CN102001972A - 从发酵液中分离提取l-精氨酸的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种从发酵液中分离提取L-精氨酸的方法，包括以下步骤：首先将L-精氨酸发酵液通过金属微滤膜进行微滤；然后进行脱色；减压蒸发；结晶；精制。本发明工艺简单易行，采用金属膜使用寿命长，耐高温、耐酸碱，易于清洗且装置维护方便，投资少；提取过程全部采用物理分离方法，过程中消耗的酸、碱及蒸汽低，提取成本大为降低，且具有条件温和，操作简便，分离步骤少，废水排放少、收率高、产品质量好等特点，经醇析结晶得到的L-精氨酸产品经分析纯度达99％以上。

Description

从发酵液中分离提取L-精氨酸的方法

技术领域

本发明涉及发酵法生产氨基酸的技术领域，特别是涉及一种在发酵法生产L-精氨酸过程中的L-精氨酸提取工艺。

背景技术

L-精氨酸分子式C₆H₁₄N₄O₂，分子量174.20。为白色棱形结晶，含2分子结晶水。溶于水，微溶于乙醇，不溶于乙醚。L-精氨酸是人体和动物体内的半必需氨基酸，也是生物体尿素循环的一种重要中间代谢物，在医药、食品、饲料领域具有广泛的用途。

精氨酸目前在国内，主要是通过毛发水解和发酵法来生产。发酵法相对成本更有优势。精氨酸发酵液经过菌体分离，离子交换，浓缩结晶可得到精氨酸晶体。常用的菌体分离方法操作繁复，菌体蛋白、色素去除率低。

发明内容

为解决现有分离提取方法中存在的菌体去除率和产品质量不高的问题，本发明的主要目的是提供一种从发酵液中分离提取L-精氨酸的方法，其工艺简单易操作，成本下降，收率高，且大大提高了产品质量。

本发明的目的是这样实现的：一种从发酵液中分离提取L-精氨酸的方法，其特征在于包括以下步骤：(1)将L-精氨酸发酵液通过金属微滤膜进行微滤，除去菌体和蛋白杂质，得到澄清的L-精氨酸发酵液；(2)将上步得到澄清的L-精氨酸发酵液pH调整为3.0～11.0，进行脱色；(3)将脱色后的L-精氨酸发酵液进行减压蒸发，至有结晶析出时停止蒸发；(4)浓缩液pH调整为3.0～11.0，搅拌转速0～300rpm，结晶，过滤、洗涤得到L-精氨酸晶体和母液；(5)将所得晶体溶于蒸馏水中，使L-精氨酸浓度达到30-60％，加入等体积95％乙醇，搅拌转速为0～200rmp，养晶，得精制L-精氨酸结晶。

所述的步骤(1)中，L-精氨酸发酵液进入金属微滤膜前，先用碱将发酵液pH调至6.5±1.0，搅拌加热，加入发酵液体积0.1～0.5％的硅藻土或珍珠岩。

所述的的步骤(1)中，L-精氨酸发酵液通过金属微滤膜错流过滤，操作温度控制在20～90℃，进膜压力与出膜压力差0.2～1.5Mpa，滤速控制在60～200ml/min。

所述步骤(2)中L-精氨酸发酵液pH调整6.0～11。

所述步骤(2)中，加入活性炭进行脱色，活性炭加入量为发酵液体积的0.2～3％，脱色温度为10～80℃。

所述步骤(4)中，转速为100～150rpm，结晶0～15h。

所述步骤(5)中，搅拌转速为100～200rmp，养晶4～15h。

所述步骤(4)中得到的母液经步骤(2)、(3)、(4)得到L-精氨酸晶体和二次母液，所得晶体用步骤(5)处理，得精制L-精氨酸晶体和二次母液。

所述的二次母液脱盐后与金属微滤膜过滤后的发酵液混合循环使用。

所述的脱盐采用离子交换装置、或纳滤装置、或电渗析装置。

本发明工艺简单易行，采用金属膜使用寿命长，耐高温、耐酸碱，易于清洗且装置维护方便，投资少；提取过程全部采用物理分离方法，过程中消耗的酸、碱及蒸汽低，提取成本大为降低，且具有条件温和，操作简便，分离步骤少，废水排放少、收率高、产品质量好等特点，经醇析结晶得到的L-精氨酸产品经分析纯度达99％以上。

具体实施方式

本发明是一种从发酵液中分离提取L-精氨酸的方法，包括以下步骤：

(1)将L-精氨酸发酵液通过金属微滤膜(不锈钢管式膜分离系统)进行微滤，除去菌体和蛋白杂质，得到澄清的L-精氨酸发酵液。较好的，L-精氨酸发酵液进入金属微滤膜前，先用碱将发酵液pH调至6.5±1.0，搅拌加热，加入发酵液体积0.1～0.5％的硅藻土或珍珠岩。过滤时，L-精氨酸发酵液通过金属微滤膜错流过滤，操作温度控制在20～90℃，进膜压力与出膜压力差0.2～1.5Mpa，滤速控制在60～200ml/min。采用金属微滤膜过滤菌体和蛋白杂质，改变了常规发酵液处理采用的离心、压滤机压滤等方法，降低了维修费用，降低了工人的劳动强度，除去菌体彻底，过滤液澄清透明。采用金属微滤膜截留大于滤膜微孔的微粒和大分子物质，能保证定量截留。膜过滤分静态过滤和错流过滤。较好的，采用错流过滤，能够过滤混浊度较高的液体，其作用方式是，液体以切线方向流过膜表面，经过膜表面时产生剪切力可使沉积在膜表面的混浊颗粒扩散回主体流，从而使膜表面污染层保持在一个较薄的稳定水平，防止出现快速堵塞。本发明采用不锈钢管式膜分离系统错流过滤去除发酵液中的菌体和蛋白，与其他错流过滤装置相比较，该设备主要具有以下优点：1、膜与膜外壳全部采用胀焊连接，无需任何外加连接件，杜绝渗漏的可能；2、机械强度高；3、耐有机溶媒；4、采用金属微滤膜耐污染易清洗。

(2)将上步得到澄清的L-精氨酸发酵液pH调整为3.0～11.0，进行脱色。较好的，L-精氨酸发酵液pH调整6.0～11。采用活性炭进行脱色，活性炭加入量为发酵液体积的0.2～3％，脱色温度为10～80℃。实用752分光光度计于430nm下测透光达85％以上。

(3)将脱色后的L-精氨酸发酵液进行减压蒸发，浓缩体积至原液的20％～80％，至有结晶析出时停止蒸发。

(4)浓缩液pH调整为3.0～11.0，搅拌转速0～300rpm，最佳转速为100～150rpm，结晶0～15h，最佳结晶10h，过滤、洗涤得到L-精氨酸晶体和母液。

(5)将所得晶体溶于蒸馏水中，使L-精氨酸浓度达到30-60％，加入等体积95％乙醇，搅拌转速为0～200rmp，养晶4～15h，(最佳转速为100～150rpm，结晶0～20h，最佳结晶12h)，得精制L-精氨酸结晶。

步骤(4)中得到的母液可再经步骤(2)、(3)、(4)得到L-精氨酸晶体和二次母液，所得晶体用步骤(5)处理，得精制L-精氨酸晶体和二次母液。二次母液脱盐后与金属微滤膜过滤后的发酵液混合循环使用。脱盐采用离子交换装置、或纳滤装置、或电渗析装置。

实施例1

a、取L-精氨酸发酵液25L于80℃加热10min以上，调节pH6.0左右，加入发酵液体积0.1～0.5％的硅藻土，然后注入微滤设备料罐，微滤膜为金属膜(该膜系统以非对称多孔316L不锈钢粉末为衬体烧结TiO₂惰性涂层，孔径50nm-100nm，截留分子量5000MW，膜管内径18.3mm膜管外径21.6mm，有效过滤面积0.1m²单孔道，壁厚1.65mm，膜管长80cm，最高操作压力4～6Kg/cm²最高操作温度200℃，pH范围0～14，系统流速5～10m/s)。系统截留分子量为2000～50000MW，冷凝管中通入冷却水，控制温度40℃，检查设备是否处于正常状态，启动微滤设备，调节膜进口压差为0.6kg/cm²，利用微滤膜对不同分子量物质截留率的不同，使菌体、杂蛋白截留在滤渣内，当进出膜压差明显降低时，补入适量去离子水，过滤完后得到L-精氨酸滤液30L滤出液蛋白去除率为95.5％以上。

b、将上步得到澄清的L-精氨酸发酵液加入活性炭进行脱色，活性炭加入量为发酵液体积的1.5％，脱色温度为65℃；使用752分光光度计于430nm下测透光达90％以上；

c、将上步脱色后的L-精氨酸发酵液进行减压蒸发，浓缩体积至原液的45％左右，至有结晶析出时停止蒸发；

d、搅拌转速为120rpm，结晶12h过滤、洗涤得到L-精氨酸晶体和母液；

e、将d步所得晶体溶于一定蒸馏水中，使L-精氨酸浓度达到50％，加入等体积95％乙醇，搅拌转速为120rpm，养晶12h，可得精制L-精氨酸结晶，L-精氨酸总收率为82％。纯度为99％以上。

实施例2：

a、取L-精氨酸发酵液20L于80℃加热10min以上，调节pH6.0左右，加入微滤设备料罐，微滤膜为金属膜，系统截留分子量为2000～50000MW，冷凝管中通入冷却水，控制温度25℃，检查设备是否处于正常状态，启动微滤设备，调节膜进口压差为0.6kg/cm²，利用微滤膜对不同分子量物质截留率的不同，使菌体、杂蛋白截留在滤渣内，进膜压力与出膜压力分别为3.5kg/cm²和2.5kg/cm²，当进出膜压差明显降低时，补入适量去离子水，过滤完后得到L-精氨酸滤液25L滤出液蛋白去除率为94％以上。

b、将上步得到澄清的L-精氨酸发酵液调整pH为6.0，加入活性炭进行脱色，活性炭加入量为发酵液体积的2.5％，脱色温度为65℃；使用752分光光度计于430nm下测透光达86.0％以上；

c、将上步脱色后的L-精氨酸发酵液进行减压蒸发，浓缩体积至原液的45％左右，至有结晶析出时停止蒸发；

d、浓缩液调pH为6.5，搅拌转速为120rpm，结晶9h过滤、洗涤得到L-精氨酸晶体和母液；

e、将d步所得晶体溶于一定蒸馏水中，使L-精氨酸浓度达到30％，加入等体积95％乙醇，搅拌转速为120rpm，养晶9h，可得精制L-精氨酸结晶，L-精氨酸总收率为84.3％。纯度为99％以上。

实验1(进出膜压差对金属膜过滤的影响)

金属膜过滤的方式是错流过滤，错流过滤能够过滤混浊度较高的液体，其作用方式是：液体以切线方向流过膜表面，经过膜表面时产生剪切力可使沉积在膜表面的混浊颗粒扩散回主体流，从而使膜表面污染层保持在一个较薄的稳定水平，防止出现快速堵塞。压力的变化可影响到膜表面污染层的厚度，所以在过滤过程中对过滤的速度等有影响。在研究压力对金属膜过滤结果的影响时，由于主要差别在于进出膜的压差，而对金属膜的耐压性特别好，所以在过滤过程中能耐受较大的压力和压差。这套中试设备可耐压70Mpa，在发酵液过滤中，为节省能耗优选4.0Mpa以下，考虑过滤速率，进出膜压差优选在0.5Mpa以上，不同压力差对L-精氨酸过滤效果见表1

表1不同压力差对L-精氨酸过滤效果

实验2(温度对金属膜过滤的影响)

过滤温度升高时，L-精氨酸发酵液的粘度降低，发酵液的雷诺系数变大，膜表面流动速率增大，膜表面剪切力增大，是滤层变薄，因而过滤速率增加。本实验研究了不同的过滤温度对L-精氨酸发酵液的蛋白质去除率和色素去除率的影响，并测定了不同温度下的L-精氨酸收率，结果见表2

表2不同的过滤温度对过过滤效果的影响

实验3(L-精氨酸发酵液pH变化与过滤质量的关系)

发酵结束后，L-精氨酸发酵液pH约为6.5，pH变化对蛋白有较大的影响，蛋白质在一定的pH条件下可以沉降，而且pH可影响到后面的树脂处理。L-精氨酸发酵液pH变化与过滤效果的关系见表3。

表3不同pH对L-精氨酸发酵液过滤效果的影响

实验4(助滤剂对金属膜过滤的影响)

发酵液中加入助滤剂，可以使过滤滤饼疏松，减少过滤的阻力，因而可提高过滤的流速，同时助滤剂对发酵液中的蛋白、色素等杂质有吸附作用，但是助滤剂也对L-精氨酸有吸附作用，影响收率。本文以珍珠岩为助滤剂，助滤剂的松散密度小(0.1kg/m3)，可以节省20～30％费用，减少废弃物的处理费用，对过滤设备的负荷相对也小，所以能减少设备维护，方便作用，特别是刮刀的更换次数明显减少，延长了“转鼓过滤机”的使用寿命。其对金属膜过滤效果的影响如表4

表4珍珠岩对L-精氨酸发酵液效果的影响

Claims (10)

1.一种从发酵液中分离提取L-精氨酸的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将L-精氨酸发酵液通过金属微滤膜进行微滤，除去菌体和蛋白杂质，得到澄清的L-精氨酸发酵液；

(2)将上步得到澄清的L-精氨酸发酵液pH调整为3.0～11.0，进行脱色；

(3)将脱色后的L-精氨酸发酵液进行减压蒸发，至有结晶析出时停止蒸发；

(4)浓缩液pH调整为3.0～11.0，搅拌转速0～300rpm，结晶，过滤、洗涤得到L-精氨酸晶体和母液；

(5)将所得晶体溶于蒸馏水中，使L-精氨酸浓度达到30-60％，加入等体积95％乙醇，搅拌转速为0～200rmp，养晶，得精制L-精氨酸结晶。

2.根据权利要求1所述的从发酵液中分离提取L-精氨酸的方法，其特征在于：所述的步骤(1)中，L-精氨酸发酵液进入金属微滤膜前，先用碱将发酵液pH调至6.5±1.0，搅拌加热，加入发酵液体积0.1～0.5％的硅藻土或珍珠岩。

3.根据权利要求1所述的从发酵液中分离提取L-精氨酸的方法，其特征在于：所述的的步骤(1)中，L-精氨酸发酵液通过金属微滤膜错流过滤，操作温度控制在20～90℃，进膜压力与出膜压力差0.2～1.5Mpa，滤速控制在60～200ml/min。

4.根据权利要求1所述的从发酵液中分离提取L-精氨酸的方法，其特征在于：所述步骤(2)中L-精氨酸发酵液pH调整6.0～11。

5.根据权利要求1所述的从发酵液中分离提取L-精氨酸的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，加入活性炭进行脱色，活性炭加入量为发酵液体积的0.2～3％，脱色温度为10～80℃。

6.根据权利要求1所述的从发酵液中分离提取L-精氨酸的方法，其特征在于：所述步骤(4)中，转速为100～150rpm，结晶0～15h。

7.根据权利要求1所述的从发酵液中分离提取L-精氨酸的方法，其特征在于：所述步骤(5)中，搅拌转速为100～200rmp，养晶4～15h。

8.根据权利要求1所述的从发酵液中分离提取L-精氨酸的方法，其特征在于：所述步骤(4)中得到的母液经步骤(2)、(3)、(4)得到L-精氨酸晶体和二次母液，所得晶体用步骤(5)处理，得精制L-精氨酸晶体和二次母液。

9.根据权利要求8所述的从发酵液中分离提取L-精氨酸的方法，其特征在于：所述的二次母液脱盐后与金属微滤膜过滤后的发酵液混合循环使用。

10.根据权利要求9所述的从发酵液中分离提取L-精氨酸的方法，其特征在于：所述的脱盐采用离子交换装置、或纳滤装置、或电渗析装置。