毕业论设计色谱分离法富集果糖的研究.docx
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毕业论设计色谱分离法富集果糖的研究
学号：
××××
××××××学院
毕业设计（论文）
（××××届）
题目色谱分离法富集果糖的研究
学生××××
学院××××××专业班级××××
校内指导教师××××专业技术职务副教授
校内指导教师×××专业技术职务讲师
二○〇九年六月
色谱分离法富集果糖的研究
摘要：
本文研究将果糖和葡萄糖的混合溶液用吸附分离法进行分离的过程。
果葡糖浆溶液流经钙型离子交换树脂床层，利用钙型离子交换树脂对果糖的亲和力大于葡萄糖的性能，进行色谱分离。
用蒸馏水为洗脱剂，依次得到纯度较高的葡萄糖和果糖溶液。
用比旋光度法测定流出液中的果糖含量。
研究了固定床间歇分离和简易模拟移动床连续分离果葡糖浆的过程。
简易模拟移动床分为吸附区、提纯区和洗脱区，能够实现色谱分离过程的连续化，为自动控制的旋转阀式模拟移动床建立了理论基础。
简单介绍了旋转阀式模拟移动床的工作原理。
关键词：
果糖；离子交换树脂；色谱分离；模拟移动床
ResearchonEnrichmentofFructosebyChromatographicSeparation
Abstract：
Aprocessforthechromatographicseparationofanaqueousmixtureoffructoseandglucose,inwhichthemixtureiscontactedwithancalciumion-exchangeresin,elutedthroughtheresinbedunderconditionssuchthatcalciumion-exchangeresinhaveastrongeraffinityforfructosethanglucose,sotherecanbeobtainedseparatedproductstreamscontaininghighproportionsofglucoseandfructoserespectivelywithdistilledwateraseluant.Thecontentsofthefructoseintheeffluentsampleswerecalculatedaccordingtothevaluesoftheirspecificrotation.Inthisresearch,chromatographicseparationoffructose-glucosebyabatchwisefixedbedandcontinuoussimplifiedsimulatedmovingbedwereinvestigated.Thesimplifiedsimulatedmovingbedcanbedividedintodesorption,purificationandadsorptionzones,throughwhichcontinuouschromatographicseparationcanbeachieved.Thuslaidatheoreticalfoundationfortheadoptionofanautomaticallycontrolledsimulatedmovingbeddeviceequippedwitharotaryvalve.Thefundamentalprinciplesofwitchwerealsobrieflyintroducedinthisthesis.
Keywords:
Fructose;ion-exchangeresin;chromatographicseparation;simulated-movingbed
1前言
1.1果糖的简介
果糖是一种单糖，是自然界中天然存在的最甜的糖。
由于这种糖在各种水果中含量很高，所以最初把它命名为“果子糖”，以后确定为果糖[1]，果糖的英文名称是fructose，分子式为C6H12O6，结构式为
图1果糖分子结构式
它以游离状态大量存在于水果的浆汁和蜂蜜中，果糖还能与葡萄糖缩水生成蔗糖，其中果糖的比旋光度为-92°，而葡萄糖的比旋光度为+52°。
工业上大规模生产果糖的方法是用淀粉做原料，将淀粉水解成葡萄糖后经固定化葡萄糖异构酶部分转化为果糖。
一般异构糖浆中含有42％的果糖和53％的葡萄糖，这种混合物称为果葡糖浆。
果糖具有以下突出的优点[2]：
甜度高，低温时更甜，如与蔗糖混合使用，两者具有互补作用，效果更佳；风味好，发热量低，适合怕热及肥胖人群食用；渗透压大，是蔗糖的两倍;良好的保湿性，防干燥能力强；溶解度高，远大于蔗糖；营养丰富，能直接供给人体热量，补充体液；代谢转化为肝糖的速度比葡萄糖快，能在无胰岛素的情况下代谢成糖元；不会引起血糖值增加，适宜于糖尿病、肝脏病、低血糖病人及婴儿、孕妇和老年人食用；化学反应的活性高，受热易分解，产生美味可口的焦糖风味[3]。
1.2果葡糖浆的分离方法
在制糖工业中，淀粉经水解后产生单糖，各种多糖副产物及色素、氨基酸、蛋白质、有机酸、盐及木质素等大量杂质[4]。
由于果糖与葡萄糖是同分异构体，通常在自然界中混合在一起，为了得到高纯度果糖产品，就必然需要经过复杂的分离提纯工作。
而正在研究或应用的有以下几种方法：
（1）离子交换树脂色谱分离法[5]
离子交换树脂色谱分离法是利用离子型树脂做吸附剂，借与溶液中的待分离组分吸附或排阻能力不同而进行分离的一种方法，是一种固-液分离法。
用来分离果葡糖浆的原理是：
当果糖葡萄糖混合溶液流经带有某几种离子的树脂床层时，果糖可以与这些离子形成络合物而暂时留在树脂上，而葡萄糖则因没有此特性而大部分流出分离柱。
因此只要将树脂装柱，转型，然后将果葡糖浆过柱，再经过洗脱、收集、浓缩等常规工艺就可以得到富果糖浆。
目前使用的离子类型有H+、Ca2+、OH-、HSO3-等等，不同树脂的离子类型、交联度不同，其分离效果、分离特性也存在很大的差别，就单个类型的离子来说，Ca2+型树脂与果糖络合效果最佳，应用也最普遍。
（2）结晶分离法
结晶分离法是在果葡糖浆中加入葡萄糖晶种，后经缓慢搅拌冷却，控制结晶温度逐渐下降，使葡萄糖结晶析出，而使果糖在母液中得到富集、与葡萄糖得以分离的方法。
（3）硼酸盐分离法
在果糖与葡萄糖的异构化反应中加入硼酸盐，使硼酸盐与异构化生成的果糖形成络合物，这样就改变了葡萄糖和果糖之间的异构化平衡，使平衡朝着生成果糖的方向移动，从而提高果糖的产率。
（4）复盐分离法
先使含有果糖与葡萄糖的混合溶液与CaCl2作用生成果糖-CaCl2的复盐，或者与NaCl作用生成葡萄糖-NaCl等复盐，之后加入乙醇等有机溶剂使复盐沉淀，或加热该溶液，然后再慢慢冷却使沉淀析出，再通过离心或过滤等方法收集沉淀，把沉淀溶解到水中，然后再过离子交换树脂或离子交换电渗膜进行脱盐，浓缩后就可得到高果糖含量的果葡糖浆，这种分离方法就叫复盐分离法。
（5）参数泵分离法
参数泵分离的基本原理是:
周期性地改变一个使可吸附物质在两相间分配有差异的变量，这个变量可以是温度、压力、pH值等，同流动相通过固定床的往复流动的耦合，使可吸附物质在柱的一端不断增浓，在另一端不断减少，从而达到相当高的分离系数。
经对比认为，结晶分离法、硼酸盐分离法和复盐分离法等则因其工艺简单、耗能少而更适合于中、小企业生产；参数泵分离法则在节省能源方面独具优势。
而色谱分离技术的应用最为普遍，并且在国内外已经实现了大规模工业化生产。
美国UOP公司开发了以分子筛作吸附剂，采用色谱分离技术分离果糖的Sarex工艺 [6]，这是迄今最佳的从玉米糖浆中分离果糖与葡萄糖的方法，果糖回收率达96.7%，纯度97.5%。
20世纪80年代初，大庆石化研究院[7]成功地将色谱分离技术应用于模拟移动床以制取高纯度果糖，并同南宁木薯开发中心合作，在中试装置上得到阿勒晶体果糖[8]。
广东湛江于1993年也建成了模拟移动床吸附分离高级纯果糖工业试验装置，并试车成功。
1.3色谱分离法的主要类型
色谱分离技术是一种从混合物中分离物理化学性质十分相似的组分的方法。
该技术能够分离物化性能差别很小的化合物。
当混合物各组成部分的化学或物理性质十分相近，致使其他分离技术很难或根本无法应用时，色谱分离技术愈加显示出其实际有效的优越性。
色谱分离技术的原理是利用待分离的混合物中不同组分在固定相和流动相中具有不同的平衡分配系数或溶解度来进行分离的过程。
当两相作相对运动时，这些组分在两相中进行反复多次分配，从而使分配系数相差微小的组分能产生很好的分离效果。
通常色谱分离法的相关技术有以下几种：
（1）排阻色谱技术
排阻色谱技术[9]是利用溶液中一种组分被另一种组分在色谱柱中排斥出来的技术。
通过此技术，果糖和葡萄糖就可以在流动料液中得到分离和纯化，最后严格控制果糖的结晶即可得到果糖结晶。
（2）亲和色谱技术[10]
是利用偶联了亲和配基的亲和吸附介质为固定相，来亲和吸附混合溶液中的目标产物，使目标产物与亲和力较弱的组分得到分离，从而得到纯化的液相色谱法。
亲和色谱技术的最大优点在于：
利用它可以从粗提物中经过一些简单的处理便可得到所需的高纯度目标物质。
果葡糖浆的分离一般认为是这一类型。
通常吸附色谱技术的一个缺点是其本质上的间歇操作。
间歇操作的色谱分离系统需用大量昂贵的固定相，消耗大量流动相，吸附剂不能充分有效利用，分离产物浓度很低，并且周期性切换操作繁琐而质量不稳定。
而目前极力推广应用的连续操作色谱分离技术是经济型工艺流程，并易于实现调节和控制自动化，吸附剂损耗小，分离效率高，其操作强度大大低于同等规模的间歇操作。
色谱技术在制备和工业规模上的发展已趋于成熟。
1.4色谱分离的应用
色谱分离技术广泛应用于制糖及糖的衍生物，在流程方法上可以应用固定床间歇吸附分离，移动床连续吸附分离，模拟移动床吸附分离。
固定床间歇吸附分离是在塔内装填有固体吸附剂，把待分离原料加入塔的上端，然后加入吸附能力与被分离吸附质相近的脱附剂，将料液往下带，由于吸附剂对各组分吸附能力不同，首先被洗脱的是吸附能力较弱的组分，接着是较强组分。
固定床间歇操作设备简单可靠，但是分离效率低，需要用大量的吸附剂和脱附剂，只适合于小规模分离的应用及实验研究。
图2移动床色谱原理示意图
为了克服固定床色谱分离的缺点，向大规模、自动化应用发展，随着色谱分离技术的进步，开发了移动床[11]技术。
其机理如图2所示，按移动床中液流位置和所起作用不同，整个床层可分为4个区段，每个区由若干个色谱柱组成，均有其特定的功能[12]。
在移动床连续吸附分离果葡糖浆的操作系统中，塔内填充的吸附剂以一定的速度向上移动，从塔顶出去的吸附剂量由塔底部来补充。
脱附剂（蒸馏水）从塔上部进入，从塔下部出来以后，用泵循环回到塔顶，果糖和葡萄糖的水溶液从塔中部进入，果糖由于易吸附在分离剂上，因此随吸附剂向上移动，葡萄糖由于在吸附剂上吸附能力差而随液流向下移动。
这样，原料果葡糖浆和洗脱剂水的入口，以及富果糖浆和富葡萄糖浆的出口可以保持固定不动，而实现果葡糖浆的连续分离。
移动床连续吸附分离虽然在理论上效率高，但在实际操作中固定相的流动会产生磨损、返混等问题，同时实现密封条件下的固定相的移动非常困难。
连续移动床降低了吸附剂的寿命，使生产成本增加，同时固体吸附剂很难实现轴向活塞流动。
为此提出了模拟移动床的概念，模拟移动床同时具有固定床良好的装填性能和移动床可连续操作的优点，分离能力强，设备体积小，投资成本低，总柱效高，流动相耗量小[13]，并能保持吸附塔在等温、等压下操作[14]。
在模拟移动床中，采用不移动吸附剂，而同时同方向移动分离柱上物料进出口位置的方法，以得到吸附剂与物料进出口位置做相对运动的相同的结果，这就是模拟移动床名称的由来[15]。
模拟移动床已经成功应用于大规模分离物理，化学性质相似的物质，如同分异构体等[16]。
美国环球油品公司（UOP）开发的Sorbex模拟移动床吸附分离技术，应用于建造每套10万吨规模的从C8链烃混合物中分离对二甲苯的装置，并已经大规模成功的应用于其他一些工业部门（从支链和环状烃，烯中分离直链烃；从玉米糖浆中分离果糖；以及用于有机酸，药品及同分异构化合物的提纯）。
我国有关单位研究出了使用分子筛气相吸附法从混合二甲苯中分离出对二甲苯的多柱串联连续吸附流程[17]。
它是模拟移动床的另一种流程形式，而相比较于模拟移动床吸附方法，该流程除了同样能保证良好的产品质量与收率外，还具有控制容易，操作压力低，返混影响小，设备结构简单等优点。
1.5本论文研究内容和计划
在实验室规模上进行果葡糖浆的吸附分离，研究其分离性能。
接着从理论上进一步研究移动床的操作原理和优缺点。
在此基础上，再用实验室自制的八柱串联模拟移动床对果葡糖浆进行吸附分离，从而比较固定床间歇吸附与模拟移动床连续分离的性能及优缺点。
最后，在一定范围及条件下研究旋转阀式模拟移动床的基本结构流程以及实验原理，并分析其发展前景。
2实验部分
2.1实验流程
首先，以玉米果葡糖浆和蔗糖转化糖浆为原料，用固定床进行室温以及60℃恒温条件下的色谱分离，获得果糖含量达到55%和90%的富果糖浆，再用实验室自制的模拟移动床试验设备进行连续化色谱分离。
用旋光-折光法测定分离后的糖分组成。
多柱串联的简易模拟移动床是由一系列色谱柱组成，它要求所有分离柱首尾相连组成一个闭合循环系统，采用连续操作形式。
本实验所用的多柱串联简易模拟移动床的主体由八根分离柱组成，定时改变模拟移动床的进出口位置，所以要求每根柱子都必须装有进出口开关，并可以通过调节阀控制其中的流量。
2.2仪器，试剂及分析方法
2.2.1主要的仪器
表1实验仪器
名称
型号
数量
生产厂家
自动数显旋光仪
WZZ--2B
1
上海浦东物理光学仪器厂
pH计
PHS--25
1
上海伟业仪器厂
电导率仪
DDS—11A
1
上海雷磁仪器厂
折光仪
WZS--I881590
1
上海光学仪器修理厂
超级恒温槽
E126
1
重庆实验设备厂
电炉
200W
1
恒流泵
HL--2
1
上海沪西分析仪器厂
移液管
1000μl，250
2
冰箱
200L
1
合肥荣事达电冰箱有限公司
烘箱
101A
1
上海市实验仪器厂
移液器
1000μl，250μl
2
旋片式真空泵
2X--2
1
南京真空泵厂
2XZ--1
1
上海真空泵厂
电热恒温水浴锅
HHS
1
上海博迅实业公司医疗设备厂
微量天平
万分之一克
1
上海天平仪器厂
固定床
ф20×4000mm
1
自制
手动模拟移动床
ф16×1000，×8
1
自制
旋转阀式模拟移动床
5.8L
1
上海汉威阀门有限公司
2.2.2实验主要试剂
色谱分离专用树脂：
PCR-642，英国漂莱特公司生产；
色谱分离专用树脂：
1320Ca，美国罗门哈斯公司生产；
果葡糖浆：
浓度50%，本实验室自制，其中果糖与葡萄糖约各占一半；
果糖提纯液：
浓度25%，果糖纯度大于80%
蒸馏水：
电导率4-7μs/cm，
氯化钙：
分析纯，宜兴化学试剂厂生产（配制成约5%的浓度）；
氢氧化钠：
分析纯，宜兴化学试剂厂生产（配制成约5%的浓度）；
盐酸：
分析纯，宜兴化学试剂厂生产（配制成约5%的浓度）；
无水葡萄糖：
分析纯（配制成高纯度葡萄糖）。
2.2.3实验分析方法
比旋光度法：
葡萄糖、果糖、麦芽糖和糊精都具有不对称的羟基，因此都有各自特定的比旋光度，葡萄糖的比旋光度为+52.5º，果糖的比旋光度为-91.9º，麦芽糖的比旋光度为+130º，糊精的比旋光度为+160~+190º之间，在较低的浓度下，糖液的旋光度与浓度成正比关系：
[α]=旋光度读数/糖液的浓度
陶春平[18]等用准确称重的葡萄糖和果糖配成已知浓度的混合糖液，测其比旋光度，结果发现，果糖-葡萄糖二元体系的混合溶液的比旋光度与果糖的相对含量呈良好的直线关系。
如果果糖分率为X，葡萄糖的分率为1-X，则其混合溶液的比旋光度为:
[α]=-91.9×X+52.5×（1-X）
相应的，由比旋光度读数可以算出混合糖液中果糖的相对含量：
X=0.361-[α]/144
2.3实验前准备工作
2.3.1树脂的预处理与再生
色谱分离所用的离子交换树脂必须经过预处理才能使用。
因为新购的或者使用过的树脂中都会含有一定的杂质，需要用碱洗、酸洗、水洗的方法去除树脂颗粒中的杂质。
最后还需要将H+型树脂转换为Ca2+型，才能具有对果糖的强选择性吸附能力。
具体做法是：
将待再生或新购的树脂装入玻璃柱，先用蒸馏水反洗，再用4%的NaOH溶液浸泡1h以上，然后用NaOH溶液流洗至少1h。
流洗完后用水反洗，反洗至pH值为8以下。
接着通入浓度为5%的HCl溶液，待充满后，浸泡1h以上，再通两倍于床层体积的5%的HCl溶液1h以上，之后用蒸馏水自下而上逆流冲洗，至基本洗脱完全，然后通5%的CaCl2溶液，待充满后浸泡1h左右，继续通两倍于床层体积的CaCl2溶液1h，然后用蒸馏水逆流冲洗至pH为6~7时停止通蒸馏水，卸下树脂，经处理后的树脂就含有Ca2+，就可以进行吸附分离了。
色谱分离树脂使用一段时间以后，吸附能力已基本消失殆尽，为恢复树脂的吸附能力以及防止树脂中残留的糖使其被污染，所以有必要将所用过的树脂再生处理。
具体做法与新购树脂的预处理相同。
2.3.2蔗糖转化糖浆的制备
制备过程及机理：
影响蔗糖水解的主要因素[19]为:
酸的性质及浓度、反应的温度、反应时间等。
pH每下降1.0，转化速度增加10倍;温度每上升10ºC，转化速度增加3倍。
因此，在低pH值及高温条件下，蔗糖水解转化越快。
一般有机酸类的转化能力都是很弱，pH一定时，盐酸转化反应进行得快[20]。
本实验室通过蔗糖水解来制备蔗糖转化糖浆，实验前先准备好水浴加热，水浴温度90ºC，准备好一个500ml的三口烧瓶、温度计、球形冷凝管及搅拌器，称取200g蔗糖和200g水混合配得400g蔗糖溶液，搅拌使其充分溶解，再加入5%盐酸溶液调PH值至2.0左右，搅拌速度控制在300r/min，回流冷凝，在恒温水浴中保温2.5h。
2.4固定床间歇吸附实验
2.4.1实验原理与过程
固定床间歇吸附实验的主要装置，是两根并列的长2m的不锈钢管，钢管外有一套管，夹套中通入恒温槽循环水，可控制温度约为62℃，以维持色谱分离温度的恒定。
本实验固定床床层体积约700毫升，装填树脂为1320钙型树脂。
实验前要准备试剂瓶35个左右，且要清洗后放入烘箱内烘干。
为了达到良好的分离效果，在实验前将待分离糖液及洗脱用水减压蒸馏，以脱除溶液中的气体。
实验开始时先通15min的蒸馏水，调节流速，控制在3.0-3.5ml/min，待流量恒定后，切换成待分离的果葡糖浆，过程可由恒流泵提供动力，以克服床层的阻力。
同样保持流速为3.0-3.5ml/min，大约0.5h左右糖液流完，再切换蒸馏水，同时在底部收集流出液，测其锤度。
当数据显示有糖流出时，每隔5min换用一只试剂瓶收集样品，直至流出液中糖的浓度下降为3%以下时停止收集。
然后逐个测每瓶中产品的锤度和旋光度，计算比旋光度[α]值，绘制锤度（BX%）—时间（min）变化及果糖纯度与时间的曲线图。
2.4.2实验原理图
图3固定床吸附实验原理图
2.4.3实验数据处理
表3固定床实验数据
瓶号
锤度BX（%）
旋光度α（º）
比旋光度[α]（º）
果糖纯度（%）
1
1.00
+0.500
+50.0
1.39
2
2.10
+0.985
+46.9
3.54
3
4.00
+2.005
+50.1
1.32
4
6.75
+3.820
+56.6
-3.19
5
11.00
+6.010
+54.6
-1.81
6
15.50
+8.435
+54.4
-1.67
7
20.25
+10.710
+52.9
-0.63
8
23.50
+12.195
+51.9
0.00
9
26.25
+12.635
+48.1
2.71
10
29.25
+11.100
+37.9
9.79
11
31.95
+6.605
+20.7
21.74
12
33.75
-0.980
-2.9
38.13
13
36.25
-11.120
-30.7
57.43
14
36.25
-21.055
-58.1
76.46
15
35.50
-27.400
-78.3
90.49
16
31.00
-28.135
-90.8
99.17
17
25.25
-24.400
-96.6
103.19
18
18.30
-18.485
-101.0
106.25
19
12.50
-12.410
-99.3
105.07
20
7.50
-7.495
-99.9
105.49
21
4.50
-4.195
-93.2
100.83
22
2.25
-2.270
-100.9
106.18
23
0.75
-1.200
-160
147.22
24
0.70
-0.655
-93.6
101.11
25
0.25
-0.315
-126.0
123.61
26
0.00
-0.155
∞
∞
图4固定床吸附实验浓度BX（%）～时间（min）曲线
图5固定床吸附实验果糖纯度（%）～时间（min）曲线
2.4.4实验结果讨论与分析
由以上曲线可以看出，固定床间歇吸附实验装置可以将果葡糖浆中的果糖和葡萄糖进行有效的分离。
从图3可知，出料中糖液浓度随着吸附时间先增加后减小；而图4所示出料中果糖的浓度一直处于上升状态，最后趋于一定值，在120min出现的反常现象可能是由于糖液中含有杂质和糖的还原性。
树脂对果糖比葡萄糖更具亲和力，故当果葡糖浆流入树脂柱时，果糖首先被吸附，刚开始的出料中主要含有的是葡萄糖，果糖含量很少。
吸附一段时间后，停止进料并用蒸馏水洗脱，首先出来的含有少量果糖的葡萄糖溶液，接着是未被分离的果葡糖浆（此浓度小于进料的浓度），最后出来的是果糖溶液。
但是当出料中果糖纯度很高时，出料中糖液浓度则相对较小，即此时虽然可以得到很纯的果糖溶液，出料中却含有大量的水分。
由于Ca2+对果糖有很好的络合作用[21]，果糖便吸附于Ca2+型阳离子树脂上，果糖以络合物的形式暂时保留在树脂上从而达到与葡萄糖分离的目的，最后用62℃的蒸馏水洗脱柱，果糖被洗脱下来，收集滴出液可得高果糖溶液。
开始时果糖含量少葡萄糖含量多。
这部分液体可收集作为副产品。
中间流出的浓度较高的部分，可以收集进行第二次分离。
温度对分离效果关系很大，研究表明在40℃以下固定床对糖液几乎无分离效果。
因此，当实验保持在62℃下操作，既能达到果葡糖浆良好的分离效果，
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