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木糖母液类料液的色谱分离

  • 作者: 张祁良
  • 时间: 2019-08-27 14:58:04
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摘要  木糖母液类料液成分复杂,一般含有各种色素、低聚木糖、葡萄糖、木糖、半乳糖、阿拉伯糖,少量甘油等。木糖母液中的每一种成分都很有价值,但当它们混合在一起时,则变成了价值较低的废液。如何有效地将各种组分分离纯化是色谱技术要解决的重要课题。近几年色谱分离木糖母液的技术在不断地进步之中。就现有的工业化色谱树脂来说,可以实现低聚木糖,葡萄糖、阿拉伯糖的有效分离,但由于半乳糖和木糖的分离度太低,暂时无法用色谱法将其分离。资料显示酵母也无法有效地消耗掉半乳糖,这为彻底消除掉木糖母液带来了障碍。如果以后能有半乳糖和木糖高分离度的填料和方法,或者有消耗半乳糖但不发酵木糖的酵母,将会彻底解决木糖母液问题,使木糖母液中的所有成分都能变废为宝。本文将回顾木糖母液色谱分离技术的发展历程,并重点介绍最新的两次三组分组分离木糖母液类料液的方法,为较为彻底合理地处理木糖母液类料液提供工艺参考。

关键词  木糖母液;色谱分离

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

 

木糖母液类原料

木糖母液类原料如果过滤和脱盐处理较好的话,一般原料组分特点都如图1所示,一般在色谱图中最慢的是阿拉伯糖,仅靠阿拉伯糖左侧的峰是木糖和半乳糖的混合峰,再向左是葡萄糖,葡萄糖的左侧一般就是低聚木糖了。有的物料在阿拉伯糖的右边还有甘油等,但含量不是太高。有的料液中在木糖的左侧还有甘露糖。不同来源的木糖母液类料液各种成分的含量不同。

由木糖母液类料液的色谱图可以看出,价格低廉的木糖母液中,其实都是价值很高的组分,但如何将这些组分分离提纯是关键。要分离低聚木糖和阿拉伯糖比较容易,因为他们是最快或最慢的组分。但要将葡萄糖、木糖和半乳糖分开有一定的难度。尤其是将木糖和半乳糖分开,就现有的色谱填料无法实现,因为半乳糖和木糖的分离度太低。因此,完成半乳糖和木糖的分离是彻底分离解决木糖母糖母液类物料的关键。

2  木糖母液类物料色谱分离技术的发展历程

        木糖母液的色谱分离经历了由简单到复杂,并逐渐趋向合理的发展历程,最初是木糖母液先经过发酵消耗掉葡萄糖,然后再用两组分分离法纯化去除掉葡萄糖后的木糖母液。后来发展到先色谱分离,将葡萄糖和木糖分离在一起,再发酵掉其中葡萄糖;再到后来使用三组分分离技术,进一步纯化木糖及阿拉伯糖。最新的发展是用两次三组分分离技术进一步得到更合理的各种产品。

2.1 两组分分离

       典型的木糖母液成分见表1

 这种木糖母液先经过酵母消耗掉葡萄糖再用两组分色谱分离工艺将绝大部分木糖分离进快组分BD液中而将大部分阿拉伯糖分离进入慢组分AD液中。表23分别是分离后ADBD的成分。

通过以上数据我们可以看到,母液经酵母处理和两组分色谱分离后,BD液中木糖纯度得到了较大的提升,由45.3%提升至72.3%,可以生产结晶木糖。AD液中阿拉伯糖得到了提升,由15.2%提升至60.5%,可以去生产结晶阿拉伯糖。我们的主要目的是回收木糖,此工艺的木糖回收率在95%以上。

此工艺从母液中回收了大量的木糖和阿拉伯糖,但这种工艺也有以下缺点:

先发酵去葡萄糖,后色谱分离的工艺不合理。木糖母液的浓度在55%左右,要进行酵母发酵必须先用水稀释到20%左右的浓度,因为酵母活细胞无法承受55%浓度所带来的渗透压,而且经酵母发酵后的料液要过滤掉酵母和蛋白,还要蒸发浓缩至60%左右的浓度,才能再进行色谱分离。而木糖母液经脱盐脱色过滤处理后,可以直接进色谱分离,分离出的BD液浓度在20%左右,正好是酵母活动的浓度而且这时的BD液中葡萄糖含量比原料高出将近一倍,酵母的发酵也会活跃,所以葡萄糖的去除效率也比较高。先发酵后进色谱发酵后的料液蛋白等大分子很难过滤干净,会对随后的色谱分离造成较大的影响,造成色谱树脂的蛋白污染堵塞。所以,合理的工艺应该是先将母液进行色谱分离,然后再将BD液进行酵母发酵去除葡萄糖。

为了达到木糖的结晶纯度,酵母发酵去除葡萄糖工艺必不可少,但酵母脱糖段工艺很繁琐,而且消耗掉了原本有价值的葡萄糖,如能直接将葡萄糖用色谱分离的方法分离出去,哪怕只是部分分离出去,避开酵母发酵,则可简化工艺,降低成本,并可回收部分葡萄糖。

2.2 木糖母液的三组分分离

现阶段木糖母液的主要分离目标是获取木糖及阿拉伯糖,主要是回收主产品木糖。木糖母液的三组分分离不但能够达到这一目的,而且可以省掉酵母发酵去除葡萄糖这一繁琐工艺。从图1我们知道,葡萄糖在色谱树脂中要比木糖跑得快,可以将其归到快组CD分中,如果将木糖母液分为CDBDAD三段,快组分CD包括低聚木糖及葡萄糖,中组分BD包括木糖及半乳糖,慢组分AD包括阿拉伯糖和其它慢组分。这样,可以将部分葡萄糖分离掉,使BD液的木糖纯度不经发酵就可达到结晶的要求。从表4的三组分分离数据可以看出,三组分分离可以实现这一目标。

从表4可以看出,BD液木糖纯度高达68.6%,可以直接去结晶。此工艺省掉了酵母发酵工艺,但木糖损失较多;我们看到CD中的木糖含量高达41.3%,而原料中的木糖含量也只有45%左右。看来降低木糖损失是关键。以下的两次三组分分离模式既不用发酵去葡萄糖,木糖的损失又很少。

3  两次三组分分离模式处理类木糖母液

3.1 原料组分

这种分离模式我们在一种类木糖母液的料液分离中使用过。之所以把这种料液称为类木糖母液,是因为这种料液的成分种类类似木糖母液,但各组分含量为: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%。其钙柱色谱图谱见图2

最右侧是阿拉伯糖峰,最高峰是木糖及半乳糖峰,再往左侧是葡萄糖峰,葡萄萄糖峰左侧全部是低聚木糖峰。客户要求将这种物料分离成阿拉伯糖、木糖、低聚木糖三部分,要求阿拉伯糖和低聚木糖的纯度要尽量地高木糖的纯度要达到能结晶出木糖的纯度。

3.2 第一次三组分分离

客户的要求是苛刻的。我刚开始想一步达到客户的要求,但经过多次试验,一次三组分分离哪一个组分的纯度都不能满足客户的要求,而且各个组分收率也不好。后来我们发现一次三组分分离后的BD液组分色谱图谱显著地简化缩短了,后来我们就萌发了两次三组分分离的想法。第一次三组分分离先纯化阿拉伯糖和低聚木糖,先保证这两个组分的纯度和中间组分木糖的收率。就是说在切除阿拉伯糖和低聚木糖的时候尽量少切除木糖。等组分变得简单后,第二次三组分分离时加大循环量,使阿拉伯糖及葡萄糖与木糖充分分离,以达到切除阿拉伯糖和葡萄糖,而不过分损失木糖的目的。我们的设想经过试验证明是对的。以下是第一次三组分分离后各组分的含量及色谱图谱。

从图3、图4、图5及表5可以看出,AD中的阿拉伯糖纯度很高,CD中低聚木糖的含量也显著提高,而且ADCD中带出的木糖含量很少。

3.3 第二次三组分分离

第二次三组分分离是以第一次三组分分离的BD液为原料进一步纯化木糖。由图1及图4的对比可以看出,BD液的图谱要简单的多,组分分布范围也变窄,这样我们就可以加大循环量,使阿拉伯糖、木糖及葡萄糖之间拉开更充分的距离,以利于这三种组分的分离。第二次三组分分离的原则仍然是不能过分损失木糖。以下是第二次三组分分离的ADBDCD色谱谱图及组分组成。

从色谱图678和组分含量表6可以看出,经过第二次三组分分离,木糖和半乳糖的含量从58.4%提高到72.5%,已经达到了可以结晶木糖的纯度,如果想进一步提高木糖的收率,可以将BD液进行酵母发酵,将其中24.2%的葡萄糖消耗掉,这样经过酵母去葡萄糖的料液估计其木糖和半乳糖的含量会在90%左右,用这种料液再去结晶木糖,木糖晶体的收率会非常地高。

3.4 总结

        两次三组分分离的AD液阿拉伯糖的纯度都很高,合并后纯度不低于95%,可以去生产结晶阿拉伯糖,两次三组分分离阿拉伯糖的总收率为93.5%。第二次三组分的BD液,阿拉伯糖及低聚木糖含量很低,总共不到4%,有24.2%的葡萄糖,这时如果用酵母发酵掉葡萄糖,则木糖和半乳糖的纯度可以达到90%以上,再去结晶木糖的收率会很高。虽然经过了两次三组分分离,但木糖的损失并不多,木糖及半乳糖的总收率高达96%以上。两次三组分分离的CD液合并后低聚木糖纯度接近60%,低聚木糖总收率为98.5%

4  讨论

4.1 分离纯化木糖母液意义重大

生产木糖的原料虽然非常廉价,但其生产过程复杂:玉米芯经硫酸水解,多次离交脱色、多次浓缩、结晶而获得的,中间需要投入大量运行费用,因此木糖的生产成本很高。由于木糖水解液成分复杂,因此结晶木糖的母液量也很大,每生产1 t结晶木糖,会相应产生0.8 t 70%干基含木糖45%左右的木糖母液。也就是说,每生产1 t结晶木糖会有0.25 t纯木糖随母液流失掉,还有低聚木糖、葡萄糖、阿拉伯糖、半乳糖等很有价值的糖。如能用色谱法将其有效分离,就能变废为宝,为企业带来较大的经济效益。植物酸水解物的组成和木糖母液相近,因此木糖母液色谱分离技术的成熟与发展必然为植物酸水解物的分离打下基础。

4.2 木糖母液色谱分离的难点

木糖母液中的低聚木糖和阿拉伯糖较好分离。葡萄糖和木糖原来也较难分离,现在随着色谱分离树脂的技术进步,葡萄糖和木糖已能较为有效地分离。现在的关键是木糖和半乳糖的分离比较困难,因为这两种单糖的分离度太低。半乳糖不能和木糖分离,木糖母液就无法彻底消除,而且价值很高的半乳糖也无法变成有价值的产品。因此,攻克木糖和半乳糖的分离难题是彻底解决木糖母液问题的关键。半乳糖是6碳糖,木糖是5碳糖,它们的分子大小有区别,应该能有一种更加精细的树脂分开6碳和5碳糖,我们期待着这种树脂的出现。也就是说木糖和半乳糖的分离是彻底解决木糖母液纯化的关键和难点。

4.3 两次三组分分离模式

现阶段,两次三组分分离模式是纯化分离木糖母液的最佳工艺路线。木糖母液成分复杂,色谱谱带分布宽,要想一次三组分同时保证三个组分的纯度和收率是不可能的。如果第一次三组分分离只保证最快和最慢组分的纯度,而不顾及其收率是容易办到的,也不会过分损失中间组分,同时中间组分的组成也会简单化,色谱图谱会变窄。以这种简单化的中间组分为原料再次分离,就可以通过加大循环量的办法,实现三个组分较为彻底的分离。两次三组分分离的特点是,两端的快组分和慢组分纯度高,中间组分收率高纯度也高。

中间组分经两次分离其主要成分就剩下了葡萄糖、木糖和半乳糖了。木糖和半乳糖现有技术无法分离,但葡萄糖可以通过酵母彻底去除,如果能有一种既能消化葡萄糖又能消化半乳糖的酵母,那就可以将木糖母液中的木糖全部回收了。

两次三组分分离获得的中间组分不用发酵去除葡萄糖也可以结晶木糖,但如果用酵母去除葡萄糖,木糖的纯度会更高,其结晶收率也会更高。

       两次三组分分离的缺点是,快组分CD液及慢组分AD液的浓度较低,必须要用膜浓缩技术提高浓度,但考虑到膜浓缩的清相可作为色谱用水使用,则ADCD的低浓度也没有多大关系。

 

作者单位:上海兆光色谱分离技术有限公司,上海  201203