一种利用间歇模拟移动床色谱去除木糖水解液中无机酸及乙酸的方法与流程
本发明属于分离提取技术领域，涉及一种利用间歇模拟移动床色谱去除木糖水解液中无机酸及乙酸的方法。
背景技术：
糖类指多羟基的醛类或酮类碳水化合物，是自然界中最丰富的生物分子，分布广泛。作为糖中一类有特殊功效的功能糖，具有低热量、提供营养、促进改善人体生理机能等特殊功效，最初应用于营养保健和食品工业，后逐步发展到化工、制药等非食品领域，为此商业市场中关注功能糖的应用与日俱增。
木糖是功能糖类中主要的产品之一。工业上主要通过玉米芯、秸秆和甘蔗渣等农副产品经稀无机酸催化水解获得初级糖液，再经精制、浓缩和结晶制取木糖。在这方面，首先需要去除催化水解用酸、以及在水解过程中产生得有机酸副产物的减量化，为下游工段供给纯净的木糖溶液。催化水解用酸包括硫酸、盐酸等，副产物有机酸包括甲酸、乙酸、乙酰丙酸等，乙酸在水解液中含量相对较高。
现有技术中，木糖水解液去除无机酸及有机酸的方法有离子排阻色谱法(中国专利公开号cn108220486a等)、碱中和法(中国专利公开号cn110564899a等)、离子交换法(中国专利公开号cn110564897a、cn109908977a、cn110368817a等)、蒸馏法(新能源进展,2019,7(6):505-512)及类似的方法。然而，在分离方法中，已报道的离子排阻色谱方法存在一些不足，如间歇单柱或双柱交替操作，效率低、洗脱剂消耗量高；常规四区(如图1所示)或顺序式(如图2所示)的模拟移动床，仅可进行两组分分离，无法实现三组分以上的分离；五区(如图3所示)及以上模拟移动床控制点位多，系统过于复杂且投资较大。碱中和法产生大量的“三废”，糖类损失率高，且需要额外处理去除残留阴阳离子。此外，离子交换法产生大量酸碱废水，树脂运行负荷高、使用寿命短。蒸馏联合酯化反应可用于有机酸类去除，但对稀无机酸分离的作用有限。
鉴于此，为有效地将木糖水解液中无机酸、以及水解过程产生的有机酸分离并加以回收，简化下游分离工艺和运行负荷，并且控制其回收成本，是功能糖产业资源化利用生物质的首先要关注的问题。
中国专利cn105669419a公开了一种顺序式模拟移动分离玉米秸秆酸水解中糖酸的方法，用八根柱三子步骤模式分离秸秆酸解液中的硫酸与糖液，该方法仅能将硫酸与糖液分开，并不能将中等保留组分糖类与强保留组分有机酸分开。中国专利cn108220486a公开了利用酸阻滞树脂分离糖与酸的方法，在氯型的
间歇模拟移动床是一种新色谱分离方法，如图4所示，以类似于常规四区模拟移动床架构布置端口。四区间歇模拟移动床在第一时间间隔内i区带到iii区带与第二时间间隔内iv区带进行分离，此时会不可避免地稀释提余液。探索新型四区间歇模拟移动床的色谱分离方法，可以克服常规四区、顺序式、五区及以上模拟移动床等色谱分离方法存在的问题。
技术实现要素：
为了解决上述问题，本发明提供了一种利用间歇模拟移动床色谱去除木糖水解液中无机酸及乙酸的方法，能够同时将木糖水解液中无机酸和乙酸连续分离去除。
本发明的技术方案如下：
一种利用间歇模拟移动床色谱去除木糖水解液中无机酸及乙酸的方法，包括以下步骤：
(1)木糖水解液预处理：木糖水解液经过滤除去胶体和固形物，活性炭或树脂脱除木糖水解液中的色泽物，蒸发浓缩得到原料；
(2)间歇模拟移动床色谱分离：步骤(1)得到的原料经过间歇模拟移动床色谱进行分离，去除无机酸与乙酸；所述间歇模拟移动床色谱以h型强酸性阳树脂为固定相树脂，以去离子水为洗脱剂，工作温度40～65℃；所述间歇模拟移动床色谱由依次串联的1号色谱柱、2号色谱柱、3号色谱柱、4号色谱柱、5号色谱柱、6号色谱柱组成，包括i区带、ii区带、iii区带和iv区带，所述i区带、ii区带、iii区带分别含2根依次串换的色谱柱，所述iv区带含6根依次串换的色谱柱；所述i区带位于洗脱剂入口与原料入口之间；所述ii区带位于原料入口与无机酸组分出口之间；所述iii区带为无机酸组分出口与乙酸组分出口之间，所述iv区带位于洗脱剂入口与糖类组分出口之间。
进一步地，农林废弃物的玉米芯、甘蔗渣、秸秆、桉木或桦木经粉碎水洗和热水浸提处理后，用0.5％～2.0％无机酸水解，得到木糖水解液；过滤除去胶体和固形物后，活性炭或树脂去除色泽物，55～65℃蒸发浓缩，得到原料；所述原料中，糖类浓度为50～70mg/ml、无机酸浓度为10～20mg/ml、乙酸浓度为5～10mg/l。
进一步地，所述固定相树脂是dowex99或50wh型、jk006h型、xad4h型、d001h型或ls001h型中的任何一种，树脂粒径120～320μm；色谱固定相高径比为：15:1～30:1。
进一步地，所述色谱柱用同心夹套通过循环水保温，温度为40～65℃；每个色谱柱的前后设有一个分布式电磁阀组，所述洗脱剂入口、原料入口、糖类出口、无机酸出口、乙酸出口分别设有洗脱剂阀、原料阀、糖类组分阀、无机酸组分阀、乙酸组分阀，由plc程序控制所述电磁阀组的开启或关闭，实现进入原料或洗脱水、流出糖类或酸组分以及色谱固定相柱模拟移动；相邻色谱柱之间以管线连接，管线中设有单向阀。
进一步地，步骤(2)具体包括如下步骤：
(a)开启1号色谱柱前洗脱剂阀注入洗脱剂，开启3号色谱柱前原料阀注入原料，料水比例控制在1:1.5～1:2.5；4号色谱柱末无机酸组分出口流出弱保留组分无机酸；6号色谱柱末乙酸组分出口流出上个周期的强保留组分乙酸；中等保留组分的糖类保留于3号色谱柱与4号色谱柱之间的色谱区域；
(b)步骤(a)结束后，关闭3号色谱柱前原料阀、4号色谱柱末无机酸组分阀，1号色谱柱至6号色谱柱组成一个独立的色谱分离区，洗脱剂流动方向为1号色谱柱至6号色谱柱，中等保留组分及强保留组分在洗脱剂推动下，中等保留组分糖类在6号色谱柱末糖类组分阀流出色谱系统；
(c)步骤(b)完毕后，洗脱剂入口由1号色谱柱前端切换至2号色谱柱前端；原料入口由3号色谱柱前端切换至4号色谱柱前端；无机酸组分出口由4号色谱柱末端切换至5号色谱柱末端；乙酸组分出口或糖类组分出口由6号色谱柱末端切换至1号色谱柱末端。
(d)步骤(c)切换完毕后，重复步骤(a)和步骤(b)运行；每个周期运行完后，各端口位置沿洗脱剂流动方向前移一根色谱柱，完成6个循环后恢复到初始位置。
进一步地，所述洗脱剂的流量为4～6ml/min，所述原料的流量为2～3ml/min，所述无机酸组分的流量为3～4ml/min，所述乙酸组分的流量为4～5ml/min，所述糖类组分的流量为5～6ml/min，所述步骤(a)的时间为4～7min，所述步骤(b)的时间为8～12min。
本发明的工作机制：h型强酸性阳离子树脂色谱固定相，其电荷密度大，依据道南排斥原理，强电解质组分通过固定相时受到排斥，不能进入树脂微孔而无保留发生；非离解组分不受排斥，渗入到树脂微孔而发生保留；由此导致树脂颗粒间空内的组分与树脂孔内的组分之间产生分配现象。离解电解质组分受排斥强弱程度，与电解质离解与酸强度有关。糖类是中性分子、硫酸或盐酸是强电解质、乙酸是弱电解质，三者在h型强酸性阳离子树脂色谱固定相上分别发生保留、无保留、强保留(部分氢键作用)。木糖水解液中糖类、硫酸或盐酸、乙酸三组分通过固定相时，硫酸或盐酸先行流出、糖类随后流出、乙酸最后流出。六根柱组成间歇端口重置模拟移动床四区开环色谱系统，可实现连续流入木糖水解液，子步骤一提余液口收集弱保留组分硫酸或盐酸、提取口收集上一个周期的强保留组分乙酸，子步骤二提取端口收集中等保留组分糖类。后沿洗脱液流动方向切换端口以模拟色谱固定相移动，利用间歇模拟移动床色谱连续同时去除木糖水解液中无机酸及乙酸。
本发明的有益效果：
(1)本发明可以同时将木糖水解液中无机酸和乙酸连续分离去除，有较高酸收率、糖分收率、以及较高的酸纯度和糖液纯度；
(2)本发明可以防止提取溶液浓度的稀释，回收无机酸经浓度调整后可再次用于水解，组分出口浓度高于四区或五区或顺序模拟移动床，降低了后续浓缩成本；
(3)本发明减少了树脂用量和色谱柱数量，降低了设备投资和生产损耗；减少料液反混，提高产品纯度和收率；
(4)本发明连续回收的糖类、无机酸、乙酸三种组分的纯度达到90％以上。
附图说明
图1为四区模拟移动床色谱法的示意图。
图2为顺序式模拟移动床色谱法的示意图。
图3为五区模拟移动床色谱法的示意图。
图4为四区间歇模拟移动床色谱法的示意图；图4a、4b分别显示了第一时间间隔内端口配置、第二时间间隔内端口配置。
图5为四区端口重排间歇模拟移动床色谱法的示意图。
具体实施方式
下述实施例中所述的间歇模拟移动床色谱如图5所示，由依次串联的1号色谱柱、2号色谱柱、3号色谱柱、4号色谱柱、5号色谱柱、6号色谱柱组成，包括i区带、ii区带、iii区带和iv区带，所述i区带、ii区带、iii区带分别含2根依次串换的色谱柱，所述iv区带含6根依次串换的色谱柱；所述i区带位于洗脱剂入口与原料入口之间；所述ii区带位于原料入口与无机酸组分出口之间；所述iii区带为无机酸组分出口与乙酸组分出口之间，所述iv区带位于洗脱剂入口与糖类组分出口之间。所述色谱柱用同心夹套通过循环水保温，温度为40～65℃；每个色谱柱的前后设有一个分布式电磁阀组，所述洗脱剂入口、原料入口、糖类出口、无机酸出口、乙酸出口分别设有洗脱剂阀、原料阀、糖类组分阀、无机酸组分阀、乙酸组分阀，由plc程序控制所述电磁阀组的开启或关闭，实现进入原料或洗脱水、流出糖类或酸组分以及色谱固定相柱模拟移动；相邻色谱柱之间以管线连接，管线中设有单向阀。
下述实施例中间歇模拟移动床色谱去除木糖水解液中无机酸及乙酸的方法包括如下步骤：
(a)开启1号色谱柱前洗脱剂阀注入洗脱剂，开启3号色谱柱前原料阀注入原料，料水比例控制在1:1.5～1:2.5；4号色谱柱末无机酸组分出口流出弱保留组分无机酸；6号色谱柱末乙酸组分出口流出上个周期的强保留组分乙酸；中等保留组分的糖类保留于3号色谱柱与4号色谱柱之间的色谱区域；
(b)步骤(a)结束后，关闭3号色谱柱前原料阀、4号色谱柱末无机酸组分阀，1号色谱柱至6号色谱柱组成一个独立的色谱分离区，洗脱剂流动方向为1号色谱柱至6号色谱柱，中等保留组分及强保留组分在洗脱剂推动下，中等保留组分糖类在6号色谱柱末糖类组分阀流出色谱系统；
(c)步骤(b)完毕后，洗脱剂入口由1号色谱柱前端切换至2号色谱柱前端；原料入口由3号色谱柱前端切换至4号色谱柱前端；无机酸组分出口由4号色谱柱末端切换至5号色谱柱末端；乙酸组分出口或糖类组分出口由6号色谱柱末端切换至1号色谱柱末端。
(d)步骤(c)切换完毕后，重复步骤(a)和步骤(b)运行；每个周期运行完后，各端口位置沿洗脱剂流动方向后移一根色谱柱，完成6个循环后恢复到初始位置。
下述实施例中提及的“约”，范围为给出的浓度数值±1mg/ml。
实施例1
一种利用间歇模拟移动床色谱去除木糖水解液中无机酸及乙酸的方法如下。
(1)原料准备：将木糖水解液进行精密过滤，去除胶体和固形物，活性炭或树脂脱除木糖水解液中的色泽物，得到淡黄色木糖水解液，用旋转蒸发仪蒸发浓缩(55～65℃)至溶液中总糖约59.2mg/ml、硫酸浓度约13.5mg/ml、乙酸浓度约8.8mg/l。
(2)间歇模拟移动床色谱去除硫酸和乙酸：原料在间歇模拟移动床色谱上进行离子排阻色谱分离，固定相树脂为dowex99h型，洗脱剂为40℃去离子水。在分离酸之前，预先向洗脱剂入口流入40℃去离子热水，流量保持在2ml/min，同时关闭原料阀、糖类组分阀、无机酸组分阀、乙酸组分阀，无空气滞留在柱内。在完成操作后，洗脱剂增加到目标值5ml/min，原料流量2.47ml/min，硫酸组分流量3.22ml/min，乙酸组分流量4.25ml/min，糖类组分流量5ml/min，单个周期时间15min，其中，步骤(a)6.5min，步骤(b)8.5min。
单个周期内，分两个子步骤，随着子步骤的变化，端口分布次序发生变化。步骤(a)：40℃洗脱剂注入1号色谱柱前洗脱剂入口、原料注入3号色谱柱前原料入口，收集4号色谱柱末无机酸出口流出的硫酸组分、收集6号色谱柱末乙酸组分出口流出的乙酸组分；步骤(b)：40℃洗脱剂注入1号色谱柱前洗脱剂入口、收集6号色谱柱末糖类组分出口流出的糖类组分。
每个周期运行完后，各端口位置沿洗脱剂流动方向后移一根色谱柱，完成6个循环后恢复到初始位置。
基于上述分离操作，获得总糖收率为98.2％、纯度96.6％，硫酸收率为93.2％、纯度94.5％，乙酸收率为92.2％、纯度92.6％。
实施例2
一种利用间歇模拟移动床色谱去除木糖水解液中无机酸及乙酸的方法如下：
(1)原料准备：将木糖水解液进行精密过滤，去除胶体和固形物，活性炭或树脂脱除木糖水解液中的色泽物，得到淡黄色木糖水解液，并用旋转蒸发仪蒸发浓缩(55～65℃)至溶液中总糖约65.2mg/ml、盐酸浓度约12.5mg/ml、乙酸浓度约7.7mg/l。
(2)间歇模拟移动床色谱去除盐酸和乙酸：原料在间歇模拟移动床色谱进行离子排阻色谱分离，固定相树脂为jk006h型，洗脱剂为50℃去离子水。在分离酸之前，预先向洗脱剂入口中注入50℃去离子热水洗脱剂，流量保持在2.5ml/min，同时关闭原料阀、糖类组分阀、无机酸组分阀、乙酸组分阀，无空气滞留在柱内。在完成操作后，洗脱剂增加到目标值5.8ml/min，原料流量2.9ml/min，硫酸组分流量3.85ml/min，乙酸组分流量4.85ml/min，糖类组分流量5.8ml/min，单个周期时间17min，其中，步骤(a)5.7min，步骤(b)11.3min。
单个周期内，分两个子步骤，随着子步骤的变化，端口分布次序发生变化。步骤(a)：50℃洗脱剂注入1号色谱柱前洗脱剂入口、原料注入3号色谱柱前原料入口，收集4号色谱柱末无机酸出口流出的硫酸组分、收集6号色谱柱末乙酸组分出口流出的乙酸组分；步骤(b)：50℃洗脱剂注入1号色谱柱前洗脱剂入口、收集6号色谱柱末糖类组分出口流出的糖类组分。
每个周期运行完后，各端口位置沿洗脱剂流动方向后移一根色谱柱，完成6个循环后恢复到初始位置。
基于上述分离操作，获得总糖收率为97.6％、纯度97.3％，盐酸收率为92.2％、纯度96.1％，乙酸收率为94.3％、纯度93.5％。
实施例3
一种利用间歇模拟移动床色谱去除木糖水解液中无机酸及乙酸的方法如下：
(1)原料准备：将木糖水解液进行精密过滤，去除胶体和固形物，活性炭或树脂脱除木糖水解液中的色泽物，得到淡黄色木糖水解液，并用旋转蒸发仪蒸发浓缩(55～65℃)至溶液中总糖约59.2mg/ml、硫酸浓度约13.5mg/ml、乙酸浓度约8.8mg/l。
(2)间歇模拟移动床色谱去除硫酸和乙酸：原料在间歇模拟移动床色谱进行离子排阻色谱分离，固定相树脂为xad4h型，洗脱剂为60℃去离子水。在分离酸之前，预先向洗脱剂入口中注入60℃去离子热水洗脱剂，流量保持在2ml/min，同时关闭原料阀、糖类组分阀、无机酸组分阀、乙酸组分阀，无空气滞留在柱内。在完成操作后，洗脱剂增加到目标值5ml/min，原料流量2.67ml/min，硫酸组分流量3.15ml/min，乙酸组分流量4.25ml/min，糖类组分流量5ml/min，单个周期时间16min，其中，步骤(a)5.5min，步骤(b)10.5min。
单个周期内，分两个子步骤，随着子步骤的变化，端口分布次序发生变化。步骤(a)：60℃洗脱剂注入1号色谱柱前洗脱剂入口、原料注入3号色谱柱前原料入口，收集4号色谱柱末无机酸出口流出的硫酸组分、收集6号色谱柱末乙酸组分出口流出的乙酸组分；步骤(b)：60℃洗脱剂注入1号色谱柱前洗脱剂入口、收集6号色谱柱末糖类组分出口流出的糖类组分。
每个周期运行完后，各端口位置沿洗脱剂流动方向后移一根色谱柱，完成6个循环后恢复到初始位置。
基于上述分离操作，获得总糖收率为97.6％、纯度98.3％，硫酸收率为92.2％、纯度95.7％，乙酸收率为92.8％、纯度93.5％。
实施例4
一种利用间歇模拟移动床色谱去除木糖水解液中无机酸及乙酸的方法如下：
(1)原料准备：将木糖水解液进行精密过滤，去除胶体和固形物，活性炭或树脂脱除木糖水解液中的色泽物，得到淡黄色木糖水解液，并用旋转蒸发仪蒸发浓缩(55～65℃)至溶液中总糖约65.2mg/ml、盐酸浓度约12.5mg/ml、乙酸浓度约7.7mg/l。
(2)间歇模拟移动床色谱去除盐酸和乙酸：木糖浓缩液在间歇模拟移动床进行离子排阻色谱分离，固定相树脂为d001h型，洗脱剂为55℃去离子水。在分离酸之前，预先向洗脱剂入口中注入50℃去离子热水洗脱剂，流量保持在2.2ml/min，同时关闭原料阀、糖类组分阀、无机酸组分阀、乙酸组分阀，无空气滞留在柱内。在完成操作后，洗脱剂增加到目标值5.8ml/min，原料流量2.5ml/min，硫酸组分流量3.65ml/min，乙酸组分流量4.65ml/min，糖类组分流量5.8ml/min，单个周期时间14min，其中，步骤(a)4.7min，步骤(b)9.3min。
单个周期内，分两个子步骤，随着子步骤的变化，端口分布次序发生变化。步骤(a)：55℃洗脱剂注入1号色谱柱前洗脱剂入口、原料注入3号色谱柱前原料入口，收集4号色谱柱末无机酸出口流出的硫酸组分、收集6号色谱柱末乙酸组分出口流出的乙酸组分；步骤(b)：55℃洗脱剂注入1号色谱柱前洗脱剂入口、收集6号色谱柱末糖类组分出口流出的糖类组分。
每个周期运行完后，各端口位置沿洗脱剂流动方向后移一根色谱柱，完成6个循环后恢复到初始位置。
基于上述分离操作，获得总糖收率为98.6％、纯度92.3％，盐酸收率为93.2％、纯度95.2％，乙酸收率为92.1％、纯度95.5％。
对比例
在本发明提供的一种利用间歇模拟移动床色谱去除木糖水解液中无机酸及乙酸的方法中，为了探索适宜的离子排斥色谱固定相，实验评价了树脂功能基及配位离子，具体如下：
(1)农林废弃物玉米芯经粉碎水洗和热水浸提处理后，用1.5％稀硫酸催化水解，温度113～115℃，压力0.15～0.18mpa，时间1.5h；经精密过滤，除去胶体和固形物；真空旋转蒸发浓缩(60～65℃)至总糖约59mg/ml、硫酸约13mg/ml、乙酸约8mg/，用活性炭或树脂去除色泽物，得到原料。
(2)强酸基团或配位有强酸基团的树脂具有较大极性，作为色谱固定相有利于产生道南排斥，在此类树脂上，非离子性溶质较离子性溶质的道南排斥作用小，表现为保留时间长。选择了强酸氢型阳离子树脂、强碱性硫酸根型阴离子树脂、强碱性氯型阴离子树脂进行实验。各取25g按照高径比20:1装填成单柱并动态实验，原料液上样10ml后用50℃的热水以1.5ml/min洗脱，收集洗脱液并分析计算样品中糖类收率及纯度、硫酸纯度及收率、乙酸收率及纯度，强酸氢型阳离子树脂分离前述三组分的效果较佳。
(3)选择了大孔型和凝胶型的强酸性氢型阳离子树脂hd-8、jk-006、hz-016、d001、002sc、hs001、001×7、001×8、ls001、dowex99或50w、xad4、15wet和252na。各取25g按照高径比20:1装填成单柱并动态实验，原料液上样10ml后用50℃的热水以1.5ml/min洗脱，收集洗脱液并分析计算样品中糖类收率及纯度、硫酸纯度及收率、乙酸收率及纯度，评价上述树脂分离性能。结果表明，dowex99或50w、jk006、xad4、d001和ls001的分离效果相对较佳，因此，本发明中选用上述五种树脂作为模拟移动床去除木糖水解液中无机酸及乙酸的色谱固定相。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
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