CN102030698B - 一种利用有机膜分离提取发酵液中l-色氨酸的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用有机膜分离技术分离提取L-色氨酸的方法，先将发酵液的pH调节到一定值后，让发酵液进入微滤-超滤系统料罐进行膜过滤，膜过滤后的澄清发酵液，再次调节发酵液的pH值，进行浓缩结晶，醇结晶，可得精制L-色氨酸结晶体。本发明方法操作简单，条件温和，产品纯度高，成本低，污染小。
Description
技术领域
本发明涉及L-色氨酸的提取方法，具体涉及一种利用有机膜分离提取发酵液中L-色氨酸的方法。
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C11H1202N2，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。L-色氨酸是人体和动物生命活动中八种必需的氨基酸之一，它以游离态或结合态存在于生物体之中。对人和动物的生长发育、新陈代谢起着重要的作用，被称为第二必需氨基酸，广泛应用于医药、食品和饲料等方面。
目前，L-色氨酸生产主要以发酵法生产为主，以微生物直接发酵法生产L-色氨酸，在国外已形成一定规模的工业生产能力。该法具有原料成本低，来源广泛，产品纯度高，反应条件温和等优点，易于工业化生产。近年来，L-色氨酸作为必需氨基酸，价格一直较高，L-色氨酸更希望有廉价高效的生产及提取方法，以便推进L-色氨酸的应用。和其他生物工程产品一样，色氨酸工业生产也常常会受到生产成本的制约，而在生产成本的构成中，分离提取等下游工程的成本占有相当的比例。因此，研究L-色氨酸提取方法具有重要的理论意义和实用价值。
微生物发酵液中往往存在着大量的菌体、杂蛋白和胶体颗粒等物质，这些物质的存在使产物收率和结晶质量下降。因此，在进行分离前必须先将其除去。传统的方式是先将发酵液进行絮凝或离心去除菌体，然后通过离子交换及活性炭脱色，进而以蒸发和等电结晶步骤获得产品。在此过程中由于离子交换法使用大量的氨水进行洗脱，致使废水中大量NH3-N的产生，造成严重的环境污染。
膜分离技术是近年来发展较快的一门新兴高效分离技术。目前膜分离技术以其在常温下操作无相态变化、分离精度高、选择性强、污染小等优点，逐步取代絮凝法、离心法成为分离提取发酵液中产物的主要方法。目前经常使用的膜过滤方法为有机膜过滤、无机膜过滤和金属膜过滤。L-色氨酸作为典型的发酵产品，其发酵液中亦存在菌丝体、蛋白质(包括可溶性蛋白)和悬浮的固体颗粒。利用金属超滤膜分离系统可有效除杂，简化生产工艺流程，降低生产成本。
针对目前色氨酸发酵液中大分子蛋白含量高、目的产物浓度大的料液特性，本发明采用有机微滤-超滤膜分离系统错流过滤去除发酵液中的菌体、大部分蛋白和部分色素，具有以下特点：(1)有机膜微滤和超滤膜组件材质相同，降低物料性质的改变对膜过滤性能的影响，适用性强，有利于行业推广；与膜套件全部采用胀焊连接，杜绝渗漏的可能；(2)力学强度高；(3)耐酸碱，不易水解；(4)耐污染清洗容易；(5)设备系统占地面积小。
发明内容
本发明的主要目的是解决现有分离提取方法提取L-色氨酸存在的分离成本高和蛋白去除率低的问题，提供一种利用有机膜分离技术从发酵液中分离提取L-色氨酸的方法。
本发明采用如下技术方案：
一种利用有机膜分离技术分离提取L-色氨酸的方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
(1)将L-色氨酸发酵液的活菌灭活后，调节pH值至6.0-7.0，然后进入有机微滤-超滤膜分离系统进行膜过滤，发酵液先进入微滤-超滤系统料罐进行微滤，微滤后的滤液加至储料罐进行超滤，得到澄清的L-色氨酸发酵液；
(2)将步骤(1)超滤后的L-色氨酸发酵液的pH值调节至4.0～6.0，然后加入活性炭进行脱色，其中，每100ml发酵液中活性炭的加入量为0.5g-2g，脱色温度为15-80℃，脱色温度为15-80℃；
(3)将步骤(2)脱色后的L-色氨酸发酵液进行减压蒸发，浓缩体积至原液的20％～50％，至有结晶析出时停止蒸发；
(4)将步骤(3)浓缩液的pH值调至3.0-6.0，让其自然结晶，结晶结束后，将析出的晶体过滤、洗涤得到L-色氨酸晶体和母液；
(5)将步骤(4)所得的晶体溶于蒸馏水中，得到浓度为10～20％L-色氨酸水溶液，再加入等体积的95％的乙醇溶液，搅拌均匀后，养晶0-20h制得L-色氨酸晶体；
(6)上述步骤(4)中得到的母液重复步骤(2)、(3)、(4)，得到L-色氨酸晶体和二次母液，所得晶体重复步骤(5)处理，得精制L-色氨酸结晶；二次母液与膜过滤后的发酵液混合循环使用。
所述的利用有机膜分离技术分离提取L-色氨酸的方法，其特征在于：步骤(1)所述的有机微滤-超滤膜分离系统中所述的膜系统由双酚型聚砜为填料的316不锈钢套件卷式微滤及超滤有机膜组成：微滤膜孔径0.15um-0.2um，通道内径7mm，外径10mm，有效过滤面积0.2m2，多通道，通道间隙1.2mm，膜管长度1000mm；超滤膜孔经50nm-70nm，截留分子量1000-5000MW，通道内径4mm，外径30mm，有效过滤面积2.1m2，多通道，通道间隙1.2mm，膜管长度1000mm；最高操作温度45℃，pH范围1-14，操作压力0.3-2.5Mpa。
所述的利用有机膜分离技术分离提取L-色氨酸的方法，其特征在于：所述步骤(2)、(4)的PH值调节至5.0-6.0。
与现有工艺相比，本发明的方法具有以下特点：
1、本发明采用有机膜过滤菌体，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，同时较金属膜过滤方式减少了设备投入费用；
2、本发明解决了一步法超滤过程中膜通量低的难题，将有机膜过滤引入发酵法生产L-色氨酸分离提取领域，使其应用领域得到拓展。
3、本发明采用的有机膜使用寿命长，占地面积小，耐高温、耐酸碱、易于清洗且装置维护方便；
4、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、主要污染物COD和NH3-N排放少、产品收率高、质量好等特点；
5、本发明精制后的L-色氨酸产品质量显著提高，经醇析结晶得到的L-色氨酸产品经氨基酸分析仪分析测定纯度达98.5％以上。
具体实施方式
实施例1：
a、取L-色氨酸发酵液100L调节pH6.5左右，进入微滤-超滤系统料罐(膜组件均为有机膜，微滤膜孔经0.15um-0.2um，超滤膜孔经50nm-70nm)，控制过滤温度在50℃以下，启动微滤设备，调节膜进出口压差为0.8-0.9MPa，利用微滤膜对不同分子量物质截流率的不同，使菌体、杂蛋白截留在滤渣内，当进出膜压差明显降低时，放出微滤滤液。清液L-色氨酸回收率达93.5％，蛋白去除率78.2％，色素去除率达17.5％，膜通量达到62L·(m2·h)-1。清液加至储料罐进行超滤，进出膜压差为1.0MPa，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-色氨酸滤液115L，膜通量、色素去除率、蛋白去除率及产品回收率可达45L·(m2·h)-1、58.5％、96.3％和97.4％。
b、将a得到澄清的L-色氨酸发酵液调整pH为6.0，加入活性炭进行脱色，每100ml的发酵液体积里加入的活性炭为1.0g，脱色温度为60℃，脱色时间30min；使用752分光光度计于560nm下测透光达90％以上；
c、将b步脱色后的L-色氨酸发酵液进行减压蒸发浓缩，浓缩至原液的50％左右，至有结晶析出时停止蒸发；
d、浓缩液调pH为6.0，搅拌转速为65rpm，结晶5h，过滤、洗涤得到L-色氨酸晶体和母液；
e、将d步所得晶体加热溶于一定蒸馏水中，使L-色氨酸浓度达到20％，加入等体积95％乙醇，搅拌转速为50rpm，养晶12h，可得精制L-色氨酸结晶，L-色氨酸总收率为65.3％。
实施例2：
不同进出膜压力下L-色氨酸发酵液有机膜微滤
直接应用超滤膜分离效果不理想，可应用系统微滤膜进行预过滤，以确保后道超滤工序的顺利进行。有机膜耐压强度有限(本套小试设备，最大耐压2.5MPa)，因此在保证过滤效果的情况下，尽量加大压力及压差，减少膜表面污染层的厚度。当压力和压差都很低时，膜通量大幅度降低，过滤时间大大增加，过滤效率降低，同时此工序的过滤效果将直接影响超滤工序的过滤效果。不同操作条件下进出膜压力对头道微滤工序的影响，结果如表2所示：
表2不同压力及压差下L-色氨酸发酵液微滤结果
实施例3：
不同进出膜压力下L-色氨酸发酵液有机膜超滤
将经过微滤膜的滤过液，泵入储液罐中，此时蛋白去除率已经达到62.8％，滤过液对超滤膜的污染程度将降低，控制料液温度在40℃左右，分别在不同压力和压差条件下进行超滤工序操作。考察不同条件下对膜过滤效果的影响，结果如表2所示：
表2不同压力及压差下超滤结果
注：透过液外观澄清透明，透过液中菌体含量为0。
Claims (2)
1.一种利用有机膜分离技术分离提取L-色氨酸的方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
(1)将L-色氨酸发酵液的活菌灭活后，调节pH值至6.0-7.0，然后进入有机微滤-超滤膜分离系统进行膜过滤，发酵液先进入微滤-超滤系统料罐进行微滤，微滤后的滤液加至储料罐进行超滤，得到澄清的L-色氨酸发酵液；
(2)将步骤(1)超滤后的L-色氨酸发酵液的pH值调节至4.0～6.0，然后加入活性炭进行脱色，其中，每100ml发酵液中活性炭的加入量为0.5g-2g，脱色温度为15-80℃；
(3)将步骤(2)脱色后的L-色氨酸发酵液进行减压蒸发，浓缩体积至原液的20％～50％，至有结晶析出时停止蒸发；
(4)将步骤(3)浓缩液的pH值调至3.0-6.0，让其自然结晶，结晶结束后，将析出的晶体过滤、洗涤得到L-色氨酸晶体和母液；
(5)将步骤(4)所得的晶体溶于蒸馏水中，得到浓度为10～20％L-色氨酸水溶液，再加入等体积的95％的乙醇溶液，搅拌均匀，养晶0-20h，可得精制L-色氨酸结晶；
(6)上述步骤(4)中得到的母液重复步骤(2)、(3)、(4)，得到L-色氨酸晶体和二次母液，所得晶体重复步骤(5)处理，得精制L-色氨酸结晶，二次母液与膜过滤后的发酵液混合循环使用；
步骤(1)所述的有机微滤-超滤膜分离系统中所述的膜系统由双酚型聚砜为填料的316不锈钢套件卷式微滤及超滤有机膜组成：微滤膜孔径0.15um-0.2um，通道内径7mm，外径10mm，有效过滤面积0.2m2，多通道，通道间隙1.2mm，膜管长度1000mm；超滤膜孔径 50nm-70nm，截留分子量1000-5000MW，通道内径4mm，外径30mm，有效过滤面积2.1m2，多通道，通道间隙1.2mm，膜管长度1000mm；最高操作温度45℃，pH范围1-14，操作压力0.3-2.5Mpa。
2.根据权利要求1所述的利用有机膜分离技术分离提取L-色氨酸的方法，其特征在于：所述步骤(2)、(4)的pH值调节至5.0-6.0。
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