洗过程子步骤20次循环后,木糖纯度约90%、收率约92%,阿拉伯糖纯度约88%、收率约91%。
重复上述反洗过程子步骤100次循环后,木糖纯度约89%、收率约91%,阿拉伯糖纯度约87%、收率约90%。
实施例4
一种在线解耦式模拟移动床分离系统,包括分离区和在线解耦离线反洗区;所述在线解耦离线反洗区包含1根色谱柱,所述分离区包含5根色谱柱;所述色谱柱设有排气口、视镜、树脂装填口、树脂排出口、人孔和液体分布器;色谱柱内装填有支撑层,所述支撑层由4~8mm、2~4mm和1~2mm规格的石英砂从上到下依次铺设形成;所述支撑层上设置树脂层;所述色谱柱使用循环水或电加热夹套保温,运行温度75℃;每一根所述色谱柱前均设有进料通道、进水通道,色谱柱后均设有出料通道;所述色谱柱中,相邻两根色谱柱之间通过连接管道串联;间隔色谱柱之间设置超越管;每根色谱柱前后均设置循环阀和循环泵;在移动床分离系统运行中,色谱柱中有1根色谱柱柱前和柱后的循环阀关闭,色谱柱处于解耦离线状态,且与该根色谱柱前后相邻的两根色谱柱通过超越管串联;所述色谱柱中,每根色谱柱的进料通道、进水通道、出料通道上均设置有自动控制的两通阀门;所述进料通道、进水通道上分别设有进样泵、流量计;所述移动床分离系统还包括控制系统。
一种在线解耦式模拟移动床分离系统分离木糖及阿拉伯糖的方法如下:
(1)木糖母液预处理:木糖母液总折光浓度约55%,其中,按质量分数计,木糖含量约49%,阿拉伯糖含量17%,半乳糖含量约9%,葡萄糖含量约17%,其余糖合计约8%。稀释木糖母液折光浓度至约24%,将活性干酵母粉接种到木糖母液中,比例为0.5%。充氧并控制温度36℃,发酵16h,获得液体中葡萄糖含量低于5%。
精密过滤除去液体中的固形物质,粉末活性炭脱色、阴阳离子交换树脂除去无机离子,使糖液透光率高于77%,温度控制在80℃,将糖液浓缩至折光浓度为约60%,即原料。
(2)在线解耦式模拟移动床分离系统分离:步骤(1)得到的原料液经过在线解耦式模拟移动床分离系统分离得到木糖、阿拉伯糖和杂糖;
所述在线解耦式模拟移动床分离系统的色谱固定相为钙型强酸性阳离子交换树脂,洗脱剂为去离子水,系统运行温度80℃;所述固定相为钙型强酸性阳离子交换树脂,交联水平10%,树脂粒径为0.25~0.35mm。
所述在线解耦式模拟移动床色谱系统分离的每个周期均包括五个子步骤,即子步骤一、子步骤二、子步骤三、子步骤四和子步骤五,全部子步骤运行完后,各进出料位置均沿液体流动方向前移一根色谱柱,完成全部进出料运行循环后恢复至进出料的初始位置。
所述五个子步骤具体为:
(a)子步骤一:第1根色谱柱前的进料阀注入原料,原料液流量为4mL/min;第2根色谱柱末流出弱保留组分前杂糖,控制流量为4mL/min;启动第6根色谱柱的前后反洗阀,反洗第6根色谱柱,反洗液流量为15mL/min。此子步骤运行时间9min。
(b)子步骤二:子步骤一运行结束后,关闭第1根色谱柱前的进料阀、同时开启第4根色谱柱前的进水阀,第4根色谱柱至第5根色谱柱组成分离区,洗脱剂水流动方向为第4根色谱柱至第5根色谱柱,流量为6mL/min,在洗脱剂水的推动下,第5根色谱柱末流出上个周期内的强保留组分后杂糖,流量为6mL/min;保持第6根色谱柱的前后反洗阀的开启,继续反洗第6根色谱柱,反洗液流量为15mL/min。此子步骤运行时间8min。
(c)子步骤三:子步骤二运行结束后,关闭分离区所有进出口阀,开启分离区所有色谱柱的循环阀,第1根色谱柱至第5根色谱柱组成首尾连接的分离区,洗脱剂水为6mL/min,在洗脱剂驱动下,中等保留组分木糖驻留在第5根色谱柱与第1根色谱柱之间的分离区,使其与中等保留组分阿拉伯糖分离;关闭第6根色谱柱的前后反洗阀。此子步骤运行时间33min。
(d)子步骤四:子步骤三运行结束后,开启第4根色谱柱前的进水阀,在洗脱剂水推动下,第2根色谱柱末流出中等保留组分木糖,流量为4mL/min。此子步骤运行时间10min。
(e)子步骤五:子步骤四运行结束后,开启第5根色谱柱前的进水阀,在洗脱剂水驱动下,第1根色谱柱末流出中等保留组分阿拉伯糖,流量为4mL/min。此子步骤运行时间4min。
所有子步骤运行完后,各进出料阀的位置沿液体流动方向前移一根色谱柱,完成全部色谱柱进出料阀运行循环后,系统恢复至进出料阀的初始位置,分别收集木糖组分、阿拉伯糖组分和杂糖组分。
上述色谱分离操作后,木糖纯度约90%、收率约92%、折光度约26%,阿拉伯糖纯度约88%、收率约91%,折光度约13%,杂糖折光浓度约5%。
重复上述反洗过程子步骤20次循环后,木糖纯度约88%、收率约90%,阿拉伯糖纯度约86%、收率约89%。
重复上述反洗过程子步骤100次循环后,木糖纯度约87%、收率约89%,阿拉伯糖纯度约85%、收率约88%。
实施例5
一种在线解耦式模拟移动床分离系统,包括分离区和在线解耦离线反洗区;所述在线解耦离线反洗区包含1根色谱柱,所述分离区包含7根色谱柱;所述色谱柱设有排气口、视镜、树脂装填口、树脂排出口、人孔和液体分布器;色谱柱内装填有支撑层,所述支撑层由4~8mm、2~4mm和1~2mm规格的石英砂从上到下依次铺设形成;所述支撑层上设置树脂层;所述色谱柱使用循环水或电加热夹套保温,运行温度75℃;每一根所述色谱柱前均设有进料通道、进水通道,色谱柱后均设有出料通道;所述色谱柱中,相邻两根色谱柱之间通过连接管道串联;间隔色谱柱之间设置超越管;每根色谱柱前后均设置循环阀和循环泵;在移动床分离系统运行中,色谱柱中有1根色谱柱柱前和柱后的循环阀关闭,色谱柱处于解耦离线状态,且与该根色谱柱前后相邻的两根色谱柱通过超越管串联;所述色谱柱中,每根色谱柱的进料通道、进水通道、出料通道上均设置有自动控制的两通阀门;所述进料通道、进水通道上分别设有进样泵、流量计;所述移动床分离系统还包括控制系统。
一种在线解耦式模拟移动床分离系统分离木糖及阿拉伯糖的方法如下:
(1)木糖母液预处理:木糖母液总折光浓度约55%,其中,按质量分数计,木糖含量约49%,阿拉伯糖含量约17%,半乳糖含量约9%,葡萄糖含量约17%,其余糖合计约8%。稀释木糖母液折光浓度至约24%,将活性干酵母粉接种到木糖母液中,比例为0.5%。充氧并控制温度36℃,发酵16h,获得液体中葡萄糖含量低于5%。
精密过滤除去液体中的固形物质,粉末活性炭脱色、阴阳离子交换树脂除去无机离子,使糖液透光率高于77%,温度控制在80℃,将糖液浓缩至折光浓度为约60%,即原料。
(2)在线解耦式模拟移动床色谱分离:步骤(1)得到的原料液经过在线解耦式模拟移动床分离系统分离得到木糖、阿拉伯糖和杂糖;
所述在线解耦式模拟移动床分离系统的色谱固定相为钙型强酸性阳离子交换树脂,洗脱剂为去离子水,系统运行温度80℃;所述固定相为钙型强酸性阳离子交换树脂,交联水平10%,树脂粒径为0.25~0.35mm。
所述在线解耦式模拟移动床色谱系统分离的每个周期均包括五个子步骤,即子步骤一、子步骤二、子步骤三、子步骤四和子步骤五,全部子步骤运行完后,各进出料位置均沿液体流动方向前移一根色谱柱,完成全部进出料运行循环后恢复至进出料的初始位置。
所述五个子步骤具体为:
(a)子步骤一:第1根色谱柱前的进料阀注入原料,原料液流量为4mL/min;第4根色谱柱末流出弱保留组分前杂糖,控制流量为4mL/min;启动第8根色谱柱的前后反洗阀,反洗第8根色谱柱,反洗液流量为15mL/min。此子步骤运行时间9min。
(b)子步骤二:子步骤一运行结束后,关闭第1根色谱柱前的进料阀、同时开启第6根色谱柱前的进水阀,第6根色谱柱至第7根色谱柱组成分离区,洗脱剂水流动方向为第6根色谱柱至第7根色谱柱,流量为6mL/min,在洗脱剂水的推动下,第7根色谱柱末流出上个周期内的强保留组分后杂糖,流量为6mL/min;保持第8根色谱柱的前后反洗阀的开启,继续反洗第8根色谱柱,反洗液流量为15mL/min。此子步骤运行时间8min。
(c)子步骤三:子步骤二运行结束后,关闭分离区所有进出口阀,开启分离区所有色谱柱的循环阀,第1根色谱柱至第7根色谱柱组成首尾连接的分离区,洗脱剂水为6mL/min,在洗脱剂驱动下,中等保留组分木糖驻留在第7根色谱柱与第1根色谱柱之间的分离区,使其与中等保留组分阿拉伯糖分离;关闭第8根色谱柱的前后反洗阀。此子步骤运行时间33min。
(d)子步骤四:子步骤三运行结束后,开启第6根色谱柱前的进水阀,在洗脱剂水推动下,第2根色谱柱末流出中等保留组分木糖,流量为4mL/min。此子步骤运行时间10min。
(e)子步骤五:子步骤四运行结束后,开启第7根色谱柱前的进水阀,在洗脱剂水驱动下,第1根色谱柱末流出中等保留组分阿拉伯糖,流量为4mL/min。此子步骤运行时间4min。
所有子步骤运行完后,各进出料阀的位置沿液体流动方向前移一根色谱柱,完成全部色谱柱进出料阀运行循环后,系统恢复至进出料阀的初始位置,分别收集木糖组分、阿拉伯糖组分和杂糖组分。
上述色谱分离操作后,木糖纯度约93%、收率约94%、折光度约27%,阿拉伯糖纯度约90%、收率约93%,折光度约14%,杂糖折光浓度约4%。
重复上述反洗过程子步骤20次循环后,木糖纯度约91%、收率约92%,阿拉伯糖纯度约88%、收率约91%。
重复上述反洗过程子步骤100次循环后,木糖纯度约90%、收率约91%,阿拉伯糖纯度约87%、收率约90%。
对比例1
一种五区模拟移动床分离系统(如图2所示),包括:三个糖液出料口,一个进料口和一个洗脱液进口;其分离木糖及阿拉伯糖的方法如下:
(1)木糖母液预处理:木糖母液总折光浓度约45%,其中,按质量分数计,木糖含量约46%,阿拉伯糖含量约21%,半乳糖含量约11%,葡萄糖含量约16%,其余糖合计约6%。稀释木糖母液折光浓度至约25%,将活性干酵母粉接种到木糖母液中,比例为0.3%。充氧并控制温度35℃,发酵14h,获得液体中葡萄糖含量低于8%。
精密过滤除去液体中的固形物质,粉末活性炭脱色、阴阳离子交换树脂除去无机离子,使糖液透光率高于75%,温度控制在80℃,将糖液浓缩至折光浓度为约55%,即原料。
(2)将经过发酵等处理后的木糖母液进入五区模拟移动床系统,系统运行温度75℃,原料液流量2.5mL/min,洗脱液流量6mL/min。
杂糖组分从IV区末的杂糖出料阀流出,流量2mL/min;木糖组分从II区末的木糖出料阀流出,流量3.5mL/min;阿拉伯糖组分从I区末的阿拉伯糖出料阀流出,流量3mL/min。
上述色谱分离操作后,木糖纯度约71%、收率约80%、折光度约26%,阿拉伯糖纯度约60%、收率约79%、折光度约11%,杂糖折光浓度约10%。
对比例2
一种在线解耦式模拟移动床分离系统,所述系统与实施例3相比,取消了分离装置中的反洗系统;其分离木糖及阿拉伯糖的方法如下(无反洗系统):
(1)木糖母液预处理:木糖母液总折光浓度约46%,其中,按质量分数计,木糖含量约49%,阿拉伯糖含量约17%,半乳糖含量约9%,葡萄糖含量约17%,其余糖合计约8%。稀释木糖母液折光浓度至约24%,将活性干酵母粉接种到木糖母液中,比例为0.5%。充氧并控制温度36℃,发酵16h,获得液体中葡萄糖含量低于5%。
精密过滤除去液体中的固形物质,粉末活性炭脱色、阴阳离子交换树脂除去无机离子,使糖液透光率高于77%,温度控制在80℃,将糖液浓缩至折光浓度为约53%,即原料。
(2)在线解耦式模拟移动床色谱分离:步骤(1)得到的原料液经过在线解耦式模拟移动床分离系统分离得到木糖、阿拉伯糖和杂糖;
所述在线解耦式模拟移动床分离系统的色谱固定相为钙型强酸性阳离子交换树脂,洗脱剂为去离子水,系统运行温度80℃;所述固定相为钙型强酸性阳离子交换树脂,交联水平10%,树脂粒径为0.25~0.35mm。
所述在线解耦式模拟移动床色谱系统分离的每个周期均包括五个子步骤,即子步骤一、子步骤二、子步骤三、子步骤四和子步骤五,全部子步骤运行完后,各进出料位置均沿液体流动方向前移一根色谱柱,完成全部进出料运行循环后恢复至进出料的初始位置。
所述五个子步骤具体为:
(a)子步骤一:第1根色谱柱前的进料阀注入原料,原料液流量为2.7mL/min;第3根色谱柱末流出弱保留组分前杂糖,控制流量为2.2mL/min。此子步骤运行时间7.5min。
(b)子步骤二:子步骤一运行结束后,关闭第1根色谱柱前的进料阀、同时开启第5根色谱柱前的进水阀,洗脱剂水流动方向为第5根色谱柱至第6根色谱柱,流量为3.2mL/min,在洗脱剂水的推动下,第6根色谱柱末流出上个周期内的强保留组分后杂糖,流量为1.7mL/min。此子步骤运行时间6.5min。
(c)子步骤三:子步骤二运行结束后,关闭所有进出口阀,开启所有色谱柱的循环阀,洗脱剂水为6.2mL/min,在洗脱剂驱动下,中等保留组分木糖驻留在第6根色谱柱与第1根色谱柱之间的区域,使其与中等保留组分阿拉伯糖分离。此子步骤运行时间29min。
(d)子步骤四:子步骤三运行结束后,开启第5根色谱柱前的进水阀,在洗脱剂水推动下,第2根色谱柱末流出中等保留组分木糖,流量为3.3mL/min。此子步骤运行时间8.5min。
(e)子步骤五:子步骤四运行结束后,开启第6根色谱柱前的进水阀,在洗脱剂水驱动下,第1根色谱柱末流出中等保留组分阿拉伯糖,流量为2.8mL/min。此子步骤运行时间2.5min。
所有子步骤运行完后,各进出料阀的位置沿液体流动方向前移一根色谱柱,完成全部色谱柱进出料阀运行循环后,系统恢复至进出料阀的初始位置,分别收集木糖组分、阿拉伯糖组分和杂糖组分。
上述色谱分离操作后,木糖纯度约80%、收率约84%、折光度约26%,阿拉伯糖纯度约70%、收率约83%,折光度约12%,杂糖折光浓度约9%。
综上,实施例通过具有反洗系统的模拟移动床装置实现了木糖母液中木糖和阿拉伯糖的的分离,分离纯度提高了10%以上,重复100次系统稳定后仍然有较高的分离效果。
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)
1.一种在线解耦式模拟移动床分离系统,其特征在于,所述在线解耦式模拟移动床分离系统包括分离区和在线解耦离线反洗区;所述在线解耦离线反洗区包含1根色谱柱,所述分离区包含N减1根色谱柱;N为6~11;每一根所述色谱柱前均设有进料通道、进水通道,色谱柱后均设有出料通道;所述色谱柱中,相邻两根色谱柱之间通过连接管道串联;间隔色谱柱之间设置超越管;每根色谱柱前后均设置循环阀和循环泵;在移动床分离系统运行中,色谱柱中有1根色谱柱柱前和柱后的循环阀关闭,色谱柱处于解耦离线状态,且与该根色谱柱前后相邻的两根色谱柱通过超越管串联;所述色谱柱中,每根色谱柱的进料通道、进水通道、出料通道上均设置有自动控制的两通阀门;所述进料通道、进水通道上分别设有进样泵、流量计;所述移动床分离系统还包括控制系统。
2.根据权利要求1所述的在线解耦式模拟移动床分离系统,其特征在于,所述色谱柱内装填有支撑层,所述支撑层由4~8mm、2~4mm和1~2mm规格的石英砂从上到下依次铺设形成;所述支撑层上设置树脂层;
所述色谱柱使用循环水或电加热夹套保温,运行温度60~75℃。
3.一种权利要求1-2任一项所述在线解耦式模拟移动床分离系统分离木糖母液的方法,其特征在于,所述方法包括如下步骤:
(1)木糖母液的预处理:木糖母液稀释后发酵,将葡萄糖含量降低至8%以下,过滤除去固形物质,再用活性炭及阴阳离子交换树脂除去色素和无机离子,使糖液的透光率高于70%、电导率低于200μS/m,温度为65℃~80℃,将糖液蒸发浓缩至折光浓度为40%~60%,得到原料;
(2)用在线解耦式模拟移动床分离系统进行分离:步骤(1)得到的原料经过在线解耦式模拟移动床分离系统分离得到木糖、阿拉伯糖和杂糖;
所述在线解耦式模拟移动床分离系统的色谱固定相为钙型强酸性阳离子交换树脂,洗脱剂为去离子水,系统运行温度60℃~80℃。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,步骤(1)中,所述木糖母液的总折光浓度40%~55%;所述木糖母液包括如下质量分数的组分:木糖含量35%~60%,阿拉伯糖含量15%~25%,半乳糖含量5%~15%,葡萄糖含量12%~18%,其余糖合计2%~10%。
5.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述固定相为钙型强酸性阳离子交换树脂,交联水平4%~10%,树脂粒径为0.25~0.35mm。
6.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,步骤(2)中,所述在线解耦式模拟移动床分离系统分离的每个周期均包括五个子步骤,即子步骤一、子步骤二、子步骤三、子步骤四和子步骤五,全部子步骤运行完后,各进出料位置均沿液体流动方向前移一根色谱柱,完成全部进出料运行循环后恢复至进出料的初始位置。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,以N=7为例,所述五个子步骤具体为:
子步骤一:打开第1根色谱柱前的进料阀注入原料,在第3根色谱柱末杂糖出口阀流出弱保留组分前杂糖;
子步骤二:子步骤一运行完后,关闭第1根色谱柱前的进料阀、开启第5根色谱柱前的进水阀,第5根色谱柱至第6根色谱柱组成第一分离区,洗脱剂水流动方向为第5根色谱柱至第6根色谱柱,在洗脱剂水的推动下,第6根色谱柱末的杂糖出口阀流出上个分离周期内的强保留组分后杂糖;
子步骤三:子步骤二运行完后,关闭分离区所有的进出口阀,开启分离区所有色谱柱前柱后的循环阀,第1根色谱柱至第6根色谱柱组成首尾连接的第二分离区,在洗脱剂水的推动下,中等保留组分木糖位于第6根色谱柱与第1根色谱柱之间的第二分离区,将其与中强等保留组分阿拉伯糖分离;
子步骤四:子步骤三运行完后,关闭分离区所有色谱柱前柱后的循环阀,开启第5根色谱柱前的进水阀,在洗脱剂水推动下,第2根色谱柱末木糖出口阀流出中等保留组分木糖;
子步骤五:子步骤四运行完后,开启第6根色谱柱前的进水阀,在洗脱剂水推动下,第1根色谱柱末木糖出口阀流出中等保留组分阿拉伯糖;
子步骤一至二运行中,始终保持第7根色谱柱的前后反洗阀开启,反洗第7根色谱柱;所述反洗所用溶液为水;流量为5~15mL/min;子步骤二运行完后,关闭第7根色谱柱的前后反洗阀至子步骤五运行完。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,子步骤五运行完后,子步骤一中的进料由第1根色谱柱前切换至第2根色谱柱前,前杂糖出口由第3根色谱柱末切换至第4根色谱柱末,第1根色谱柱解耦并对其反洗;子步骤二中进水由第5根色谱柱前切换至第6根色谱柱前,后杂糖出口由第6根色谱柱末切换至第7根色谱柱末,第1根色谱柱保持解耦状态并对其反洗;子步骤三中第2根色谱柱至第7根色谱柱组成首尾连接的色谱分离区,第1根色谱柱保持解耦状态;子步骤四中进水由第5根色谱柱前切换至第6根色谱柱前,木糖出口由第2根色谱柱末切换至第3根色谱柱末,第1根色谱柱保持解耦状态;子步骤五中进水阀由第6根色谱柱前切换至第7根色谱柱前,阿拉伯糖出口阀由第1根色谱柱末切换至第2根色谱柱末,第1根色谱柱保持解耦状态;
所有子步骤运行完后,各进出料阀的位置沿液体流动方向前移一根色谱柱,完成全部色谱柱进出料阀运行循环后,系统恢复至进出料阀的初始位置,分别收集木糖组分、阿拉伯糖组分和杂糖组分。
9.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述原料的流量为2~4mL/min,所述洗脱剂的流量为2~6mL/min,所述木糖的流量为2~4mL/min,所述阿拉伯糖的流量为2~4mL/min。
10.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述子步骤一的运行时间为7~9min;所述子步骤二的运行时间6~8min;所述子步骤三的运行时间为27~33min;所述子步骤四的运行时间为8~10min,木糖折光度25%~30%;所述子步骤五的运行时间2~4min,阿拉伯糖折光度10%~15%。
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