實(shí)驗(yàn)二 離子交換法提取谷氨酸-2

PAGEPAGE16實(shí)驗(yàn)二離子交換法提取谷氨酸一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆针x子交換裝置的結(jié)構(gòu)和使用方法。掌握離子交換法提取谷氨酸的工藝流程。掌握等電點(diǎn)沉淀法提取谷氨酸。了解認(rèn)識離子交換樹脂的處理和再生。二、實(shí)驗(yàn)原理谷氨酸是兩性電解質(zhì)，是一種酸性氨基酸，等電點(diǎn)為pH3.22，當(dāng)pH＞3.22時(shí)，羧基離解而帶負(fù)電荷，能被陰離子交換樹脂交換吸附；當(dāng)pH＜3.22時(shí)，氨基離解帶正電荷，能被陽離子交換樹脂交換吸附。也就是說，谷氨酸可被陰離子交換樹脂吸附也可以被陽離子交換樹脂吸附。由于谷氨酸是酸性氨基酸，被陰離子交換樹脂的吸附能力強(qiáng)而被陽離子交換樹脂的吸附能力弱，因此可選用弱堿性陰離子交換樹脂或強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂來吸附氨基酸。但是由于弱堿性陰離子交換樹脂的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性都比強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂差，價(jià)格又較貴，因此就都選強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂而不選用弱堿性陰離子交換樹脂。目前各味精廠均采用732#強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂，本實(shí)驗(yàn)就是采用732#樹脂。谷氨酸溶液中既含有谷氨酸也含有其他如蛋白質(zhì)、殘?zhí)?、色素等妨礙谷氨酸結(jié)晶的雜質(zhì)存在，通過控制合適的交換條件，在根據(jù)樹脂對谷氨酸以及對雜質(zhì)吸附能力的差異，選擇合適的洗脫劑和控制合適的洗脫條件，使谷氨酸和其他雜質(zhì)分離，以達(dá)到濃縮提純谷氨酸的目的。三、實(shí)驗(yàn)裝置1、離子交換裝置本實(shí)驗(yàn)采用動(dòng)態(tài)法固定床的單床式離子交換裝置。離子交換柱是有機(jī)玻璃柱，柱底用玻璃珠及玻璃碎片裝填，以防樹脂漏出。2、樹脂本實(shí)驗(yàn)用苯乙烯型強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂，編號為732#，其性能如下表：732#樹脂的主要性能常數(shù)交聯(lián)度粒度（目）最高耐熱（℃）理論交換容量（mmol/g干樹脂）濕視密度（g/cm3）pH范圍溶脹率（%）水分（%）7～860934.50.75～0.850～142.25（水）46～523、樹脂的處理對市售干樹脂，先經(jīng)水充分溶脹后，經(jīng)浮選得到顆粒大小合適的樹脂，然后加3倍量的2mol/LHCL溶液，在水浴中不斷攪拌加熱到80℃，30min后自水溶液中取出，傾去酸液，用蒸餾水洗至中性，然后用2mol/LNaOH溶液，同上洗樹脂30min后，用蒸餾水洗至中性，這樣用酸堿反復(fù)輪洗，直到溶液無黃色為止。四、試劑配制1、上柱交換液谷氨酸發(fā)酵液或等電點(diǎn)母液，含谷氨酸2%左右。配制方法；取工廠購回的谷氨酸干粉45g溶于300ml自來水中，再加進(jìn)約25ml濃鹽酸使谷氨酸粉全部溶解，此時(shí)pH值約為1.5，最后稀釋至2.25L。2、洗脫用堿4%NaOH溶液。其配制方法有兩種：①、10gNaOH溶于250ml自來水中；②工業(yè)用堿配成4%濃度（W/W），（約6°Be，相對密度1.04）3、再生用酸6%（W/W）鹽酸溶液。把大約80ml濃鹽酸（36%含量）用自來水稀釋至500ml。配成約4°Be，相對密度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、離子交換工藝流程上柱交換液上柱交換液上柱交換水洗雜質(zhì)及疏松樹脂熱水預(yù)熱樹脂熱堿洗脫收集低流分（pH1.5-2.0）高流分（pH2.5-3.0）低流分（pH9-11）直接等電點(diǎn)提取谷氨酸在本實(shí)驗(yàn)中，低流分和尾流分都棄去不要。六、實(shí)驗(yàn)步驟1、檢查離交柱工作狀況。檢查閥門，管道是否安裝妥當(dāng)，若有滲漏，及時(shí)報(bào)告。2、計(jì)算上柱量先測量浸水后濕樹脂的體積及上柱液總氮含量（其方法見后面附錄），再按下式計(jì)算上柱量。根據(jù)實(shí)踐，濕樹脂實(shí)際交換當(dāng)量為1.2～1.3mmoL/mL濕樹脂。3、上柱交換本實(shí)驗(yàn)用順上柱方式。先把樹脂上的水從底閥排走，排至清水高出樹脂面5cm左右，同時(shí)調(diào)節(jié)柱底流出液速度，控制其流速為30ml/min左右。然后把上柱液放入高位槽中，開啟閥門，進(jìn)行交換吸附。注意使柱的上、下流速平衡，既不“干柱”，也要避免上柱液溢出離交柱。前期流速為30mL/min左右，后期流速為25mL/min左右。每流出100mL流出液，用pH試紙及波美比重計(jì)測量其pH值及濃度，記錄下來。間斷用茚三酮溶液檢查是否有谷氨酸漏出。如有漏出，應(yīng)減慢流速。上柱液交換完畢，加入1/3樹脂體積的清水將未交換的上柱液全部加入樹脂中交換。4、水洗雜質(zhì)及疏松樹脂開啟柱底清水閥門，使水從下面進(jìn)入反沖洗凈樹脂中的雜質(zhì)，注意不要讓樹脂沖走。反沖至樹脂頂部溢流液清凈為止，再把液位降至離樹脂面5cm左右，反沖后樹脂也被疏松了。5、熱水預(yù)熱樹脂加入樹脂體積1倍左右的60-70℃6、熱堿洗脫把水位降至離樹脂面5cm左右，接著加入60～65℃的4%NaOH溶液到柱上進(jìn)行洗脫，用堿量按下式計(jì)算：式中：147——谷氨酸分子量3——被吸附谷氨酸當(dāng)量數(shù)的倍數(shù)40——NaOH分子量1.04——4%NaOH的相對密度每收集50mL流出液檢查并記錄其pH值及濃度。柱下流速前期25mL/min，后期為35mL/min。到流出液pH2.5（濃度約為0.5°Be）時(shí)，開始收集高流分，此時(shí)應(yīng)加快流速以免“結(jié)柱”。如出現(xiàn)“結(jié)柱”，應(yīng)用熱布把閥門加熱使結(jié)晶溶化。一直收集到pH9為止。流完熱堿，用60℃7、收集把高流分集中在一起，用濃鹽酸把全部谷氨酸結(jié)晶溶解，測量其總體積及總氮摩爾含量。8、等電點(diǎn)提取谷氨酸把收集液pH調(diào)至3.2左右，稍攪拌使谷氨酸結(jié)晶析出，靜置冷卻過濾。9、樹脂再生洗凈樹脂后，降低液面至樹脂面以上5cm左右，然后通入6%鹽酸（W/W），對樹脂進(jìn)行再生。用酸量按下式計(jì)算：式中：1.8——樹脂全交換當(dāng)量，mmol/ml濕樹脂1.2——樹脂全交換當(dāng)量的倍數(shù)6%——鹽酸含量36.5——鹽酸分子量1.027——6%鹽酸相對密度再生樹脂流速控制在（25～30）mL/min。再生完畢，離交柱則處在可交換狀態(tài)（樹脂為H型）。七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告（一）實(shí)驗(yàn)記錄1、離子交換樹脂型號，離子交換柱直徑mm，濕樹脂高度mm，濕樹脂裝量mL。濕樹脂全交換當(dāng)量1.8mmol/mL濕樹脂。2、上柱液狀態(tài)含谷氨酸量，總體積ml，濃度°Be，總氮含量mmol/mL。3、谷氨酸上柱交換吸附記錄表時(shí)間流出液體積（mL）流量（mL/min）pH值濃度（°Be）茚三酮檢測反應(yīng)備注4、反沖洗柱時(shí)間min。5、谷氨酸解吸熱水溫度℃，熱水用量mL。NaOH濃度，溫度℃，用量mL。洗脫記錄表時(shí)間流出液體積（mL）流量（mL/min）pH值濃度（°Be）備注6、樹脂再生再生劑種類，濃度°Be，用量ml，再生過程流速mL/min，再生總時(shí)間min。（二）谷氨酸在732#樹脂吸附曲線圖（即流出液的pH～T、Be～T或pH～V、Be～V圖）（三）谷氨酸在732#樹脂解吸曲線圖（即流出液的pH～T、Be～T或pH～V、Be～V圖）（四）離子交換谷氨酸提取率計(jì)算（五）問題討論1、通過所學(xué)的離交知識，結(jié)合本實(shí)驗(yàn)，試分析影響離子交換谷氨酸提取率的主要因素。2、對谷氨酸在732#樹脂的吸附以及解吸曲線圖進(jìn)行解釋說明。3、對本實(shí)驗(yàn)存在的問題提出你的意見。附錄：（一）谷氨酸溶液總氮含量的測定一、原理氨基酸具有酸性的-COOH基和堿性的-NH2基。它們相互作用而使氨基酸成為中性的內(nèi)鹽，因此不能用氫氧化鈉直接測定。當(dāng)加入甲醛溶液時(shí)，-NH2基與甲醛結(jié)合，從而使其堿性消失，這樣就可以用強(qiáng)堿標(biāo)準(zhǔn)溶液來滴定-COOH基，便可測定氨基酸含量。二、試劑配制1、40%中性甲醛溶液以酚酞為指示劑，用0.1mol/LNaOH將40%甲醛中和至微紅色。使用前中和。2、0.1mol/L氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液3、0.5％酚酞指示劑：稱取酚酞0.5克，溶解于100毫升95％酒精中。4、0.1％百里香酚酞指示劑：稱取百里香酚酞0.1克，溶解于100毫升95％酒精中。三、測定步驟取兩個(gè)250mL三角瓶，分別準(zhǔn)確加入檢測液2mL，加蒸餾水30～40mL。其中一個(gè)三角瓶中加2滴酚酞指示劑，用0.1mol/LNaOH滴至微紅色（pH8.2），記下消耗的NaOH的毫升數(shù)。另一個(gè)三角瓶加2滴百里香酚酞指示劑，按加酚酞的三角瓶滴定消耗的NaOH的毫升數(shù)加入同樣體積的NaOH，然后加入甲醛溶液5mL搖勻，立即用0.1mol/LNaOH滴至藍(lán)色（pH9.4），記錄加甲醛后消耗NaOH的毫升數(shù)（用于計(jì)算總氮含量）。四、總氮含量計(jì)算（二）0.1N氫氧化鈉溶液的標(biāo)定稱取4克分析純氫氧化鈉，溶于少量已煮沸并放冷的蒸餾水中，棄去下面碳酸鈉沉淀物，取上層清液，用上述蒸餾水稀釋至1000ml。此溶液濃度約為0.1N，準(zhǔn)確濃度可用酚酞作指示劑，用鄰苯二甲酸氫鉀標(biāo)定。標(biāo)定方法如下:取分析純鄰苯二甲酸氫鉀在l05℃烘箱內(nèi)烘至恒重，準(zhǔn)確稱取0.5克式中:204.22——鄰苯二甲酸氫鉀的當(dāng)量W——稱取鄰苯二甲酸氫鉀的克數(shù)V——滴定時(shí)消耗氫氧化鈉的毫升數(shù)附：波美度（°Bé）波美度（°Bé）是表示溶液濃度的一種方法。把波美比重計(jì)浸入所測溶液中，得到的度數(shù)叫波美度。波美度以法國化學(xué)家波美（AntoineBaume）命名。波美是藥房學(xué)徒出身，曾任巴黎藥學(xué)院教授。他創(chuàng)制了液體比重計(jì)——波美比重計(jì)。波美比重計(jì)有兩種：一種叫重表，用于測量比水重的液體；另一種叫輕表，用于測量比水