大孔強(qiáng)酸樹脂膨脹床吸附提取ε-聚賴氨酸的研究

劉洋,王靚,張宏建,陳旭升,張建華*

1(江南大學(xué) 生物工程學(xué)院,江蘇 無(wú)錫,214122)2(工業(yè)生物技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué)),江蘇 無(wú)錫,214122)

ε-聚賴氨酸(ε-poly-L-lysine,ε-PL)是一種由鏈霉菌分泌產(chǎn)生的抗菌肽,由5～35個(gè)L-賴氨酸通過(guò)α-COOH和ε-NH2形成酰胺鍵連接而成的聚合物,其分子質(zhì)量一般為780～4 600 Da[1]。由于其多陽(yáng)離子性質(zhì)可以通過(guò)離子吸附與攜帶負(fù)電荷的細(xì)胞表面相互作用,故對(duì)于包括革蘭氏陽(yáng)性和陰性細(xì)菌、酵母菌、霉菌甚至病毒在內(nèi)的多種微生物都表現(xiàn)出良好的抑菌活性[2]。目前,ε-PL及其鹽酸鹽已獲得日本、美國(guó)、中國(guó)等國(guó)家和地區(qū)批準(zhǔn)用作天然食品防腐劑[3]。此外,ε-PL還在藥物載體、脂質(zhì)體、干擾素誘導(dǎo)劑和水凝膠等多個(gè)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[4]。由此可見(jiàn),ε-PL是一種具有廣泛應(yīng)用領(lǐng)域的生物技術(shù)產(chǎn)品。

微生物發(fā)酵法是目前生產(chǎn)ε-PL最經(jīng)濟(jì)的方式。經(jīng)歷40余年的菌株改造和發(fā)酵工藝不間斷優(yōu)化,當(dāng)前ε-PL最高發(fā)酵水平已經(jīng)突破70 g/L[5]。因此,如何高效率地從發(fā)酵液中分離提取ε-PL就成為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的另一個(gè)重點(diǎn)。1981年,SHIMA等[6]報(bào)道了ε-PL提取第一條完整工藝:該工藝采用過(guò)濾的方式進(jìn)行固液分離,去除大量菌體后收集濾液,將收集的濾液pH值調(diào)節(jié)至8.5后再過(guò)濾1次,過(guò)濾液通過(guò)弱酸陽(yáng)離子樹脂進(jìn)行吸附,并使用去離子水和醋酸對(duì)樹脂進(jìn)行洗滌,再使用0.1 mol/L鹽酸進(jìn)行解吸附,洗脫液再通過(guò)蒸發(fā)濃縮和活性炭脫色后,最后采用乙醇和乙醚混合液進(jìn)行沉淀,收集沉淀用水復(fù)溶后通過(guò)凝膠層析獲得ε-PL 樣品。2003 年,美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局公布了一種ε-PL 提取新工藝[7]:采用微濾膜過(guò)濾作為固液分離的方式,隨后采用三級(jí)離子交換進(jìn)行正負(fù)吸附,最后經(jīng)活性炭脫色獲得產(chǎn)品。該工藝相比于第一條工藝最大特點(diǎn)是去除了有機(jī)溶劑沉淀。2016 年,本團(tuán)隊(duì)建立了一種菌體絮凝結(jié)合板框過(guò)濾進(jìn)行固液分離,再利用離子交換吸附耦合膜分離提取ε-PL 的方法[8],初步實(shí)現(xiàn)ε-PL純度90.2%,收率達(dá)到75%;后續(xù)經(jīng)過(guò)優(yōu)化[9],進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)ε-PL純度98.8%,收率達(dá)到72.6%。從已報(bào)道的ε-PL提取工藝來(lái)看,進(jìn)行發(fā)酵液的菌體去除均是必備的第一步操作。事實(shí)上,不管是采用離心還是過(guò)濾進(jìn)行發(fā)酵液的固液分離,設(shè)備投資大、能耗高和操作時(shí)間長(zhǎng)都是不可克服的弊端。

膨脹床吸附(expanded bed adsorption,EBA)是一種新型的生物分離技術(shù),不需要任何預(yù)處理,通過(guò)在一個(gè)單元操作中達(dá)到固液分離和產(chǎn)品分離純化的目的。DE SOUSA等[10]將EBA技術(shù)用于提取重組503抗原,提取效率提高到88.8%;PATHAPATI等[11]將EBA技術(shù)與模擬移動(dòng)床技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于γ-氨基丁酸的提純中,使發(fā)酵液的提取效率和純度一步提高了2倍,產(chǎn)品純度達(dá)到92%;MACIEL等[12]通過(guò)EBA技術(shù)對(duì)乳鐵蛋白進(jìn)行純化,純度可達(dá)到92.7%,回收率為87%;郭靜等[13]通過(guò)膨脹床-固定床層析偶聯(lián)方式分離純化藻藍(lán)蛋白,純化因子達(dá)到2.2,回收率為58.8%。由此可見(jiàn),EBA技術(shù)可以不經(jīng)過(guò)固液分離直接從發(fā)酵液中選擇性捕獲目標(biāo)產(chǎn)物,不僅提高了提取效率,也節(jié)約了經(jīng)濟(jì)成本,并證明了EBA技術(shù)如果應(yīng)用在ε-PL產(chǎn)品的提取工藝上,將是一條非常經(jīng)濟(jì)有效的工藝路線。

本研究嘗試建立利用大孔強(qiáng)酸樹脂膨脹床直接從發(fā)酵液中分離純化ε-PL的工藝,以期實(shí)現(xiàn)省略固液分離單元、降低分離提取成本和提升提取效率的目的。首先進(jìn)行了用于膨脹床的強(qiáng)酸樹脂篩選,并通過(guò)吸附等溫線模型研究了樹脂吸附ε-PL行為,再對(duì)單柱膨脹床吸附提取ε-PL的工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,最后構(gòu)建了三柱串聯(lián)膨脹床提取ε-PL的循環(huán)工藝。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

發(fā)酵液由本實(shí)驗(yàn)室提供;甲基橙等主要實(shí)驗(yàn)試劑,分析純,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;大孔型強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂,鄭州和成新材料科技有限公司、天津雙聯(lián)科技有限公司、江蘇蘇青水處理工程集團(tuán)有限公司,主要信息如表1所示。

表1 樹脂主要參數(shù)Table 1 Main parameters of resin

1.2 儀器與設(shè)備

40 mm×300 mm層析柱,新科水處理設(shè)備廠;精密蠕動(dòng)泵BT100-2J、BT300-2J,保定蘭格恒流泵有限公司;Agilent 1260 Infinity高效液相色譜儀,美國(guó)Agilent公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 強(qiáng)酸樹脂的篩選

稱取2 g活化好的鈉型樹脂,放入含100 mL發(fā)酵液的搖瓶中,于30 ℃、200 r/min的搖床中振蕩12 h后,取樣檢測(cè)。吸附飽和的樹脂用去離子水清洗后,加入100 mL 0.8 mol/L NaOH溶液,于30 ℃、200 r/min的搖床中振蕩6 h洗脫,取樣檢測(cè)。

1.3.2 分析方法

甲基橙比色法確定ε-PL質(zhì)量濃度[14]。

檢測(cè)料液被樹脂吸附前后的ε-PL質(zhì)量濃度,根據(jù)公式(1)計(jì)算樹脂工作交換容量(qe):

(1)

式中:C0、C1,吸附前后料液的ε-PL質(zhì)量濃度,g/L;V0、V1,吸附前后料液的體積,L;m,樹脂質(zhì)量,g。

檢測(cè)吸附飽和的樹脂在洗脫液中解吸的ε-PL質(zhì)量濃度,根據(jù)公式(2)計(jì)算樹脂解吸率:

(2)

式中:C2,洗脫液的ε-PL質(zhì)量濃度,g/L;C0、C1,吸附前后料液的ε-PL質(zhì)量濃度,g/L;V2,洗脫液的體積,L;V0、V1,吸附前后料液的體積。

考馬斯亮藍(lán)法確定蛋白質(zhì)量濃度[15]。檢測(cè)料液被樹脂吸附前后的蛋白質(zhì)量濃度,根據(jù)公式(3)計(jì)算蛋白去除率:

(3)

式中:P0、P1,吸附前后料液的蛋白質(zhì)量濃度,g/L;V0、V1,吸附前后料液的體積,L。

文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn),425 nm下發(fā)酵液存在可見(jiàn)光最大吸收峰[16],因此采用425 nm作為檢測(cè)波長(zhǎng)。檢測(cè)料液被樹脂吸附前后的色度,根據(jù)公式(4)計(jì)算色素去除率:

(4)

式中:R0、R1,吸附前后料液在425 nm下的色度;V0、V1,吸附前后料液的體積,L。

高效液相色譜(high performance liquid chromatography,HPLC)法分析檢測(cè)ε-PL的純度和聚合度[17-18]。對(duì)料液和樹脂洗脫液進(jìn)行取樣,樣品使用流動(dòng)相進(jìn)行稀釋,最后用0.45 μm微濾膜過(guò)濾。ε-PL的純度和聚合度檢測(cè)波長(zhǎng)分別為210、215 nm。

1.3.3 吸附等溫線和熱力學(xué)參數(shù)

活化的鈉型SQD-04樹脂2 g放入裝有100 mL不同濃度發(fā)酵液的搖瓶中,在293、303、310 K下于200 r/min的搖床中振搖12 h,取樣檢測(cè)。采用2種吸附等溫線模型[19]對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合,如公式(5)、公式(6)所示:

Langmuir模型:

(5)

Freundlich模型:

qe/(mg·g-1)=KF×(Ce)1/n

(6)

式中:qmax,樹脂最大交換容量,mg/g;Ce,吸附后料液的ε-PL質(zhì)量濃度,mg/mL;KL、KF,Langmuir模型、Freundlich模型的模型常數(shù);1/n,Freundlich模型的模型指數(shù)。

用公式(7)、公式(8)計(jì)算293、303、310 K下SQD-04樹脂吸附ε-PL的熱力學(xué)參數(shù)(ΔG、ΔH和ΔS)[19]:

ΔG/(kJ·mol-1)=-R×T×lnK0

(7)

(8)

式中:R,通用氣體常數(shù);T,溫度,K;K0,熱力學(xué)平衡常數(shù)。

1. 3. 4 膨脹比(E)對(duì)膨脹床吸附效果的影響

固定進(jìn)料濃度(C0) 25 g/L和初始高徑比(H0/D)4.0,改變膨脹比為1.2、1.4、1.6、1.8,料液進(jìn)料1個(gè)柱體積(bed volume,BV)時(shí)取樣并停止進(jìn)料,使用去離子水洗滌,樹脂上方的發(fā)酵液沖洗干凈后,將柱中樹脂取出,一定體積的去離子水浸泡并超聲,使樹脂表面截留的菌體充分混勻于去離子水中后取樣。分析檢測(cè)進(jìn)料前后ε-PL質(zhì)量濃度差(ΔC)、樹脂飽和度(qe/qmax)以及菌體截留指標(biāo),菌體截留情況在600 nm下測(cè)得。

1.3.5 初始高徑比(H0/D)對(duì)膨脹床吸附效果的影響

固定進(jìn)料濃度(C0)25 g/L和膨脹比(E)1.6,改變H0/D為2.7、3.3、4.0,料液進(jìn)料1個(gè)柱體積時(shí)取樣并停止進(jìn)料,使用去離子水洗滌,樹脂上方的發(fā)酵液沖洗干凈后,將柱中樹脂取出,一定體積的去離子水浸泡并超聲,使樹脂表面截留的菌體充分混勻于去離子水中后取樣。分析檢測(cè)進(jìn)料前后ε-PL質(zhì)量濃度差(ΔC)、樹脂飽和度(qe/qmax)以及菌體截留指標(biāo)。

1.3.6 進(jìn)料濃度(C0)對(duì)膨脹床吸附效果的影響

固定膨脹比(E)1.6和初始高徑比(H0/D)2.7、4.0,改變C0為15、20、25 g/L,料液進(jìn)料1個(gè)柱體積時(shí)取樣并停止進(jìn)料,分析檢測(cè)進(jìn)料前后ε-PL質(zhì)量濃度差(ΔC)、樹脂飽和度(qe/qmax)指標(biāo)。

1.3.7 三柱串聯(lián)膨脹床循環(huán)工藝的構(gòu)建與優(yōu)化

按照?qǐng)D1構(gòu)建工藝裝置,對(duì)速度(v1)進(jìn)行優(yōu)化,分別以1、2、3 BV/h的速度進(jìn)料,每個(gè)柱體積進(jìn)行取樣檢測(cè),當(dāng)C3的ε-PL質(zhì)量濃度達(dá)到進(jìn)料ε-PL質(zhì)量濃度的5%,視為穿透,停止進(jìn)料。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析,以每個(gè)柱子的樹脂飽和度(qe/qmax)、總進(jìn)料量、總收率為指標(biāo)確定最佳速度v1。

圖1 三柱串聯(lián)膨脹床循環(huán)工藝裝置圖Fig.1 Three-column series circulating expanded bed process device diagram注：a、b、c、d為蠕動(dòng)泵

2 結(jié)果與分析

2.1 大孔強(qiáng)酸樹脂的篩選

由于ε-PL是一種富含多陽(yáng)離子的聚合物,因此利用離子交換吸附提取ε-PL往往需要選擇陽(yáng)離子樹脂,而目前使用固定床吸附提取ε-PL均選擇弱酸鈉型/銨型陽(yáng)離子交換樹脂[20]。主要是因?yàn)槿跛徕c型/銨型陽(yáng)離子樹脂吸附量大,可以達(dá)到300 mg/g左右。然而,在何洪剛等[21]的研究中發(fā)現(xiàn),弱酸樹脂吸附ε-PL過(guò)程中料液pH會(huì)逐漸升高,甚至到pH 9.0左右,而發(fā)酵液pH到5.0以上,ε-PL就會(huì)被菌體自帶的分解酶大量降解[22-23]。因此,弱酸陽(yáng)離子樹脂不能用于直接從發(fā)酵液中吸附提取ε-PL。前期預(yù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),強(qiáng)酸樹脂用于發(fā)酵液吸附提取ε-PL不會(huì)造成料液pH變化。所以,本研究首先需要篩選適用于膨脹床的大孔強(qiáng)酸陽(yáng)離子交換樹脂。另外,基于弱酸陽(yáng)離子樹脂研究發(fā)現(xiàn),鈉型樹脂工作交換容量通常會(huì)優(yōu)于氫型,所以本研究考慮直接篩選鈉型強(qiáng)酸樹脂用于膨脹床。

由圖2-a可知,鈉型樹脂SQD-04、D072、D061的工作交換容量較高,分別達(dá)到294.37、286.07、279.57 mg/g;圖2-b發(fā)現(xiàn)3種樹脂洗脫液的解吸率分別為70.59%、67.53%、59.10%;蛋白去除率為58.25%、55.76%、56.53%;色素去除率為97.83%、97.20%、98.18%。利用HPLC對(duì)3種樹脂洗脫液進(jìn)一步檢測(cè),結(jié)果如圖3所示。SQD-04、D061、D072樹脂洗脫液的純度分別達(dá)到94.97%、62.44%、57.81%(圖3-a),而聚合度分析發(fā)現(xiàn),SQD-04樹脂洗脫液的低聚合度(5～25)ε-PL較少(圖3-b)。本研究想要篩選出工作交換容量較高,可以較好地去除雜質(zhì)并能得到較高聚合度(>25)ε-PL 的樹脂,因此,根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果選擇鈉型樹脂SQD-04進(jìn)行后續(xù)研究。

a-樹脂工作交換容量;b-洗脫液的解吸率、蛋白去除率與色素去除率圖2 不同鈉型樹脂吸附和解吸參數(shù)Fig.2 Adsorption and desorption parameters of different Na+ form resins

a-發(fā)酵液與洗脫液的純度;b-發(fā)酵液與洗脫液的聚合度圖3 發(fā)酵液與洗脫液的純度和聚合度Fig.3 Purity and degree of polymerization of fermentation broth and eluate

2.2 吸附等溫線和熱力學(xué)參數(shù)

圖4 是Langmuir和Freundlich模型對(duì)不同溫度下SQD-04樹脂吸附不同質(zhì)量濃度(7.09、15.83、17.34、26.01、35.30 mg/mL)發(fā)酵液中ε-PL實(shí)驗(yàn)結(jié)果的線性擬合;由表2可知,Langmuir吸附等溫線模型的R2>0.99,Freundlich吸附等溫線模型的R2>0.65。高相關(guān)系數(shù)表明,Langmuir吸附等溫線模型適用于描述研究濃度范圍內(nèi)鈉型SQD-04樹脂吸附發(fā)酵液中ε-PL體系。同時(shí),由圖4和表2可知,隨著溫度的升高,模型常數(shù)在減小,說(shuō)明升高溫度不利于SQD-04對(duì)ε-PL的吸附。

a-Langmuir模型的線性相關(guān)關(guān)系;b-Freundlich模型的線性相關(guān)關(guān)系圖4 吸附等溫線模型對(duì)不同溫度下SQD-04樹脂吸附發(fā)酵液中ε-PL實(shí)驗(yàn)結(jié)果的線性擬合Fig.4 Linear fitting of adsorption isotherm model to SQD-04 resin adsorption experiment results of ε-PL in fermentation broth at different temperatures

表2 不同溫度下SQD-04樹脂吸附發(fā)酵液中ε-PL的Langmuir和Freundlich參數(shù)Table 2 Langmuir and Freundlich parameters of ε-PL in fermentation broth on SQD-04 resin at different temperatures

由表3可知,ΔG為負(fù)值且隨著溫度的升高而降低,表明SQD-04樹脂對(duì)發(fā)酵液中ε-PL具有良好的吸附作用,且293 K下比其他溫度更容易進(jìn)行吸附;ΔH的負(fù)值表明SQD-04樹脂的吸附過(guò)程是放熱的,溫度的升高會(huì)對(duì)吸附過(guò)程產(chǎn)生負(fù)面影響;ΔS的正值表明吸附過(guò)程中系統(tǒng)的總無(wú)序性增加。所以,根據(jù)吸附等溫線模型擬合結(jié)果和熱力學(xué)參數(shù),SQD-04對(duì)ε-PL的吸附在293 K下較為合適。

2.3 膨脹比對(duì)膨脹床吸附效果的影響

膨脹比(E)為膨脹床高度與固定床高度的比值,是影響膨脹床工藝的關(guān)鍵因素之一。由圖5-a可知,當(dāng)E=1.2時(shí),樹脂膨脹比較小,樹脂之間的空隙較窄,導(dǎo)致菌體截留較多(OD600=0.69);當(dāng)E提高到1.4和1.6,樹脂之間的空隙增大,菌體截留迅速減少(0.13和0.07);而當(dāng)E繼續(xù)提高到1.8時(shí),樹脂空隙雖然繼續(xù)變大,但菌體截留(0.05)相比E為1.6時(shí)降低的并不明顯。總體來(lái)看,E越大,菌體截留越少,這意味著進(jìn)料過(guò)程中柱子堵塞風(fēng)險(xiǎn)降低。

表3 不同溫度下SQD-04樹脂吸附發(fā)酵液中ε-PL的熱力學(xué)參數(shù)Table 3 Thermodynamic parameters of adsorption of ε-PL in fermentation broth by SQD-04 resin at different temperatures

由圖5-b可知,E從1.2增加到1.8,進(jìn)料1個(gè)柱體積前后ε-PL質(zhì)量濃度差(ΔC)從0.49 g/L減少到0.21 g/L,樹脂飽和度(qe/qmax)從4.90×10-3下降到2.06×10-3,說(shuō)明ΔC和qe/qmax在不斷減小,原因是隨著E的提高,進(jìn)料速度加快,在一定程度上加快了對(duì)床層的穿透,樹脂與料液中ε-PL的接觸時(shí)間縮短,從而影響了樹脂對(duì)ε-PL的吸附效率,導(dǎo)致ΔC和qe/qmax越來(lái)越小,DE SOUSA等[10]在膨脹床吸附503抗原穿透曲線的建模與模擬的研究中也表明了這一觀點(diǎn),膨脹比的增加使進(jìn)料速度提高,導(dǎo)致了樹脂吸附效率的降低。因此,根據(jù)上述指標(biāo)分析,選擇膨脹比1.6進(jìn)行后續(xù)研究。

2.4 初始高徑比對(duì)膨脹床吸附效果的影響

初始高徑比(H0/D)也是影響膨脹床工藝關(guān)鍵的因素之一。由圖6-a可知,隨著H0/D的增高,菌體截留也在提高(從0.04增長(zhǎng)到0.07),表明了隨著H0/D的增加,進(jìn)料過(guò)程中柱子堵塞風(fēng)險(xiǎn)可能會(huì)升高。由圖6-b可知,H0/D從2.7提高到4.0,ΔC從0.22 g/L增加到0.24 g/L,說(shuō)明在相同的膨脹比下,ΔC在逐漸增大,這是由于直徑相同,H0/D的增高意味著樹脂床層高度的增加,傳質(zhì)單元數(shù)也會(huì)隨之增加,料液流經(jīng)床層的停留時(shí)間會(huì)變長(zhǎng),使吸附過(guò)程更充分,從而ΔC越來(lái)越大;但qe/qmax卻從3.31×10-3降低到2.50×10-3,說(shuō)明樹脂飽和度在逐漸變小,表明一定時(shí)間內(nèi)樹脂的吸附效率降低,這是由于樹脂床層高度的增高代表了樹脂的量變多,樹脂達(dá)到吸附平衡的時(shí)間會(huì)相應(yīng)延長(zhǎng),導(dǎo)致qe/qmax越來(lái)越小。文獻(xiàn)中也報(bào)道了這種現(xiàn)象[24],高徑比的增加,對(duì)過(guò)程效率具有負(fù)面影響,對(duì)柱效率具有正面影響。因此,考慮柱效率,可選擇H0/D為4.0進(jìn)行后續(xù)研究;考慮過(guò)程效率,可選擇H0/D為2.7進(jìn)行后續(xù)研究。

a-菌體截留;b-ε-PL質(zhì)量濃度差(ΔC)、樹脂飽和度(qe/qmax)圖5 不同膨脹比下料液進(jìn)料一個(gè)柱體積的ΔC、qe/qmax及菌體截留Fig.5 ΔC,qe/qmax and bacterial rejection of one column volume of feed liquid with different swelling ratio

2.5 進(jìn)料濃度對(duì)膨脹床吸附效果的影響

進(jìn)料濃度(C0)對(duì)膨脹床工藝也具有關(guān)鍵影響。由圖7可知,固定膨脹比為1.6,初始高徑比為2.7時(shí),隨著C0的提高,ΔC從0.15 g/L增加到0.22 g/L,qe/qmax從2.31×10-3提高到3.31×10-3;初始高徑比為4.0時(shí),隨著C0的提高,ΔC從0.18 g/L增加到0.24 g/L,qe/qmax從1.79×10-3提高到2.50×10-3,說(shuō)明了在相同的膨脹比和初始高徑比下,ΔC和qe/qmax都在不斷增大,原因是研究的濃度范圍內(nèi),樹脂吸附效率與料液濃度呈正相關(guān)關(guān)系,因此在相同的停留時(shí)間內(nèi),隨著C0的增加,樹脂對(duì)ε-PL的吸附效率逐漸提高,平衡時(shí)間相應(yīng)縮短,這與LIKOZAR等[25]研究一致,因此選擇初始質(zhì)量濃度25 g/L進(jìn)行后續(xù)研究。

a-菌體截留;b-ε-PL質(zhì)量濃度差(ΔC)、樹脂飽和度(qe/qmax)圖6 不同初始高徑比下料液進(jìn)料一個(gè)柱體積的ΔC、qe/qmax及菌體截留Fig.6 ΔC, qe/qmax and bacterial rejection of feed solution injection one column volume with different initial height-to-diameter ratio

綜合分析,若注重柱效率(以ΔC和菌體截留為指標(biāo)),應(yīng)選擇C0為25 g/L,E為1.6,H0/D為4.0用于后續(xù)研究;若注重過(guò)程效率(以qe/qmax和菌體截留為指標(biāo)),應(yīng)選擇C0為25 g/L,E為1.6,H0/D為2.7用于后續(xù)研究。

2.6 三柱串聯(lián)循環(huán)膨脹床工藝的構(gòu)建與優(yōu)化

按照前期單因素試驗(yàn)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)膨脹床工藝需采用多柱串聯(lián),但如果只進(jìn)行簡(jiǎn)單的多柱串聯(lián),那柱子的數(shù)量將會(huì)無(wú)限多。因此,根據(jù)實(shí)際工藝應(yīng)用的要求,設(shè)計(jì)了圖1所示的三柱串聯(lián)膨脹床循環(huán)工藝。并且出于工業(yè)應(yīng)用的需要,在三柱串聯(lián)膨脹床循環(huán)工藝中選擇了C0為25 g/L,E為1.6,H0/D為2.7用于后續(xù)優(yōu)化,這是因?yàn)椴僮鲿r(shí)間短、吸附效率高是提高收率的必要條件。

由圖8可知,v1為1 BV/h時(shí),在第13個(gè)柱體積時(shí)3#柱穿透;而v1為2、3 BV/h時(shí),3 #柱在第9、7個(gè)柱體積時(shí)達(dá)到穿透。由表4可知,當(dāng)v1變大,3#柱達(dá)到穿透時(shí),1# 柱的qe/qmax從0.76降低到0.37,2#柱的qe/qmax從0.33降低到0.16,3#柱的qe/qmax從0.13降低到0.04,處理的料液體積從13個(gè)柱體積減少到7個(gè)柱體積,總收率從98.20%降至96.84%。這是因?yàn)殡S著v1變大,循環(huán)液的ε-PL質(zhì)量濃度逐漸升高,雖然樹脂的吸附效率隨著循環(huán)液濃度的提高而提高,但由于樹脂膨脹比較高,柱子中料液循環(huán)速度較快,較高的濃度和較快的速度會(huì)加快料液對(duì)樹脂床層的穿透,從而使每根柱子流出液的ε-PL質(zhì)量濃度逐漸升高,導(dǎo)致3 #柱的穿透時(shí)間縮短。所以,當(dāng)v1較大時(shí),三柱串聯(lián)膨脹床循環(huán)工藝會(huì)很快穿透,雖穿透時(shí)間縮短,但是吸附效率會(huì)降低,總收率也在減小,因此若想在v1較高的情況下實(shí)現(xiàn)應(yīng)用,需要增加柱子的數(shù)量。

綜合分析,當(dāng)樹脂初始高徑比為2.7,膨脹比為1.6 下,進(jìn)料質(zhì)量濃度為25 g/L,v1為1 BV/h時(shí)進(jìn)料,3#柱達(dá)到穿透時(shí),1#柱的qe/qmax達(dá)到0.75以上,總收率為98.20% ,證明了三柱串聯(lián)膨脹床循環(huán)工藝在v1≤1 BV/h 下是可以被應(yīng)用的。

a-ε-PL質(zhì)量濃度差(ΔC);b-樹脂飽和度(qe/qmax)圖7 不同進(jìn)料濃度下料液進(jìn)料一個(gè)柱體積的ΔC、qe/qmaxFig.7 ΔC, qe/qmax of one column volume of feed liquid injection at different feed concentrations

a-v1=1 BV/h下各出口ε-PL質(zhì)量濃度變化;b-v1=2 BV/h下各出口ε-PL質(zhì)量濃度變化;c-v1=3 BV/h下各出口ε-PL質(zhì)量濃度變化圖8 不同v1下每個(gè)柱體積各出口ε-PL質(zhì)量濃度變化Fig.8 The change of ε-PL mass concentration at each outlet of each column volume under different v1

表4 不同v1下3#柱穿透時(shí)三柱串聯(lián)膨脹床循環(huán)工藝參數(shù)Table 4 Technological parameters of three-column series circulating expanded bed when 3# column penetrates under different v1

3 結(jié)論

為了取消ε-PL提取工藝中的固液分離操作,并降低分離提取成本和提高提取效率,本研究嘗試建立了一種大孔強(qiáng)酸性陽(yáng)離子樹脂利用膨脹床從發(fā)酵液中直接吸附提取ε-PL的工藝。研究從8種強(qiáng)酸樹脂中篩選確定了SQD-04用于膨脹床;吸附等溫線模型和熱力學(xué)參數(shù)研究表明,SQD-04吸附ε-PL符合Langmuir吸附等溫線模型,且為放熱反應(yīng)。進(jìn)一步膨脹床工藝條件優(yōu)化發(fā)現(xiàn),若注重柱效率,C0為25 g/L、E為1.6、H0/D為4.0條件下最優(yōu);若注重過(guò)程效率,C0為25 g/L、E為1.6、H0/D為2.7條件下最優(yōu)。最后,優(yōu)化了三柱串聯(lián)膨脹床循環(huán)工藝中上樣速度(v1)。結(jié)果表明,在樹脂高徑比為2.7,膨脹比為1.6下,進(jìn)料質(zhì)量濃度25 g/L,速度v1為1 BV/h進(jìn)料,3#柱穿透時(shí),1#柱的樹脂飽和度可達(dá)到0.76,總進(jìn)料量為13個(gè)BV,總收率為98.20%,證明了三柱串聯(lián)膨脹床循環(huán)工藝是可以實(shí)現(xiàn)的。雖然三柱串聯(lián)膨脹床循環(huán)工藝可以提高提取效率,但若進(jìn)行放大試驗(yàn)且應(yīng)用在工業(yè)上,該工藝可以與模擬移動(dòng)床設(shè)計(jì)相結(jié)合,以實(shí)現(xiàn)吸附-洗滌-洗脫的連續(xù)操作。