一种利用离子精馏系统分离混合氨基酸的方法

本发明属于电驱动膜分离领域，具体涉及一种用于等电点相近、结构相近、分子量相近和/或荷电量相同的混合氨基酸的分离方法。

背景技术：

1、氨基酸是一种重要的化工原料，在医药、化妆、食品、饲料等领域都得到大量的应用，目前氨基酸可由天然蛋白质水解或生物工程发酵获得，但往往获得的是氨基酸混合物，不能一次性得到某种特定的纯氨基酸。随着相关行业和生物工程技术的发展，对氨基酸的需求也越来越大，对氨基酸的纯度要求也越来越高，如何实现混合氨基酸的精细分离是现代化学工业亟待解决的重要问题。

2、针对氨基酸混合溶液，目前国内外最常用的处理方法有沉淀、萃取、离子交换和电渗析等工艺。以上工艺均可以实现混合氨基酸的提纯分离，但受限于工艺自身的技术壁垒，这些工艺仍然存在着诸多的问题。沉淀法需要加入特定的沉淀剂，或者调节溶液ph至氨基酸等电点，使氨基酸沉淀，残留的沉淀剂影响产品纯度且回收难度大，待分离的氨基酸之间的等电点不能相近。萃取法面临无毒或低毒萃取剂残留物对产品质量的影响、萃取过程中乳化现象等问题。离子交换法通过调节料液的ph，利用氨基酸之间解离常数pk、等电点pi值的差异，使得离子交换树脂对各种氨基酸吸附能力的不同进行分离纯化，但是此过程中需要对大量树脂进行处理，需要使用大量的酸或碱将氨基酸从分离柱上洗脱下来，操作繁琐。单个的离子交换单元无法进行连续式操作，只能通过间歇式加料与清洗进行目标离子的分离，通过离子交换单元的串联或并联式联通，可以实现物料处理的连续式操作，但同样延长了工程工艺路线，各个单元在运行时耦合匹配也使得过程工艺操作变得极为复杂。一般电渗析需要调节氨基酸混合物溶液的ph，使得溶液中阳离子以一种氨基酸为主，阴离子以另一种氨基酸为主。在直流电场的作用下，阳离子透过阳离子交换膜向阴极迁移，阴离子透过阴离子交换膜向阳极迁移，从而实现分离。但是，一般电渗析并不能实现对选择性系数的级数放大，氨基酸离子由于自身分子量较大、传质阻力较大，故一般电渗析的混合氨基酸选择性系数往往较低。选择性电渗析是一种电驱动膜分离工艺，可以用于混合氨基酸分离操作。根据不同的氨基酸离子间的电荷性质、水合能、离子水合半径等物化性质的差异，通过采用特种的功能隔膜，如一多价离子选择膜、电纳滤隔膜等，利用氨基酸离子与功能隔膜间存在特异性的响应作用，不同的氨基酸离子在功能隔膜中迁移时存在着一定的速率差异(通常分子量小、结构简单的氨基酸离子迁移速度更快)，以电场为驱动力，并采用特定的排列方式搭配使用功能隔膜，可实现混合氨基酸的高效分离。选择电渗析被广泛应用于有机酸生产、处理有机废水、化工绿色生产等过程。选择电渗析器采用流通式进料与出料处理模式，物料在选择电渗析膜堆内部流通，其处理效率决定于物料在电渗析器中的停留时间及外部电场。流通式的进料模式允许单个选择电渗析操作单元在连续式、间歇式、半间歇式等工艺条件下运行。但受制于电渗析过程基本运行机制，选择电渗析通常采用阳离子特种分离隔膜与阴离子特种分离隔膜搭配使用，两种隔膜叠加形成一个膜单元，通过重复叠加膜单元可以增大物料处理量。因此，在选择电渗析过程工艺中，特种离子的分离性能仍决定于功能隔膜自身的筛分特性，而功能隔膜不理想的筛分性能也限制了目标离子分离效率。

3、现有氨基酸分离提纯路线多采用多项技术单元间的协同耦合，技术路线长、过程复杂、集成度低是现有生产工艺的共同问题。

4、离子精馏技术是一种新型的电驱动膜分离技术，该技术将多个同类型的离子膜按照“同类同侧”的原则进行排布。由于不同离子间存在不同的物理化学性质差异，例如水合离子半径、水合能、荷电量等差异，混合的离子在膜中迁移时存在迁移速率差异，那么利用隔膜可实现不同离子间的部分分离，这也是传统的选择电渗析过程所遵循的分离机制。但对于等电点相近、结构相近、分子量相近和/或荷电量相同的氨基酸离子，它们在膜相中的迁移速率差异微小，需经过数百甚至数千级的选择电渗析单元外部耦合。而离子精馏技术存在离子选择性的级数放大效应，利用此优势，有望实现复杂混合氨基酸体系的精细分离。目前，离子精馏主要面向混合金属离子体系的分离问题，尤其是盐湖资源化过程中所产生的混合金属离子体系，尚未应用在混合有机酸体系的分离问题，尤其是等电点相近、结构相近、分子量相近和/或荷电量相同的混合氨基酸体系。

技术实现思路

1、为避免上述混合氨基酸分离技术所存在的不足之处，本发明提供一种利用离子精馏系统分离混合氨基酸的方法，通过构建离子精馏系统，基于氨基酸等电点与溶液ph的关系、氨基酸离子在功能隔膜中的多级筛分机制及离子选择性系数的级数放大效应，实现由氨基酸混合溶液精细筛分氨基酸的目的，该方法可以实现各种类型混合氨基酸的分离，尤其是现有电渗析方法无法实现的等电点相近、结构相近、分子量相近和/或荷电量相同的混合氨基酸的精细化筛分。

2、受限于等电点相近、结构相近、分子量相近和/或荷电量相同的混合氨基酸难以分离，传统的分离体系多选择等电点相差较大、分子量相差较大、结构相差较大、荷电量不同的氨基酸分离体系。受限于电渗析过程中基本运行机制，选择电渗析通常采用特种阳离子分离隔膜与特种阴离子分离隔膜搭配使用，两种隔膜叠加形成一个膜单元，通过重复叠加膜单元可以增大物料处理量。本发明打破传统电渗析过程的基本运行机制，依照“同类同侧”原则布置离子膜，结合溶液ph条件，确定混合氨基酸的主要荷电类型离子，依次叠加n张“同类”的能够筛分和传输主要荷电类型的氨基酸离子的离子膜。利用不同氨基酸离子存在的迁移速度差异，最终经过n级选择性分离，不同氨基酸离子间的选择性系数得到级数放大，从而在离子精馏系统中实现各种类型混合氨基酸的高效分离，尤其是等电点相近、结构相近、分子量相近和/或荷电量相同的混合氨基酸的高效分离，达到迄今已报道的用于等电点相近、结构相近、分子量相近和/或荷电量相同的混合氨基酸体系的单个膜分离单元最高的氨基酸选择性系数。

3、本发明为解决技术问题，采用如下技术方案：

4、一种利用离子精馏系统分离混合氨基酸的方法，其特点在于：根据混合氨基酸中两种氨基酸的等电点调控混合氨基酸溶液的ph，确定混合氨基酸中两种氨基酸的整体荷电类型离子，然后利用相应离子精馏系统实现两种氨基酸选择性系数的逐级提升。

5、本发明的方法既适用于等电点不相近的混合氨基酸，也适用于等电点相近的混合氨基酸的分离，例如：当两种氨基酸的等电点差值不大于某一设定值a(如设定a为0.6-1.2之间的任意值)时，可认为二者的等电点相近；当两种氨基酸的等电点差值大于设定值a时，可认为二者的等电点不相近。

6、氨基酸在不同的ph条件下呈现不同的荷电状态：当溶液的ph低于该种类氨基酸的等电点pi时，该类型氨基酸整体荷正电(即该氨基酸荷正电的分子数量多于荷负电的分子数量)；当溶液的ph高于该种类氨基酸的等电点时，该类型氨基酸整体荷负电(即该氨基酸荷负电的分子数量多于荷正电的分子数量)。根据两种氨基酸的等电点差值，调控混合氨基酸的ph：当两种氨基酸的等电点不相近时，调控ph使两种氨基酸的整体荷电类型不同(一种整体荷正电、另一种整体荷负电)；当两种氨基酸的等电点相近时，调控ph使两种氨基酸的整体荷电类型相同或其中一种呈电中性。再根据调控ph后混合氨基酸中两种氨基酸的整体荷电类型，选用离子精馏系统：当两种氨基酸的整体荷电类型不同时(一种整体荷正电、另一种整体荷负电)，采用离子协同精馏系统；当混合氨基酸中两种氨基酸中的一种整体荷正电、另一种整体呈电中性或整体荷正电时，采用阳离子精馏系统或离子协同精馏系统；当混合氨基酸中两种氨基酸中的一种整体荷负电、另一种整体呈电中性或整体荷负电时，采用阴离子精馏系统或离子协同精馏系统。氨基酸离子跨膜迁移，氨基酸离子存在迁移速率的差异，在ph调控的主要荷电离子比例基础上，经过n级精馏室，最终实现选择性系数的进一步放大。

7、进一步地，所述利用离子精馏系统分离混合氨基酸的方法具体为：令混合氨基酸中的氨基酸a与氨基酸b的等电点分别为pia与pib；

8、若pib-pia＞a(也即当两种氨基酸的等电点不相近时)，采用如下方法分离混合氨基酸：

9、首先调控混合氨基酸溶液的ph至pia＜ph＜pib，从而混合氨基酸溶液中氨基酸a整体荷负电、氨基酸b整体荷正电；

10、设置离子协同精馏系统，将待处理的混合氨基酸溶液加入到料液室，在阳极室与阴极室加入强电解质溶液，在各阳离子精馏室和各阴离子精馏室加入辅助电解质溶液；在电场驱动下，荷正电的氨基酸a与荷正电的氨基酸b从料液室逐级透过各级阳离子交换膜，并基于氨基酸a与氨基酸b迁移速率的差异，在各级阳离子精馏室中两种荷正电氨基酸的选择性系数逐级提升；同时，在电场驱动下，荷负电的氨基酸a与荷负电的氨基酸b从料液室逐级透过各级阴离子交换膜，并基于氨基酸a与氨基酸b迁移速率的差异，在各级阴离子精馏室中两种荷负电氨基酸的选择性系数逐级提升；从而实现混合氨基酸中两种氨基酸的分离；

11、若0＜pib-pia≤a(也即当两种氨基酸的等电点相近时)，采用如下方法一或方法二分离混合氨基酸：

12、方法一：

13、首先调控混合氨基酸溶液的ph至ph≤pia，从而使混合氨基酸溶液中氨基酸a整体呈电中性或整体荷正电，氨基酸b整体荷正电；

14、设置阳离子精馏系统，将待处理的混合氨基酸溶液加入到料液室，在阳极室与阴极室加入强电解质溶液，在各阳离子精馏室和各阴离子保留室加入辅助电解质溶液；在电场驱动下，荷正电的氨基酸a与荷正电的氨基酸b从料液室逐级透过各级阳离子交换膜，并基于氨基酸a与氨基酸b迁移速率的差异，在各级阳离子精馏室中两种荷正电氨基酸的选择性系数逐级提升，从而实现混合氨基酸中两种氨基酸的分离；

15、或者，设置离子协同精馏系统，将待处理的混合氨基酸溶液加入到料液室，在阳极室与阴极室加入强电解质溶液，在各阳离子精馏室和各阴离子精馏室加入辅助电解质溶液；在电场驱动下，荷正电的氨基酸a与荷正电的氨基酸b从料液室逐级透过各级阳离子交换膜，并基于氨基酸a与氨基酸b迁移速率的差异，在各级阳离子精馏室中两种荷正电氨基酸的选择性系数逐级提升；同时，在电场驱动下，荷负电的氨基酸a与荷负电的氨基酸b从料液室逐级透过各级阴离子交换膜，并基于氨基酸a与氨基酸b迁移速率的差异，在各级阴离子精馏室中两种荷负电氨基酸的选择性系数逐级提升；从而实现混合氨基酸中两种氨基酸的分离。

16、方法二：

17、首先调控混合氨基酸溶液的ph至ph≥pib，从而使混合氨基酸溶液中氨基酸a整体荷负电，氨基酸b整体呈电中性或整体荷负电；

18、设置阴离子精馏系统，将待处理的混合氨基酸溶液加入到料液室，在阳极室与阴极室加入强电解质溶液，在各阴离子精馏室和各阳离子保留室加入辅助电解质溶液；在电场驱动下，荷负电的氨基酸a与荷负电的氨基酸b从料液室逐级透过各级阴离子交换膜，并基于氨基酸a与氨基酸b迁移速率的差异，在各级阴离子精馏室中两种荷负电氨基酸的选择性系数逐级提升，从而实现混合氨基酸中两种氨基酸的分离；

19、或者，设置离子协同精馏系统，将待处理的混合氨基酸溶液加入到料液室，在阳极室与阴极室加入强电解质溶液，在各阳离子精馏室和各阴离子精馏室加入辅助电解质溶液；在电场驱动下，荷正电的氨基酸a与荷正电的氨基酸b从料液室逐级透过各级阳离子交换膜，并基于氨基酸a与氨基酸b迁移速率的差异，在各级阳离子精馏室中两种荷正电氨基酸的选择性系数逐级提升；同时，在电场驱动下，荷负电的氨基酸a与荷负电的氨基酸b从料液室逐级透过各级阴离子交换膜，并基于氨基酸a与氨基酸b迁移速率的差异，在各级阴离子精馏室中两种荷负电氨基酸的选择性系数逐级提升；从而实现混合氨基酸中两种氨基酸的分离。

20、进一步地，当0＜pib-pia≤a时(也即当两种氨基酸的等电点相近时)，按照氨基酸离子分布与ph的关系，调控混合氨基酸溶液的ph，使氨基酸a与氨基酸b整体呈相同荷电类型的同时，呈该荷电类型的两种氨基酸离子的比例相差最大，此时的ph为最佳操作ph，在该条件下可以提高混合氨基酸离子的选择性系数。

21、进一步地，调控混合氨基酸溶液的ph所用酸或碱为无机酸、无机碱。

22、进一步地，所采用的离子精馏系统可以为对称结构，也可以为非对称结构，即用于阳离子筛分的薄膜数量(n1)与用于阴离子筛分的薄膜数量(n2)之间的配比可以自由组合。

23、进一步地，所使用的离子精馏系统的精馏级数大于等于2级，可以根据所处理的体系组成和处理目标自由增加或降低离子精馏级数。

24、进一步地，离子精馏系统中所采用的膜可以根据需要进行选择，可选的膜包括但不限于一多价离子膜、电纳滤膜、常规离子交换膜、双极膜、碱性膜、质子膜、合金膜、异相膜等。

25、进一步地，离子精馏系统中所采用的封端隔膜可以根据需要进行选择，可选的膜包括但不限于离子交换膜、双极膜、碱性膜、质子膜、合金膜、异相膜等。

26、具体的，氨基酸种类包括但不限于甘氨酸(gly)、丙氨酸(ala)、缬氨酸(val)、亮氨酸(leu)、苯丙氨酸(phe)、丝氨酸(ser)和脯氨酸(pro)等20种常见的且参与人体生命活动的氨基酸。其中以由甘氨酸(gly)和丙氨酸(ala)组成的混合体系为例，甘氨酸(gly)和丙氨酸(ala)的结构如下所示：

27、

28、在结构方面，甘氨酸(gly)和丙氨酸(ala)仅r基团不同，其中甘氨酸(gly)的r基团为-h，丙氨酸(ala)的r基团为甲基(-ch2)；在分子量方面，甘氨酸(gly)分子量为75.067，丙氨酸(ala)分子量为89.093，两者在分子量上仅相差一个甲基(-ch2)的分子量。在水溶液中，甘氨酸(gly)和丙氨酸(ala)会发生如下解离：

29、pk1＝2.34

30、pk2＝9.60

31、pk1＝2.35

32、pk2＝9.87

33、其中，pi代表氨基酸的等电点，pk1代表氨基酸的羧基解离常数，pk2代表氨基酸的氨基解离常数。在等电点方面，甘氨酸(gly)等电点为5.97，丙氨酸(ala)等电点为6.00，两者等电点极为接近。当甘氨酸(gly)和丙氨酸(ala)均为荷正电形式时，两者均为荷一正电的形式；当甘氨酸(gly)和丙氨酸(ala)均为荷负电形式时，两者均为荷一负电的形式。按照两种氨基酸离子分布与ph的关系(方法参照文献journal ofmembrane science 498(2016)48–56)，当ph为9.735时，甘氨酸与丙氨酸皆整体荷负电，且甘氨酸中荷负电离子比例为0.5771、丙氨酸中荷负电离子比例为0.4229，二者荷负电离子的比例差值达到最大值0.1542。

34、本发明所述离子精馏系统包括阳离子精馏系统、阴离子精馏系统和离子协同精馏系统。

35、所述阳离子精馏系统的结构参见专利cn 113663519a：包括阳离子精馏器件、溶液辅助循环系统及电流供电系统。阳离子精馏器件是由封装于阳极板与阴极板之间的至少一组阳离子精馏单元构成；阳离子精馏单元是由一张或多张阴离子交换膜和至少两张特种阳离子选择性膜依照“同类同侧”原则依次叠压后加上流道隔网和密封垫片组成的膜单元。在阳离子精馏单元中，首先叠压阴离子交换膜，然后叠压特种阳离子选择性膜，并使阴离子交换膜靠近阳极板、特种阳离子选择性膜靠近阴极板；相邻阴离子交换膜之间形成1个或多个阴离子保留室；相邻特种阳离子选择性膜之间形成至少两级阳离子精馏室；阴离子交换膜与特种阳离子选择性膜之间形成料液室。在阳极板、阴极板与阳离子精馏单元之间设置有封端隔膜；阳极板与封端隔膜之间形成阳极室、阴极板与封端隔膜之间形成阴极室；靠近阳极板的封端隔膜与相邻阴离子交换膜之间形成阴离子保留室，靠近阴极板的封端隔膜与相邻特种阳离子选择性膜之间形成阳离子精馏室。

36、所述阴离子精馏系统参见专利cn 113663517 a：包括阴离子精馏器件、溶液辅助循环系统及电流供电系统。阴离子精馏器件是由封装于阳极板与阴极板之间的至少一组阴离子精馏单元构成；阴离子精馏单元是由一张或多张阳离子交换膜和至少两张特种阴离子选择性膜依照“同类同侧”原则依次叠压后加上流道隔网和密封垫片组成的膜单元。在阴离子精馏单元中，首先叠压特种阴离子选择性膜，然后叠压阳离子交换膜，并使特种阴离子选择性膜靠近阳极板、阳离子交换膜靠近阴极板；相邻特种阴离子选择性膜之间形成至少两级阴离子精馏室；相邻阳离子交换膜之间形成1个或多个阳离子保留室；特种阴离子选择性膜与阳离子交换膜之间形成料液室。在阳极板、阴极板与阴离子精馏单元之间设置有封端隔膜；阳极板与封端隔膜之间形成阳极室、阴极板与所述封端隔膜之间形成阴极室；靠近阳极板的封端隔膜与相邻特种阴离子选择性膜之间形成阴离子精馏室，靠近阴极板的封端隔膜与相邻阳离子交换膜之间形成阳离子保留室。

37、所述离子协同精馏系统参见专利cn 113663518 a：包括离子协同精馏器件、溶液辅助循环系统及电流供电系统。离子协同精馏器件是由封装于阳极板与阴极板之间的至少一组离子协同精馏单元构成；离子协同精馏单元是由一张或多张特种阳离子选择性膜和一张或多张特种阴离子选择性膜依照“同类同侧”原则依次叠压后加上流道隔网和密封垫片组成的膜单元。在离子协同精馏单元中，首先叠压特种阴离子选择性膜，然后叠压特种阳离子选择性膜，并使特种阴离子选择性膜靠近阳极板、特种阳离子选择性膜靠近阴极板；相邻特种阴离子选择性膜之间形成1个或多个阴离子精馏室；相邻特种阳离子选择性膜之间形成1个或多个阳离子精馏室；特种阴离子选择性膜与特种阳离子选择性膜之间形成料液室。在阳极板、阴极板与离子协同精馏单元之间设置有封端隔膜；阳极板与封端隔膜之间形成阳极室、阴极板与封端隔膜之间形成阴极室；靠近阳极板的封端隔膜与相邻特种阴离子选择性膜之间形成阴离子精馏室，靠近阴极板的封端隔膜与相邻特种阳离子选择性膜之间形成阳离子精馏室。

38、与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

39、本发明通过调控混合氨基酸溶液的ph，使混合氨基酸分子发生荷电转化，利用离子精馏技术对于氨基酸离子选择性系数的级数放大效应，实现不同氨基酸分子间的有效分离。本发明的方法可以实现各种类型混合氨基酸的高选择性分离，尤其是等电点相近、结构相近、分子量相近和/或荷电量相同的混合氨基酸的高选择性分离。本发明为混合氨基酸的分离提供了一种创新方法，有望缩短氨基酸生产过程中后续的分离提纯工艺路线，降低氨基酸生产成本，提升氨基酸产品质量。