連續色譜技術在D—核糖純化中的應用

杜明華

摘 要：采用傳統色譜技術和連續色譜技術分別對D-核糖的離交脫鹽液和二次結晶母液進行處理，實驗結果表明，這兩種方法得到的D-核糖純度和收率均一致，但是連續色譜技術較傳統色譜技術的處理量大，得到的產品濃度高，能節省更多的樹脂和用水量，也能節省蒸汽的耗量，是一種符合節能減排政策的生產方法。

關鍵詞：D-核糖；連續色譜技術；節能減排

中圖分類號：O658 文獻標識碼：A

D-核糖是遺傳物質核酸和能量物質三磷酸腺苷（ATP）的組成成分，是生物體內的一種天然戊糖，其具有維持心肌能量和緩解肌肉酸痛等生理功能，也能作為前體合成核苷類藥物，具有較好的應用前景。

連續色譜技術近年廣泛應用于木糖醇與雜糖的分離、果糖與葡萄糖的分離、甘露醇與山梨醇的分離等方面，連續移動床不僅具有設備體積小、占地面積小等優點，而且分離效率高、流動相消耗低，便于自動化連續性生產等優點。

目前D-核糖的生產主要采用發酵提取的方式，整體工藝流程為：D-核糖發酵液除菌、離交樹脂脫鹽，接著用色譜層析樹脂分離得到純度95%以上的D-核糖，經過兩次濃縮結晶后得到產品；二次結晶母液中的D-核糖需要再次色譜分離純化。生產上采用傳統固定床色譜分離技術來實現純化，但是傳統色譜技術存在物料分離不徹底需要返工造成、產品濃度低造成能耗高等等問題，采用連續色譜技術對D-核糖的離交脫鹽液（以下簡稱“正品”）和二次結晶母液（以下簡稱“母液”）進行分離是一個重大革新。

1 材料與儀器

1.1 進料

物料來自D-核糖專業生產廠家，將正品通過膜濃縮到200g/L，母液用蒸汽濃縮到600g/L備用。

1.2 設備

Sep Tor 20-4連續移動床、Dow糖層析樹脂、阿貝折光儀、雷磁DDSJ-318型電導率儀、日本島津HPLC高壓液相色譜。

1.3 D-核糖含量檢測

阿貝折光儀初步確定糖含量范圍，采用HPLC法進行糖含量的準確檢測。

2 實驗方法與結果

2.1 傳統色譜技術純化D-核糖

采用裝填了2L樹脂的柱子在室溫下進行D-核糖正品和母液的色譜實驗，試管收集流出液，使用電導儀或糖度儀來判斷收集的起、止時間，HPLC檢測每管的糖濃度和純度后將所有收集的物料分成三部分：廢液、雜糖和產品，計算各部分的總體積、濃度和純度。對進料體積和洗脫流速優化后，發現單柱的處理周期為5h，單柱色譜實驗得到的結果見表1。

從表1可以看出，傳統色譜技術能進行D-核糖的純化，得到了純度為96%的D-核糖，但是一步單柱色譜實驗沒法將料液徹底分離，正品仍有50.2%的料需要返工分離，母液有57%的料液需要返工。

通過計算，處理正品的收率為94.7%，處理母液的收率為90.7%；采用傳統色譜技術，每升樹脂每小時能處理正品中的D-核糖為4g，處理結晶母液中的D-核糖為3.3g。

2.2 連續色譜技術純化D-核糖

采用20根柱的Sep Tor連續移動床設備來處理正品和母液，柱子中共裝填色譜層析樹脂16L，在單柱實驗的基礎上，進行連續移動床流程的設計，處理正品時的流程如圖1所示。

流程簡介如下：

（1）把連續移動床的20根樹脂柱分為4個區，每個區實現不同的功能，其中第一個區1-5#柱為洗脫區，用于洗脫已經分離出來的D-核糖；第二個區6-10#為延長分離區，主要是提高D-核糖純度、濃度；第三個區11-15#為分離區，主要是分離出雜糖和鹽；第四個區16-20#為濃縮回流區，提高雜糖濃度，第四區的出水，可以回用到1區作為進水。

（2）待分離的物料從第三個區進入系統，液流方向從左到右推動結合力弱的雜糖組分遷移，而樹脂柱則由右向左逆向移動，把結合力強的組分D-核糖夾帶逆向移動，從而實現分離。

（3）經過第二區和第三區的分離，基本實現D-核糖和雜糖的分離，雜糖從第三區流出；而D-核糖則在樹脂柱的逆向運動作用下帶到第一個區。

（4）D-核糖到達第一個區后，在洗脫水的推動力作用下流出。

（5）雜糖進入第四區后，經過反復上下柱，實現雜糖組分的濃縮，出水可返回到一區循環利用。

由于母液中的D-核糖純度比正品低，在處理母液時，會將延伸分離區增加到6根柱子，而減少分離區1根柱。

為了得到最佳的實驗效果，首先對轉盤周期和處理量進行優化，待系統運行穩定后檢測產品的純度和收率，確定連續色譜技術的初步運行條件，接著進行產品濃度和回用水量的優化實驗。優化實驗結束后連續運行10～15天，考察處理量、產品的濃度、純度、收率以及水耗量等各項指標；整個實驗過程均在室溫下進行。實驗結果見表2。

實驗結果匯總后，以天為單位計算各組分的純度和收率，得到的平均結果見表2，最終優化的實驗周期為260min/圈。

從表2可以看出，連續色譜技術能一步實現D-核糖的分離純化；從產品純度上看，處理正品得到的D-核糖純度能達到97%，收率能達到95.6%；而處理母液得到的D-核糖純度也可以達到96%，但是收率只有91.3%。

計算樹脂的處理量，采用連續色譜技術，每升樹脂每小時能處理正品中的D-核糖為6g，處理結晶母液中的D-核糖為5.2g。

2.3 兩種技術比較

根據以上固定床與連續移動床的實驗結果來考察兩者的消耗差別，以年產1000t D-核糖為例，每天大約需要處理18.3m?濃度為200g/L的D-核糖正品和1.1m?濃度為600g/L的母液，每天得到的各組分體積、濃度以及需要的水量和樹脂用量見表3。

從表3可以明顯看出連續移動床色譜技術比固定床色譜技術有以下優勢：

（1）不會產生套用液，不用返工處理；

（2）得到的產品濃度高；

（3）用水量省；

（4）樹脂用量省；

（5）單位樹脂處理物料快。具體節省量見表4。

表4連續色譜技術相對傳統色譜技術的節省量

項目 固定床 移動床 節約量

M?/D M?/D %

廢水排放量 90.2 72.2 20.0

水耗 198.4 89.2 55.0

樹脂 46.5 30.5 34.4

節約蒸汽 64.5t/D

兩種色譜技術產生的產品濃度不一樣需要蒸發到一致，表4按照1噸蒸汽蒸發三噸水來計算需要的蒸汽量，從表中可以看出，年產1000tD-核糖，連續色譜技術的樹脂用量要比傳統色譜技術節省34.4%，水耗要節省55%，廢水排放量要省20%，由于固定床有套用液且產品濃度比移動床的低，為此每天要多消耗64.5t蒸汽進行濃縮。

結論

連續色譜技術能用于不同純度D-核糖物料的分離純化，說明連續色譜技術具有較好的適用范圍。

采用傳統色譜技術和連續移動床色譜技術均能從正品或母液中得到純度為95%以上的D-核糖，處理正品時的收率均在95%左右，處理母液時的收率均在91%左右。

但連續色譜技術中單位樹脂處理D-核糖的速度比傳統色譜技術要快：前者處理正品中D-核糖的速度為6g/L·H，處理結晶母液時的速度為5.2g/L·H；而固定床色譜技術處理正品時的速度只有4g/L·H，處理結晶母液時的速度只有 3.3g/L·H。

產品濃度方面，連續色譜技術處理正品時得到的產品濃度為102g/L，處理母液時的產品濃度為84g/L；傳統色譜技術處理正品時得到的產品濃度只有29g/L，處理母液時的產品濃度為64g/L。

根據實驗結果，當年處理1000t D-核糖時，連續移動床的樹脂用量要比固定床節省34.4%，每天用水量要省55%，廢水排放量要少20%，由于固定床有套用液和產品濃度比移動床的低，為此每天要多消耗64.5t蒸汽進行濃縮。

綜上所述，采用連續色譜技術實現正品和二次結晶母液中D-核糖的純化是完全可行的，結果中各指標均優于傳統的色譜技術，是一種符合國家節能減排政策的生產方法。

參考文獻

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