ИЗВЛЕЧЕНИЕ ЛИЗИНА ИЗ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СИСТЕМ

АННОТАЦИЯ

Приведён противоточный ионообменный метод извлечения лизина из культуральной жидкости с использованием слабокислотного катионита КБ-4 в смешанной Н⁺-Na⁺ форме. Использование противоточного аппарата для выделения лизина приводит к полной ликвидации стока промывных вод. Кроме того, метод позволяет решать экологические проблемы и уменьшает расход реагентов для регенерации сорбентов.

ABSTRACT

A countercurrent ion-exchange method for the extraction of lysine from a waste liquid using a slightly acidic cation exchange resin KB-4 in a mixed H ⁺-Na ⁺ form is given. Use of a countercurrent device to isolate lysine leads to the complete elimination of the runoff of the wash water. In addition, the method makes it possible to solve environmental problems and spend less of the reagents for the regeneration of sorbents.

Ключевые слова: Ионный обмен, катионит, лизин, культуральная жидкость, сорбция, извлечение.

Keywords: Ion exchange, cation exchanger, lysine, waste liquid, sorption, extraction.

Введение. Современная пищевая промышленность [1, 2] и медицина не могут обойтись без такого сырья, каким являются аминокислоты [3-5]. В то же время высокие требования к чистоте и качеству этих веществ значительно затрудняют их производство. Наиболее распространенным способом получения аминокислот является их микробиологический синтез [6]. В результате этого процесса получаемое вещество оказывается в растворе, в котором, кроме него, содержатся значительные количества как органических, так и неорганических соединений. В технологии этот раствор называется культуральной жидкостью (КЖ) [7]. После фильтрации КЖ подвергается ионообменной обработке, в результате которой из нее извлекается целевой продукт. Типы применяемых полимерных сорбентов и способы обработки КЖ могут быть разными в зависимости от свойств выделяемой аминокислоты [8]. Одной из наиболее широко применяемых аминокислот является лизин (2,6-диаминогексановая кислота). Лизин — это аминокислота, находящая широкое применение в медицине, пищевой промышленности и сельском хозяйстве. Существующую ионообменную технологию выделения лизина можно разделить на три основных стадии: сорбция лизина из КЖ; отмывка ионита от КЖ; десорбция лизина из продуктового раствора. Для этого раствор культуральной жидкости с рН=7 пропускают через колонну с карбоксильным катионитом КУ-2 в NH₄⁺-форме до достижения равновесия. Каждые 100 г ионита сорбируют 6-8 г лизина. После достижения равновесия ионит промывают водой и проводят десорбцию лизина 0,5-5,0%-ным раствором NH₄OН. При этом десорбируется 80-90% лизина и образуется 1-2%-ный раствор [9]. Авторами [10] предложен способ выделения лизина из культуральной жидкости, который заключается в том, что содержащую лизин культуральную жидкость подкисляют серной кислотой до рН=1,5-1,9, в охлажденном виде подают на ионообменную колонку с катионитом КУ-2-8 в аммонийной форме, а целевой продукт десорбируют 4,5% раствором NH₄OH.  К недостаткам вышеизложенных методов надо отнести большой расход воды, которая идёт на отмывку ионита от КЖ. Дело в том, что в данном процессе используется сильнокислотный катионит КУ-2. Его полистирольная матрица проявляет повышенное сродство к красящим и другим сложным органическим соединениям, которые обычно присутствуют в КЖ. Если отмывка ионита будет проведена недостаточно качественно, это приведет, во-первых, к уменьшению ёмкости ионообменника, а, во-вторых, к загрязнению продуктового раствора лизина большим количеством посторонних веществ, что резко снизит качество продукта. Кроме того, в существующем способе десорбция лизина ведется крепким водным раствором аммиака. В связи с этим возникают дополнительные проблемы такие, как загазованность помещений, удаление избытка аммиака из продуктового раствора и промывных вод. Поэтому нами в работах [11, 12] предложен другой метод ионообменного выделения лизина из КЖ, который отличается тем, что в нем используется слабокислотный катионит на основе полиметакриловой кислоты КБ-4.

Целью настоящего исследования является разработка технологии извлечения лизина из многокомпонентных систем методом противоточного ионного обмена.

Объекты и методы исследования. В данной работе приводятся результаты экспериментального исследования ионообменного выделения лизина из КЖ на слабокислотном катионите КБ-4, строение элементарного звена которого следующее:

Слабокислотный катионит КБ-4 имеет гелевую структуру, размер зерен составляет 0,40-1,55 мм. Удельные характеристики катионита КБ-4 приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Удельные характеристики изученных ионных форм катионита КБ-4

Здесь: V_AR – объем матрицы ионита с противоионами типа А, мл; m_AR – масса навески обезвоженного ионита в форме А,г; ρ_и - плотность обезвоженного ионита, г/мл, Е – обменная ёмкость катионита, мг-экв.

Для выполнения опытов использовали конические ионообменные колонки, изображенные на рис.1. Они выполнены из стекла, что дает возможность наблюдать за состоянием слоя ионита непосредственно во время работы. Параметры колонки: Н=236 см, Д_ниж.=4см, Д_верх.=15,5см, угол при вершине 3⁰. Для предотвращения уноса гранул колонка сверху и снизу снабжена фильтрующими перегородками.

Рисунок 1.Лабораторная коническая ионообменная колонка:

1 – стеклянные фильтры; 2 – колпачки; 3 – ионит в растворе; 4 – раствор

Количество лизина в культуральной жидкости определяли спектрофотометрическим методом, концентрацию ионов гидроксила потенциометрическим титрованием, ионов натрия пламенной фотометрией.

Результаты. Раствор лизина в культуральной жидкости концентрацией 40 г/л c рН=3,5 пропускали через колонну, заполненную карбоксильным ионитом КБ-4 в смешанной Н⁺, Na⁺-форме в соотношении 1:4, до достижения равновесия со скоростью подачи потока раствора 4-5 мл/мин. Через пробоотборники, расположенные по всей высоте колонны, отбирали пробы раствора и анализировали. Затем проводили десорбцию лизина 20%-ным раствором гидроксида натрия.  В вытекающем фильтрате содержится культуральная жидкость в объеме, соответствующем свободному объему колонны, затем выходит зона лизина, находящегося в цвиттер-ионной форме, то есть лизин находится в изоэлектрической точке, рН вытекающего раствора  9.8, а концентрация лизина в вытекающем растворе достигает до  35%.

      Дикатион             катион                     цвиттер-ион                     анион

                                         рН=9.8

При этом из ионообменной колонны лизин десорбируется полностью. Содержание примесей в полученном растворе лизина не превышала 0,05 г/л.  На рисунке 2 приведено распределение компонентов по высоте колонны в процессе накопления лизина.

Рисунок 2. Распределение веществ по высоте колонны в процессе накопления лизина

Матрица катионита КБ-4 практически не сорбирует органические соединения, что значительно снижает количества воды, требующейся для отмывки. Кроме того, десорбция лизина организована таким образом, что в результате этого процесса выделяется вода, количество которой достаточно для отмывки ионита от КЖ. Такое решение задачи приводит не только к экономии воды и ликвидации стоков, но и упрощает технологию, уменьшая количество оборудовании. Результаты по десорбции лизина приведены на рисунке 3.

Рисунок 3. Распределение ионов в выходящем растворе при десорбции лизина из катионита 4,1н NaОН в конической колонне с неподвижным слоем ионита

Десорбция лизина осуществляется раствором гидроксида натрия, который пропускают через колонку с катионитом, предварительно отработанным культуральной жидкостью. В результате этой обработки катионит находится в смешанной натрий-лизин-водородной форме. При контакте с раствором гидроксида натрия одновременно протекают следующие реакции:

R^-Lys⁺ + NaOH = R^-Na⁺ + Lys⁺+OH^-                                               (1)

R^-H⁺    + NaOH = R^-Na⁺ + H₂O                                                  (2)

R^-H⁺    + Lys⁺      = R^-Lys⁺ +H⁺                                                  (3)

Результатом приведенных реакций является полная деминерализация раствора гидроксида натрия. Полученная в этом процесса вода продвигается по колонне перед зоной десорбированного лизина, отмывая на своем пути ионит от КЖ. Существенно, что этот процесс не приводит к размыванию образующейся в колонне зоны лизина, так как последний, будучи десорбированным с ионита по реакции-1, благодаря своей способности к перезарядке и наличии в слое водородной формы ионита, вновь сорбируется им по реакции-3. Это обеспечивает разную скорость движения по колонке воды и лизина, что приводит, во-первых, к качественной отмывке, а, во-вторых, и концентрирование лизина в зоне десорбции. Последний результат очень важен, так как позволяет получать продуктовый раствор лизина с концентрацией, близкой к концентрации насыщенного раствора. Равновесия всех трех приведенных реакций сильно смещены вправо, поэтому участки высоты колонны, где они протекают, имеют постоянные размеры - стационарные фронты (рис-4).

Рисунок 4. Выходные кривые при десорбции лизина раствором гидроксида натрия из смешанной натрий-лизин-водородной формы катионита КБ-4

Ионообменные процессы, протекающие в режиме стационарного фронта, удобнее всего проводить в противоточных аппаратах, так как это значительно упрощает регулирование потоков во времени.

Использование противоточного аппарата для выделения лизина приводит к полной ликвидации стока промывных вод. Из верхней части колонны в этом случае отводится КЖ, несколько разбавленная водой. Этот раствор вновь направляется на стадию сорбции. Из нижней части колонны отводится ионит в натриевой форме, который также используется на стадии сорбции. Продуктовый раствор лизина отбирается из средней части колонны и направляется на упаривание (рис.5).

Рисунок 5. Распределение ионов (Nа⁺, Н⁺, Lys) по высоте колонны в противоточном процессе при десорбции лизина

Выводы. Предлагаемый метод позволяет полностью извлекать лизин из культуральной жидкости, повысить концентрацию полученных растворов в 17-20 раз, сократить объем используемой аппаратуры в 2 раза, а объем образующихся сточных вод в 5-7 раз. Экспериментально доказано, что смешанная в соотношении 1:4 водородно-натриевая форма карбоксильного ионита обладает максимальной удельной емкостью по лизину.

Список литературы:

1. Нечаев А.П., Кочеткова А.А., Зайцев А.Н. Пищевые добавки. – М.:Колос,  2002. – 132с.
2. Фаустов А.С. и др. Лизин-одна из самых незаменимых аминокислот в обеспечении полноценного питания. – Воронеж: ВГУ, 2003. – 88 с.
3. 3.Жеребцов Н.А., Попова Т.Н., Артюхов В.Г. Биохимия. – Воронеж: Изд-во Воронежского госуниверситета, 2002.– 96 с.
4. PobożyE., Czarkowska W., Trojanowicz M. Determination of amino acids in saliva using capillary electrophoresis with fluorimetric detection // J. Biochem. And Biophys. Meth. – 2006. – V. 67. – P.37-47.
5. Introduction to HPLC, Shimadzu LC World Talk Special Issue Volume1, Japane, 2008. – P.2-27.
6. Новиков Д.А. Выделение и очистка продуктов биотехнологии.– Минск: БГУ, 2014. – 256 с.
7. Абрамова З.И. Введение в генетическую инженерию. – Казань: Казанский университет, 2008. – 169 с.
8. Варфоломеев С.Д., Калюжный С.В. Биотехнология. –Учеб. пособие для биол. и хим. спец. вузов. — М.: Высш. шк., 1990. — 296 с.
9. Бекер В.Ф., Бекер М.Е. Лизин микробиологического синтеза. – Рига. Изд-во «Зинанте». 1974.– 134 с.
10. Воржев В.Ф., Стекольникова Н.М., Стекольников Ю.А. Способ выделения лизина микробиологического синтеза// Патент Р.Ф. 2007136778/15. 27.02.2010
11. Ферапонтов Н.Б, Тробов Х.Т., Гавлина О.Т, Струсовская Н.Л./Способ выделения лизина из культуральной жидкости// Патент Р.Ф. № 2056941 от 27.3.96. БИ № 9
12. G.Kh.Tursunova, Kh.R.Karimov, N.B.Ferapontov, Kh.T.Trobov. Isolation of lysine from multicomponent systems.14^th International Symposium on the Chemistry of Natural Compounds. – Тошкент-2021. С.181