苏氨酸废母液色谱分离实验与探讨

汲广习，董力青，王 铮

（齐齐哈尔龙江阜丰生物科技有限公司，黑龙江 齐齐哈尔161031）

苏氨酸（Threonine）易溶于水而不溶于乙醇、乙醚等有机溶剂，属于脂肪族氨基酸，味微甜，是构成人类及动植物蛋白质的一种必需氨基酸。除了作为饲料添加剂大量应用于饲料工业外，还可用于医药、化学试剂和食品强化剂等方面。随着养殖业的发展，畜禽饲料需求量迅速增加，苏氨酸的需求量也越来越大。苏氨酸生产过程中大部分是以玉米浆及糖蜜作为发酵氮源，通过苏氨酸转化菌株进行发酵，发酵液经陶瓷膜设备过滤，将其中的菌体蛋白等杂质去除，再经浓缩结晶、离心分离、干燥、筛分和包装等工艺操作，生产出苏氨酸成品，此过程中将产生大量的废母液，其成分包括苏氨酸、杂质氨基酸、蛋白质、残糖和无机盐等，怎样合理处置是一个难题。将其卖给饲料添加剂厂，降低了母液的价值；直接排放到环境中，会造成极大的浪费和污染。

色谱分离技术是利用混合物组分在固定相中吸附和分配系数的微小差别，达到分离各组分的目的。色谱分离的本质是待分离物质分子在固定相与流动相之间分配平衡的过程，不同的物质在两相之间的分配不同，使其流动相运动速度不同，随着流动相的运动，混合物中的不同组分在固定相上相互分离。色谱分离技术的优点是分离效率高，运行能耗低，设备中的树脂柱失效后可再生且无须加热，对于用传统方法难以分离的物质以及热敏性物质，该方法具有明显的优越性。因此，运用色谱分离技术回收苏氨酸废母液，可以有效地将色素、无机盐、糖与苏氨酸分开，提高苏氨酸回收率，降低生产损失。

1 色谱分离实验流程及设备

1．1 色谱分离实验流程

色谱分离实验流程见图1。

图1 色谱分离实验流程Fig．1 Chromatographic separation process

1．2 实验设备

色谱分离实验装置（苏氨酸母液处理量为16m3／d），由厦门三达膜厂家提供。

1．3 苏氨酸废母液成分分析

苏氨酸母液带有食品香味、色泽深，要想达到分离苏氨酸的目的，必须对其进行成分分析，确定母液中各成分的含量，从而明确分离对象，选择分离方案。

其中，氨基酸测定采用高效液相色谱法，残总糖测定采用蒽酮比色法，无机盐测定采用重量法，结果见表1。

表1 苏氨酸母液成分分析Table 1 Composition analysis of mother liquor of threonine

2 色谱分离小试实验

实验色谱设备中的树脂柱共有20根，分3个区，第1区为洗脱区，有6根；第2区为苏氨酸回流区，有7根；第3区为进料区，有7根，如图2所示。

图2 色谱分离实验流程图Fig．2 Flow chart of chromatographic separation equipment

设置9个不同的实验工艺，根据最终苏氨酸回收率及残总糖的去除情况，判定用于色谱分离装置的最佳树脂和工艺条件。各工艺为

工艺1：国产钠型树脂（IR120），母液加热后进入进料区，回流产品进入回流区，洗脱水（去离子水）进入洗脱区。

工艺2：进口钙型树脂（XA1），母液加热后进入进料区，回流产品进入回流区，洗脱水进入洗脱区。

工艺3：进口钙型树脂（XA1），对母液、回流产品和洗脱水加热，母液进入进料区，回流产品进入回流区，洗脱水pH调节到4．5后进入洗脱区。

工艺4：进口钙型树脂（XA1），对母液、回流产品和洗脱水加热；母液pH调节到3后进入进料区，回流产品进入回流区，洗脱水进入洗脱区。

工艺5：进口钙型树脂（XA1），对母液、回流产品和洗脱水加热，母液进入进料区，回流产品pH调节到4．5后进入回流区，洗脱水进入洗脱区，并用电暖器对10～16号树脂柱加热。

工艺6：进口钙型树脂（XA1），对母液、回流产品和洗脱水加热，母液进入进料区，回流产品进入回流区，用氨水调节洗脱水pH到10后进入洗脱区，并用电暖器对10～16号树脂柱进行加热。

工艺7：进口钙型树脂（XA1），对母液，回流产品，洗脱水加热，母液进入进料区，用氨水调节回流产品pH到10后进入回流区，洗脱水进入洗脱区，并用电暖器对10～16号树脂柱进行加热。

工艺8：进口钙型树脂（XA1）改型成氨型，对母液、回流产品和洗脱水加热，母液进入进料区，回流产品进入回流区，用氨水调节洗脱水pH到10后进入洗脱区，并用电暖器对10～16号树脂柱、3～9号树脂柱进行加热。

工艺9：进口钙型树脂（XA1）改型成氨型，对母液、回流产品和洗脱水加热，母液进入进料区，用氨水调节回流产品pH到10后进入回流区，洗脱水进入洗脱区，并用电暖器对10～16号树脂柱、3～9号树脂柱进行加热。

实验结果如下：

工艺1：国产钠型树脂，运行3d后，钠型树脂被转型，实验未运行成功。

工艺2：进口钙型树脂，母液加热后分离效果较差，回流产品中苏氨酸质量分数为3%～4%，含量较低。是由于母液在分离过程中，pH升高到苏氨酸等电点，导致苏氨酸沉淀下来，阻塞流道和树脂柱，实验未运行成功。

工艺3：进口钙型树脂，调节洗脱水pH到4．5左右，并维持pH恒定，洗脱水经过一根树脂柱后，pH升高到中性。回流产品中苏氨酸质量分数升到7%左右，产品浓度较为理想，实验运行成功，但是并不能解决苏氨酸等电点结晶从而阻塞流道和树脂柱的问题。

具体实验条件为：进料区流入速率80mL／min，流出速率16mL／min；洗脱区流入速率92mL／min，流出速率28mL／min；回流区流入速率64mL／min，流出速率64mL／min；转速150min／圈。运行数据见表2。

表2 苏氨酸回收率及残总糖去除情况Table 2 Threonine recovery and sugar removal rate %

工艺4：调节母液pH到3左右，并使其进入树脂，目的是让料液远离苏氨酸等电点。但运行3d后，发现树脂分离效果和之前单柱实验相比变差，说明树脂被转型，实验未运行成功。用大量质量分数为5%的氯化钙溶液冲洗树脂柱系统，排出来的废液呈酸性，说明树脂被转成氢型。氯化钙溶液冲洗到后期，废液逐渐转变为中性，说明转型完全。

工艺5：运行2d后，产品洗脱区出现沉淀，阻塞流道和树脂柱，实验未运行成功。判断是由于洗脱区pH升高，碰到苏氨酸等电点，导致苏氨酸在这一区域沉淀。对10～16号树脂柱加热，提高系统温度，有利于苏氨酸的溶解，防止苏氨酸在产品回流区沉淀。

工艺6：运行2d后发现氨水进入进料区，导致进料区pH升高，升高到苏氨酸等电点，苏氨酸沉淀出来，阻塞流道，实验未运行成功。

工艺7：运行1d后，在6号树脂柱排出大量苏氨酸沉淀，阻塞流道和树脂柱，实验未运行成功。判断这种沉淀是由于氨水进入进料区引起的。进行烧瓶实验，将母液、树脂和氨水两两混合，短时间内不会出现沉淀，但是3样混合，则会出现沉淀。可以判断，母液中的某种离子（钠离子和氢离子可能性较大）将树脂上的钙离子置换下来，与氨水中的氢氧根结合，出现沉淀。

工艺8：将钙型树脂转化成氨型树脂，避免树脂中的钙离子被置换下来从而形成沉淀的问题。通过单柱实验发现，氨型树脂容易被转型，导致分离效果降低。在洗脱水进入洗脱区时引入氨水，可以发现被苏氨酸母液转型的树脂再次转化成氨型，树脂柱系统中出现的沉淀可以溶解掉，能够提高系统效率，减少洗脱区用水量。将洗脱水pH调节到10左右，再进入系统，运行2d后，在进料区又出现大量沉淀，阻塞流道和树脂柱，实验未运行成功。原因可能有两个，一是氨水进入进料区，使进料区的料液pH升高，触碰到苏氨酸的等电点，导致苏氨酸沉淀；二是树脂上的铵根离子被置换下来，使母液pH升高，导致苏氨酸沉淀。对3～9号树脂柱加热，是为了提高洗脱区温度，提高苏氨酸洗脱效率。

工艺9：更换氨水的加入口，将回流产品pH调节到9～10之间，进入回流区，发现在进料区流道中出现沉淀的现象得到解决，实验运行成功。因此判断，工艺8是由于氨水进入进料区，导致进料区pH升高，苏氨酸沉淀。

具体实验条件为：进料区流入速率83mL／min，流出速率13mL／min；洗脱区流入速率93mL／min，流出速率22mL／min；回流区流入速率70mL／min，流出速率70mL／min；转速140min／圈。具体运行数据见表3。

表3 苏氨酸回收率及残总糖去除情况Table 3 Threonine recovery and sugar removal rate %

由以上实验过程可知，工艺3和9实验运行成功，其中工艺9分离效果较为理想。产品中苏氨酸质量分数平均为7．72%，残糖质量分数平均为0．32%。苏氨酸正收率平均值为83．96%，反收率平均值为72．16%，正反收率平均值为78．06%。

付勇［8］对分析柱分离苏氨酸的色谱工艺条件研究表明，流速对苏氨酸的分离影响较大，当流速由1．0mL／min增加到3．0mL／min，分离度由2．7增至3．5，苏氨酸的色谱峰峰宽得到改善。

因此，确定选用工艺9中的进口钙型（XA1）转氨型树脂对苏氨酸废母液进行色谱分离，进料流速为80～90mL／min，洗脱流速为85～95mL／min，出料流速为25～30mL／min，洗脱水pH为10左右，回料pH调节至9～10。

3 色谱分离技术扩大试验

生产设备：模拟移动床色谱分离装置（苏氨酸母液处理量360m3／d），由法国诺华赛厂家提供。

生产工艺：采用实验工艺9。

原理：此连续色谱系统为顺序式模拟移动床（SSMB），经过脱色处理的苏氨酸废母液连续进入色谱分离单元，由于不同物质穿透树脂的速度不同，使苏氨酸与残糖、盐份及其他杂质相分离开来。

运行步骤：

1）将苏氨酸废母液的温度调节到65℃左右。

2）对进料母液和洗提液进行气提。

3）进入色谱系统分离。

运行数据见表4。

表4 色谱分离运行数据Table 4 Threonine recovery and sugar removal rate

解鹤［4］的实验研究表明：温度对苏氨酸二次母液的分离影响很大，温度过低，苏氨酸二次母液的黏度大，不利于分离；温度过高，对色谱树脂的要求高。

根据表4中苏氨酸废母液经色谱分离后苏氨酸回收率及残糖和盐分等的分离效果和实际生产中用水量、蒸汽损耗量，最终确定苏氨酸回收率为88%为最适回收率，苏氨酸母液进料温度为65℃。工艺过程物料平衡如图3所示。

图3 工艺过程物料平衡图Fig．3 Process material balance diagram

多次对苏氨酸废母液色谱分离试验，对分离前后的参数平均数进行对比，如表5所示。

表5 色谱分离试验前后对比数据Table 5 Comparison data before and after chromatographic separation test %

4 结 论

传统生产中苏氨酸废母液直接进入污水处理系统或者用于加工饲料和有机肥，废母液中的苏氨酸没有回收，造成了浪费。目前苏氨酸市场价格8 000元／t，用废母液生产肥料，肥料价格约500元／t。齐齐哈尔龙江阜丰生物科技有限公司生产上每天产生约125m3左右的苏氨酸废母液，如果用色谱分离技术对其中的苏氨酸进行回收，可以得到18t左右苏氨酸，直接经济效益14．4万元左右。本研究用色谱分离技术将苏氨酸废母液中的苏氨酸进行回收，可以有效地将色素、无机盐、糖与苏氨酸分开，收率达到96．2%以上，与刘海艳［5］利用超滤色谱耦合工艺分离回收苏氨酸技术进行对比，实验工艺得到了优化，苏氨酸的回收率也提高0．94%，有效降低了生产损失。