实验二 离子交换法提取谷氨酸
一、实验目的
掌握离子交换装置的结构和使用方法。
掌握离子交换法提取谷氨酸的工艺流程。
掌握等电点沉淀法提取谷氨酸。
了解认识离子交换树脂的处理和再生。
二、实验原理
谷氨酸是两性电解质，是一种酸性氨基酸，等电点为pH3.22，当pH＞3.22时，羧基离解而带负电荷，能被阴离子交换树脂交换吸附；当pH＜3.22时，氨基离解带正电荷，能被阳离子交换树脂交换吸附。也就是说，谷氨酸可被阴离子交换树脂吸附也可以被阳离子交换树脂吸附。由于谷氨酸是酸性氨基酸，被阴离子交换树脂的吸附能力强而被阳离子交换树脂的吸附能力弱，因此可选用弱碱性阴离子交换树脂或强酸性阳离子交换树脂来吸附氨基酸。但是由于弱碱性阴离子交换树脂的机械强度和稳定性都比强酸性阳离子交换树脂差，价格又较贵，因此就都选强酸性阳离子交换树脂而不选用弱碱性阴离子交换树脂。目前各味精厂均采用732#强酸性阳离子交换树脂，本实验就是采用732#树脂。
谷氨酸溶液中既含有谷氨酸也含有其他如蛋白质、残糖、色素等妨碍谷氨酸结晶的杂质存在，通过控制合适的交换条件，在根据树脂对谷氨酸以及对杂质吸附能力的差异，选择合适的洗脱剂和控制合适的洗脱条件，使谷氨酸和其他杂质分离，以达到浓缩提纯谷氨酸的目的。
三、实验装置
1、离子交换装置
本实验采用动态法固定床的单床式离子交换装置。离子交换柱是有机玻璃柱，柱底用玻璃珠及玻璃碎片装填，以防树脂漏出。
2、树脂
本实验用苯乙烯型强酸性阳离子交换树脂，编号为732#，其性能如下表：
732#树脂的主要性能常数
3、树脂的处理
对市售干树脂，先经水充分溶胀后，经浮选得到颗粒大小合适的树脂，然后加3倍量的2mol/L HCL溶液，在水浴中不断搅拌加热到80℃，30min后自水溶液中取出，倾去酸液，用蒸馏水洗至中性，然后用2mol/L NaOH溶液，同上洗树脂30min后，用蒸馏水洗至中性，这样用酸碱反复轮洗，直到溶液无黄色为止。用6%（W/W）盐酸溶液转树脂为氢型，蒸馏水洗至中性备用。过剩的树脂浸入1mol/L NaOH溶液中保存，以防细菌生长。
四、试剂配制
1、上柱交换液
谷氨酸发酵液或等电点母液，含谷氨酸2%左右。
配制方法；取工厂购回的谷氨酸干粉45g溶于300ml自来水中，再加进约25ml浓盐酸使谷氨酸粉全部溶解，此时pH值约为1.5，最后稀释至2.25L。
2、洗脱用碱
4%NaOH溶液。其配制方法有两种：
①、10gNaOH溶于250ml自来水中；
②工业用碱配成4%浓度（W/W），（约6°Be，相对密度1.04）
3、再生用酸
6%（W/W）盐酸溶液。把大约80ml浓盐酸（36%含量）用自来水稀释至500ml。配成约4°Be，相对密度1.028的溶液。
4、0.5%茚三酮溶液
0.5g茚三酮溶于100mL丙酮溶液中配制成。
五、离子交换工艺流程
在本实验中，低流分和尾流分都弃去不要。
六、实验步骤
1、检查离交柱工作状况。检查阀门，管道是否安装妥当，若有渗漏，及时报告。
2、计算上柱量
先测量浸水后湿树脂的体积及上柱液总氮含量（其方法见后面附录），再按下式计算上柱量。
根据实践，湿树脂实际交换当量为1.2～1.3mmoL/mL湿树脂。
3、上柱交换
本实验用顺上柱方式。先把树脂上的水从底阀排走，排至清水高出树脂面5cm左右，同时调节柱底流出液速度，控制其流速为30ml/min左右。然后把上柱液放入高位槽中，开启阀门，进行交换吸附。注意使柱的上、下流速平衡，既不“干柱”，也要避免上柱液溢出离交柱。前期流速为30mL/min左右，后期流速为25mL/min左右。
每流出100mL流出液，用pH试纸及波美比重计测量其pH值及浓度，记录下来。间断用茚三酮溶液检查是否有谷氨酸漏出。如有漏出，应减慢流速。
上柱液交换完毕，加入1/3树脂体积的清水将未交换的上柱液全部加入树脂中交换。
4、水洗杂质及疏松树脂
开启柱底清水阀门，使水从下面进入反冲洗净树脂中的杂质，注意不要让树脂冲走。反冲至树脂顶部溢流液清净为止，再把液位降至离树脂面5cm左右，反冲后树脂也被疏松了。
5、热水预热树脂
加入树脂体积1倍左右的60-70℃热水到柱上预热树脂，柱下流速控制为30～35mL/min。
6、热碱洗脱
把水位降至离树脂面5cm左右，接着加入60～65℃的4% NaOH溶液到柱上进行洗脱，用碱量按下式计算：
式中：147 —— 谷氨酸分子量
3 —— 被吸附谷氨酸当量数的倍数
40 —— NaOH分子量
1.04 —— 4%NaOH的相对密度
每收集50mL流出液检查并记录其pH值及浓度。柱下流速前期25mL/min，后期为35mL/min。到流出液pH2.5（浓度约为0.5°Be）时，开始收集高流分，此时应加快流速以免“结柱”。如出现“结柱”，应用热布把阀门加热使结晶溶化。一直收集到pH9为止。流完热碱，用60℃热水把碱液压入树脂内，开启柱底阀门，用自来水反冲树脂，直至溢出液清亮，pH值为中性为止。
7、收集
把高流分集中在一起，用浓盐酸把全部谷氨酸结晶溶解，测量其总体积及总氮摩尔含量。
8、等电点提取谷氨酸
把收集液pH调至3.2左右，稍搅拌使谷氨酸结晶析出，静置冷却过滤。
9、树脂再生
洗净树脂后，降低液面至树脂面以上5cm左右，然后通入6%盐酸（W/W），对树脂进行再生。用酸量按下式计算：
式中：1.8——树脂全交换当量，mmol/ml湿树脂
1.2——树脂全交换当量的倍数
6%——盐酸含量
36.5——盐酸分子量
1.027——6%盐酸相对密度
再生树脂流速控制在（25～30）mL/min。再生完毕，离交柱则处在可交换状态（树脂为H型）。
七、实验报告
（一）实验记录
1、离子交换树脂型号 ， 离子交换柱直径 mm，湿树脂高度 mm，湿树脂装量 mL。湿树脂全交换当量1.8mmol/mL湿树脂。
2、上柱液状态
含谷氨酸量 ，总体积 ml，浓度 °Be，总氮含量 mmol/mL。
3、谷氨酸上柱交换吸附记录表
4、反冲洗柱时间 min。
5、谷氨酸解吸
热水温度 ℃ ，热水用量 mL。
NaOH浓度 ，温度 ℃ ，用量 mL。
洗脱记录表
6、树脂再生
再生剂种类 ，浓度 °Be，用量 ml，
再生过程流速 mL/min，再生总时间 min。
（二）谷氨酸在732#树脂吸附曲线图
（即流出液的pH～T、Be～T或pH～V、Be～V图）
（三）谷氨酸在732#树脂解吸曲线图
（即流出液的pH～T、Be～T或pH～V、Be～V图）
（四）离子交换谷氨酸提取率计算
（五）问题讨论
1、通过所学的离交知识，结合本实验，试分析影响离子交换谷氨酸提取率的主要因素。
2、对谷氨酸在732#树脂的吸附以及解吸曲线图进行解释说明。
3、对本实验存在的问题提出你的意见。
附录：
（一）谷氨酸溶液总氮含量的测定
一、原理
氨基酸具有酸性的-COOH基和碱性的-NH2基。它们相互作用而使氨基酸成为中性的内盐，因此不能用氢氧化钠直接测定。当加入甲醛溶液时，-NH2基与甲醛结合，从而使其碱性消失，这样就可以用强碱标准溶液来滴定-COOH基，便可测定氨基酸含量。
二、试剂配制
1、40% 中性甲醛溶液
以酚酞为指示剂，用0.1mol/LNaOH将40%甲醛中和至微红色。使用前中和。
2、0.1mol/L氢氧化钠标准溶液
3、0.5％酚酞指示剂：称取酚酞0.5克，溶解于100毫升95％酒精中。
4、0.1％百里香酚酞指示剂：称取百里香酚酞0.1克，溶解于100毫升95％酒精中。
三、测定步骤
取两个250mL三角瓶，分别准确加入检测液2mL，加蒸馏水30～40mL。其中一个三角瓶中加2滴酚酞指示剂，用0.1mol/LNaOH滴至微红色（pH 8.2），记下消耗的NaOH的毫升数。另一个三角瓶加2滴百里香酚酞指示剂，按加酚酞的三角瓶滴定消耗的NaOH的毫升数加入同样体积的NaOH，然后加入甲醛溶液5mL摇匀，立即用0.1mol/LNaOH滴至蓝色（pH 9.4），记录加甲醛后消耗NaOH的毫升数（用于计算总氮含量）。
四、总氮含量计算
（二）0.1N氢氧化钠溶液的标定
称取4克分析纯氢氧化钠，溶于少量已煮沸并放冷的蒸馏水中，弃去下面碳酸钠沉淀物，取上层清液，用上述蒸馏水稀释至1000ml。此溶液浓度约为0.1N，准确浓度可用酚酞作指示剂，用邻苯二甲酸氢钾标定。标定方法如下:取分析纯邻苯二甲酸氢钾在l05℃烘箱内烘至恒重，准确称取0.5克，共称三份，分别置于250毫升三角瓶内。加无二氧化碳的蒸馏水100毫升，使邻苯二甲酸氢钾完全溶解，加2～3滴酚酞指示剂,用0.1N氢氧化钠滴至粉红色为终点。
式中: 204.22 —— 邻苯二甲酸氢钾的当量
W —— 称取邻苯二甲酸氢钾的克数
V —— 滴定时消耗氢氧化钠的毫升数
附：波美度（°Bé）
波美度（°Bé）是表示溶液浓度的一种方法。把波美比重计浸入所测溶液中，得到的度数叫波美度。波美度以法国化学家波美（Antoine Baume）命名。波美是药房学徒出身，曾任巴黎药学院教授。他创制了液体比重计——波美比重计。波美比重计有两种：一种叫重表，用于测量比水重的液体；另一种叫轻表，用于测量比水轻的液体。当测得波美度后，从相应化学手册的对照表中可以方便地查出溶液的质量百分比浓度。例如，在15℃测得浓硫酸的波美度是66°Bé，查表可知硫酸的质量百分比浓度是98％。一般比重计测得的比重可以跟波美度通过下列公式换算。在公式中，D1表示比水重的液体的比重（数值上等于它的密度），D2表示比水轻的液体的比重。
波美度数值较大，读数方便，所以在生产上常用波美度表示溶液的浓度（一定浓度的溶液都有一定的密度或比重）。
第二篇：离子交换法提取柠檬酸概述
24总第95期19xx年第5期 安 徽 化 工
离子交换法提取柠檬酸概述
应富祥
(安徽省皖东化工厂,天长 239300)
柠檬酸生产工艺,目前均采用钙盐法,劳动强度大,所产生的硫酸钙废渣,污染环境,而且提取收率低,能耗大,往往由于水解和分离不彻底,使柠檬酸混杂于废渣中废弃,严重影响收率。离子交换法是提取柠檬酸的新工艺,值得推广。过去曾有人用离子交换膜、电渗析法生产柠檬酸,由于种种原因,没能成功,以后有人采用离子交换法,但因当时国产离子交换树脂品种少,价格高,物化性能也满足不了工艺要求,造成提取收率低,成本高,母液中残留其它有机杂酸和色素,结果仍需采用“钙盐法”进行净化,故无明显优势,没有得到发展。离子交换法新工艺,工艺简单,容易操作,连续化管道化生产,自动化操作,大大减轻劳动强度,不产生硫酸钙废渣,提取收率可由旧工艺的70%提高到90%以上。新工艺简单易行。将发酵液过滤后用颗粒活性炭脱色除杂,经特制的高强度高交换容量的弱碱性阴离子交换树脂交换吸附,饱和后用氢氧化钠或氢氧化铵进行洗脱,洗脱液再经特制的大孔强酸性阳离子交换树脂除杂,用氢离子交换使柠檬酸钠(铵)转化为柠檬酸,经浓缩结晶可获得质量优良的柠檬酸产品。结晶母液再经阴离子交换树脂除杂,再浓缩结晶,也获得合格产品。
离子交换法提取柠檬酸工艺流程如下
:
附
3R?OH+C6H8O7→R?CHO+3H2O1.2 洗脱
采用氢氧化钠或氢氧化铵为洗脱剂
R?3C6H5O7+3NaOH→Na3C6H5O7+3R?OH
如用氨水洗脱:
R?3C6H5O7+3NH3?H2O→(NH4)3C6H5O7+3R?OH
1.3 利用大孔阳离子交换树脂
以氢离子交换除阳离子,使柠檬酸盐成为柠檬酸,阳离子交换树脂经酸再生后仍成为氢型。
Na3C6H5O7+3RSO3H→3RSO3Na+C6H8O7(NH4)3C6H5O7+3RSO3H→3RSO3(NH4)3+C6H8O7 再生:
RSO3Na+HCl→RSO3H+NaClRSO3(NH4)3+HCl→RSO3H+NH4Cl注:R为阳树脂骨架,R?为阴树脂骨架。
1 离子交换法提取柠檬酸交换洗脱原理
1.1 吸附
阴离子交换树脂以OH型进行交换与吸
2 离子交换树脂型号的选择
2.1 专用阴树脂与一般的201×7比较其体积交换量mmol/ml为2.7,而201×7为1.4,所用专用的阴树脂比较优越,体积几乎高出一倍。
2.2 专用的大孔强酸阳树脂与一般的001×7比较
其体积交换量(mmol/ml)为1.57,0.01
总第95期19xx年第5期 安 徽 化 工
长,而且脱色效果好,所以应该选择大孔强酸树脂为宜。
2.3 选用颗粒活性炭
活性炭选用粉状,将给工艺操作带来很多不便,为便于管道生产,选用K-15颗粒活性炭,装于交换柱可反复使用,脱色效果也比较理想。
25
钙盐法产生大量的柠檬酸钙,需板框过滤,再用硫酸水解成为粗酸液,但反应生成的硫酸钙会造成环境污染,石膏也需板框过滤,操作繁杂,劳动强度大,而新工艺利用阳树脂直接中和,不产生钙盐沉淀。洗脱液经氢型大孔强酸性阳离子交换树脂起到转型作用,直接可以得到精酸液。而旧工艺经硫酸酸水解,产生硫酸钙后得到粗酸液,仍需阴离子交换树脂及活性炭脱色、除杂等一系列反应,比较繁琐。
4.2 新工艺所用树脂可充分发挥作用
高强度阴树脂既中和又吸附,然后经氢氧化钠或氢氧化铵(氨水)洗脱,得到柠檬酸盐,经大孔强酸阳离子交换树脂氢离子可直接得到精酸液。而钙盐法,粗酸液照样需用一系列的净化过程,工艺繁杂,设备多,投资大。4.3 离子交换树脂品种质量不断增加与提高
国外的品牌型号树脂,国产树脂大部分都能与之媲美。柠檬酸工艺所用的树脂,随着
3
钙盐法和离子交换法提取工艺比较
4 离子交换法提取柠檬酸新工艺优越
性
4.1 工艺简单,科学合理
柠檬酸工业的科研不断进步,相信所匹配的离子交换树脂也会相应地有所改进与提高,会对柠檬酸工业的发展做出更大的贡献。□