利用双极性膜电渗析分离丝氨酸和脯氨酸混合物_王辉

文章编号:1007-8924(2005)05-0021-05利用双极性膜电渗析分离丝氨酸和脯氨酸混合物王辉余立新＊(清华大学化学工程系,北京100084)摘要:以丝氨酸和脯氨酸为例,探讨了使用双极性膜电渗析分离中性氨基酸混合物的理论问题和实施方法.在对混合氨基酸溶液中离子成分进行理论计算的基础上,预测了使用双极性膜电渗析分离丝氨酸和脯氨酸的可行性和操作方法,并且通过实验证明了理论预测的正确性.对于该体系,使用混合物中加适量碱的方式可以实现很高的单级分离效果,比如可以将50%的混合溶液分离为纯度90%以上的产品溶液.关键词:双极性膜;电渗析;氨基酸;丝氨酸;脯氨酸中图分类号:TQ028.8文献标识码:A随着生物化工和生命科学的发展,高纯度氨基酸的需求量越来越大.目前世界上比较成熟的氨基酸分离技术主要是色谱法、层析法、等电点沉淀法以及离子交换法等几种方法.色谱法制备氨基酸的优点在于可以分离多数的氨基酸,但它的主要缺点是产量小,因此主要用于分析测定而不是大规模分离[1];等电点沉淀法的缺点在于必须使用缓冲溶液(pH值在等电点±1范围内才有较好的分离效果),中间有多步酸碱中和,产物的收率较低,得到的直接产物盐酸盐需要经过再次处理才能得到纯的氨基酸,并且同时产生大量NH4Cl废渣[2];使用离子交换树脂时,则必须对发酵液进行预处理,同样需要调节pH值,并且需要大量酸或者碱将氨基酸从分离柱上洗脱下来[3].此外还有萃取法[4]和纳滤法[5]等,不过目前仍然处于实验室研究阶段,没有实际应用.电渗析技术虽然早已经用于氨基酸和蛋白质的生产,但是目前主要用于氨基酸脱盐以及分离氨基酸和糖类物质[6].本文提出使用两室型双极性膜电渗析方法分离中性氨基酸混合物(以丝氨酸和脯氨酸为模拟体系)的设想.通过理论计算进行了预测,并且通过实验进行了验证.该思路的新颖之处在于不需使用缓冲溶液控制pH值,而是通过初始加入的适量酸或者碱控制溶液中的离子种类和浓度,从而减少杂质离子的引入,简化分离过程、降低分离能耗.1理论分析1.1分离因子1.1.1分离因子的定义和影响因素定义分离因子α为电渗析过程的某一个时间段内,迁移到产品侧的丝氨酸(serine)和脯氨酸(proline)的浓度之比与原料液侧两种氨基酸浓度之比的比值.α=[Ser]p/[Pro]p[Ser]f/[Pro]f式中,下标p表示产品侧的氨基酸浓度;下标f表示原料液侧的氨基酸浓度.产品侧两种氨基酸的浓度之比与它们的通量J成正比,在相同的电场之下,迁移通量之比与原料侧氨基酸阳离子(或者阴离子)的浓度之比以及两种氨基酸的分子大小之比有关,由于丝氨酸(105.09)和脯氨酸(115.14)的摩尔质量相差不大,离子半径相差无几,因此本文在计算α时没有考虑摩尔质量和收稿日期:2004-02-18;修改稿收到日期:2004-03-31基金项目:973计划资助项目(2003CB615700)作者简介:王辉,男(1979-),硕士生.研究方向为膜分离.＊通讯联系人:yulixin@tsinghua.edu.cn第25卷第5期膜科学与技术Vol.25No.52005年10月MEMBRANESCIENCEANDTECHNOLOGYOct.2005DOI:10.16159/j.cnki.issn1007-8924.2005.05.005离子半径的影响.故存在以下近似,α=[Ser]p/[Pro]p[Ser]f/[Pro]f=JSer/JPro[Ser]f/[Pro]f≈[Ser+]f/[Pro+]f[Ser]f/[Pro]f(1)或者α≈[Ser-]f/[Pro-]f[Ser]f/[Pro]f(2)分离因子偏离1越大,电渗析分离的效果也就越好.1.1.2分离因子的理论计算仅含两组分氨基酸的溶液中各种离子浓度的计算方法参见文献[7],计算结果如表1所示.从表1中可以看出,混合溶液中两种氨基酸的α-很大,如果以阴离子型式(即加碱方式)实现迁移,更有利于电渗析分离.表1丝氨酸和脯氨酸混合溶液中各种离子的浓度＊Table1Concentrationsofdifferentionsinserineandprolinesolution各种离子浓度/(mol·L-1)Pro∶SerPro+Pro±Pro-Ser+Ser±Ser-pHα+α-0.02∶0.13×10-60.019993×10-73×10-50.09994×10-55.762.088128.1680.05∶0.18×10-60.049998×10-53×10-50.09994×10-55.782.088128.1680.1∶0.12×10-50.100002×10-63×10-50.09992×10-55.812.088028.1670.1∶0.051×10-50.099992×