CN102757355A - 一种利用膜分离与电渗析组合技术从发酵液中提取分离l-异亮氨酸的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用膜分离与电渗析组合技术从发酵液中除盐的提取分离L-异亮氨酸的方法，属于生物化工技术领域。本发明步骤为：（1）发酵液除菌体；（2）发酵清液过电渗析除去无机盐；（3）除盐清液除小分子杂质；（4）发酵液反渗透膜预浓缩；（5）发酵液浓缩结晶。本发明方法具有条件温和、操作简便、分离步骤少、选择性好的特点，克服了现有离子交换技术存在的收率不高、污水排量大及生产强度大的缺点，并且使L-异亮氨酸的收率和质量显著提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种L-异亮氨酸的提取分离方法，尤其涉及一种利用膜分离与电渗析组合技术从L-异亮氨酸发酵液中除去无机盐的分离提取的方法，属于生物化工技术领域。
背景技术
L-异亮氨酸作为支链氨基酸之一，系人体必须氨基酸，具有多种生理功能。因其特殊的结构和功能，在人类生命代谢中占有重要的地位，主要用以配制复合氨基酸输液、合成多肽药物和食品抗氧化剂等，尤其是在医学研究和治疗中的作用，日益受到重视。它在血脑屏障、肝昏迷、慢性肝硬化以及肾功能衰竭的治疗，先天性代谢缺陷病的膳食治疗，败血症及术后糖尿病患者的治疗，加快外科创伤愈合，肿瘤患者的营养支持治疗中应用广泛。因此，在医药和食品行业具有广泛的应用及商业价值。
以发酵法生产L-异亮氨酸具有原料成本低、反应条件温和、容易实现产业化生产等优点，是目前生产L-异亮氨酸最主要的方法。
氨基酸发酵液是培养基经过液体发酵产生的，其中包括产品、副产品，培养基残留物、菌体等物质。发酵产物的分离与提取在生产中占有重要位置，生产中要把氨基酸发酵液中菌体、胶体悬浮物、无机盐从产品中脱除。目前，L-异亮氨酸的提取传统的生产工艺普遍采用离子交换工艺，通过离子交换技术去除发酵液中的无机盐。该工艺的一般过程为：发酵液过滤除去菌体、离子交换通过吸附洗脱过程分离氨基酸，采用该工艺从发酵液中分离提取L-异亮氨酸存在以下问题：一是采用过滤的方法去除菌体，由于菌体细小，通常菌体去除不彻底；二是L-异亮氨酸发酵液色值比较高，普通活性炭脱色不完全并且用量大，影响产品质量和收率；三是L-异亮氨酸发酵液中杂质成分多、含量高，直接使用离子交换法处理，树脂污染严重，容易引起树脂结构破环而失去再生能力，增加了运行成本，同时高含量的离子性物质会使树脂快速饱和，增加树脂再生次数，造成污水排放量大等问题。
上述L-异亮氨酸提取工艺是二十世纪八十年代建立起来的。随着生化分离技术的进步，各种先进的分离设备和工艺在生产中发挥越来越大的作用，特别是膜分离技术和电渗析除盐技术的发展和应用，使各种生化分离工艺大为改观。膜分离技术用于发酵产品的分离精制已有成功的先例，但利用膜分离与电渗析组合技术从发酵液中分离提取L-异亮氨酸，还未见报道。
电渗析电驱动膜分离器是一种利用膜的选择透过性对水中的物质进行分离而达到脱盐、浓缩等预期目的的一种膜分离设备。电渗析器的主要部件为阴、阳离子交换膜、隔板与电极三部分。隔板构成的隔室为液体流过经过的通道。物料经过的隔室为脱盐室，浓水经过的隔室为浓缩室。在直流电场的作用下，利用离子交换膜的选择透过性，阳离子透过阳膜，阴离子透过阴膜，脱盐室的离子向浓缩室迁移，浓缩室的离子由于膜的选择透过性而无法向脱盐室迁移。这样淡室的离子浓度逐渐降低，相应的浓室的离子浓度相应逐渐升高，即把物料的盐分脱除，达到分离浓缩的目的。其中由电渗析得到的浓室溶液可用于发酵培养基无机盐循环使用，节约了原材料。
工艺说明：氨基酸发酵液经调整至等电点，然后通过电渗析电驱动膜淡水室脱盐，使溶液得到纯化。溶液经原料泵送入离子膜组成的电渗析电驱动膜分离器，在直流电场力的作用下定向运动，阳离子向阴极下移动，阴离子向阳极下移动。溶液在直流电场下分别将钠离子、氯离子等带电荷离子迁移出去，原L-异亮氨酸发酵液电导率15000～50000μS/cm，调节pH：5.0～7.5，10-40℃。经电渗析电驱动膜处理后除盐清液的电导率在1000μS/cm以下，损失率约在5%以下。
发明内容
针对现有离子交换技术的不足，本发明要解决的问题是提供一种利用膜分离与电渗析组合技术从发酵液中除盐分离提取L-异亮氨酸的方法，该方法具有条件温和、操作简便、分离步骤少、选择性好的特点，克服了现有技术存在的收率不高、污水排量大及生产强度大的缺点，并且使L-异亮氨酸的收率和质量显著提高。
本发明提供的利用膜分离与电渗析组合技术从发酵液中分离提取L-异亮氨酸的基本步骤是：首先将发酵液通过截留分子量10万-100万的超滤膜，彻底去除发酵液中的菌体，得到L-异亮氨酸发酵清液。得到的发酵清液经连续电渗析设备分离无机盐，再用分子量为100-3000的纳滤膜去除色素和小分子蛋白等杂质。得到的澄清淡黄色的L-异亮氨酸溶液，经过RO反渗透膜预浓缩、结晶等步骤制得粗品，粗品经精制后得到高纯度的L-异亮氨酸产品。
本发明的技术方案：一种利用膜分离与电渗析除盐组合技术从发酵液中分离提取L-异亮氨酸的方法，具体由以下步骤组成：
（1）发酵液除菌体：将L-异亮氨酸发酵液通过截留分子量10万-100万的超滤膜，彻底去除发酵液中的菌体，得到L-异亮氨酸发酵清液，操作压力为0.15-0.8MPa，操作温度为10-60℃，透析水量以体积百分比计占发酵液进料体积的10%-90%；
（2）电渗析除盐：将步骤（1）得到的L-异亮氨酸发酵清液，其电导率15000～50000μS/cm，调整至等电点pH 5.0～7.5，然后通过电渗析电驱动膜淡室脱盐，使溶液得到纯化。操作温度为10-40℃，浓室加水量0.5-4倍发酵清液料液体积，淡室电导率与浓室保持电导率小于20倍；溶液经原料泵送入离子膜组成的电渗析电驱动膜分离器，在直流电场力的作用下定向运动，阳离子向阴极下移动，阴离子向阳极下移动。溶液在直流电场下分别将无机盐等带电荷离子从淡室迁移出去，当原料液除盐率大于90%时，即可进入下一工序。其中由电渗析得到的浓室盐水可用于发酵培养基无机盐循环使用。
原L-异亮氨酸发酵液电导率15000～50000μS/cm，常温。经电渗析电驱动膜处理后除盐清液的电导率1000μS/cm以下，损失率在5%以下。
（3）除盐清液除小分子蛋白及色素等杂质：将步骤（2）得到的除盐清液用截留分子量为100-3000的纳滤膜去除色素和小分子蛋白等杂质，得到澄清无色的L-异亮氨酸溶液。操作压力为0.5-3.0MPa，操作温度为10-60℃，透析水量以体积百分比计占除盐清液进料体积的10%-90%；
（4）发酵液RO膜预浓缩：将步骤（3）得到澄清无色的L-异亮氨酸溶液通过反渗透膜浓缩，得到固含物为4%-9%的浓缩料液，操作压力为0.5-3MPa，操作温度为10-60℃，渗出纯水用于生产工艺用水；
（5）以常规方法进行浓缩、结晶得到L-异亮氨酸粗品。
上述步骤（1）所述的滤膜孔径优选为截留分子量30万-80万，操作压力优选0.15-0.5MPa，操作温度优选20-30℃，透析水量以体积百分比占发酵液进料体积的10%-90%。
上述步骤（2）所述的电渗析电驱动膜分离器，操作温度优选20-40℃，浓室加水量0.5-2倍发酵清液料液体积，淡室电导率与浓室保持电导率小于20倍；经电渗析电驱动膜处理后除盐清液的电导率1000μS/cm以下，损失率在5%以下。
上述步骤（3）所述的纳滤膜分子量优选300-1000，操作压力优选0.5-2.5MPa，操作温度优选20-40℃，透析水量以体积百分比计占除盐清液进料体积优选10%-50%。
上述步骤（4）所述的RO膜，操作压力优选0.5-2.5MPa，操作温度优选20-40℃，浓缩料液的固含物为4%-9%，渗出纯水用于生产工艺用水。
本发明的有益效果：本发明涉及的从发酵液中除盐分离提取L-异亮氨酸的方法，首次将电渗析技术引入发酵法生产L-异亮氨酸的分离提取，并根据发酵液中杂质的粒度分布建立了一套多级连续电渗析除盐体系，克服了现有技术存在的收率不高、污水排放量大及生产强度高的缺陷，使L-异亮氨酸的收率和质量显著提高，生产成本降低。
与现有离子交换提取工艺技术相比，利用本发明的方法所具有的优越性如下：
1、本发明采用超滤膜过滤去除发酵液中的菌体，改变了常规压滤机过滤的方法。经超滤膜过滤去除菌体彻底，过滤清液澄清透明，并能去除大分子蛋白，除菌效果大大高于过滤法。
2、本发明采用膜分离技术使L-异亮氨酸发酵液中的杂质和色素含量大大降低，表现为料液透光率提高，减少了离交后离子交换液再活性炭脱色工序。
3、电渗析除盐技术替代了离子交换的传统生产工艺，工艺用水量比较：
电渗析最大用水量主要为浓室所需稀释用水，至多为料液用水的4倍。离子交换用水为离子交换再生、洗脱过程形成的大量废水，约占料液体积10倍。
同时通过电渗析处理得到的浓室盐水回用于发酵培养基的无机盐配料，产品的纯度比传统离子交换提取工艺的纯度明显提高。因此电渗析除盐工艺发挥了清洁生产的功效。
附图说明
图1电渗析原理图。
具体实施方式
实施例1
L-异亮氨酸发酵液4L经过截留分子量20万超滤膜过滤去除菌体，操作压力0.3MPa，温度30℃，透析水量1L，滤液彻底去除菌体。然后经6L的组合式电渗析膜设备，温度30℃，得到除盐L-异亮氨酸清液。除盐清液经过截留分子量为500的纳滤膜过滤去除小分子蛋白和色素等杂质，操作压力1.2MPa，温度30℃，透析水量3L，然后经过RO反渗透膜预浓缩。结果见下表1。
电渗析电驱动膜分离器：原液电导率：21500μS/cm
除盐清液电导率：500μS/cm
脱盐率：97.7%
表1
| T（640nm） | 体积（L） | L-异亮氨酸（g/L） | 收率（%） | |
| 发酵液 | 8.3 | 4.0 | 27.1 | 100 |
| 超滤膜滤液 | 71.3 | 4.5 | 23.6 | 98.2 |
| 电渗析 | 73.4 | 4.3 | 24.6 | 97.8 |
| 纳滤清液 | 99.3 | 6.0 | 17.5 | 96.8 |
| RO膜 | 99.1 | 3.0 | 34.3 | 94.9 |
| 总收率 | 94.9 |
实施例2
L-异亮氨酸发酵液330L经过截留分子量80万超滤膜过滤去除菌体，操作压力0.38MPa，温度30℃，透析水量100L，滤液彻底去除菌体。然后经500L的组合式电渗析膜设备，温度30℃，得到除盐L-异亮氨酸清液。除盐清液经过截留分子量为500的纳滤膜过滤去除小分子杂质和色素等杂质，操作压力1.2MPa，温度30℃，透析水量230L，然后经过RO反渗透膜预浓缩。结果见下表2。
电渗析电驱动膜分离器：原液电导率：22300μS/cm
除盐清液电导率：800μS/cm
脱盐率：96.4%
表2
| T（640nm） | 体积（L） | L-异亮氨酸（g/L） | 收率（%） | |
| 发酵液 | 8.9 | 330 | 27.6 | 100 |
| 超滤膜滤液 | 74.6 | 400 | 22.5 | 98.6 |
| 电渗析 | 78.3 | 388 | 22.9 | 97.4 |
| 纳滤清液 | 99.2 | 504 | 17.4 | 96.3 |
| RO膜 | 98.9 | 230 | 37.7 | 95.2 |
| 总收率 | 95.2 |
实施例3
L-异亮氨酸发酵液4.8M3经过截留分子量80万超滤膜过滤去除菌体，操作压力0.4MPa，温度30℃，透析水量1.6M3。滤液彻底去除菌体，然后经8M3的组合式电渗析膜设备，温度30℃，得到除盐L-异亮氨酸清液。除盐清液经过截留分子量为1000的纳滤膜过滤去除小分子杂质和色素等杂质，操作压力1.2MPa，温度30℃，透析水量3.6 M3，然后经过RO反渗透膜预浓缩。结果见下表3。
电渗析电驱动膜分离器：原液电导率：21900μS/cm
除盐清液电导率：700μS/cm
脱盐率：96.8%
表3
| T（640nm） | 体积（M3） | L-异亮氨酸（g/L） | 收率（%） | |
| 发酵液 | 9.2 | 4.8 | 26.4 | 100 |
| 超滤膜滤液 | 75.6 | 5.9 | 21.1 | 98.4 |
| 电渗析 | 79.2 | 5.5 | 22.4 | 97.2 |
| 纳滤清液 | 93.8 | 7.4 | 16.5 | 96.4 |
| RO膜 | 99.5 | 3.5 | 34.3 | 94.8 |
| 总收率 | 94.8 |
Claims (5)
1.一种利用膜分离与电渗析组合技术从发酵液中提取分离L-异亮氨酸的方法，其特征在于由以下步骤组成：
（1）发酵液除菌体：将L-异亮氨酸发酵液通过截留分子量10万-100万的超滤膜，彻底去除发酵液中的菌体，得到L-异亮氨酸发酵清液，操作压力为0.15-0.8MPa，操作温度为10-60℃，透析水量以体积百分比计占发酵液进料体积的10%-90%；
（2）电渗析除盐：将步骤（1）得到的L-异亮氨酸发酵清液，其电导率15000～50000μS/cm，调整至等电点pH 5.0～7.5，过电渗析电驱动膜料液膜分离器装置，操作温度为10-40℃，浓室加水量0.5-4倍发酵清液料液体积，淡室电导率与浓室保持电导率小于20倍；经电渗析电驱动膜处理后所得除盐清液的电导率为1000μS/cm以下，损失率在5%以下；
（3）除盐清液除小分子蛋白及色素杂质：将步骤（2）得到的除盐清液用截留分子量为100-3000的纳滤膜去除小分子蛋白及色素杂质，得到澄清无色的L-异亮氨酸溶液，操作压力为0.5-3.0MPa，操作温度为10-60℃，透析水量以体积百分比计占除盐清液进料体积的10%-90%；
（4）发酵液反渗透膜预浓缩：将步骤（3）得到的澄清无色的L-异亮氨酸溶液通过反渗透膜浓缩，得到固含物为4%-9%的浓缩料液，操作压力为0.5-3MPa，操作温度为10-60℃，渗出纯水用于生产工艺用水；
（5）以常规方法进行浓缩、结晶得到L-异亮氨酸粗品。
2.如权利要求1所述的利用膜分离与电渗析组合技术从发酵液中提取分离L-异亮氨酸的方法，其特征在于，步骤（1）所述的截留分子量30万-80万的超滤膜，操作压力优选0.15-0.5MPa，操作温度优选20-30℃，透析水量以体积百分比计占发酵液进料体积的10%-90%。
3.如权利要求1所述的一种膜分离与电渗析组合技术从发酵液中提取分离L-异亮氨酸的方法，其特征在于，步骤（2）所述的电渗析电驱动膜料液膜分离器装置，原L-异亮氨酸发酵清液电导率15000～50000μS/cm，pH：5.0～7.5，过电渗析电驱动膜料液膜分离器装置，操作温度优选20-40℃，浓室加水量优选0.5-2倍发酵清液料液体积，淡室电导率与浓室保持电导率小于20倍；经电渗析电驱动膜处理后除盐清液的电导率1000μS/cm以下，损失率在5%以下。
4.如权利要求1所述的一种膜分离与电渗析组合技术从发酵液中提取分离L-异亮氨酸的方法，其特征在于，步骤（3）所述的纳滤膜截留分子量优选300-1000，操作压力优选0.5-2.5MPa，操作温度优选20-40℃，透析水量以体积百分比计占除盐清液进料体积优选10%-50%。
5.如权利要求1所述的一种利用膜分离与电渗析组合技术从发酵液中提取分离L-异亮氨酸的方法，其特征在于，步骤（4）所述RO反渗透膜，操作压力优选为0.5-2.5MPa，操作温度优选为20-40℃，得到浓缩料液的固含物为4%-9%，渗出纯水用于生产工艺用水。
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