本發(fā)明屬于分離純化，具體涉及一種順序式模擬移動床純化提取谷氨酸的工藝技術(shù)。

背景技術(shù)：

1、谷氨酸（glutamic?acide），化學(xué)名稱為α-氨基戊二酸。谷氨酸有左旋體、右旋體和外消旋體。左旋體，即l-谷氨酸，統(tǒng)稱為谷氨酸，是一種酸性氨基酸，分子中有兩個羧基，鱗片狀或粉末狀晶體，呈微酸性，無毒。l-谷氨酸微溶于冷水，易溶于熱水，幾乎不溶于乙醚、丙酮及冷醋酸中，也不溶于乙醇和甲醇。在200℃時升華，247℃-249℃分解。l-谷氨酸的用途廣泛，其鈉鹽有特殊的鮮味用作食品的鮮味劑，分子式為c5h9o4。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，化學(xué)工業(yè)對于分離過程的能耗、溶劑消耗、分離效率、分離產(chǎn)品的復(fù)雜性以及分離過程控制的靈活程度都有了更高的要求。絕大多數(shù)氨基酸產(chǎn)品是通過發(fā)酵產(chǎn)生的，因此，粗液的組成成分含有諸多雜質(zhì)，如介質(zhì)成分、生物酶和各種氨基酸，這就導(dǎo)致通過結(jié)晶分離氨基酸過程中，很有可能會產(chǎn)生其它多種氨基酸、糖類、色素等雜質(zhì)。

2、目前，國內(nèi)主流廠家分離提取谷氨酸的方法有等電點-離子交換法。等電點-離子交換法是發(fā)酵液經(jīng)等電法分離提取谷氨酸后，再將等電點母液通過離子交換樹脂柱進(jìn)行交換吸附，然后用堿液洗脫樹脂上的谷氨酸，收集高流分，將其與下一批發(fā)酵液混合，再用等電點法提取谷氨酸，該提取工藝消耗較高的酸堿，分離過程繁瑣復(fù)雜，過程控制相對較難。cn101402584a利用一種金屬膜分離技術(shù)和濃縮連續(xù)等點法相結(jié)合的從發(fā)酵液中提取與精制谷氨酸，精制后的谷氨酸溶液質(zhì)量提高，經(jīng)濃縮連續(xù)等電法提取后得到的谷氨酸產(chǎn)品經(jīng)氨基酸分析儀分析純度可達(dá)99%以上，但是過程中需要使用酸堿調(diào)節(jié)ph值，會產(chǎn)生大量污染廢水，對環(huán)境造成一定壓力。cn101293848b公開了一種谷氨酸提取工藝，其先將谷氨酸發(fā)酵液加熱后，進(jìn)行超濾、之后再用納濾系統(tǒng)再過濾，將納濾后發(fā)酵液加熱，加硫酸調(diào)發(fā)酵液ph至3.0-4.0，然后進(jìn)入結(jié)晶鍋進(jìn)行蒸發(fā)濃縮，當(dāng)蒸發(fā)掉50％-80％水份后，出料至助晶槽緩慢冷卻至?60℃以下，離心分離谷氨酸。雖然酸堿使用量較少，且方法相對簡單，但是得到谷氨酸產(chǎn)品純度及提取收率相對較低。

3、本發(fā)明將重點研究順序式模擬移動床分離谷氨酸的吸附機(jī)理和參數(shù)變化趨勢，在谷氨酸體系內(nèi)比較其與傳統(tǒng)模擬移動床分離過程的異同，利用基因算法進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，總結(jié)出適用于提純谷氨酸的變量調(diào)控機(jī)制，并深入探索隨著優(yōu)化目標(biāo)的變化，操作條件產(chǎn)生改變的內(nèi)在科學(xué)依據(jù)，有望為谷氨酸體系的分離提純提供新思路和新方法。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種順序式模擬移動床（ssmb）提取谷氨酸的方法，包括如下步驟：

2、（1）篩選適宜分離谷氨酸和葡萄糖的吸附樹脂

3、根據(jù)體系特性初步選定7款交換樹脂，將樹脂充分沖洗干凈，在單柱裝置上進(jìn)行谷氨酸和葡萄糖單次脈沖實驗，確定吸附樹脂。

4、所述單次脈沖實驗條件：谷氨酸和葡萄糖濃度為10-20g/l、溫度為40-60℃、流速為4-12ml/min、進(jìn)樣量為4-10ml/min。

5、篩選出穩(wěn)定色譜峰，以及對比各種樹脂在分離體系內(nèi)的分辨率、選擇性、空隙率以及保留時間上的優(yōu)劣，確定適宜的固定相樹脂。其中，選擇性和分離度越高越好，空隙率在0.3-0.4之間較為合適。

6、本發(fā)明的一個實施例中，篩選出lx-1850ca型吸附樹脂，其選擇性α=1.847，空隙率ε=0.373，以及谷氨酸保留時間tr=40.78min，葡萄糖保留時間tr=30.12min，分離度rs=0.52。

7、（2）測定單柱參數(shù)，所述單柱參數(shù)包括系統(tǒng)死體積、死時間、半峰寬、線速度、柱總體積、保留時間、選擇性、相率和空隙率等參數(shù)，并確定葡萄糖和谷氨酸吸附等溫線參數(shù)和動力學(xué)參數(shù)。單柱參數(shù)為后續(xù)順序式模擬移動床操作及多目標(biāo)優(yōu)化提供依據(jù)。

8、所述吸附等溫線參數(shù)測定通過在脈沖實驗下測定，并結(jié)合前沿分析法進(jìn)行判斷得到。

9、2.1?基于前期篩選實驗所確定固定相樹脂，進(jìn)行脈沖實驗，計算吸附等溫線參數(shù)，探究谷氨酸和葡萄糖在所選色譜柱上的吸附行為：在液相色譜系統(tǒng)中，不同流速下對谷氨酸與葡萄糖分別進(jìn)行脈沖實驗，記錄不同流速下谷氨酸和葡萄糖的流出曲線。根據(jù)流出曲線可得到不同流速下谷氨酸與葡萄糖的保留時間、死時間、半峰寬、線速度和空隙率等單柱參數(shù)，用公式（2-3）計算吸附等溫線參數(shù)。

10、????????(2-3)

11、其中，線速度u按照公式（2-4）計算：

12、????????????????????????????(2-4)

13、式中，h為亨利常數(shù)，i為組分指數(shù)，包括谷氨酸、葡萄糖兩種組分，hi是組分i的亨利常數(shù)，u為線速度，單位cm/min，ε為空隙率，tr為保留時間，單位min，vc為色譜柱總體積，單位cm3，l為色譜柱長度，單位cm，r為色譜柱內(nèi)徑半徑，單位cm，q為流量，單位ml/min；t0為色譜柱死時間t0=td-tplant，其中td為系統(tǒng)死時間，單位為min，tplant為設(shè)備死時間（不接色譜柱測得），單位為min。

14、本發(fā)明的一個實施例中，單柱參數(shù)還包括半峰寬wh/2，即色譜流出曲線峰高一半處的峰寬度，從譜圖上讀出；系統(tǒng)死體積vd（連接色譜柱后測得），單位為ml；以及相率。

15、在本發(fā)明的一個實施例中，通過進(jìn)樣與固定相無吸附作用的藍(lán)葡聚糖可以得到系統(tǒng)死體積（連接色譜柱后測得）vd=4.72ml、死時間td=0.944min、柱總體積vc=565.2?cm3、相率φ=1.681、柱長l=100cm、r=2.5cm，設(shè)備死時間tplant=0.420min。

16、代入公式（2-4），得到亨利常數(shù)h，而且，不同流速下，各組分亨利常數(shù)h的基本穩(wěn)定性，可初步認(rèn)為谷氨酸和葡萄糖在步驟（1）所選固定相樹脂和實驗濃度范圍內(nèi)的吸附特征屬于線性吸附行為。

17、在本發(fā)明的一個實施例中，脈沖實驗谷氨酸和葡萄糖的流速分別為6ml/min，8ml/min，10ml/min，12ml/min四個流速。

18、2.2?利用脈沖實驗結(jié)果得出動力學(xué)參數(shù)

19、根據(jù)前期谷氨酸和葡萄糖脈沖實驗得到的單柱參數(shù)以及亨利常數(shù)，進(jìn)行動力學(xué)參數(shù)的擬合，計算以uλ和n，并以uλ為橫坐標(biāo)，1/n為縱坐標(biāo)作圖并進(jìn)行動力學(xué)參數(shù)的擬合，得到谷氨酸和葡萄糖擬合線性公式，使用擬合公式的截距和斜率可分別求解傳質(zhì)系數(shù)km和軸向擴(kuò)散系數(shù)nl：得到谷氨酸和葡萄糖傳質(zhì)-擴(kuò)散（td）模型的參數(shù)，傳質(zhì)系數(shù)km和軸向擴(kuò)散系數(shù)nl。

20、具體來說，對每個組分而言，都有一個獨立的模型參數(shù)n（即理論板數(shù)）。n與td模型參數(shù)nl和km有關(guān)，由公式（2-5）表示：

21、???（2-5）

22、其中，dl為總擴(kuò)散系數(shù)；λ由，l和h表示，表達(dá)式如下：

23、??????????（2-6）

24、h和n由下式表示：

25、?????????????????????????????(2-3)

26、???????????（2-8）

27、式中，tr為保留時間，wh/2為半峰寬，tplant設(shè)備死時間，單位min，選擇性α?≈1.847。

28、根據(jù)等式（2-5），在不同的流速下測得的亨利常數(shù)，可以用來計算td模型的參數(shù)nl和?km，當(dāng)流速在合理范圍內(nèi)的時候，1/n與u成線性關(guān)系。

29、以uλ為橫坐標(biāo)，1/n為縱坐標(biāo)作圖并進(jìn)行動力學(xué)參數(shù)的擬合，得到谷氨酸和葡萄糖擬合線性公式，并使用擬合公式的截距和斜率可分別求解傳質(zhì)系數(shù)km和軸向擴(kuò)散系數(shù)nl。

30、本發(fā)明的一個實施例中，谷氨酸擬合公式為y=3.2474x+0.0197，葡萄糖擬合公式為y=1.3023x+0.0029。使用擬合公式的截距和斜率可分別求解得到傳質(zhì)系數(shù)km和軸向擴(kuò)散系數(shù)nl。

31、2.3?使用前沿分析法測定谷氨酸和葡萄糖的吸附等溫線參數(shù)，驗證脈沖實驗準(zhǔn)確性，并確定線性吸附關(guān)系。

32、流動相平衡色譜系統(tǒng)中，配制一系列不同濃度的谷氨酸和葡萄糖樣品，包含被測樣品的濃度，將配制初始濃度的谷氨酸或葡萄糖溶液作為流動相直接連續(xù)進(jìn)樣，第一個樣品的流出曲線達(dá)到穩(wěn)定的平臺后持續(xù)固定的一段時間，則次樣品濃度下的突破曲線完成測定，立刻更換下一個濃度的谷氨酸和葡萄糖溶液作為進(jìn)樣流動相，按上述操作重復(fù)實驗，按濃度順序測出一系列階梯形狀的突破曲線。

33、根據(jù)前沿分析法所測定的流出曲線，通過公式（2-11）可得到不同濃度下谷氨酸和葡萄糖對應(yīng)吸附量，采用式（2-12）表示的線性模型，描述谷氨酸和葡萄糖在制備色譜柱上的吸附平衡關(guān)系。

34、???????????????????????（2-11）

35、式中，qn是第n步單位體積樹脂的吸附谷氨酸或葡萄糖的質(zhì)量，單位g，vc是色譜柱總體積，單位cm3，td是系統(tǒng)死時間，單位min，tn是第n步的突破時間，cn是第n步的濃度，ε是色譜柱的空隙率，無量綱。

36、???????????????????????（2-12）

37、式中，hi是組分i的亨利常數(shù)，qn是第n步單位體積樹脂的吸附谷氨酸或葡萄糖的質(zhì)量，單位g，ci為谷氨酸或葡萄糖濃度，單位g/l。

38、根據(jù)脈沖實驗測定吸附等溫線參數(shù)擬合曲線可知谷氨酸與葡萄糖在所選固定相上為線性吸附特征，在此基礎(chǔ)上，可以使用線性吸附模型擬合吸附等溫線，通過濃度c和吸附量q圖的斜率可求吸附等溫線參數(shù)亨利常數(shù)h，將參數(shù)帶入（2-12）可分別得到谷氨酸和葡萄糖的亨利常數(shù)，即吸附等溫線參數(shù)。

39、比較脈沖實驗得到的吸附等溫參數(shù)和前沿分析法得到的吸附等溫線參數(shù)（亨利常數(shù)），二者數(shù)值相近，則可以確定脈沖實驗方法得到的吸附等溫參數(shù)的正確性，滿足線性吸附模型。

40、由于現(xiàn)有技術(shù)并未研究本技術(shù)體系下谷氨酸和葡萄糖兩個組分的吸附行為，本技術(shù)首次根據(jù)脈沖試驗和前沿分析法得出了谷氨酸和葡萄糖在所選樹脂和實驗濃度范圍內(nèi)上的吸附特征屬于線性吸附行為，并驗證該吸附行為的準(zhǔn)確性，為后續(xù)建模提供基礎(chǔ)。

41、（3）通過多目標(biāo)優(yōu)化得到操作參數(shù)

42、根據(jù)步驟（2）的單柱實驗結(jié)果，使用fortran語言，以傳質(zhì)-擴(kuò)散（td）模型和線性吸附模型為基礎(chǔ)對順序式模擬移動床分離過程進(jìn)行建模，利用單柱實驗所測參數(shù)以及依據(jù)三角形理論得到的順序式模擬移動床i、ii、iii、iv四個分離區(qū)域的流量比m值，選擇合適的優(yōu)化目標(biāo)，利用非支配排序遺傳算法（nsga-ii），在compaq?visual?fortran?6.5軟件運行程序，得到進(jìn)樣流量和進(jìn)料、循環(huán)、洗脫三個子步驟的切換時間（t1、t2和t3）。

43、其中，所述傳質(zhì)-擴(kuò)散（td）模型的公式為：

44、????????????（3-1）

45、???????????????????????（3-2）

46、線性吸附模型公式：????????（2-12）

47、式中，c表示液相中的濃度（g/l）；q表示固定相中的濃度（g/l）；i表示組分指數(shù)；j表示柱指數(shù)（可表示固定柱編號1-8）；t表示時間（min）；表示相率；ε表示柱空隙率；u表示線速度；z表示軸向坐標(biāo)；nl表示軸向擴(kuò)散系數(shù)；km表示傳質(zhì)系數(shù)；hi表示i組分的亨利系數(shù)。

48、依據(jù)三角理論得到的m值，m為ssmb的四個區(qū)域i、ii、iii、iv（如圖1所示）的流量比，無量綱，m的計算公式如3-3所示：

49、???????（3-3）

50、其中，m為四個分離區(qū)域流量比，x代表區(qū)域序號（x=i-iv），ts為進(jìn)料、循環(huán)、洗脫三個子步驟的總切換時間，單位min。

51、所述優(yōu)化目標(biāo)可以為純度、收率、處理量、水耗等中的任意兩個。

52、所述非支配排序遺傳算法（nsga-ii）流程見圖2。

53、基于非支配排序遺傳算法-ii（nsga-ii）進(jìn)行條件篩選，在輸出結(jié)果文件夾中的“prod.txt”文檔中，分析并畫出相應(yīng)的以兩個優(yōu)化目標(biāo)為橫縱坐標(biāo)的pareto曲線。同時，將pareto曲線中的所有點對應(yīng)的四個m值依次找出，并計算出三個子步驟時間和進(jìn)料流量等操作條件。

54、經(jīng)過優(yōu)化的4個順序式模擬移動床ssmb變量（三個子步驟時間和進(jìn)料流量）可以通過以下公式依次確定：

55、??????????????????????????????????（3-4）

56、??????????????????????????????（3-5）

57、?????????????????????????（3-6）

58、?????????????????????（3-7）

59、式中，t1、t2、t3分別為ssmb中進(jìn)料、循環(huán)、洗脫三個子步驟的時間；qfeed為進(jìn)料流量（ml/min）；qmax為ssmb系統(tǒng)適宜的最大流量（ml/min）；vc為柱總體積（cm3）。

60、（4）根據(jù)優(yōu)化得到的操作參數(shù),進(jìn)行順序式模擬移動床實驗，經(jīng)進(jìn)料、循環(huán)、洗脫以及多次內(nèi)部循環(huán)后，分析谷氨酸和葡萄糖的樣品純度。

61、本發(fā)明的一個實施例中，如圖1所示，第一步為進(jìn)料階段，配制好的溶液通過進(jìn)料口被feed色譜泵吸入到iii區(qū)，即色譜系統(tǒng)內(nèi)5-6柱，此時隔離3-4柱、7-8柱，同時，洗脫液受eluent色譜泵牽引，進(jìn)入到i區(qū)，即1-2柱，萃余口可以收集輕組分（葡萄糖），萃取口可以收集重組分（谷氨酸）。

62、第二步為循環(huán)階段，1-8色譜柱通過閥門切換全部連通，進(jìn)行內(nèi)部循環(huán)，達(dá)到平衡內(nèi)部濃度的作用。此步驟也是順序式模擬移動床節(jié)約流動相的關(guān)鍵步驟，當(dāng)前步驟無物料收集。

63、第三步為洗脫階段，閥門繼續(xù)切換，將1-6六根色譜柱連通，隔離7-8色譜柱，洗脫液從1色譜柱進(jìn)入，流經(jīng)2-5色譜柱，從6色譜柱排出，可以在6色譜柱端口收集到萃余液（葡萄糖）。

64、（5）系統(tǒng)經(jīng)多個（10到15個）循環(huán)結(jié)束后，收集萃取物與萃余物樣品，分析樣品純度及回收率。

65、本發(fā)明的一個實施例中，順序式模擬移動床實驗結(jié)果，谷氨酸純度可達(dá)99%，葡萄糖純度94%。

66、本發(fā)明的有益效果：

67、1、本發(fā)明使用順序式模擬移動床得到高純度谷氨酸產(chǎn)品，傳統(tǒng)的離子交換工藝/等電＋離交法相比，該工藝實驗過程中僅采用純水溶劑，不需要酸堿試劑調(diào)節(jié)ph值，減少溶劑的使用，環(huán)境壓力低，降低成本，同時降低后續(xù)污水處理難度，減少污染，綠色、節(jié)能且對環(huán)境友好，具備較好的工業(yè)實用價值。

68、2、本發(fā)明采用的吸附樹脂不同于傳統(tǒng)的離子樹脂，不含有離子交換基團(tuán)，再生過程相對容易，可以反復(fù)使用。

69、3、本發(fā)明將模擬移動床技術(shù)引入到氨基酸體系，對于分離氨基酸、手性結(jié)構(gòu)、糖類等體系，通過調(diào)控特定的變量模擬移動床進(jìn)行分離操作，使用了更為先進(jìn)的遺傳算法多目標(biāo)優(yōu)化方法進(jìn)行條件摸索，以產(chǎn)品最終性能（純度、收率、處理量、溶劑消耗等）為直接目標(biāo)，利用fortran編程進(jìn)行過程模擬，進(jìn)行操作條件篩選和模擬移動床實驗設(shè)計，使整個分離過程更快速高效，不需要大量的實驗來摸索條件，簡化工藝流程，節(jié)約了人力物力，而且順序式模擬移動床可直接得到高純度的谷氨酸產(chǎn)品（大于99%）。

70、4、本發(fā)明的順序式模擬移動床包含內(nèi)部循環(huán)分離步驟，可以大大降低水資源等溶劑的消耗；同時順序式模擬移動床達(dá)到內(nèi)部濃度穩(wěn)定，可以連續(xù)得到高純度、高回收率的谷氨酸產(chǎn)品。