实验二 离子交换法提取谷氨酸-2

PAGEPAGE16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交联度粒度（目）最高耐热（℃）理论交换容量（mmol/g干树脂）湿视密度（g/cm3）pH范围溶胀率（%）水分（%）7～860934.50.75～0.850～142.25（水）46～523、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/LHCL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/LNaOH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。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、离子交换工艺流程上柱交换液上柱交换液上柱交换水洗杂质及疏松树脂热水预热树脂热碱洗脱收集低流分（pH1.5-2.0）高流分（pH2.5-3.0）低流分（pH9-11）直接等电点提取谷氨酸在本实验中，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℃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℃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时间流出液体积（mL）流量（mL/min）pH值浓度（°Be）茚三酮检测反应备注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。洗脱记录表时间流出液体积（mL）流量（mL/min）pH值浓度（°Be）备注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（pH8.2），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（pH9.4），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（AntoineBaume）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