一种从生物催化转化液中分离尿苷酸的方法 【技术领域】
本方法涉及一种尿苷酸的生产工艺，具体涉及一种从生物催化转化液中分离尿苷酸的方法。
背景技术
核苷酸是一种重要的生物化工原料，可用于食品添加剂、医药中间体、饲料的添加剂以及植物的促生长剂等方面，尿苷酸(UMP)是一种基础核苷酸，是核苷酸中最重要的一种，市场需求量非常大，但是，尿苷酸生产困难，导致价格昂贵，我国核苷酸生产大多数在用酶解法生产，生产周期长，工艺繁琐，分离难度高，导致生产成本高，质量差，收率低，纯度无法达到下游医药等生产要求。生物催化法生产核苷酸技术是生产核苷酸的新技术，具有高效、高选择性、条件温和、环境友好等优点，缩短了生产周期，也可以大大增加了核苷酸的产量[200910025981.4，200910030838.4]。但是，如何从生物催化转化液中分离尿苷酸也就成了急需解决的难题。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题是提供一种从生物催化转化液中分离尿苷酸的方法，进而开发出一套过程简单，成本低廉，易于产业化的UMP分离纯化工艺，填补国内在催化生产核苷酸方面的空白。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种从生物催化转化液中分离尿苷酸的方法，包括如下步骤：
(1)将生物催化转化液用盐酸调节pH值至1.0～3.0后，经离心去除固体杂质；
(2)将步骤(1)得到的离心清液经超滤处理，收集超滤透过液；
(3)将步骤(2)得到的超滤透过液经纳滤处理，收集纳滤浓缩液；
(4)将步骤(3)得到的纳滤浓缩液稀释到尿苷酸浓度为5～20g/L，调节pH值至1.0～6.0；进入阴离子交换柱吸附，吸附流速为1.2～3.6BV/h，阴离子交换柱高径比为8～12∶1；再用去离子水进行洗杂，去离子水体积为1～5BV；最后用无机盐溶液进行洗脱，无机盐浓度为0.05～0.5mol/L，洗脱流速为1.2～3.6BV/h；
(5)洗脱液经纳滤处理除盐浓缩、结晶、干燥后得到尿苷酸二钠晶体。
步骤(2)中，所述的超滤处理使用的超滤膜为聚酰胺膜、聚醚砜膜、醋酸纤维素膜和聚乙烯醇膜中的任意一种，超滤膜截留分子量为1000～8000，超滤膜工作压力为0.5～1.5MPa，超滤温度为25～45℃，超滤pH值为3.0～8.0。优选地，所述的超滤处理使用的超滤膜为聚酰胺膜，超滤膜截留分子量为3000～5000，超滤膜工作压力为1～1.2MPa，超滤温度为30℃，超滤pH值为5.0～7.0。
步骤(3)和(5)中，所述的纳滤处理使用的纳滤膜为聚酰胺膜、聚醚砜膜、醋酸纤维素膜和聚乙烯醇膜中的任意一种，纳滤膜截留分子量为100～300，纳滤膜工作压力为0.5～1.5MPa，纳滤温度为25～45℃，纳滤pH值为2.0～6.0，纳滤浓缩至UMP浓度为纳滤初始液中的3～10倍。一般在纳滤过程中会加入纳滤初始液体积的2～5倍去离子水反复进行。优选地，所述的纳滤处理使用的纳滤膜为聚酰胺膜，纳滤膜截留分子量为150～200，纳滤膜工作压力为0.8～1MPa，纳滤温度为35℃，纳滤pH值为2.5～4.5，纳滤浓缩至UMP浓度为纳滤初始液中的5～6倍。
步骤(4)中，所述的阴离子交换柱中充填有阴离子交换树脂，该树脂以聚苯乙烯或聚丙烯酸为骨架，以伯胺基、仲胺基或叔胺基为功能基团。优选地，所述的树脂粒径为0.9～1.2mm，含水量为60～70％，最大膨胀≤30。
步骤(4)中，优选为，将步骤(3)得到的纳滤浓缩液稀释到尿苷酸浓度为10～15g/L，调节pH值至2.0～4.0；进入阴离子交换柱吸附，吸附流速为1.5～2.5BV/h，阴离子交换柱高径比为8～12∶1；再用去离子水进行洗杂，去离子水体积为3～4BV；最后用无机盐溶液进行洗脱，无机盐浓度为0.05～0.5mol/L，洗脱流速为1.5～2.5BV/h。
步骤(4)中，用无机盐溶液进行洗脱，所述的无机盐为CaCl2、NaCl、NH4Cl和KCl中的任意一种或几种。优选地，所述的无机盐为NaCl。
步骤(4)中，无机盐溶液中优选加入乙醇，可以提高尿苷酸洗脱纯度，乙醇加入量为无机盐溶液体积的1～10％，优选2～5％。
步骤(5)中，所述的结晶，结晶母液中UMP浓度为50～150g/L，结晶温度为10～40℃，搅拌速率为30～200r/min，流加乙醇体积为结晶母液的1～5倍。优选地，结晶母液中UMP浓度为120～150g/L，结晶温度为25～35℃，搅拌速率为80～100r/min，流加乙醇体积为结晶母液的2～4倍。
采用上述技术方案的原理如下：
一、预处理。
生物催化转化液成分复杂，除了含有要分离得到的UMP外，还包含蛋白、磷酸盐、乳清酸、柠檬酸、多糖、无机盐、尿苷、UTP、UDP、多肽及色素等等，为了使离子交换达到最大效率，必须对转化液进行前期处理，除去大部分杂质。生物催化转化液大量的蛋白，可以用酸沉淀法除去大部分蛋白，用盐酸调节pH至1～3，使蛋白沉淀后离心去除。用截留分子量为1000～8000的超滤膜去除溶液中剩余的蛋白质和大部分色素。经过前面的这些处理后，转化液中还含有各种无机盐及小分子物质，用截留分子量为100～300的纳滤滤膜进行纳滤，加入2～5的去离子水反复进行，去除大部分的无机盐、小分子物质及色素，同时达到了浓缩的目的，可浓缩3～10倍。
二、离子交换。
目前大多数工业规模的离子交换过程中都使用固定床操作方式。由于固定床离子交换设备结构简单，不需要树脂传输设备，操作方便，树脂磨损小，所以本方法也是采用这种离子交换工艺。经过交换、吸附完毕后，用去离子水进行洗杂，然后用无机盐溶液作为洗脱液，按常规方法进行洗脱至终点，用分光光度计检测，到达终点停止洗脱。洗脱完后，树脂按照常规方法进行再生处理，洗脱液稀释500倍后，用分光光度计检测，OD值小于0.015的时候停止洗脱。为了增加洗脱能力，在洗脱用的盐溶液中还可以加入少量醇，优选乙醇，乙醇加入量为无机盐溶液体积的1～10％，优选2～5％。
三、结晶。
收集的洗脱液用截留分子量为100-200的纳滤滤膜进行纳滤，达到浓缩和脱盐的目地，将处理完的洗脱液进行结晶。
有益效果：本发明方法与已有技术相比有以下的优点：
(1)传统的核苷酸生产是核酸酶解法，得到4种核苷酸混合物，导致分离纯化4种核苷酸的难度大，生产周期长，提取工艺繁琐，特别是尿苷酸产量低，而尿苷酸是核苷酸产品中最重要的一种，市场需求量大。CN1408719A和CN101363016A采用的就是核酸酶解法生产核苷酸，得到4种核苷酸产品，生物催化法生产核苷酸国内还没有大规模生产。本方法就是从生物催化转化液中提取尿苷酸，微生物催化转化合成尿苷酸，是利用微生物作为酶源，催化尿苷酸的前体物质乳清酸转化为尿苷酸，所以它具有高效、高选择性，本方法是分离尿苷酸，制备工艺相对简单，得率高，规模生产成本低，为高纯度尿苷酸大规模生产提供了可能，从而进一步为核苷酸下游医药开发和广泛应用奠定基础。
(2)本发明方法利用在酸性条件下，阴离子交换树脂对目标物质尿苷酸的亲和力与UDP、UTP、色素等杂质亲和力的差异，不同浓度的无机盐洗脱剂对吸附在树脂上的尿苷酸和其他杂质的洗脱能力不同，使尿苷酸与其他杂质高效分离，本方法中，无机盐只将尿苷酸从树脂上洗脱下来，UDP、UTP等杂质留在树脂上，因此洗脱液中尿苷酸的纯度较高，达到95％以上，结晶后得到高纯度的尿苷酸产品。
(3)通过本发明方法，可获得高纯度的尿苷酸二钠晶体，尿苷酸的收率可达到90％以上，尿苷酸二钠晶体纯度在98％以上。
【具体实施方式】
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
以下实施例所使用的生物催化转化液按如下方法制备：
在容量为15L的反应槽中调制由乳清酸100g，葡萄糖1500g，酿酒酵母3000g，氯化铵1g，氯化镁1.5g，磷酸二氢钠24g，吩嗪甲基硫酸盐250g，苹果酸1.5g，月桂酰·肌氨酸盐15g和水组成的反应液10L，用氢氧化钠调pH至6.5，于37℃条件下低速搅拌反应8h，反应结束后，用高氯酸沉淀，用HPLC对UMP进行定量分析。
以下实施例所使用的阴离子交换树脂为凝胶型树脂，以聚苯乙烯或聚丙烯酸为骨架，功能基团为伯胺基(-NH2)、仲胺基(＝NH)或叔胺基(≡N)，其粒径为0.9～1.2mm，含水量为60～70％，最大膨胀≤30。
实施例1：
按照上述生物催化转换液制备方法，制备10L转化液，其中UMP的含量为8.4g/L。
处理工艺如下：
(1)将生物催化转化液用盐酸调节pH值至2.0后，经10000rpm、20min离心后去除固体杂质。
(2)将步骤(1)得到的离心清液经超滤处理，收集超滤透过液；所述的超滤膜为聚酰胺膜，超滤膜截留分子量为8000，超滤膜工作压力为1MPa，超滤温度为30℃，超滤pH值为5.0。
(3)将步骤(2)得到的超滤透过液经纳滤处理，收集纳滤浓缩液；所述的纳滤膜为聚醚砜膜，纳滤膜截留分子量为200，纳滤膜工作压力为1MPa，纳滤温度为30℃，纳滤pH值为2.5，加入3倍去离子水反复进行，纳滤浓缩至UMP浓度为纳滤初始液中的3倍，UMP的收率为92.4％。
(4)将步骤(3)得到的纳滤浓缩液稀释到尿苷酸浓度为10g/L，调节pH值至2.0；进入充填有阴离子交换树脂(以聚苯乙烯为骨架，以伯胺基为主要功能基团)的阴离子交换柱吸附，吸附流速为1.5BV/h，阴离子交换柱高径比为8∶1，加入树脂量为1000g，当吸附流出液中尿苷酸的浓度达到进样浓度的10％时，认为到达穿透点，停止进样；再用去离子水进行洗杂，去离子水体积为3BV，洗至流出液OD＜0.010，洗液可以回收浓缩继续上柱；最后用添加了乙醇的NaCl水溶液进行洗脱，无机盐浓度为0.05mol/L，乙醇加入量为NaCl水溶液体积的2％，洗脱流速为1.5BV/h，洗脱完毕，测得上柱过程尿苷酸的收率为93.1％，纯度为93.6％。
(5)洗脱液经纳滤处理除盐浓缩，纳滤膜为聚醚砜膜，纳滤膜截留分子量为200，纳滤膜工作压力为1MPa，纳滤温度为30℃，纳滤pH值为2.5；纳滤浓缩液经结晶、干燥后得到尿苷酸二钠晶体，结晶母液中UMP浓度为120g/L，结晶温度为25℃，搅拌速率为100r/min，流加酒精体积为结晶母液的2倍，当有晶体出现的时候，停止流加1h，再继续流加酒精直至流加完毕。所得的尿苷酸二钠晶体为61.36g(含25％的结晶水)，纯度98.2％，结晶收率为93.3％，整体工艺纯化总收率80.2％。
实施例2：
照上述生物催化转换液制备方法，制备10L转化液，其中UMP的含量为9.1g/L。
处理工艺如下：
(1)将生物催化转化液用盐酸调节pH值至2.0后，经10000rpm、20min离心后去除固体杂质；
(2)将步骤(1)得到的离心清液经超滤处理，收集超滤透过液；所述的超滤膜为聚酰胺膜，超滤膜截留分子量为5000，超滤膜工作压力为1MPa，超滤温度为30℃，超滤pH值为6.0。
(3)将步骤(2)得到的超滤透过液经纳滤处理，收集纳滤浓缩液；所述的纳滤膜为聚酰胺膜，纳滤膜截留分子量为150，纳滤膜工作压力为1MPa，纳滤温度为30℃，纳滤pH值为2.5，加入3倍去离子水反复进行，纳滤浓缩至UMP浓度为纳滤初始液中的3倍，UMP的收率为94.9％。
(4)将步骤(3)得到的纳滤浓缩液稀释到尿苷酸浓度为12g/L，调节pH值至2.0；进入充填有阴离子交换树脂(以聚苯乙烯为骨架，以叔胺基为主要功能基团)的阴离子交换柱吸附，吸附流速为1.5BV/h，阴离子交换柱高径比为10∶1，加入树脂量为1000g，当吸附流出液中尿苷酸的浓度达到进样浓度的10％时，认为到达穿透点，停止进样；再用去离子水进行洗杂，去离子水体积为2BV，洗至流出液OD＜0.010，洗液可以回收浓缩继续上柱；最后用添加了乙醇的KCl水溶液进行洗脱，无机盐浓度为0.2mol/L，乙醇加入量为KCl水溶液体积的3％，洗脱流速为1.5BV/h，洗脱完毕，测得上柱过程尿苷酸的收率为95.2％，纯度为93.6％。
(5)洗脱液经纳滤处理除盐浓缩，纳滤膜为聚酰胺膜，纳滤膜截留分子量为150，纳滤膜工作压力为1MPa，纳滤温度为30℃，纳滤pH值为2.5；纳滤浓缩液经结晶、干燥后得到尿苷酸二钠晶体，结晶母液中UMP浓度为130g/L，结晶温度为30℃，搅拌速率为100r/min，流加酒精体积为结晶母液的3倍，当有晶体出现的时候，停止流加1h，再继续流加酒精直至流加完毕。所得的尿苷酸二钠晶体为63.8g(含25％的结晶水)，纯度98.1％，结晶收率为93.9％，整体工艺纯化总收率84.8％。
实施例3：
照上述生物催化转换液制备方法，制备10L转化液，其中UMP的含量为8.1g/L。
处理工艺如下：
(1)将生物催化转化液用盐酸调节pH值至3.0后，经10000rpm、20min离心后去除固体杂质；
(2)将步骤(1)得到的离心清液经超滤处理，收集超滤透过液；所述的超滤膜为聚酰胺膜，超滤膜截留分子量为3000，超滤膜工作压力为1MPa，超滤温度为30℃，超滤pH值为7.0。
(3)将步骤(2)得到的超滤透过液经纳滤处理，收集纳滤浓缩液；所述的纳滤膜为聚酰胺膜，纳滤膜截留分子量为200，纳滤膜工作压力为1MPa，纳滤温度为30℃，纳滤pH值为4.5，加入3倍去离子水反复进行，纳滤浓缩至UMP浓度为纳滤初始液中的3倍，UMP的收率为93.2％。
(4)将步骤(3)得到的纳滤浓缩液稀释到尿苷酸浓度为15g/L，调节pH值至4.0；进入充填有阴离子交换树脂(以聚丙烯酸为骨架，以仲胺基为主要功能基团)的阴离子交换柱吸附，吸附流速为2.0BV/h，阴离子交换柱高径比为12∶1，加入树脂量为1000g，当吸附流出液中尿苷酸的浓度达到进样浓度的10％时，认为到达穿透点，停止进样；再用去离子水进行洗杂，去离子水体积为4BV，洗至流出液OD＜0.010，洗液可以回收浓缩继续上柱；最后用添加了乙醇的NH4Cl水溶液进行洗脱，无机盐浓度为0.2mol/L，乙醇加入量为NH4Cl水溶液体积的4％，洗脱流速为2.0BV/h，洗脱完毕，测得上柱过程尿苷酸的收率为97.6％，纯度为94.8％。
(5)洗脱液经纳滤处理除盐浓缩，纳滤膜为聚酰胺膜，纳滤膜截留分子量为200，纳滤膜工作压力为1MPa，纳滤温度为30℃，纳滤pH值为4.5，纳滤浓缩液经结晶、干燥后得到尿苷酸二钠晶体，结晶母液中UMP浓度为140g/L，结晶温度为30℃，搅拌速率为100r/min，流加酒精体积为结晶母液的4倍，当有晶体出现的时候，停止流加1h，再继续流加酒精直至流加完毕。所得的尿苷酸二钠晶体为64.5g(含25％的结晶水)，纯度98.3％，结晶收率为93.5％，整体工艺纯化总收率85.1％。
实施例4：
照上述生物催化转换液制备方法，制备10L转化液，其中UMP的含量为10.2g/L。
处理工艺如下：
(1)将生物催化转化液用盐酸调节pH值至3.0后，经10000rpm、20min离心后去除固体杂质；
(2)将步骤(1)得到的离心清液经超滤处理，收集超滤透过液；所述的超滤膜为聚酰胺膜，超滤膜截留分子量为3000，超滤膜工作压力为1MPa，超滤温度为30℃，超滤pH值为6.0。
(3)将步骤(2)得到的超滤透过液经纳滤处理，收集纳滤浓缩液；所述的纳滤膜为醋酸纤维膜，纳滤膜截留分子量为150，纳滤膜工作压力为1MPa，纳滤温度为30℃，纳滤pH值为3.0，加入3倍去离子水反复进行，纳滤浓缩至UMP浓度为纳滤初始液中的3倍，UMP的收率为96.5％。
(4)将步骤(3)得到的纳滤浓缩液稀释到尿苷酸浓度为10g/L，调节pH值至3.0；进入充填有阴离子交换树脂(以聚丙烯酸为骨架，以伯胺、仲胺和叔胺基为功能基团)的阴离子交换柱吸附，吸附流速为2.5BV/h，阴离子交换柱高径比为10∶1，加入树脂量为1000g，当吸附流出液中尿苷酸的浓度达到进样浓度的10％时，认为到达穿透点，停止进样；再用去离子水进行洗杂，去离子水体积为3BV，洗至流出液OD＜0.010，洗液可以回收浓缩继续上柱；最后用添加了乙醇的KCl水溶液进行洗脱，无机盐浓度为0.25mol/L，乙醇加入量为KCl水溶液体积的5％，洗脱流速为2.5BV/h，洗脱完毕，测得上柱过程尿苷酸的收率为97.1％，纯度为97.1％。
(5)洗脱液经纳滤处理除盐浓缩，纳滤膜为醋酸纤维膜，纳滤膜截留分子量为150，纳滤膜工作压力为1MPa，纳滤温度为30℃，纳滤pH值为3.0，纳滤浓缩液经结晶、干燥后得到尿苷酸二钠晶体，结晶母液中UMP浓度为150g/L，结晶温度为30℃，搅拌速率为100r/min，流加酒精体积为结晶母液的3倍，当有晶体出现的时候，停止流加1h，再继续流加酒精直至流加完毕。所得的尿苷酸二钠晶体为66.9g(含25％的结晶水)，纯度98.3％，结晶收率为94.3％，整体工艺纯化总收率88.3％。
实施例5：
照上述生物催化转换液制备方法，制备10L转化液，其中UMP的含量为8.2g/L
处理工艺如下：
(1)将生物催化转化液用盐酸调节pH值至3.0后，经10000rpm、20min离心后去除固体杂质；
(2)将步骤(1)得到的离心清液经超滤处理，收集超滤透过液；所述的超滤膜为聚酰胺膜，超滤膜截留分子量为3000，超滤膜工作压力为1MPa，超滤温度为30℃，超滤pH值为7.0。
(3)将步骤(2)得到的超滤透过液经纳滤处理，收集纳滤浓缩液；所述的纳滤膜为聚酰胺膜，纳滤膜截留分子量为150，纳滤膜工作压力为1MPa，纳滤温度为30℃，纳滤pH值为3.0，加入3倍去离子水反复进行，纳滤浓缩至UMP浓度为纳滤初始液中的3倍，UMP的收率为98.7％。
(4)将步骤(3)得到的纳滤浓缩液稀释到尿苷酸浓度为12g/L，调节pH值至3.0；进入充填有阴离子交换树脂(以聚丙烯酸为骨架，以伯胺、仲胺和叔胺基为功能基团)的阴离子交换柱吸附，吸附流速为2BV/h，阴离子交换柱高径比为12∶1，加入树脂量为1000g，当吸附流出液中尿苷酸的浓度达到进样浓度的10％时，认为到达穿透点，停止进样；再用去离子水进行洗杂，去离子水体积为3BV，洗至流出液OD＜0.010，洗液可以回收浓缩继续上柱；最后用添加了乙醇的NaCl水溶液进行洗脱，无机盐浓度为0.15mol/L，乙醇加入量为NaCl水溶液体积的5％，洗脱流速为2BV/h，洗脱完毕，测得上柱过程尿苷酸的收率为98.5％，纯度为96.9％。
(5)洗脱液经纳滤处理除盐浓缩，纳滤膜为聚酰胺膜，纳滤膜截留分子量为150，纳滤膜工作压力为1MPa，纳滤温度为30℃，纳滤pH值为3.0，纳滤浓缩液经结晶、干燥后得到尿苷酸二钠晶体，结晶母液中UMP浓度为150g/L，结晶温度为30℃，搅拌速率为100r/min，流加酒精体积为结晶母液的3倍，当有晶体出现的时候，停止流加1h，再继续流加酒精直至流加完毕。所得的尿苷酸二钠晶体为67.1g(含25％的结晶水)，纯度98.1％，转换液没有全部上柱，结晶收率为95.3％，整体工艺纯化总收率92.7％。