离子交换法提取谷氨酸--终结版.doc
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离子交换法回收提取谷氨酸
高振20071401031
一、实验目的
通过实验掌握新树脂的预处理方法及动态离子交换的基本操作；了解谷氨酸提取的原理和方法。
二、实验原理
树脂的选择，选择离子交换树脂的主要依据是被分离物的性质和分离目的。
包括被分离物和主要杂质的解离特性、分子量、浓度、稳定性、所处介质的性质以及分离的具体条件和要求。
然后从性质各异的多种树脂中选择出最适宜的品种进行分离操作。
其中最重要的一条是根据分离要求和分离环境保证分离目的物与主要杂质对树脂的吸附力有足够的差异。
当目的物具有较强的碱性和酸性时，宜选用弱酸性弱碱性的树脂。
这样有利于提高选择性，并便于洗脱。
如目的物是弱酸性或弱碱性的小分子物质时，往往选用强碱、强酸树脂。
如氨基酸的分离多用强酸树脂，以保证有足够的结合力，便于分步洗脱。
对于大多数蛋白质，酶和其它生物大分子的分离多采用弱碱或弱酸性树脂，以减少生物大分子的变性，有利于洗脱，并提高选择性。
就树脂而言，要求有适宜的孔径，孔径太小交换速度慢，有效交换量下降（尤对生物大分子），若孔径太大也会导致选择性下降。
此外树脂的化学稳定性及机械性能也需考虑．在既定的操作条件下有足够的化学耐受性和良好的物理性能以利操作。
一般树脂都有较高的化学稳定性，能经受酸、碱和有机溶剂的处理。
但含苯酚的磺酸型树脂及胺型阴离子树脂不宜与强碱长时间接触，尤其是在加热的情况下。
对树脂的特殊结合力也要给予足够的注意，如树脂对某些金属离子的结合以及辅助力的作用。
氨基酸为两性电解质，等电点较低的谷氨酸在pH小于pI3.2时，主要以GA+型式存在，故可用强酸性阳离子交换树脂提取。
当发酵液流过交换柱时，发酵液中各成分依亲和力的不同进行交换。
吸附GA的树脂再用洗脱液（5%NaOH）洗脱，收集富含GA的流分（高流液）。
从而实现与杂质的分离及GA的富集，高流液调等电点pH3.2，GA结晶析出。
用过的树脂用稀酸再生以用于下轮交换（图1）。
主要化学反应有：
交换:
RSO3H+NH4+=RSO3NH4+
RSO3H+GA+=RSO3GA+H+
洗脱:
RSO3-GA++NaOH=RSO3Na++GA++H2O
RSO3-GA++NH4OH=RSO3HN4++GA++H2O
再生:
RSO3Na++HCl=RSO3H+NaCl
图1GA离子交换操作循环
本实验所用树脂为732型苯乙烯强酸型阳离子交换树脂。
732型树脂的理论交换容量为4.5毫克当量/g干树脂，最高工作温度为90°C，使用pH范围1-14，对水的溶胀率为22.5%，湿密度为0.75-0.85g/mL。
732型树脂对阳离子的亲和力大小顺序依次为：
Ca2+>Mg2+>K+>NH4+>Na+>碱性氨基酸>中性氨基酸>谷氨酸>天冬氨酸
反之，洗脱时，先下来的是谷氨酸，其后是NH4+、金属离子等，达到分离目的。
三、实验仪器与药品
仪器：
离交柱（1.5×40cm）、恒流泵、分部收集器、铁架台、水浴锅、量筒、止水夹、离心机、小烧杯等。
药品：
732（H）树脂、GA发酵液、5%NaOH，5%HCl等。
四、实验内容
1、树脂的装柱与洗涤
未经使用的树脂在使用之前，根据需要进行预处理。
将干树脂在烧杯中用水浸泡一定时间，充分溶胀后（注：
务必不可干树脂直接装柱，以防树脂溶胀挤破柱子），倾去溶胀时溶出的杂质及碎小树脂；用量筒量取20mL湿树脂（732，Na型）于小烧杯中带水在搅动悬浮下倒入柱中（可借用漏斗）将柱下端的止水夹打开，使柱内水慢慢流出，树脂自由沉降，保持柱中水位高于树脂床2-4cm，（以防树脂夹杂气泡），关闭止水夹。
新购树脂夹杂有合成过程中生成的低分子量聚合物、单体、溶胀剂、催化剂及树脂存放时进一步分解的产物，合成时容器腐蚀也会产生一些金属离子，故需对树脂进行洗涤。
酸（碱）性树脂通常以Na（Cl）型供应。
洗涤时不管原来型式，一般都要用3倍于树脂体积的5%HCl、H2O、5%NaOH、H2O在柱中依次交替重复洗2-3次，洗涤速度与交换相同，（控制约30滴/分），最后一次过柱的是酸还是碱取决于使用时所要求的离子型式，所用的洗涤水必须是去离子水。
2、转型
树脂经洗涤后转化成所要的型式以供交换。
为使转型完全，通常用过量试剂（再生剂）在离交柱中进行。
本实验用5%HCl流洗至流出液pH＜0.5，即Na型732转化成H型，再用蒸馏水洗至近中性即可进入交换。
3、上柱交换
将调配好的稀GA发酵液（pH4、约GA1.0%，已除菌体用泵从贮液瓶中正上柱（工业上为常温带菌体反上柱）控制好流速（30滴/min、6-8床体积））。
流速太快，GA来不及交换即流出；流速太慢不利于生产。
流出液用烧杯（500mL）收集，当收集液达100mL后需不断用茚三酮显色剂（灵敏度为2μg/mL）检验柱下流出液，若有紫红色反应，证明有GA漏出，即停止上柱，关闭止水夹，量出烧杯中流出液体积。
残留的发酵液用水置换出用于再上柱。
4、洗脱
洗脱是用洗脱剂（5%NaOH）将吸附的GA解吸出来。
洗脱前，先用水反洗以排除树脂中残留的杂质，同时，疏松树脂；再用40mL70℃热去离子水反洗以预热树脂以防树脂骤冷骤热破碎，同时也起到温柱以防GA在柱中析出（结柱）之作用。
待树脂自由沉降，降液面至高于床层2-4cm，通5%NaOH正洗脱，洗脱流速控制约15滴/min。
洗脱速度不宜太快，否则洗脱峰不集中，拖尾长，即GA尚未洗脱完pH已升高，尾液中残留较多GA。
洗脱时，不断用茚三酮测试流出液，并用pH试纸测试pH变化。
有GA流出时即开始收集，每2mL收集液换一支试管至pH1.0，这部分流出液GA深度较高，称为高流分。
当pH达2.5-3.2时，GA含量最高。
随后收集pH8.0-10.0流分为碱尾液（后流分）前流分与后流分可用于再交换。
pH＞10的流分为稀氨水，工业上用作肥料（用湿试纸检验，闻有无氨味）。
5、树脂再生（转型）
洗脱完毕，用热蒸馏水正洗离交柱至pH9后，再反洗至中性，降液面，用5%HCl正洗，使Na型和HN4+型，树脂再生为H型，至柱下pH0.5用水洗至pH4即可再交换。
再生流速控制10滴/分。
五、结果分析
1、测试收集液各管pH，用SBA生化分析仪检测谷氨酸浓度，画出洗脱曲线。
编号
1
3
5
7
9
10
11
12
13
累计体积/mL
2
6
10
14
18
20
22
24
26
pH
3
3
3
3
4
5
5
10
11
SBA读数
49
49
49
80
99
99
96
86
80
2-10mL左右pH变化不大是因为洗脱碱液正在进入柱中，收集液中含有大量交换时产生的H+。
随着洗脱反应的进行，收集液的pH逐渐升高，收集液的OD值也在升高，这表明已经有GA被洗脱下来。
由图可知，pH的峰值出现在26mL左右，而洗脱出氨基酸的峰值出现在20mL,这是由于在洗脱未完成时，碱性物质基本全部与RSO3-GA+反应，当洗脱基本完成后，pH才会迅速上升，故pH达到峰值也是洗脱完成的表现。
当pH＞10时，流出液为稀氨水。
2、将有谷氨酸的各试管内液体合并，计量体积及浓度与上柱稀发酵液量比较看是否达到浓缩目的？
含谷氨酸的各试管体积之和为25.5mL，浓度为80mg/mL；上柱稀发酵液体积为180mL，浓度为15mg/mL，故已达到浓缩的目的。
思考题
1、对发酵液中共存的杂质如NH4+,K+,Na+,Ca2+,Mg2+及中性和碱性氨基酸，其交换与洗脱次序大体如何？
答：
732型树脂对阳离子的亲和力大小顺序依次为：
Ca2+>Mg2+>K+>NH4+>Na+>碱性氨基酸>中性氨基酸>谷氨酸>天冬氨酸
反之，洗脱时，先下来的是谷氨酸，其后是NH4+、金属离子等。
2、为何上柱液pH不必调到pI3.22以下？
答：
交换时发生如下反应：
RSO3H+NH4+=RSO3NH4+
RSO3H+GA+=RSO3GA+H+
由上述反应可看出，氨基酸在于树脂进行结合是可以产生H+。
并且，若pH过低，既上柱液中含有过多的H+，则会使氨基酸与树脂的结合反应向反方向进行，离子交换树脂的利用率降低。
3、怎样提高树脂的利用率？
答：
交换时控制流速，使GA与树脂充分结合；适当降低母液中NH4+的浓度，减少竞争吸附，提高交换树脂的利用率。
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