膨胀床吸附提取ε-聚赖氨酸工艺研究

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ε-聚赖氨酸(ε-poly-L-lysine,ε-PL)是由5-35个L-赖氨酸通过α-COOH和ε-NH2形成酰胺键连接而成的聚合物。由于ε-PL可以通过离子吸附与携带负电荷的细胞表面相互作用,故对于包括革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌、酵母菌、霉菌甚至病毒在内的多种微生物都表现出良好的抑菌活性。目前,ε-PL在国内已初步实现产业化。然而,现有提取工艺路线中存在成本较高、用水量较大等问题。因此,本研究建立并系统优化了膨胀床分离纯化ε-PL的工艺,为利用膨胀床直接从发酵液中吸附提取ε-PL工艺的工业应用提供了重要指导,也为升级换代现有ε-PL提取工艺提供了新思路。本研究进行了大孔型强酸性阳离子交换树脂的筛选,优化了膨胀床吸附工艺条件,分析比较了膨胀床吸附工艺与固定床吸附工艺。取得的主要研究成果如下:(1)筛选出膨胀床吸附提取ε-PL的强酸树脂。不同大孔强酸型阳离子交换树脂吸附提取ε-PL性能研究结果表明:钠型树脂的工作交换容量、蛋白及色素去除率总体优于氢型树脂,而三种钠型树脂SQD-04、D072、D061在八种钠型树脂中表现较好。根据三种钠型树脂吸附提取ε-PL性能的深入研究可知,钠型SQD-04树脂的吸附速率较快、去除杂质能力较强、对高聚合度(>25)ε-PL的选择性较高。此外,钠型SQD-04树脂吸附不同p H发酵液过程中发酵液的p H变化较为稳定。通过钠型SQD-04树脂吸附发酵液中ε-PL的热力学研究得出,Langmuir吸附等温线模型适用于描述研究浓度范围内钠型SQD-04树脂吸附发酵液中ε-PL体系;计算热力学参数发现钠型SQD-04树脂对发酵液中ε-PL具有良好的吸附作用。综上,选择钠型强酸SQD-04树脂应用于膨胀床吸附工艺。(2)对上样p H、膨胀比、初始高径比、进料浓度等膨胀床吸附工艺条件进行系统优化,构建膨胀床吸附装置并优化了上样速度(v1),并对洗脱浓度和速度进行了优化。结果表明,上样pH为3.0,在树脂高径比为2.7,膨胀比为1.6下,进料浓度25 g·L-1,v1为1 BV·h-1进料,3#柱穿透时,1#柱的树脂饱和度达到0.81,总进料量为13个BV,1#柱树脂在最优膨胀床吸附条件下吸附完成后,在洗脱浓度为0.8 mol·L-1、洗脱速度为1.0 BV·h-1时解吸,蛋白去除率为79.06%,色素去除率为84.22%,ε-PL回收率为83.64%,ε-PL纯度为29.17%。(3)对强酸树脂膨胀床吸附工艺和强酸树脂固定床吸附工艺以及现有固液分离-固定床吸附工艺进行比较,发现强酸树脂膨胀床吸附工艺的工作交换容量远高于强酸树脂固定床工艺,其色素去除率略高于现有固液分离-固定床吸附工艺;此外,相比于现有固液分离-固定床吸附工艺,强酸树脂膨胀床吸附工艺确实缩短了ε-PL提取路线,革除了固液分离单元操作并减少了相应的工艺成本和工艺耗时,可见强酸树脂膨胀床吸附工艺是具有一定优势且可以实现并应用的。
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