СПОСОБ ИОНООБМЕННОГО ВЫДЕЛЕНИЯ МОЛОЧНОЙ КИСЛОТЫ ИЗ КУЛЬТУРАЛЬНОЙ ЖИДКОСТИ
METHOD FOR ION-EXCHANGE ISOLATION OF LACTIC ACID FROM CULTURE FLUID

Изобретение относится к биотехнологии пищевых продуктов и может быть использовано при переработке культуральных сред с получением молочной кислоты.
3
Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому эффекту являются способ ионообменного извлечения молочной кислоты из модельных растворов [Luongo, Vincenzo; Palma, Angelo; Rene, Eldon R.; Fontana, Angelo; Pirozzi, Francesco; Esposito, Giovanni; Lens, Piet N. L. Lactic acid recovery from a model of Thermotoga neapolitana fermentation broth using ion exchange resins in batch and fixed-bed reactors Separation Science and Technology; vol. 54; nb. 6; (2019); p. 1008 - 1025], в основе которого лежит адсорбция и десорбция молочной кислоты на анионообменнике Amberlite IRA-67 в колоннах периодического действия с неподвижной загрузкой смолы, средняя эффективность десорбции при использовании раствора гидроксида натрия с концентрацией 0,5 моль/дм составляет 68% от объема, и способ извлечения молочной кислоты из сыворотки [А.с. 436657, опубликовано 25.07.1974, бюллетень № 27], в основе которого лежит пропускание сыворотки после обессоливания через сильноосновный анионит и десорбция ее 10%-ным раствором серной кислоты, выход молочной кислоты составляет 65-75% объемных.
Недостатками данных способов являются невысокая степень извлечения молочной кислоты и сложность регенерации ионообменника из-за использования для десорбции раствора щелочи или слабого раствора серной кислоты, что приводит к увеличению числа ионообменных циклов для увеличения степени извлечения молочной кислоты и многократному увеличению объемов растворов для десорбции и регенерации.
Техническая задача изобретения заключается в разработке способа ионообменного выделения молочной кислоты из культуральной жидкости, позволяющего увеличить степень извлечения молочной кислоты, отделить молочную кислоту от уксусной кислоты, содержащейся в исходной жидкости, уменьшить объемы раствора для десорбции.
-
-
Для решения технической задачи изобретения предложен способ ионообменного выделения молочной кислоты из культуральной жидкости, характеризующийся тем, что выделение молочной кислоты осуществляется в две стадии с использованием одного вида анионообменной смолы в ОН-форме, на первой стадии проводят сорбцию смеси молочной и уксусной кислот с обогащением ими сорбента, для этого готовят Purolite А430 в ОН-форме, проводят сорбцию кислот в противоточной колонне с неподвижным слоем сорбента, для этого снизу пропускают фильтрат культуральной жидкости, при этом молочная и уксусная кислоты сорбируются на анионите Purolite А430, через некоторое время на выходе из колонны появляется молочная кислота, а затем уксусная кислота, сорбцию останавливают, в течение сорбции производят отбор проб через определенные промежутки времени, суммарную концентрацию кислот контролируют кислотно-основным титрованием, концентрацию молочной кислоты - спектрофотометрическим методом, концентрацию уксусной кислоты - по разнице между суммарной концентрацией кислот и концентрацией молочной кислоты, на второй стадии проводят элюирование кислот раствором серной кислоты из сорбента с подачей элюэнта сверху, первой выходит молочная, затем уксусная кислота, элюат, содержащий молочную кислоту, собирают в приемник, степень извлечения молочной кислоты из фильтрата культуральной жидкости составляет 100%, степень разделения кислот после десорбции в одном цикле составляет 92% от исходного объема.
Технический результат изобретения заключается в увеличении степени извлечения молочной кислоты, отделении молочной кислоты от уксусной кислоты, уменьшении объема раствора для десорбции.
0
3
-
3
На фиг. 1 представлены зависимости отношения концентрации молочной и уксусной кислот в растворе на выходе из колонны к исходной концентрации (с/с) от объема пропущенной жидкости (v, дм) молочной кислоты (кривая 1) и уксусной кислоты (кривая 2) на Purolite А430 (OH) при 298 К и скорости пропускания 7,5 см/мин.
3
3
На фиг. 2 представлена зависимость концентрации молочной и уксусной кислот в элюате от объема пропущенного десорбента (v, дм) молочной кислоты (кривая 1) и уксусной кислоты (кривая 2) из Purolite А430 раствором серной кислоты со скоростью пропускания 6 см/мин.
Способ ионообменного выделение молочной кислоты из культуральной жидкости реализуют следующим образом.
-
Выделение молочной кислоты проводится в две стадии: первая стадия - сорбция смеси кислот анионообменной смолой Purolite А430 в ОН -форме, вторая стадия - элюирование молочной кислоты из смолы водным раствором серной кислоты.
-
3
-
3
-
В ионообменную колону загружают анионит Purolite А430; для перевода смолы в ОН-форму осуществляют её подготовку: пропускают через слой ионообменника последовательно раствор HCl с концентрацией 0,5 моль/дм, дистиллированную воду до полного удаления соляной кислоты из межгранульного пространства, анионит переведен в Cl-форму, далее пропускают раствор NaОН с концентрацией 0,5 моль/дм, промывают смолу дистиллированной водой до полного удаления гидроксида натрия, ионообменная смола переведена в ОН-форму и готова к использованию; осуществляют сорбцию смеси кислот, для этого снизу пропускают раствор, содержащий кислоты, на выходе из колоны первой появляется молочная кислота, через некоторое время уксусная кислот. В течение процесса сорбции через определенные промежутки времени отбирают пробы раствора на выходе из колонки. Суммарную концентрацию смеси кислот в растворе определяют кислотно-основным титрованием. Концентрацию молочной кислоты в отобранных пробах определяют спектрофотометрическим методом. Концентрацию уксусной кислоты в водном растворе определяют по разнице между суммарной концентрацией кислот и концентрацией молочной кислоты.
3
На второй стадии осуществляют десорбцию кислот из анионита 20%-ным водным раствором серной кислоты. В течение десорбции через определенные промежутки времени отбирают пробы раствора на выходе из колонны и проводят анализ отобранных проб кислотно-основным титрованием с индикатором фенолфталеином и спектрофотометрическим методом. После элюирования проводят промывку ионообменной смолы раствором гидроксидом натрия с концентрацией 0,5 моль/дм, анионит принимает исходную форму и готов к работе.
Использование сорбента Purolite А430 позволяет достичь разделения молочной и уксусной кислот, которые имеют схожие физико-химические характеристики. Объемы разделяемых растворов и исходная концентрация ионов могут быть различны, поэтому требуемая производительность ионообменников варьируется, в связи с этим характеристики ионообменных колонн (высота, диаметр, скорость подачи раствора, объем сорбента и т. д.) подбираются для каждого случая отдельно.
Способ ионообменного разделения кислот молочной и уксусной поясняется следующим примером.
3
3
3
3
Пример. Из отфильтрованной центрифугированием от осадка культуральной жидкости, содержащей 0,172 моль/дм (15,49 г/дм) молочной кислоты и 0,0129 моль/дм (1,32 г/дм)уксусной кислоты, проводят выделение молочной кислоты.
-
3
3
Сорбцию и десорбцию осуществляют на анионите Purolite А430 в ОН-форме в ионообменной колонке. Для выделения молочной кислоты готовят ионообменную смолу. В ионообменную колону загружают анионит Purolite А430, оставляя примерно треть колоны свободной, так как анионит набухает и увеличивается в объеме. К ионообменной смоле приливают раствор соляной кислоты с концентрацией 0,5 моль/дм до значения рН 1. Затем промывают дистиллированной водой от избытка кислоты до рН воды (рН = 5-6). После этого промывают раствором гидроксида натрия с концентрацией 0,5 моль/дм до щелочного среды затем дистиллированной водой до нейтрального значение рН.
3
3
На первой стадии разделения проводят сорбцию кислот, подавая с помощью насоса снизу в колону раствор, содержащий смесь кислот молочной и уксусной со скоростью 7,5 см/мин. Отбор проб на выходе из колонны осуществлялся через каждые 10 дм пропущенного раствора для построения выходной кривой. Данные о ходе сорбции молочной и уксусной кислот из водного раствора представлены в таблице 1.
3
3
Определение суммарной концентрации кислот на выходе из колонны осуществляют кислотно-основным титрованием. Для этого в колбу для титрования добавляют 1 см анализируемого раствора, добавляют 3 капли индикатора фенолфталеина. После этого титруют 0,01 моль/дм раствором гидроксида натрия до перехода бесцветной окраски в бледно-розовую, сохраняющегося в течение 30-40 с.
Концентрацию молочной кислоты в водном растворе определяют спектрофотометрическим методом. Для этого на спектрофотометре в анализируемых пробах измеряют оптическую плотность при длине волны 221 нм и по градуировочной функции С = 398,13·D определяют концентрацию молочной кислоты.
Концентрацию уксусной кислоты в водном растворе определяют по разнице между суммарной концентрацией кислот и концентрацией молочной кислоты. Выходные кривые сорбции представлены на фиг. 1. Сорбцию проводит до выравнивания концентраций кислот на входе в колону и выходе из колоны.
-
Как видно на фиг. 1, происходит поглощение молочной и уксусной кислот анионитом А430 (OH), степень извлечения составляет 100%, первой из колоны выходит молочная кислота, затем уксусная кислота. Степень разделения кислот на стадии сорбции достигает 40% от объема.
3
3
3
Десорбцию кислот осуществляют раствором 20%-ной серной кислоты, пропуская ее сверху со скоростью 6см/мин. Отбирают элюат через каждые 10 дм в колбу для титрования и определяют концентрацию кислот в растворе, концентрацию молочной кислоты - спектрофотометрическим методом, суммарную концентрацию кислот на выходе из колонны - кислотно-основным титрованием. Концентрацию уксусной кислоты в элюате определяют по разнице между суммарной концентрацией кислот и концентрацией молочной кислоты. После элюирования проводят промывку ионообменной смолы раствором гидроксидом натрия с концентрацией 0,5 моль/дм, анионит принимает исходную форму и готов к работе.
Данные о ходе десорбции смеси молочной и уксусной кислот представлены в таблице 2. Выходные кривые десорбции представлены на фиг.2. Как видно из фиг. 2, степень разделения составляет 92%.
Как видно из примера, таблиц и фигур, степень извлечения молочной кислоты из фильтрата культуральной жидкости на стадии сорбции составляет 100%, максимальное разделение молочной и уксусной кислот осуществляется на стадии десорбции и достигает 92%.
Предлагаемый способ ионообменного выделения молочной кислоты из культуральной жидкости позволяет полностью выделить молочную кислоту, практически полностью отделить ее от уксусной кислоты и уменьшить объем раствора для десорбции.
Способ ионообменного выделения молочной кислоты из культуральной жидкости
Таблица 1
№ пробы
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Объём, дм<sup>3</sup>
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Суммарная концентрация кислот, моль/дм<sup>3</sup>
0,007553
0,011212
0,012134
0,02168
0,087964
0,137613
0,16504
0,17275
0,18428
0,1845
Концентрация молочной кислоты, моль/дм<sup>3</sup>
0,006912
0,01032
0,01203
0,02063
0,08604
0,1307
0,1548
0,1606
0,1716
0,1718
Концентрация уксусной кислоты, моль/дм<sup>3</sup>
0,0006412
0,0008923
0,0001040
0,001050
0,001924
0,006913
0,01024
0,01215
0,01268
0,01270
Способ ионообменного выделения молочной кислоты из культуральной жидкости
Таблица 2
№ пробы
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Объем, дм<sup>3</sup>
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Концентрация молочной кислоты, моль/дм<sup>3</sup>
0,025
0,125
0,0325
0,028
0,027
0,025
0,0235
0,02
0,0195
0,019
Концентрация уксусной кислоты, моль/дм<sup>3</sup>
0,018
0,021
0,036
0,058
0,026
0,021
0,0195
0,0173
0,016
0,0155