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1、9化工081期末论文分离工程 期末论文氨基酸的提取与精制Extraction and Separation of Amino Acid学 院： 化学工程学院 专业班级： 化学工程与工艺 化工081 学生姓名： 於马骥 学 号： 050811139 指导教师： 戴卫东（副教授） 2011年6月期末论文中文摘要氨基酸的提取与精制摘 要：综合介绍了氨基酸提取过程中常用的分离技术以及近期的发展动态.如沉淀法、离子交换法、膜分离法和萃取法.并提出了氨基酸提纯精制的关键环节-结晶过程中应该注意的问题. 氨基酸是生物有机体的重要组成部分,是组成蛋白质的基本单元,具有极其重要的生理功能。提取和精制是氨基酸工业
2、生产中的一个重要环节,在其投资费用中占有很大比例 关键词：氨基酸; 沉淀法; 离子交换法; 膜分离; 反应萃取; 反向微胶团期末论文外文摘要TitleExtraction and Separation of Amino AcidAbstract: The separation techniques of amino acids extraction,such as precipitating method,ion-exchange,membrane separation,liquid-liquid extraction are reviewed.And crystallization,whic
3、h is the critical step in purification of amino acids,are introduced systematically to be put emphasis on. Amino acids are an important part of the biological organisms, is the basic unit of the component proteins, have very important physiological function. Amino acid extraction and refined is one
4、of the important links in industrial production, in its investment very large proportion in chargeKeywords: amino acid;precipitation;ion-exchange;membrane separation;reactive extraction;reverse micelleation;1 引言或绪论R氨基酸是生物有机体的重要组成部分，是组成蛋白质的基本单元，具有极其重要的生理功能。提取和精制是氨基酸工业生产中的一个重要环节，在其投资费用中占有很大比例 。研究提取与精制
5、技术，对氨基酸工业的发展致关重要。发酵法得到的是单一品种的一氨基酸，夹杂其它氨基酸的种类和含量较少；蛋白质水解法得到的是多种氨基酸的混合物。目前，多数氨基酸采用发酵法生产，有的氨基酸则存在多种生产方法并存。氨基酸的发酵液经过预处理、离心或过滤出去菌体后，可对其进行初步的提取。主要的方法涉及沉淀、吸附、离子交换、萃取和电渗析过程。若想得到高纯度的氨基酸，还需进一步的精制提纯 超滤、结晶。氨基酸是一种具有两性官能团的物质。氨基酸含有一个a一氨基，一个a一羧基及一个侧链 ，通：式为RCH(NH：)COOH。当介质的pH达到一定值时，氨基酸分子呈电中性，此时的pH称为氨基酸的等电点(pI)。当介质pH
6、低于等电点，氨基酸以阳离子状态存在；当pH高于等电点，氨基酸以阴离子状态存在。氨基酸的溶解度随pH的变化很大，在等电点时，溶解度最小。1 沉淀剂分离法沉淀法分离氨基酸主要包括特殊试剂沉淀法、等电点沉淀法和有机溶剂沉淀法。特殊沉淀法是最早应用于混合氨基酸分离的方法之一。某些氨基酸可以与一些有机化合物或无机化合物结合，形成结晶性衍生物沉淀，达到与其它氨基酸分离的目的。较为成熟的工艺有：精氨酸与苯甲醛在碱性和低温条件下，可缩合成溶解度很小的苯亚甲基精氨酸，将沉淀用盐酸水解除去苯甲醛，即可得精氨酸盐酸盐；亮氨酸与邻一二甲苯一4一磺酸反应，生成亮氨酸的磺酸盐，后者与氨水反应，得到亮氨酸。组氨酸与氯化汞作
7、用，生成组氨酸汞盐的沉淀，再经硫化氢的处理就可得组氨酸 。周锡梁等人 给出了从毛发角蛋白质经酸水解、碱中和、提取胱氨酸后的水解液中提取市场上缺乏的7种氨基酸的方法。分别以苯磺酸、苯甲醛、五氯酚、苯甲酸和苯三酸为沉淀剂分离亮氨酸、精氨酸、脯氨酸、苯丙氨酸和苏氨酸(其中，使用苯甲酸沉淀苯丙氨酸由于缬氨酸的影响，还需使用离子交换法进一步分离)。特殊沉淀法操作简单、选择性强。采用上述方法从提取胱氨酸后的废水中分离提取多种氨基酸，不仅可以大大降低排放液的含氮量，而且还有附加的经济效益。但是特殊沉淀法的沉淀剂回收较困难，排放废液中参杂有沉淀剂，加重了污染，残留在氨基酸产品中的沉淀剂还会影响纯度。等电点沉淀
8、法是根据氨基酸的等电点不同，在等电点处，氨基酸分子的净电荷为零，便于氨基酸彼此吸引形成结晶体沉淀下来。采用这种方法可以从生产半胱氨酸的废母液中回收胱氨酸 。半胱氨酸在水溶液中的溶解度比较大，而胱氨酸在等电点处溶解度很小。调整溶液的pH，再加入H 0，将半胱氨酸氧化成胱氨酸，就可以形成沉淀达到分离的目的。此外，目前国内味精厂也都采用等电点沉淀法提取谷氨酸。【1】2 离子交换法离子交换法是利用离子交换剂对不同氨基酸吸附能力的差异对氨基酸混合物进行分组或实现单一成分的分离。其在工业中有成功应用的实例，例如，味精厂采用强酸性阳离子交换树脂对谷氨酸阳离子进行选择性吸附，以使发酵液中妨碍谷氨酸结晶的残糖及
9、糖的聚合物、蛋白质、色素等非高子性杂质得以分离。日本味之素公司研究的氨基酸提纯技术采用逆流连续多级交换，可以大大减少树脂用量和洗涤树脂用水量 。GObor Simon等人 采用离子交换热参数泵从水解液和制革废水中浓缩分离氨基酸。利用热参数泵这一非稳态循环过程，根据流动相中氨基酸在不同温度下，在流动相和树脂上的分配系数不同这一原理，使氨基酸在离子交换柱的一端富集另一端减少，而达到混合氨基酸的分离。Soldatov等人 研究了液体磺酸基离子交换剂对脂肪族氨基酸阳离子的提取平衡。研究发现该离子交换剂对氨基酸提取的选择性要高于苯乙烯磺酸树脂。Kisay Lee等人 发现芳香族氨基酸(苯丙氨酸和酪氨酸)
10、在浓度较高时会发生非离子性吸附，吸附量偏离化学计量数较远，高于金属离子和脂肪族氨基酸，无法使用钠盐再生。25(质量分数)的乙醇溶液可以有效地抑制非离子性吸附。Tao Zuvi等人对氨基酸阳离子与氢离子的交换平衡进行了详细的研究，给出了10种氨基酸阳离子在低pH下的热力学平衡方程。离子交换树脂法提取氨基酸处理量大，工艺较成熟。但由于离子交换法分离混合氨基酸仅利用各氨基酸之间等电点的差异，只有当混合氨基酸之间的等电点相差较大时才能较好地分开，对于等电点相近的混合氨基酸只能部分分开或根本难以分离；氨基酸离子在树脂中的扩散速度较慢，因此一方面要求料液的流速较低，另一方面对于氨基酸浓度较高的料液在上离子
11、交换柱前还要进行稀释，这就必然导致所需的设备太大；并且，发酵液必须进行预处理，采用离心分离，或者添加高分子凝集剂使之沉淀，再用膜过滤等方法把微生物体除去：【2】3 膜分离法膜过滤法可以实现混合溶液的分离是因为在膜和溶液的界面处存在以下机理：由于亲水性等原因所引起的选择性透过；筛分效应一待分离物质分子的直径大于膜孔的直径，将被截留，反之则透过；电荷效应(Donnan效应)一若膜表面带与待分离物质同种电荷，则会产生静电排斥作用，反之则会产生吸引作用 。国外膜分离工艺已应用于乳制品工业：采用反渗透浓缩乳清，使用超滤法从乳清中制备浓缩蛋白质，使用微米膜分离乳清中的蛋白质、去除脱脂乳中的细菌，使用纳滤膜
12、去除乳清中的矿物质。近些年，又开始研究膜过滤分离蛋白质、肽和氨基酸的可行性。在人体的新陈代谢过程中存在大量生物膜渗透现象。研究氨基酸的膜分离不仅可以找出有效的生物分离技术，而且有助于加深对这些新陈代谢过程的理解。Timmer等人 选用了4种膜，对赖氨酸、亮氨酸和谷氨酸的膜过滤进行了考察。在pH=55时，赖氨酸带一单位的正电荷(pI =974)，亮氨酸不带电(pI舢=598)，而两者的分子体积相差不多。使用带负电荷的超滤膜，赖氨酸更容易透过，分离效果优于纳滤膜。在若氨基酸分子带净电荷，改变盐(如，NaC1，NaH，PO )的浓度也可以改变超滤膜对氨基酸分子的截留率。在对混合氨基酸进行膜过滤时，其
13、规律与对单个氨基酸进行操作是一致的。故调整氨基酸混合液的pH，改变其所带的电荷，并通过加入适当种类和浓度的盐可以提氨基酸的分离选择性。同时也证明了，当唐南效应占主导地位时，分离的选择性最高。电渗析也是对氨基酸发酵液脱盐浓缩的常用方法。MieMinagawa等人 。采用阳离子交换膜分离氨基酸，重点研究了pH对甘氨酸在界面传递的影响。采用理论模型对实验结果进行数学分析，结果表明氨基酸的传递过程的控制步骤是甘氨酸离开膜的过程。氨基酸的通量与浓度差不成线性关系，这说明氨基酸通过膜传递有一个饱和量。当接受相的pH较大时，甘氨酸的传递速度较低。适当的改变pH能够提高甘氨酸通过阳离子交换膜的速率。对氨基酸发
14、酵液进行超滤时，各种杂质会污染膜，降低过滤通量，甚至改变过滤的选择性。Doneva等人 对氨基酸发酵液中的多种组分分别进行了实验，发现酵母精是导致膜污染的主要因素。作者还对酵母精超滤过程中氨基酸的动态吸附进行了研究，考察了氨基酸的浓度、所带电荷及膜的带电性对酵母精中氨基酸吸附和保留率的影响。实验发现，氨基酸的溶液的pH对吸附的影响较大，而氨基酸浓度的影响却并不明显。在大部分氨基酸的膜分离研究中，pH都是最重要的考察参数。因为氨基酸为两性物质，不同pH下的解离状态不同，所带的电荷数不同。此外溶液的pH还会影响到膜上离子基因所带的电荷性质。若膜上的离子基团带负电荷，它能吸引和通过带正电荷的阳离子，
15、而排斥带负电荷的阴离子；而带正电荷的膜则允许带负电荷的离子通过。在特定的分离要求下，选择适当类型的膜以及最佳的pH条件就成了决定分离效果好坏的关键。选择膜时应尽量同时使更多的分离机理起作用，提高分离的选择性。其它一些条件，如氨基酸溶液的浓度，盐的浓度也会对氨基酸的选择性透过有一定的影响。研究这些条件对分离效果的影响，可以优化膜分离过程，在对pH要求过于苛刻时，应该考虑改变其它条件(比如在过滤前稀释或浓缩氨基酸溶液，引入其它种类的盐或者是先脱盐再过滤)以减小操作成本，降低对环境的污染。【3】4 萃取法41 反应萃取氨基酸不溶于普通有机溶剂，因此采用通常的溶剂萃取法不能奏效，必须采用反应萃取法，即选择适当的反应萃取剂，其解离出来的离子与氨基酸解离出来的离子发生反应，生成可以溶于有机相的萃取配合物，从而使氨基酸从水相进入有机相。迄今为止，人们采用了两类不同形式的反应萃取剂，一类是在低pH下萃取氨基酸阳离子，以酸性磷氧类萃取剂最为典型，如二(2一乙基己基)磷酸(D2EHPA)、十二烷基磷酸等。另一类是在高pH下萃取氨基酸阴离子的季铵盐，如甲基三辛基氯化铵(TOMAC)，是典型的阴离子萃取剂。Cascaval“ 采用D2EHPA通过改变水溶液的pH，完成了对一系列酸性、碱性和中性氨基酸的萃取分离，并认为可以在工业生产中实现对氨基酸发酵液的萃取。近年来，采
