电极去离子技术纯化谷氨酸棒杆菌发酵液中N-乙酰葡糖胺的工艺优化与机制解析

本研究针对生物发酵法生产N-乙酰葡糖胺(GlcNAc)过程中脱盐效率低的问题，系统优化了电极去离子(EDI)技术的树脂填充量(538.8 g/m2)、流速(36 L/h)和发酵液浓度(150 g/L)等关键参数，结合微滤-活性炭脱色-冷却结晶联用工艺，最终获得纯度>99.5%、收率>75%的GlcNAc产品，为生物基化学品纯化提供了低污染、高效益的工业化解决方案。

　　

在生物制造领域，N-乙酰葡糖胺(GlcNAc)作为甲壳素的核心组分，因其显著的抗炎和抗氧化特性，已成为医药、化妆品行业的热门原料。传统化学生产法依赖虾蟹壳降解，不仅污染严重，还面临原料短缺困境。虽然生物发酵法逐渐成为主流，但发酵液中复杂的"糖-盐"体系分离却成为制约产业化的瓶颈——现有电渗析(ED)技术脱盐不彻底，离子交换色谱又需频繁酸碱再生，产生大量废水。如何实现高效、环保的GlcNAc纯化，成为横亘在科研人员面前的"卡脖子"难题。

针对这一挑战，获得国家重点研发计划资助的研究团队开展了创新性探索。他们发现电极去离子(EDI)技术独具优势：该技术将电渗析与树脂脱盐耦合，利用电场驱动离子迁移的同时，通过水解产生的H⁺/OH^-自动再生树脂，既克服了ED对微量盐去除的局限性，又避免了传统树脂法的废水问题。研究人员首先采用模拟发酵液体系，通过响应面实验精准优化出三大核心参数——每平方米离子交换膜填充538.8克树脂、流速36 L/h、发酵液初始浓度150 g/L。随后在真实谷氨酸棒杆菌发酵液中验证时，结合微滤除菌、活性炭脱色和冷却结晶的集成工艺，最终获得的GlcNAc晶体纯度突破99.5%，全程收率超75%，远超行业标准。

技术方法上，研究团队构建了完整的EDI-结晶联用平台：通过测定电导率监控脱盐进程，采用高效液相色谱(HPLC)分析产物纯度；引入电极反转技术验证膜污染可控性；对比ED和离子交换色谱的成本效益，证实EDI可降低30%能耗。

【优化树脂填充量】实验揭示填充量与运行时间呈非线性关系：当树脂量从200 g/m²增至538.8 g/m²时，脱盐时间延长至210分钟（因树脂吸附位点增加），但过量填充（>600 g/m²）会导致局部涡流，反使效率下降15%。

【流速与浓度优化】36 L/h的流速平衡了离子迁移速率与停留时间；150 g/L的初始浓度既能维持足够电导率驱动离子迁移，又避免过高粘度导致的极化现象。EDI处理后的发酵液电导率稳定在0.1 mS/cm以下，满足结晶要求。

【工业化验证】实际生产中，EDI模块连续运行200小时后，通过电极反转可恢复95%膜通量。成本核算显示，相较传统方法，EDI使吨产品废水排放减少8立方米，降低能耗42 kWh。

这项发表于《Biomass and Bioenergy》的研究，首次系统阐明了EDI技术处理生物发酵液的作用机制与工程化参数。其创新性在于：发现树脂填充存在"饱和阈值"效应，提出"动态平衡"脱盐模型；建立的四步联用工艺实现了GlcNAc从发酵液到晶体的直接转化，为其他生物基化学品（如琥珀酸、木糖醇）的纯化提供了范式。正如通讯作者Hui Cao强调的，该技术有望推动《中国制造2025》生物制造专项中"绿色分离"目标的实现，助力双碳战略在生物医药领域的落地。