СПОСОБ ИОНООБМЕННОГО ВЫДЕЛЕНИЯ МОЛОЧНОЙ КИСЛОТЫ ИЗ КУЛЬТУРАЛЬНОЙ ЖИДКОСТИ Российский патент 2022 года по МПК C12P7/56 C07C51/42 

Изобретение относится к биотехнологии пищевых продуктов и может быть использовано при переработке культуральных сред с получением молочной кислоты.

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/дм³ 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.

На фиг. 1 представлены зависимости отношения концентрации молочной и уксусной кислот в растворе на выходе из колонны к исходной концентрации (с/с₀) от объема пропущенной жидкости (v, дм³) молочной кислоты (кривая 1) и уксусной кислоты (кривая 2) на Purolite А430 (OH^-) при 298 К и скорости пропускания 7,5 см³/мин.

На фиг. 2 представлена зависимость концентрации молочной и уксусной кислот в элюате от объема пропущенного десорбента (v, дм³) молочной кислоты (кривая 1) и уксусной кислоты (кривая 2) из Purolite А430 раствором серной кислоты со скоростью пропускания 6 см³/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.

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/дм³, дистиллированную воду до полного удаления соляной кислоты из межгранульного пространства, анионит переведен в Cl^--форму, далее пропускают раствор NaОН с концентрацией 0,5 моль/дм³, 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.

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/дм³, 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.

Пример. Из отфильтрованной центрифугированием от осадка культуральной жидкости, содержащей 0,172 моль/дм³ (15,49 г/дм³) молочной кислоты и 0,0129 моль/дм³ (1,32 г/дм³) уксусной кислоты, проводят выделение молочной кислоты.

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/дм³ 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/дм³ до щелочного среды затем дистиллированной водой до нейтрального значение рН.

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 см³/мин. Отбор проб на выходе из колонны осуществлялся через каждые 10 дм³ пропущенного раствора для построения выходной кривой. Данные о ходе сорбции молочной и уксусной кислот из водного раствора представлены в таблице 1.

Определение суммарной концентрации кислот на выходе из колонны осуществляют кислотно-основным титрованием. Для этого в колбу для титрования добавляют 1 см³ анализируемого раствора, добавляют 3 капли индикатора фенолфталеина. После этого титруют 0,01 моль/дм³ 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.

Десорбцию кислот осуществляют раствором 20%-ной серной кислоты, пропуская ее сверху со скоростью 6см³/мин. Отбирают элюат через каждые 10 дм³ 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/дм³, 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, дм³ 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Суммарная концентрация кислот, моль/дм³ 0,007553 0,011212 0,012134 0,02168 0,087964 0,137613 0,16504 0,17275 0,18428 0,1845 Концентрация молочной кислоты, моль/дм³ 0,006912 0,01032 0,01203 0,02063 0,08604 0,1307 0,1548 0,1606 0,1716 0,1718 Концентрация уксусной кислоты, моль/дм³ 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, дм³ 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Концентрация молочной кислоты, моль/дм³ 0,025 0,125 0,0325 0,028 0,027 0,025 0,0235 0,02 0,0195 0,019 Концентрация уксусной кислоты, моль/дм³ 0,018 0,021 0,036 0,058 0,026 0,021 0,0195 0,0173 0,016 0,0155

Изобретение относится к биотехнологии. Предложен способ ионообменного выделения молочной кислоты из культуральной жидкости, включающий выделение молочной кислоты в две стадии с использованием одного вида анионообменной смолы - Purolite А430 в ОН^--форме: на первой стадии 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; 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 приёмник. 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. Изобретение обеспечивает повышение степени извлечения молочной кислоты из фильтрата культуральной жидкости и степени разделения кислот после десорбции в одном цикле. 2 ил., 2 табл., 1 пр.

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 определённые 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 приёмник, степень извлечения молочной кислоты из фильтрата культуральной жидкости составляет 100%, степень разделения кислот после десорбции в одном цикле составляет 92% от исходного объема.