论文总字数：14856字

摘 要

L-鸟氨酸是一种碱性氨基酸，是尿素循环的一部分，它与尿素的生成有关，并且在代谢上起非常重要的作用。于是发酵法制备L-鸟氨酸，分离纯化至关重要。本文对L-鸟氨酸模拟发酵液的脱色工艺开展了研究，并考察了L-鸟氨酸模拟发酵液连续脱色的可行性，为今后L-鸟氨酸发酵液的分离纯化提供基础数据。

本实验首先对脱色用的活性炭进行了筛选，结果显示，活性炭zx-100对的L-鸟氨酸模拟发酵液的脱色效果较好，并且L-鸟氨酸的损失率最低，随后通过静态吸附的实验，确定适宜的活性炭脱色工艺条件为：活性炭用量1.5%，pH=4.0，75℃，脱色50min，脱色率达到75.52%，L-鸟氨酸的损失率不足1%。在此基础上，构建活性炭脱色柱，活性炭床层的体积为100ml，原料液的色素浓度为0.1g/L时，结果表明：当进料流速为5BV/h，连续进料37BV时才出现色素穿透，模拟发酵液的脱色率达到90%，L-鸟氨酸的损失率为3.4%。在此基础上，采用热水洗涤活性炭柱，可将大部分L-鸟氨酸解吸，最终L-鸟氨酸的损失率为0.78%。随后采用碱-酸处理，可实现颗粒活性炭的再生与活性炭柱的重复使用。

关键词：L-鸟氨酸 活性炭 吸附 脱色

Abstract

L-ornithine is a basic amino acid,it is part of the urea cycle and is related to the formation of urea, and plays a very important role in metabolism. L-ornithine was prepared by fermentation, and separation and purification was of great importance. In this paper, L-ornithine was used to simulate the decolorization of fermentation broth, and the feasibility of L-ornithine to simulate the continuous decolorization of fermentation broth was studied, which provided the basic data for the isolation and purification of L-ornithine fermentation broth.

In this experiment, the decolorization of activated carbon was first screened. The results showed that the L-ornithine of the activated carbon zx-100 had better decolorization effect and the L-ornithine had the lowest loss rate, followed by static adsorption The decolorization rate was 75.52%, and the loss rate of L-ornithine was less than 1%. The decolorization rate was 1.5%, pH = 4.0 and 75 ℃. On the basis of this, the volume of the activated carbon decolorization column and the activated carbon bed was 100ml. When the pigment concentration of the raw material was 0.1g / L, the results showed that when the feed flow rate was 5BV / h and pigment was continuously fed 37BV The decolorization rate of simulated fermentation broth was 90%, and the loss rate of L-ornithine was 3.4%. On this basis, the use of hot water washing activated carbon column, most of the L-ornithine desorption, the final L-ornithine loss rate of 0.78%. Followed by alkali-acid treatment, can achieve the regeneration of granular activated carbon and activated carbon column re-use.

Key Words: L-o；rnithine; activated carbon ;adsorption; decolorizatio

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章：文献综述 1

1.1 L-鸟氨酸 1

1.1.1 L-鸟氨酸的理化性质 1

1.1.2 L-鸟氨酸的应用 1

1.1.3 L-鸟氨酸的制备 1

1.2 活性炭的简介 2

1.2.1活性炭在脱色方面的应用 2

1.2.2活性炭连续脱色的研究进展 2

1.3实验内容及意义 3

第二章 实验材料与方法 4

2.1实验仪器 4

2.2实验材料 4

2.3实验方法 5

2.3.1静态实验 5

2.3.2动态实验 6

2.4分析方法 7

2.4.1色素浓度的检测 7

2.4.2 L-鸟氨酸的检测方法 8

第三章 实验结果与讨论 10

3.1 活性炭的筛选 10

3.2活性炭静态脱色研究 10

3.2.1 pH对脱色效果的影响 10

3.2.2脱色温度对脱色效果的影响 11

3.2.3活性炭用量对脱色效果的影响 11

3.2.4 脱色时间对脱色效果的影响 12

3.2.5 色素溶液浓度对脱色效果的影响 12

3.3 活性炭动态脱色研究 13

3.3.1活性炭预处理对连续脱色效果的影响 13

3.3.2进料流速对连续脱色效果的影响 14

3.3.3 活性炭柱的再生 14

第四章 结论与展望 16

4.1结论 16

4.2展望 16

文献综述 17

致谢 20

第一章：文献综述

1.1 L-鸟氨酸

1.1.1 L-鸟氨酸的理化性质

L- 鸟氨酸学名又叫 α，δ- 二氨基戊酸，分子式为C₅H₁₂N₂O₂，结构式为 NH₂- CH₂- CH₂- CH₂-CHNH₂- COOH相对分子质量为 132.16，熔点 在220 ℃~227 ℃，具有旋光性，，旋光度（C=2.0，5mol/LHCl），（C=2.0，水）。L-鸟氨酸在水和乙醇中的溶解效果较好，在乙醚溶解度较低。L-鸟氨酸水溶性强，不易结晶，因此一般是以其单盐酸盐形式获得晶体^[21]。鸟氨酸盐酸盐在水中溶解度高，但在CH3OH、C2H5OH、C4H10O^[3]。与很多氨基酸一样，L- 鸟氨酸能和茚三酮反应^[23]。因此茚三酮可作为试剂对L- 鸟氨酸进行简单的定量分析^[3]。

1.1.2 L-鸟氨酸的应用

 L-鸟氨酸具有非常强大的功能性，在医疗保健上运用极为普遍^[19]。在医疗领域中，L-鸟氨酸首先被用在肝功能的保护 ^[4]；其次，L-鸟氨酸有助于帮助病人康复，对治疗灼烧引起的外伤有一定的作用^[10]；并且L-鸟氨酸能对内毒素造成的休克进行修复^[5]。L-鸟氨酸还能刺激人体分泌生长激素，进而加速发育和肌肉的生长，增加身高^[2]。鸟氨酸在各方面的应用将会越来越广泛，由很强的开发价值和市场空间。

1.1.3 L-鸟氨酸的制备

L-鸟氨酸的制备一般用化学合成法、水解法和发酵法^[3,12,13]。用化学法制备L-鸟氨酸产率较低 ,产物大多为消旋体,难以提取 ,不适合用于工业化大规模制备^[11]。水解精氨酸法是用催化剂加入反应使L-精氨酸分解变为 L-鸟氨酸及尿素。一般可分为碱水解精氨酸法和酶水解精氨酸法^[2]。碱水解精氨酸法的产品回收率较低，且使用的催化剂难以投入二次使用。而固定化酶法生产鸟氨酸产品回收率相比较高，且催化剂可重复使用。总之，用水解精氨酸法生产L-鸟氨酸因为副产物少且产率较高，而被国内很多鸟氨酸工厂广泛使用。但它的经济效益主要来自精氨酸和鸟氨酸的市场差价，因此效益受到限制。目前发酵法制备L-鸟氨酸研究方向^[15]为：（1）运用基因工程技术改造具有高产量的L-鸟氨酸菌株；（2）对L-鸟氨酸的生产工艺进行优化，建立更加合适的连续发酵途径；（3）参考其他氨基酸的分离纯化工艺，不断降低损耗，提高L-鸟氨酸连续离子交换分离的效率^[8]。

1.2 活性炭的简介

1.2.1活性炭在脱色方面的应用

活性炭是一种黑色粉状，颗粒或丸状的无固定形状的多孔碳，除C以外，成分中还有一些H、O、S、N、Cl。活性炭个体极小但通常表面积非常大，表面分布更微小的孔——毛细管。毛细管吸附力强，接触杂质时会将其吸着，因此活性炭可以作为净化剂使用^[1]。活性炭于极性物质具备更大的吸附力。因此活性炭常常被用于吸附分离，可作为脱色剂使用。活性炭作用实际上是颗粒表面附着色素分子，然后随着活性炭筛除而被脱去 。实验通常在待脱色模拟液中加进活性炭,一定条件下色素分子会向碳粒表面富集, 继而色素在溶液和炭表面的分配达到动态平衡^[7] 。但是此法操作周期较长，不适用于大规模的工业化连续作业。随着氨基酸产业的发展，活性炭应用愈加广泛^[18]。例如，活性碳被用于青天葵提取物中氨基酸的脱色^[28]，改性的活性炭还可用于提高烟草利用率^[22]。

1.2.2活性炭连续脱色的研究进展

脱色是化工、食品、医药生产过程中一个重要的分离单元，采用处理后的颗粒活性炭填充的吸附柱进行连续脱色,与传统的粉末活性炭间歇脱色处理相比,活性炭可多次反复使用,并具有劳动强度小、处理能力大、无废渣产生等优点^[6]。且颗粒活性炭取代粉末活性炭脱色,再生容易,活性炭可重复使用,显著降低了分离成本,并可避免废港污染,改善了操作环境^[9] 。连续脱色方法包括如下步骤: (1)活性炭的预处理；(2)发酵液中色素的连续脱除；(3)活性炭的洗涤；(4)活性炭的再生；(5)再生后的活性炭柱重复使用 ^[16,17]。

活性炭的再生方法一般分为两种。一是让吸附质脱附，即通过创造与低负荷相对应的条件，引入物质或能量使吸附质分子与活性炭之间的作用力减弱或消失，除去可逆吸附质；二是依靠热分解或氧化还原反应破坏吸附质的结构而达到除去吸附质的目的^[20]。 毛发酸水解生产胧氨酸的工艺过程要进行两次脱色 , 才能使产品的澄明度合格。煤矿作为我国主要能源，燃烧会产生大量污染物，破坏大气环境。活性炭连续化脱硫脱硝工艺，可实现无二次污染，对于可持续发展具有重要意义。

1.3实验内容及意义

以含有色素的L-鸟氨酸模拟发酵液为研究对象，具体研究内容如下：

（1）通过静态脱色处理，筛选出适宜的颗粒活性炭；

（2）探究不同实验因素对活性碳对L-鸟氨酸模拟液脱色效果的影响；主要包括活性炭用量、模拟液pH、吸附温度、吸附时间对活性炭脱色效果的影响。

（3）利用颗粒活性炭填充层析柱进行连续脱色，考察进料流速对脱色性能的影响，在此基础上研究并确定活性炭的再生方法，实现重复利用。

本课题通过开展L-鸟氨酸模拟发酵液的活性炭脱色研究，以达到提高脱色效率、降低分离成本，提升L-鸟氨酸质量的目的，可为今后L-鸟氨酸发酵液的分离纯化工艺改进提供基础数据。

第二章 实验材料与方法

2.1实验仪器

2.2实验材料

L-鸟氨酸模拟发酵液：L-鸟氨酸60g/L，焦糖色素0.05~0.1g/L

活性炭采用以下型号，见表2-2：

采用的实验试剂见表2-3：

2.3实验方法

2.3.1静态实验

（1）筛选活性炭

配制L-鸟氨酸模拟发酵液^[24]：60g/L L-鸟氨酸，0.1g/L焦糖色素，完全溶解后，将其pH调整为pH6.0。分别加入三种颗粒活性炭（ZX-100，GH，ZX-305）和两种粉末炭（ZX-775，ZX-767），分别进行脱色试验。活性炭的量为1%。吸附温度70℃，吸附时间是40min，磁力搅拌。脱色后立即进行真空抽滤，得到脱色液，并用20mL热水（40℃）洗涤炭饼，滤液与脱色液合并作为脱色液，测量体积并取样检测色素与L-鸟氨酸含量，选择脱色率高的颗粒活性炭。

（2）考察pH对脱色性能的影响

以筛选出的ZX-100颗粒活性炭作为脱色剂，用氢氧化钠或盐酸将L-鸟氨酸模拟发酵液pH分别调整为pH4.0、4.5、5.0、5.5、6.0。活性炭用量为1%，在脱色温度70℃下脱色40min，磁力搅拌。考察脱色效果及L-鸟氨酸的脱色损失，选择合适的pH进行后续实验。

（3）考察脱色温度对脱色性能的影响

以筛选出的ZX-100活性炭作为原料，在适宜的pH下，活性炭用量为1%，分别在不同的60、65、70、75、80℃下脱色40min，磁力搅拌。考察脱色效果及L-鸟氨酸的脱色损失，选择合适的脱色温度进行后续实验。

（4）考察活性炭用量对脱色性能的影响

在前面确定的脱色条件下，活性炭用量分别为0.75、1.0、1.25、1.5、2%，脱色40min，磁力搅拌。考察脱色效果及L-鸟氨酸的脱色损失，选择合适的活性炭用量进行后续实验。

（5）考察吸附时间对脱色性能的影响

在前面确定的脱色条件下，分别脱色30、40、50、60min，磁力搅拌。考察脱色效果及L-鸟氨酸的脱色损失，选择合适的脱色时间进行后续实验。

（6）考察色素浓度对脱色性能的影响

以活性炭ZX-100作为脱色剂，分别配制色素浓度为0.05、0.1、0.15、0.2g/L的L-鸟氨酸模拟发酵液，在优化后的实验条件下进行脱色性能比较。

2.3.2动态实验

（1）动态吸附实验：

准确称取一定量的活性炭采用湿法装进玻璃层析柱（有保温夹套）中，活性炭床层体积是100mL（1BV）。首先以75℃的热水洗涤并预热活性炭柱，发酵液以一定流速通过活性炭吸附柱，收集流出液，测定脱色液中色素的浓度和L-鸟氨酸的浓度，计算脱色率和L-鸟氨酸的损失率^[25]。

（2）动态解吸实验

对已吸附色素后的活性炭柱，先以热水作为洗涤剂以一定流速通过活性炭柱，再以氢氧化钠和稀盐酸溶溶液作为解吸剂以一定流速通过活性炭柱，通过收集流出液，测定解吸液中的L-鸟氨酸浓度和色素浓度，评价L-鸟氨酸的回收效果与活性炭的再生效果^[26]。

2.4分析方法

2.4.1色素浓度的检测

溶液的吸光度与色素含量存在一定函数关系，不一样色素浓度在相同波长下有不一样的吸光度。根据文献“色觉的分子遗传学”报道，430nm下黄色素具有最大的吸光值，因此，配制不同浓度的焦糖色素溶液。以色素浓度为横坐标，吸光值为纵坐标，制作焦糖色素标准曲线。

表2-4 色素浓度

图2-1 焦糖色素标准曲线

可得到回归线方程：y=2.4497x 0.0272，其中x:焦糖色素浓度g/L y: A₄₃₀

在此基础上计算脱色率：

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