一種l-蘋果酸的制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于食品工業(yè)原料生產技術領域，涉及一種L-蘋果酸的綠色生產方法，尤其涉及精制技術的提升。
【背景技術】
[0002]L-蘋果酸，又名羥基丁二酸，是一種非常重要的有機酸，廣泛存在于動物、植物和微生物等各種生物體中，在生物體內具有重要的生理功能，可應用于食品、日用化工及醫(yī)藥工業(yè)等領域。
[0003]現(xiàn)有技術中，L-蘋果酸的人工制備主要通過微生物發(fā)酵法、傳統(tǒng)酶固定化法和集成技術(反應與分離耦合技術)等多種方法實現(xiàn)。但這些方法都存在不同程度的局限性。微生物發(fā)酵法制備L-蘋果酸時產酸量與轉化率較低、周期長、副產物多，影響L-蘋果酸的積累，而且提取工藝復雜、產品質量差、生產成本高;傳統(tǒng)酶固定化法制備L-蘋果酸時同樣存在轉化率低的問題，其轉化率只有80%左右，此外該方法產生的硫酸鈣固廢多、工藝流程長、分離成本高，造成生產綜合成本較大;集成技術，即反應與分離耦合技術制備L-蘋果酸時要用到硫酸，因此具有不環(huán)保、污染大、硫酸鈣固廢多等相應弊端。
[0004]為了能夠在提高產率的基礎上更加環(huán)保地制備L-蘋果酸，有必要提出一種L-蘋果酸的綠色生產方法，以減少對環(huán)境的污染。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的在于:提供一種L-蘋果酸的綠色生產方法，解決蘋果酸制備中硫酸鈣固廢量大，環(huán)境污染嚴重的問題，以達到綠色工業(yè)化生產的目的。
[0006]本發(fā)明的上述目的通過以下技術方案實現(xiàn):
[0007]提供一種L-蘋果酸的制備方法，包括:先用富馬酸與碳酸鈣反應生成富馬酸鈣，再使生成的富馬酸鈣在富馬酸酶作用下轉化為蘋果酸鈣;然后將得到的蘋果酸鈣與碳酸鹽在水溶液中反應生成蘋果酸鹽溶液;最后采用電滲析法將生成的蘋果酸鹽溶液轉化為蘋果酸溶液，即得到L-蘋果酸。
[0008]所述的富馬酸酶可以由現(xiàn)有技術中的多種方法或產品提供。本發(fā)明的方案中，為了使用高活性的富馬酸酶來顯著地提高轉化率，所述的富馬酸酶優(yōu)選由以下方法配置的酶液提供:按質量百分比計，將0.5?1.5 %的丙二酸、1.0?2.0 %的檸檬酸氫二銨、0.01?0.05%的硫酸鎂、0.05?0.2%的磷酸二氫鉀、2.0?3.0%的玉米漿和余量的水混合后調pH至7.0?7.5，滅菌后接種黃色短桿菌，于30?32°C搖床培養(yǎng)32?36h，即得所述的酶液;更優(yōu)選所述的富馬酸酶優(yōu)選由以下方法配置的酶液提供:按質量百分比計，將1%的丙二酸、1.5%的檸檬酸氫二銨、0.02%的硫酸鎂、0.1 %的磷酸二氫鉀、2.5%的玉米漿和余量的水混合后調pH至7.0?7.5，滅菌后接種黃色短桿菌，于30?32°C搖床培養(yǎng)32?36h，即得所述的酶液。本發(fā)明所優(yōu)選的酶液中含有豐富的氮源和微量元素，對于促進產酶和提高酶活性具有優(yōu)異的效果。
[0009]本發(fā)明進一步優(yōu)選的方案中，所述的酶液pH控制在6.5?8.5。
[00? 0]本發(fā)明進一步優(yōu)選每克所述的富馬酸I丐中加入0.30?0.35ml所述優(yōu)選的酶液。
[0011]所述的電滲析法是利用電場的作用，強行將蘋果酸鹽溶液中陰、陽離子向相應電極處吸引，同時通過離子交換膜的選擇透過性對陰、陽離子進行分離，最終獲得蘋果酸溶液和相應堿液。本發(fā)明的方案中，為了更加有效、方便地分離蘋果酸鹽溶液中陰、陽離子以獲得雜質離子含量更低的蘋果酸溶液，優(yōu)選的電滲析方法參數(shù)包括:操作壓力為常壓、操作電壓為< 25V、操作電流為< 4.0A;所述電滲析中使用的離子交換膜可以選擇雙極膜或陽膜；所述電滲析時間為2?5hr。
[0012]所述的碳酸鹽可以是多種碳酸鹽中的一種，本發(fā)明的方案中優(yōu)選碳酸鈉或碳酸錢，最優(yōu)選碳酸鈉。
[0013 ]本發(fā)明優(yōu)選的一種L-蘋果酸的制備方法，包括以下步驟:
[0014]1)制備酶液
[0015]按質量百分比計，將0.5?1.5%的丙二酸、1.0?2.0%的檸檬酸氫二銨、0.01?
0.05%的硫酸鎂、0.05?0.2%的磷酸二氫鉀、2.0?3.0%的玉米漿和余量的水混合后調pH至7.0?7.5，滅菌后接種黃色短桿菌，于30?32°C搖床培養(yǎng)32?36h，，即得所述的酶液；
[0016]2)酶轉化
[0017]富馬酸與碳酸|丐在水溶液中于80°C?90°C下攪拌反應1?3hr，控制pH在6.5?
8.5，生成富馬酸鈣;在得到的富馬酸鈣中加入步驟1)制得的酶液，加入比例為每克所述的富馬酸鈣中加入0.30?0.35ml所述優(yōu)選的酶液，在25°C?35°C下攪拌反應32?40hr，產物固液分離后得到蘋果酸鈣和用過的酶液；
[0018]3)提取
[0019]將步驟2)得到的蘋果酸鈣與碳酸鈉溶液在85°C?95°C下攪拌反應1?3hr，生成蘋果酸鈉溶液和碳酸鈣;蘋果酸鈉溶液經(jīng)硅藻土過濾后，再經(jīng)過電滲析得到蘋果酸溶液和氫氧化鈉溶液，所述的電滲析操作壓力為常壓、操作電壓為< 25V、操作電流為< 4.0A，電滲析2?5hr;最后用離子交換樹脂去除得到的蘋果酸溶液中的其他雜質離子，得到蘋果酸清液。
[0020]本發(fā)明進一步優(yōu)選的一種L-蘋果酸的制備方法中，將步驟2)所述的用過的酶液在連續(xù)的工藝中套用于步驟2)加入富馬酸與碳酸鈣的反應體系。
[0021]本發(fā)明進一步優(yōu)選的一種L-蘋果酸的制備方法中，將步驟3)生成的碳酸鈣在連續(xù)的工藝中套用于步驟2)與富馬酸反應。
[0022]本發(fā)明進一步優(yōu)選的一種L-蘋果酸的制備方法中，將步驟3)得到的氫氧化鈉溶液在連續(xù)的工藝中套用于步驟3)所述的離子交換樹脂的再生。
[0023]本發(fā)明進一步優(yōu)選的一種L-蘋果酸的制備方法中，步驟3)所述的娃藻土過濾中，硅藻土的加入量是蘋果酸鈉溶液重量的0.2?0.8%。
[0024]與現(xiàn)有技術中的L-蘋果酸制備方法相比，本發(fā)明的方法具有以下幾方面的有益效果:
[0025]1.不用硫酸，無副產物產生，綠色環(huán)保
[0026]現(xiàn)有技術中，生產蘋果酸過程中需要使用硫酸，在獲得目標產物的同時還會產生大量的硫酸鈣固廢，使得制備工藝不夠環(huán)保。本發(fā)明所述的方法沒有使用硫酸，而是將富馬酸與碳酸鈣反應，利用強酸制弱酸及化學反應平衡的原理，獲得了酶轉化生產蘋果酸的底物富馬酸鈣，且后續(xù)過程中也不必使用硫酸，因此整個制備工藝不會有硫酸鈣固廢產生，具有綠色環(huán)保的顯著優(yōu)勢。
[0027]2.提取工藝簡單，中間產物可循環(huán)套用，節(jié)約成本
[0028]現(xiàn)有技術中的微生物發(fā)酵法和酶固定化法制備蘋果酸的工藝都比較復雜，成本也相應較高。相比之下，本發(fā)明的方法工藝簡單，操作方便，而且整個制備工藝中的用過的酶液、CaC03、氫氧化鈉等多個中間產物可以循環(huán)套用，進一步減少了原料的消耗浪費，因此顯著降低了生產成本。
[0029]3.酶轉化率高可達99.9%以上，比固定化酶法轉化率提高接近20%。
[0030]本發(fā)明的方法中，通過運用優(yōu)化配方的酶液，采用優(yōu)化條件的電滲析，以及采用硅藻土過濾、離子交換樹脂除雜等手段，使得酶轉化率最終獲得顯著提高，最高可達99.9 %以上，比現(xiàn)有技術的酶固定化法的轉化率提高了接近20%。
【附圖說明】
[0031]圖1是本發(fā)明實施例3所述的L-蘋果酸制備方法的工藝流程圖。
【具體實施方式】
[0032]以下通過列舉實施例的方式對本發(fā)明的技術方案做進一步的說明。各實施例中使用的原料、設備等都是現(xiàn)有產品。
[0033]實施例1
[0034]—種L-蘋果酸的制備方法，其步驟如下:
[0035]1)制備酶液
[0036]將10g丙二酸、15g檸檬酸氫二銨、0.2g硫酸鎂、lg磷酸二氫鉀、25g玉米漿混合后用20%的氫氧化鈉調pH至7.25，加水定容至1000ml，分裝至三角燒瓶;三角燒瓶于121°C滅菌30min，待溫度降下來后，接入黃色短桿菌，搖床培養(yǎng)32?36h，即得酶液I，其pH在6.5?7.5之間。
[0037]2)酶轉化
[0038]在帶攪拌的反應釜中，232g的富馬酸與200g的碳酸鈣在水溶液中于80°C下攪拌反應lhr，反應過程中控制pH在6.5?7.0之間，生成308g富馬酸鈣；
[0039]在帶攪拌的轉化罐中，在得到的308g富馬酸鈣中加入步驟1)制得的酶液I，加入量為100ml，25°C下攪拌反應38h，產物固液分離后得到約320g蘋果酸鈣和用過的酶液；
[0040]3)提取
[0041 ]在帶攪拌的反應釜中，將步驟2)得到的320g蘋果酸鈣與200g碳酸鈉溶液在90°C下攪拌反應2hr，生成蘋果酸鈉溶液和碳酸鈣；
[0042]固液分離后將蘋果酸鈉溶液導入蘋果酸鈉儲罐中，加入蘋果酸鈉溶液重量0.5%的硅藻土進行硅藻土過濾，過濾后的蘋果酸鈉清液再進入電滲析裝置中，在常壓下，在<25V的操作電壓和< 4.0A的操作電流條件