木糖母液類料液的色譜分離

  • 作者: 張祁良
  • 時間: 2019-08-27 14:58:04
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摘要  木糖母液類料液成分復雜,一般含有各種色素、低聚木糖、葡萄糖、木糖、半乳糖、阿拉伯糖,少量甘油等。木糖母液中的每一種成分都很有價值,但當它們混合在一起時,則變成了價值較低的廢液。如何有效地將各種組分分離純化是色譜技術要解決的重要課題。近幾年色譜分離木糖母液的技術在不斷地進步之中。就現有的工業化色譜樹脂來說,可以實現低聚木糖,葡萄糖、阿拉伯糖的有效分離,但由于半乳糖和木糖的分離度太低,暫時無法用色譜法將其分離。資料顯示酵母也無法有效地消耗掉半乳糖,這為徹底消除掉木糖母液帶來了障礙。如果以后能有半乳糖和木糖高分離度的填料和方法,或者有消耗半乳糖但不發酵木糖的酵母,將會徹底解決木糖母液問題,使木糖母液中的所有成分都能變廢為寶。本文將回顧木糖母液色譜分離技術的發展歷程,并重點介紹最新的兩次三組分組分離木糖母液類料液的方法,為較為徹底合理地處理木糖母液類料液提供工藝參考。

關鍵詞  木糖母液;色譜分離

ABSTRACT  Xylose mother liquor has complex components and contains various pigments, oligoxylose, glucose, xylose, galactose, arabinose and a small amount of glycerol. Each component of xylose mother liquor is valuable, but when mixed together, it becomes a less valuable waste liquid. How to separate and purify all kinds of components is an important task for chromatographic technology. In recent years, the technology of chromatographic separation of xylose mother liquor has been progressing. Present industrial chromatographic resin can effectively separate xylooligosaccharide, glucose, arabinose. but due to the low separation degree between xylose and galactose, we temporarily can’t separate them. No data also showed that the yeast could effectively consume galactose, so we have to give up the idea of consuming galactose in xylose mother liquor. One day, if we find a resin or a method separating galactose and xylose. we will completely solve the problem of xylose mother liquid. This article will review the developing course of xylose mother liquid chromatographic separation technology, and introduce a latest method of two times of three-component chromatography to treat xylose mother liquor.

KEYWORDS  xylose mother liquor; chromatographic separation

 

木糖母液類原料

木糖母液類原料如果過濾和脫鹽處理較好的話,一般原料組分特點都如圖1所示,一般在色譜圖中最慢的是阿拉伯糖,僅靠阿拉伯糖左側的峰是木糖和半乳糖的混合峰,再向左是葡萄糖,葡萄糖的左側一般就是低聚木糖了。有的物料在阿拉伯糖的右邊還有甘油等,但含量不是太高。有的料液中在木糖的左側還有甘露糖。不同來源的木糖母液類料液各種成分的含量不同。

由木糖母液類料液的色譜圖可以看出,價格低廉的木糖母液中,其實都是價值很高的組分,但如何將這些組分分離提純是關鍵。要分離低聚木糖和阿拉伯糖比較容易,因為他們是最快或最慢的組分。但要將葡萄糖、木糖和半乳糖分開有一定的難度。尤其是將木糖和半乳糖分開,就現有的色譜填料無法實現,因為半乳糖和木糖的分離度太低。因此,完成半乳糖和木糖的分離是徹底分離解決木糖母糖母液類物料的關鍵。

2  木糖母液類物料色譜分離技術的發展歷程

        木糖母液的色譜分離經歷了由簡單到復雜,并逐漸趨向合理的發展歷程,最初是木糖母液先經過發酵消耗掉葡萄糖,然后再用兩組分分離法純化去除掉葡萄糖后的木糖母液。后來發展到先色譜分離,將葡萄糖和木糖分離在一起,再發酵掉其中葡萄糖;再到后來使用三組分分離技術,進一步純化木糖及阿拉伯糖。最新的發展是用兩次三組分分離技術進一步得到更合理的各種產品。

2.1 兩組分分離

       典型的木糖母液成分見表1

 這種木糖母液先經過酵母消耗掉葡萄糖再用兩組分色譜分離工藝將絕大部分木糖分離進快組分BD液中而將大部分阿拉伯糖分離進入慢組分AD液中。表23分別是分離后ADBD的成分。

通過以上數據我們可以看到,母液經酵母處理和兩組分色譜分離后,BD液中木糖純度得到了較大的提升,由45.3%提升至72.3%,可以生產結晶木糖。AD液中阿拉伯糖得到了提升,由15.2%提升至60.5%,可以去生產結晶阿拉伯糖。我們的主要目的是回收木糖,此工藝的木糖回收率在95%以上。

此工藝從母液中回收了大量的木糖和阿拉伯糖,但這種工藝也有以下缺點:

先發酵去葡萄糖,后色譜分離的工藝不合理。木糖母液的濃度在55%左右,要進行酵母發酵必須先用水稀釋到20%左右的濃度,因為酵母活細胞無法承受55%濃度所帶來的滲透壓,而且經酵母發酵后的料液要過濾掉酵母和蛋白,還要蒸發濃縮至60%左右的濃度,才能再進行色譜分離。而木糖母液經脫鹽脫色過濾處理后,可以直接進色譜分離,分離出的BD液濃度在20%左右,正好是酵母活動的濃度而且這時的BD液中葡萄糖含量比原料高出將近一倍,酵母的發酵也會活躍,所以葡萄糖的去除效率也比較高。先發酵后進色譜發酵后的料液蛋白等大分子很難過濾干凈,會對隨后的色譜分離造成較大的影響,造成色譜樹脂的蛋白污染堵塞。所以,合理的工藝應該是先將母液進行色譜分離,然后再將BD液進行酵母發酵去除葡萄糖。

為了達到木糖的結晶純度,酵母發酵去除葡萄糖工藝必不可少,但酵母脫糖段工藝很繁瑣,而且消耗掉了原本有價值的葡萄糖,如能直接將葡萄糖用色譜分離的方法分離出去,哪怕只是部分分離出去,避開酵母發酵,則可簡化工藝,降低成本,并可回收部分葡萄糖。

2.2 木糖母液的三組分分離

現階段木糖母液的主要分離目標是獲取木糖及阿拉伯糖,主要是回收主產品木糖。木糖母液的三組分分離不但能夠達到這一目的,而且可以省掉酵母發酵去除葡萄糖這一繁瑣工藝。從圖1我們知道,葡萄糖在色譜樹脂中要比木糖跑得快,可以將其歸到快組CD分中,如果將木糖母液分為CDBDAD三段,快組分CD包括低聚木糖及葡萄糖,中組分BD包括木糖及半乳糖,慢組分AD包括阿拉伯糖和其它慢組分。這樣,可以將部分葡萄糖分離掉,使BD液的木糖純度不經發酵就可達到結晶的要求。從表4的三組分分離數據可以看出,三組分分離可以實現這一目標。

從表4可以看出,BD液木糖純度高達68.6%,可以直接去結晶。此工藝省掉了酵母發酵工藝,但木糖損失較多;我們看到CD中的木糖含量高達41.3%,而原料中的木糖含量也只有45%左右。看來降低木糖損失是關鍵。以下的兩次三組分分離模式既不用發酵去葡萄糖,木糖的損失又很少。

3  兩次三組分分離模式處理類木糖母液

3.1 原料組分

這種分離模式我們在一種類木糖母液的料液分離中使用過。之所以把這種料液稱為類木糖母液,是因為這種料液的成分種類類似木糖母液,但各組分含量為:低聚木糖24.1%,葡萄糖18.1%,木糖及半乳糖32.2%,阿拉伯糖25.6%。其鈣柱色譜圖譜見圖2

最右側是阿拉伯糖峰,最高峰是木糖及半乳糖峰,再往左側是葡萄糖峰,葡萄萄糖峰左側全部是低聚木糖峰。客戶要求將這種物料分離成阿拉伯糖、木糖、低聚木糖三部分,要求阿拉伯糖和低聚木糖的純度要盡量地高木糖的純度要達到能結晶出木糖的純度。

3.2 第一次三組分分離

客戶的要求是苛刻的。我剛開始想一步達到客戶的要求,但經過多次試驗,一次三組分分離哪一個組分的純度都不能滿足客戶的要求,而且各個組分收率也不好。后來我們發現一次三組分分離后的BD液組分色譜圖譜顯著地簡化縮短了,后來我們就萌發了兩次三組分分離的想法。第一次三組分分離先純化阿拉伯糖和低聚木糖,先保證這兩個組分的純度和中間組分木糖的收率。就是說在切除阿拉伯糖和低聚木糖的時候盡量少切除木糖。等組分變得簡單后,第二次三組分分離時加大循環量,使阿拉伯糖及葡萄糖與木糖充分分離,以達到切除阿拉伯糖和葡萄糖,而不過分損失木糖的目的。我們的設想經過試驗證明是對的。以下是第一次三組分分離后各組分的含量及色譜圖譜。

從圖3、圖4、圖5及表5可以看出,AD中的阿拉伯糖純度很高,CD中低聚木糖的含量也顯著提高,而且ADCD中帶出的木糖含量很少。

3.3 第二次三組分分離

第二次三組分分離是以第一次三組分分離的BD液為原料進一步純化木糖。由圖1及圖4的對比可以看出,BD液的圖譜要簡單的多,組分分布范圍也變窄,這樣我們就可以加大循環量,使阿拉伯糖、木糖及葡萄糖之間拉開更充分的距離,以利于這三種組分的分離。第二次三組分分離的原則仍然是不能過分損失木糖。以下是第二次三組分分離的ADBDCD色譜譜圖及組分組成。

從色譜圖678和組分含量表6可以看出,經過第二次三組分分離,木糖和半乳糖的含量從58.4%提高到72.5%,已經達到了可以結晶木糖的純度,如果想進一步提高木糖的收率,可以將BD液進行酵母發酵,將其中24.2%的葡萄糖消耗掉,這樣經過酵母去葡萄糖的料液估計其木糖和半乳糖的含量會在90%左右,用這種料液再去結晶木糖,木糖晶體的收率會非常地高。

3.4 總結

        兩次三組分分離的AD液阿拉伯糖的純度都很高,合并后純度不低于95%,可以去生產結晶阿拉伯糖,兩次三組分分離阿拉伯糖的總收率為93.5%。第二次三組分的BD液,阿拉伯糖及低聚木糖含量很低,總共不到4%,有24.2%的葡萄糖,這時如果用酵母發酵掉葡萄糖,則木糖和半乳糖的純度可以達到90%以上,再去結晶木糖的收率會很高。雖然經過了兩次三組分分離,但木糖的損失并不多,木糖及半乳糖的總收率高達96%以上。兩次三組分分離的CD液合并后低聚木糖純度接近60%,低聚木糖總收率為98.5%

4  討論

4.1 分離純化木糖母液意義重大

生產木糖的原料雖然非常廉價,但其生產過程復雜:玉米芯經硫酸水解,多次離交脫色、多次濃縮、結晶而獲得的,中間需要投入大量運行費用,因此木糖的生產成本很高。由于木糖水解液成分復雜,因此結晶木糖的母液量也很大,每生產1 t結晶木糖,會相應產生0.8 t 70%干基含木糖45%左右的木糖母液。也就是說,每生產1 t結晶木糖會有0.25 t純木糖隨母液流失掉,還有低聚木糖、葡萄糖、阿拉伯糖、半乳糖等很有價值的糖。如能用色譜法將其有效分離,就能變廢為寶,為企業帶來較大的經濟效益。植物酸水解物的組成和木糖母液相近,因此木糖母液色譜分離技術的成熟與發展必然為植物酸水解物的分離打下基礎。

4.2 木糖母液色譜分離的難點

木糖母液中的低聚木糖和阿拉伯糖較好分離。葡萄糖和木糖原來也較難分離,現在隨著色譜分離樹脂的技術進步,葡萄糖和木糖已能較為有效地分離。現在的關鍵是木糖和半乳糖的分離比較困難,因為這兩種單糖的分離度太低。半乳糖不能和木糖分離,木糖母液就無法徹底消除,而且價值很高的半乳糖也無法變成有價值的產品。因此,攻克木糖和半乳糖的分離難題是徹底解決木糖母液問題的關鍵。半乳糖是6碳糖,木糖是5碳糖,它們的分子大小有區別,應該能有一種更加精細的樹脂分開6碳和5碳糖,我們期待著這種樹脂的出現。也就是說木糖和半乳糖的分離是徹底解決木糖母液純化的關鍵和難點。

4.3 兩次三組分分離模式

現階段,兩次三組分分離模式是純化分離木糖母液的最佳工藝路線。木糖母液成分復雜,色譜譜帶分布寬,要想一次三組分同時保證三個組分的純度和收率是不可能的。如果第一次三組分分離只保證最快和最慢組分的純度,而不顧及其收率是容易辦到的,也不會過分損失中間組分,同時中間組分的組成也會簡單化,色譜圖譜會變窄。以這種簡單化的中間組分為原料再次分離,就可以通過加大循環量的辦法,實現三個組分較為徹底的分離。兩次三組分分離的特點是,兩端的快組分和慢組分純度高,中間組分收率高純度也高。

中間組分經兩次分離其主要成分就剩下了葡萄糖、木糖和半乳糖了。木糖和半乳糖現有技術無法分離,但葡萄糖可以通過酵母徹底去除,如果能有一種既能消化葡萄糖又能消化半乳糖的酵母,那就可以將木糖母液中的木糖全部回收了。

兩次三組分分離獲得的中間組分不用發酵去除葡萄糖也可以結晶木糖,但如果用酵母去除葡萄糖,木糖的純度會更高,其結晶收率也會更高。

       兩次三組分分離的缺點是,快組分CD液及慢組分AD液的濃度較低,必須要用膜濃縮技術提高濃度,但考慮到膜濃縮的清相可作為色譜用水使用,則ADCD的低濃度也沒有多大關系。

 

作者單位:上海兆光色譜分離技術有限公司,上海  201203

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