CN101550101B - 利用发酵液清洁化提纯l-色氨酸的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用发酵液清洁化提纯L-色氨酸的方法，应用于提纯L-色氨酸。它依次包括(1.1)微滤；(1.2)超滤；(1.3)纳滤；(1.4)低温浓缩；(1.5)常规离心分离得粗品并将产生滤液作为母液返回至1.1微滤工序循环；(2.1)制备待纯化的浓度为35％的L-色氨酸粗品酒精溶液；(2.2)活性炭脱色；(2.3)过滤；(2.4)降温搅拌结晶离心；(2.5)常规程序洗涤、干燥、包装；2.3所述的过滤为板框常规过滤；2.5所述的洗涤采用酒精水溶液进行洗涤，且将其产生的滤液、洗涤液作为母液返回至2.2活性炭脱色工序循环使用。具有母液循环利用，提纯时间短，提纯纯度高，节省成本等优点。

Description

利用发酵液清洁化提纯L-色氨酸的方法

技术领域

本发明涉及一种利用发酵液清洁化提纯L-色氨酸的方法，应用于提纯L-色氨酸。

背景技术

L-色氨酸学名β-吲哚基丙氨酸，化学名L-2-氨基-3-吲哚基丙酸，别名L-胰化蛋白氨基酸、L-氨基吲哚丙酸，分子式C₁₁H₁₂O₂N₂，相对分子质量204.21。L-色氨酸(L-Tryptophan)是含有吲哚基的中性芳香族氨基酸，呈白色或略带黄色的叶片状结晶或粉末，无臭或微臭，溶于热吡啶，微溶于乙醇，不溶于氯仿、乙醚。在稀酸或稀碱中溶解，长时间光照则着色。与水共热产生少量吲哚，如在NaOH或CuSO₄存在下加热，则产生多量吲哚。与酸在暗处加热不稳定。在碱液中较稳定，但存在其它氨基酸或糖类时则易分解。迅速加热时于210℃发黄，290℃熔解(分解)。L-色氨酸有三种光学异构体。水中溶解度为1.14％(25℃)、2.8％(75℃)。比旋光度 ${\left[\mathrm{\α}\right]}_D^{20}=+2.8(1\mathrm{N\; HCl},C=1).$ pKa(25℃)为2.38及9.39，等电点pI＝5.89。其结构式为：

L-色氨酸广泛地存在于天然蛋白质中，是人和各种动物生长发育不可缺少的必需氨基酸之一，L-色氨酸除了在营养代谢中起重要作用外，还广泛应用于医药、食品、饲料等方面。

目前利用发酵液提纯L-色氨酸的方法是先后经过下述两个步骤：

(1)粗品制备

所述“发酵液”可以是以口服葡萄糖、稻米、或其它替代物质为原料在L-色氨酸产生菌作用下经过一定的常规工序得到的L-色氨酸发酵液。L-色氨酸发酵液，加硫酸酸化后，微滤膜过滤，阳离子交换树脂柱吸附，水洗，氨水洗脱，收集pH3～5的洗脱液。加醋酸低温冷冻结晶，过滤出粗品。其不足之处是在L-色氨酸粗品提取过程中加入大量的冰醋酸等有机试剂以及硫酸、氨水等无机试剂，得到粗品要经过繁杂的工序对上述药品进行脱除。而大量有机试剂的加入，使得母液的pH值波动较大，杂质较多，而无法循环使用，造成极大的浪费。造成成本增加的同时也给环境带来不良的影响。

(2)纯品制备

中国专利公开了题为“L-色氨酸的提纯方法”的发明创造(公开号为CN101245047)，它是一种将L-色氨酸的粗品(所述粗品含量要在95％以上)进一步提纯为纯品的方法。其工序是：A、待纯化L-色氨酸溶解在水中，形成重量浓度为1～1.5％的溶液，按其重量的0.5～2.5％加入表面氧化活性炭，搅拌吸附后过滤除去表面氧化活性炭，在利用0.15～0.4μm过滤膜进行膜过滤；B、滤液在40～65℃下真空浓缩至原体积的6～10％，降温至3～5℃搅拌结晶；C、结晶液离心过滤得到的白色晶体，经纯水洗涤后，在30～45℃下真空干燥得纯品。其不足是待纯化的L-色氨酸溶解在水中产生的是低浓度的水溶液，且要浓缩至原体积的6～10％，导致后序工艺需要很长时间真空浓缩，能耗大，势必对热敏性高的L-色氨酸产品造成破坏。

发明内容

本发明的目的是提供一种粗品制备过程中母液可循环利用，纯品制备过程中无需真空浓缩结晶的利用发酵液清洁化提纯L-色氨酸的方法。本发明同时还将提供一种利用发酵液制备粗品L-色氨酸的方法。

一种利用发酵液制备粗品L-色氨酸的方法，其特征是让发酵液依次经历下述工序处理：含有L-色氨酸的发酵液经过滤处理，得到的滤液C经浓缩结晶、分离后得到L-色氨酸粗品和母液A，所得母液再循环经过滤处理，滤液浓缩结晶、分离将母液A中残留的L-色氨酸提取；所述的过滤处理包括将含有L-色氨酸的发酵液先经陶瓷膜过滤，所得滤液A再经过超滤膜过滤得到待浓缩的溶液。经超滤膜过滤后的滤液B再经过纳滤膜过滤得到滤液C。

利用发酵液清洁化提纯L-色氨酸的方法，依次包括(1)粗品制备工序；(2)纯品制备工序；所述纯品制备工序包括工序：

(2.1)制备待纯化L-色氨酸溶液；

(2.2)活性炭脱色；

(2.3)过滤；

(2.4)降温搅拌结晶离心；

(2.5)常规程序洗涤、干燥、包装；

其特征是：粗品制备工序包括让发酵液依次经历下述工序处理：

(1.1)微滤；

(1.2)超滤；

(1.3)纳滤；

(1.4)低温浓缩；

(1.5)常规离心分离得粗品并将产生滤液作为母液返回至1.1微滤工序循环；

纯品制备工序依次包括2.1～2.5工序；且2.1所述的待纯化L-色氨酸溶液为粗品酒精溶液，浓度为35％；2.3所述的过滤为板框常规过滤；2.5所述的洗涤采用酒精水溶液进行洗涤，且将其产生的滤液、洗涤液作为母液返回至2.2活性炭脱色工序循环使用。

上述利用发酵液清洁化提纯L-色氨酸的方法，其特征是1.1微滤工序中的顶水体积为残留体积的2～4倍；1.2超滤工序中顶水体积为残留体积的2.7～3.5倍；1.3纳滤工序中顶水体积为残留体积的1.5～3倍。

与现有技术相比，本发明具有显著的特点：

1、在L-色氨酸提纯过程不添加任何的酸碱等化学试剂，没有使用离子交换树脂，很大程度上降低成本，减少污染，缩短了提纯时间。

2、从L-色氨酸发酵液中提取L-色氨酸粗品或L-色氨酸成品的提取过程中，其浓缩结晶后的母液均可以循环使用等操作将其残留的L-色氨酸尽可能的提取，提高了L-色氨酸的回收率，最终的产品的纯度也高，达到98％以上。

3、利用乙醇溶液溶解L-色氨酸粗品，使循环的母液同时具有一定的抗菌功能，避免在后续的工序中因染菌而造成成品的损失，后在浓缩结晶，可以回收一定的酒精，循环使用，节省成本。

具体实施方式

利用发酵液清洁化提纯L-色氨酸的方法，依次包括(1)粗品制备工序；(2)纯品制备工序；粗品制备工序按如下工序依序进行：

(1.1)微滤(MF)：采用陶瓷膜进行对发酵液除菌。所述经陶瓷膜过滤过程中，顶水体积为陶瓷膜内残留液体积的2～4倍，其优选为2.5～3倍；所述的顶水体积是指发酵液在陶瓷膜中运行至其死循环体积后，加一定体积的水将陶瓷膜中残留的产品进一步的洗脱。

使用陶瓷膜可以去除发酵液中菌体、大分子有机物以及固体悬浮物，其中顶水体积对陶瓷膜过滤的收率影响很大，本发明将其控制为陶瓷膜内残留液体积的2～4倍，发酵液中L-色氨酸回收率达到97％以上，如果顶水体积太大，L-色氨酸的回收率提高了，但是滤液的浓度降低，给后续浓缩结晶是不利的，如果顶水体积太小，不能将L-色氨酸很好的回收。在顶水操作中，可采用连续多次的顶水，可以采用一次或二次添加，顶同样多的水量，前者比较耗时，但能顶出较多的成分。

在经陶瓷膜过滤过程中，进口压力控制约0.3Mpa，出口压力控制约0.2Mpa，其平均通量可达到75～100LPHm²；在发酵液过滤过程中，运行温度控制在35-45℃。

所述的陶瓷膜包括Al₂O₃膜、TiO₂膜、SiO₂膜、ZrO₂膜等。

(1.2)超滤(UF)：超滤膜主要用于料液的脱色澄清、去除分级大分子或细小胶体物等。在超滤过程中，分别采用截留分子量1000、2000、3000、4000等系列膜，其优选超滤膜的膜截留分子量3000道尔顿，过高则脱色效果差；过低则膜滤速度太慢，耗用时间长，虽然脱色更好，但是时间过长则有效含量损失过多，且运行费用增高；在超滤膜过滤过程中操作压力0.9～1.2Mpa，滤液A的温度控制在30～40℃。

在滤液A超滤过程中，顶水体积为超滤膜残留溶液体积的2.5～4倍，其优选顶水体积为2.7～3.5倍；超滤膜的膜通量为9～15LPHM²，其优选10～12LPHM²。

在此条件下进行超滤，可以进一步的除去较大分子量的物质以及部分色素。如果温度太高，通量虽然可以相应的增大，但是色素等大分子物质透过较多，相反，如果温度太低，通量则小，不能将杂质较大分子量的物质或部分色素除去。在上述顶水体积下，L-色氨酸的回收率达到98.9％以上。

(1.3)纳滤(NF)：采用纳滤将水与一价盐、二价盐等分子透过，浓缩的同时，起到纯化的目的。纳滤过程中，采用任何纳滤膜均可以，其优选为截留150道尔顿。同超滤膜相似，通过系列试验，高则透过过多，低则膜滤速度过慢，一方面能耗过高，另一方面损失过多。

所述的滤液B在纳滤过程中，操作压力为1.0～1.4Mpa；滤液B的温度控制在25～35℃；纳滤膜的膜通量为10～20LPHM²，其优选膜通量为13～18LPHM²。

滤液B在纳滤过程中，顶水体积为纳滤膜内残留液体积的1.5～3倍，其优选顶水体积为2.0～2.7倍。

(1.4)低温浓缩：将纳滤后的料液C在60～65℃的水浴加热下真空浓缩，至料液中有大量的晶体出现。然后迅速冷冻至温度6～8℃，冷冻结晶6h。

(1.5)常规离心分离得粗品并将产生的滤液作为母液循环至1.1微滤工序。

所述纯品制备工序依序包括工序：

(2.1)制备待纯化的L-色氨酸溶液：将L-色氨酸粗品溶解在40％(V/V)酒精水溶液混合试剂中，在温度60～65℃下配制成重量比为3.0～3.5％的溶液。

(2.2)活性炭脱色：按质量体积比投入上述体积0.5～1％的粉末活性炭进行搅拌脱色，脱色温度为60～65℃，脱色时间为15min。

(2.3)过滤：脱色结束后采用板框常规过滤，过滤过程中要保持温度，防止温度降低结晶后被活性炭吸附，最后将65℃酒精水溶液洗涤活性炭，洗脱吸附在活性炭上的L-色氨酸。

(2.4)降温搅拌结晶：在上述所得活性炭脱色后的料液，在搅拌状态迅速冷却至8～12℃，然后在逐渐冷却至6℃左右静置5h。

(2.5)常规程序洗涤、干燥、包装：离心后用40％(V/V)酒精水溶液进行洗涤，并将产生的滤液作为母液循环至(2.2)活性炭脱色工艺循环使用，干燥后得到L-色氨酸的纯品。

发酵罐中的发酵液体积为16T，L-色氨酸含量为32Kg/T。采用本发明工艺，陶瓷膜微滤浓缩6倍，进口压力控制约0.3Mpa，出口压力控制约0.2Mpa，在发酵液过滤过程中，运行温度控制在35～45℃。平均通量：80LPHM²，处理时间10h，顶水7.5T，残留体积为2.5T，残留含量5kg/T，陶瓷膜收率＝1-(2.5×5)/(16×32)＝97.6％；超滤膜过滤浓缩14倍，超滤膜过滤过程中操作压力0.9-1.2Mpa，滤液的温度控制在30～40℃。平均通量按照12LHPM²，顶水体积4.5T，残留体积1.5T，残留含量4kg/T，超滤膜收率＝1-(1.5×4)/(21×23.8)＝98.8％；纳滤膜的损失较小。整个过程处理20h，没有高温条件下，L-色氨酸的效价因存在一定污染而损失，大概在5％，三道膜过滤后，收率为91.4％。浓缩结晶过程，因有纳滤先对料液进行预浓缩，低温结晶的时间缩短1倍以上，L-色氨酸因与水共热的时间缩短，破坏较小，浓缩结晶步骤的收率为93％，离心后母液回至微滤工序处理，粗品溶解于酒精与水的混合溶剂中，溶解温度60～65℃，溶解重量比为30～35Kg/T，投入活性炭脱色，过滤后，冷冻结晶。因活性炭存在一定的吸附以及冷冻过程中的效价损失，其收率为92％，得到的成品采用氨基酸分析仪与荧光比色检测，纯度高达98.8％。从发酵液到纯品的收率为＝1-2.4％-1.2％-5％-7％-8％＝76.6％。

Claims (3)

1.一种利用发酵液制备粗品L-色氨酸的方法，其特征是让发酵液依次经历下述工序处理：含有L-色氨酸的发酵液经过滤处理，得到的滤液C经浓缩结晶、分离后得到L-色氨酸粗品和母液A，所得母液再循环经过滤处理，滤液浓缩结晶、分离将母液A中残留的L-色氨酸提取；所述的过滤处理包括将含有L-色氨酸的发酵液先经陶瓷膜过滤，所得滤液A再经过超滤膜过滤得到待浓缩的溶液；经超滤膜过滤后的滤液B再经过纳滤膜过滤得到滤液C。

2.利用发酵液清洁化提纯L-色氨酸的方法，依次包括(1)粗品制备工序；

(2)纯品制备工序；所述纯品制备工序依次包括工序：

(2.1)制备待纯化L-色氨酸溶液：将L-色氨酸粗品溶解在40％(V/V)酒精水溶液混合试剂中，在温度60～65℃下配制成重量比为3.0～3.5％的溶液；

(2.2)活性炭脱色：按质量体积比投入上述体积0.5～1％的粉末活性炭进行搅拌脱色，脱色温度为60～65℃，脱色时间为15min；

(2.3)过滤：脱色结束后采用板框常规过滤，过滤过程中要保持温度，防止温度降低结晶后被活性炭吸附，最后将65℃酒精水溶液洗涤活性炭，洗脱吸附在活性炭上的L-色氨酸；

(2.4)降温搅拌结晶离心：将2.3所得活性炭脱色后的料液在搅拌状态迅速冷却至8～12℃，然后在逐渐冷却至6℃静置5h，离心分离；

(2.5)常规程序洗涤、干燥、包装：离心后用40％(V/V)酒精水溶液进行洗涤，并将产生的滤液作为母液循环至(2.2)活性炭脱色工艺循环使用，干燥后得到L-色氨酸的纯品；

其特征是：粗品制备工序包括让发酵液依次经历下述工序处理：

(1.1)微滤：采用陶瓷膜进行对发酵液除菌，所述经陶瓷膜过滤过程中，顶水体积为陶瓷膜内残留液体积的2～4倍；在顶水操作中，采用连续多次的顶水，采用一次或二次添加，顶同样多的水量；在经陶瓷膜过滤过程中，进口压力控制0.3Mpa，出口压力控制0.2Mpa，平均通量75～100LPHm²；在发酵液过滤过程中，运行温度控制在35-45℃；所述的陶瓷膜包括Al₂O₃膜、TiO₂膜、SiO₂膜、ZrO₂膜；

(1.2)超滤：在超滤过程中，采用截留分子量1000、2000、3000、4000道尔顿系列之一膜，在超滤膜过滤过程中操作压力0.9～1.2Mpa，经陶瓷膜过滤所得的滤液A的温度控制在30～40℃；在滤液A超滤过程中，顶水体积为超滤膜残留溶液体积的2.5～4倍；超滤膜的膜通量为9～15LPHM²；

(1.3)纳滤：用纳滤将水与一价盐、二价盐分子透过，浓缩；纳滤过程中，采用任何纳滤膜均可以；经超滤所得滤液B在纳滤过程中，操作压力为1.0～1.4Mpa；滤液B的温度控制在25～35℃；纳滤膜的膜通量为10～20LPHM²；顶水体积为纳滤膜内残留液体积的1.5～3倍；

(1.4)低温浓缩：将纳滤后的料液在60～65℃的水浴加热下真空浓缩，至料液中有大量的晶体出现，然后迅速冷冻至温度6～8℃，冷冻结晶6h；

(1.5)常规离心分离得粗品并将产生的滤液作为母液返回至1.1微滤工序循环。

3.根据权利要求2所述的利用发酵液清洁化提纯L-色氨酸的方法，其特征是1.1微滤工序中的顶水体积为残留体积的2～4倍；1.2超滤工序中顶水体积为残留体积的2.7～3.5倍；1.3纳滤工序中顶水体积为残留体积的1.5～3倍。