CN103232353A

CN103232353A - 一种从发酵液中高效分离提取l-缬氨酸的方法

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Publication number: CN103232353A
Application number: CN2013101264248A
Authority: CN
Inventors: 邱博; 徐庆阳; 万红兵; 欧阳宇红; 曹文杰; 江衍哲; 龙辉
Original assignee: BEIJING RUIZHI PIONEER TECHNOLOGY CENTER; BEIJING QINGFA BIOTECHNOLOGY CENTER; Tianjin University of Science and Technology
Current assignee: BEIJING RUIZHI PIONEER TECHNOLOGY CENTER; BEIJING QINGFA BIOTECHNOLOGY CENTER; Tianjin University of Science and Technology
Priority date: 2013-04-12
Filing date: 2013-04-12
Publication date: 2013-08-07

Abstract

本发明公开了一种从发酵液中高效分离提取L-缬氨酸的方法，将L-缬氨酸发酵液依次进行微滤、超滤、浓缩、结晶，制得L-缬氨酸第一粗品和粗品母液，将粗品母液进行离子交换处理，进一步回收粗品母液中的L-缬氨酸，经浓缩、结晶，制得L-缬氨酸第二粗品。本发明提取方法总收率高、制得的L-缬氨酸纯度高，在提取过程中分离的菌体蛋白可用作饲料添加剂，离子交换处理的洗脱液还可用作化肥，不仅可以实现含铵废水的零排放，有利于环境保护，此外还可以降低生产成本，提高经济效益。

Description

一种从发酵液中高效分离提取L-缬氨酸的方法

技术领域

本发明涉及氨基酸生产技术领域，特别是涉及一种从发酵液中提取L-缬氨酸的方法。

背景技术

L-缬氨酸是人与动物自身不能合成而必须依赖外源供给的八大必需氨基酸之一，因具有特殊的结构和功能使其在人类生命代谢中具有特别重要的地位。目前，发酵法是生产L-缬氨酸的主要方法。通常L-缬氨酸发酵液中包括缬氨酸、各种代谢副产物、培养基残留物、菌体等，为了制得L-缬氨酸纯品就必须将缬氨酸从发酵液中分离及提取出来。国外以味之素为代表采用沉淀法提取，根据沉淀剂与缬氨酸的特异性结合形成沉淀，然后分离提取，该方法具有提取收率高、操作简便等优点，但是，存在环境污染的技术问题。

全膜法在国内外主要用于废水处理，其采用“微滤、超滤、纳滤、反渗透”四种膜分离的技术的组合工艺，分别作为除菌体、除蛋白、除色素、脱盐等目的，以达到高效去除污染物以及深度脱盐目的。授权公告号为CN101434553B的中国发明专利公开了一种全膜提取缬氨酸的方法，其将缬氨酸发酵液通过微滤膜过滤得到发酵液的微滤透析液和菌体蛋白，再经超滤膜过滤得到超滤透析液和浓缩液，浓缩液经烘干后用来生产饲料蛋白，然后再经反渗透膜浓缩得到反渗透浓缩液和纯净水,纯净水直接回用于生产，最后经浓缩结晶得到缬氨酸产品。此发明虽大幅度提高了产品质量，减少了废水的排放，然而只能去除大量的无机盐离子及大分子的杂蛋白，制得的成品杂酸偏高。

目前，国内主要采用离子交换法进行缬氨酸的提取。该工艺的一般过程为：发酵液过滤除去菌体、采用该工艺从发酵液中分离提取L-缬氨酸存在以下问题：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-缬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-缬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。

授权公告号为CN101580475B的中国发明专利公开了一种生产缬氨酸的新工艺，其过程包括：微生物发酵法获得缬氨酸发酵液，超滤膜去除菌体等杂质，浓缩结晶得到缬氨酸粗品，母液喷雾干燥制作饲料级产品；缬氨酸粗品酸溶重结晶、10-15倍水溶解后经离子交换处理，洗脱液脱色、结晶制作医药级产品，母液再经离子交换处理循环使用；粗品重结晶母液稀释后经离子交换制作食品级产品，其母液再经离子交换处理循环使用。此工艺虽提高了产品的总提取收率，制作出不同级别产品满足了市场不同需求，离子交换过程部分废水回收利用减少环境污染，然而产品纯度有限。

发明内容

本发明的首要目的是针对上述现有技术存在的问题提供一种从发酵液中高效分离提取L-缬氨酸的方法，本发明方法酸碱用量少，废水污染低，制备工艺的总收率高、制得的L-缬氨酸产品纯度高。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种从发酵液中分离提取L-缬氨酸的方法，包括如下步骤：

A）将L-缬氨酸发酵液依次进行微滤、超滤、浓缩、结晶，制得L-缬氨酸第一粗品和粗品母液；

B）将粗品母液进行离子交换处理，进一步回收粗品母液中的L-缬氨酸，经浓缩、结晶，制得L-缬氨酸第二粗品。

其中，所述L-缬氨酸发酵液是将常规的L-缬氨酸生产菌种接种于常规L-缬氨酸发酵培养基中进行发酵后所得到的混合物，其中包括L-缬氨酸、菌体、杂蛋白、杂酸、色素、盐类等。

其中，所述步骤A）具体包括：

A1）采用有机微滤膜对L-缬氨酸发酵液进行微滤，得到微滤透过液和菌体蛋白；

A2）采用有机超滤膜对所述微滤透过液进行超滤，得到超滤透过液及超滤浓缩液；

A3）将所述超滤透过液浓缩、结晶，制得L-缬氨酸第一粗品和粗品母液；

其中，步骤A1）中所述有机微滤膜的孔径为50-100nm，其操作pH范围为2-11，操作温度为10-50℃，优选为20-40℃，操作压力为0.2-1.0MPa，优选为0.5-0.6MPa。

特别是，所述微滤用于去除发酵液中的菌体和部分蛋白，处理后L-缬氨酸的收率＞93%，蛋白去除率＞91%

其中，步骤A2）中所述有机超滤膜的孔径为1-10nm，其操作pH范围为2-11，操作温度为10-50℃，优选为20-40℃，操作压力为1.0-1.6MPa，优选为1.2-1.4MPa。

特别是，所述超滤用于去除发酵液中的蛋白及色素，处理后L-缬氨酸的收率＞92%，蛋白去除率＞90%，色素去除率＞95%

尤其是，所述有机微滤膜和所述有机超滤膜材质选自聚偏氟乙烯(PVDF)、聚醚砜(PES)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚砜(PS)、聚丙稀腈(PAN)、聚氯乙稀(PVC)中的一种，优选为PVDF或PES。

其中，步骤A3）中所述浓缩为减压浓缩，浓缩的温度为40-75℃，浓缩后的体积与超滤透过液的体积比为1：3-5。

特别是，所述结晶为等电点结晶，其具体包括：将浓缩后的超滤透过液的pH值调节至谷氨酸的等电点后，析出晶体，其中谷氨酸的等电点为6.0。尤其是，经浓缩、结晶后L-缬氨酸的收率＞62%，第一粗品纯度＞98%。

其中，所述步骤B）具体包括：

B1）采用离子交换树脂对所述粗品母液进行离子交换处理，用洗脱液进行洗脱后回收L-缬氨酸，得到含有L-缬氨酸的回收液；

B2）将所述回收液浓缩、结晶，制得L-缬氨酸第二粗品。

其中，步骤B1）中所述的离子交换树脂选自WA-2强酸性阳离子交换树脂或732强酸性阳离子交换树脂；特别是，所述洗脱液为0.2-1mol/L的氨水或0.2-1mol/L的铵盐溶液，所述铵盐溶液优选为氯化铵溶液或硫酸铵溶液；其中离子交换处理后L-缬氨酸的收率＞88%。

特别是，采用0.1-2mol/L的盐酸溶液对所述离子交换树脂进行再生。

其中，步骤B2）中所述的浓缩为减压浓缩，浓缩的温度为40-75℃，浓缩后的体积与回收液的体积比为1：3-5。

特别是，所述结晶为等电点结晶，其具体包括：将浓缩后的回收液的pH值调节至谷氨酸的等电点后，析出晶体，其中谷氨酸的等电点为6.0。尤其是，经浓缩、结晶后L-缬氨酸的收率＞62%，粗品纯度＞98%。

其中，对所述L-缬氨酸第一粗品和L-缬氨酸第二粗品进行重结晶，制得L-缬氨酸纯品，其具体包括：用去离子水溶解L-缬氨酸第一粗品和L-缬氨酸第二粗品后，加入95%的乙醇至乙醇的终浓度为45-60%，析出晶体，经烘干后制得L-缬氨酸纯品；其中重结晶的收率＞92％，L-缬氨酸总收率＞72%，L-缬氨酸纯品的纯度＞99％。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：

1、本发明提取方法采用微滤去除发酵液中的菌体蛋白，不仅去除率高，而且菌体蛋白作为副产物还可用作高蛋白饲料的饲料添加剂，经济附加值高；

2、本发明先采用浓缩结晶法制得大部分L-缬氨酸粗品，再利用离子交换树脂回收残余的L-缬氨酸，从而大大减少了酸碱用量，此外离子交换处理的洗脱液经过脱盐处理得到的氯化铵可用于化肥，不仅具有一定的附加值，还实现了含铵废水的零排放，从而有利于环境的保护；

3、本发明的分离提取方法总收率高、制得的L-缬氨酸纯度高，工艺过程中的有机膜及离子交换树脂均可再生，不仅降低了生产成本、提高了工作效率，还有利于实现自动化控制和清洁生产。

附图说明

图1是本发明从发酵液中高效分离提取L-缬氨酸的工艺流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

实施例1

1、微滤处理

将L-缬氨酸发酵液注入膜孔径为50-100nm的有机膜微滤分离系统，控制操作温度为40℃，操作压力为0.6MPa，平均膜通量为73L/m²·h，去除发酵液中的菌体及部分蛋白后，得到微滤透过液和菌体蛋白；微滤透过液透明澄清、无可见悬浮物，透光度≥90%，菌体蛋白经烘干后可作为高蛋白饲料添加剂应用；其中，微滤处理后L-缬氨酸的收率为95.0%，蛋白去除率为91.7%；

2、超滤处理

将微滤透过液注入膜孔径为1-10nm的有机膜超滤分离系统，控制操作温度为35℃，操作压力为1.4MPa，平均膜通量为69L/m²·h，进一步去除微滤透过液中的蛋白及色素，得到超滤透过液及超滤浓缩液，超滤浓缩液经烘干后可作为高蛋白饲料添加剂应用；其中，超滤处理后L-缬氨酸的收率为93.5%，蛋白去除率为91.3%，色素去除率为95.5%；

3、浓缩、结晶

将上述超滤透过液在75℃下减压浓缩至原体积的1/3后，调节pH值至6.0，随后降温至10-20℃，经抽滤得到L-缬氨酸第一粗品和粗品母液；其中，经浓缩、结晶后L-缬氨酸的收率为64.2%，纯度为98.4%；

4、离子交换处理

将处理成H型的732强酸性阳离子交换树脂装入离子交换柱中，在室温下将粗品母液的pH调节为3.0后上柱，其中上柱流度为1BV/h，上柱量为1倍床体积；

上柱结束后，用1倍床体积的去离子水以1.5BV/h的流速洗涤树脂，收集洗涤液准备再次上柱，然后用1mol/L的氨水以1.5BV/h的流速进行洗脱，收集pH为2-9的洗脱液，得到L-缬氨酸回收液，其中，离子交换处理后L-缬氨酸的收率为89.2%；

离子交换处理后的树脂采用1mol/L的盐酸溶液进行再生；

5、浓缩、结晶

将上述L-缬氨酸回收液在75℃下减压浓缩至原体积的1/3后，调节pH值至6.0，随后降温至20℃以下，经抽滤得到L-缬氨酸第二粗品；

6、重结晶

用去离子水溶解上述L-缬氨酸第一粗品和第二粗品，再加入95%的乙醇至乙醇终浓度为60%，冷藏过夜、析出晶体，将晶体过滤、烘干，得到L-缬氨酸纯品，其中重结晶的收率为92.5％，L-缬氨酸总收率为72.8%，L-缬氨酸纯品的纯度为99.5％。

实施例2

1、微滤处理

将L-缬氨酸发酵液注入膜孔径为50-100nm的有机膜微滤分离系统，控制操作温度为30℃，操作压力为0.4MPa，平均膜通量为75L/m²·h，去除发酵液中的菌体及部分蛋白后，得到微滤透过液和菌体蛋白；微滤透过液透明澄清、无可见悬浮物，透光度≥90%，菌体蛋白经烘干后可作为高蛋白饲料添加剂应用；其中，微滤处理后L-缬氨酸的收率为93.5%，蛋白去除率为93.5%；

2、超滤处理

将微滤透过液注入膜孔径为1-10nm的有机膜超滤分离系统，控制操作温度为20℃，操作压力为1.6MPa，平均膜通量为70L/m²·h，进一步去除微滤透过液中的蛋白及色素，得到超滤透过液及超滤浓缩液，超滤浓缩液经烘干后可作为高蛋白饲料添加剂应用；其中，超滤处理后L-缬氨酸的收率为93.0%，蛋白去除率为91.8%，色素去除率为95.7%；

3、浓缩、结晶

将上述超滤透过液在40℃下减压浓缩至原体积的1/5后，调节pH值至6.0，随后降温至10℃以下，经抽滤得到L-缬氨酸第一粗品和粗品母液；其中，经浓缩、结晶后L-缬氨酸的收率为63.2%，纯度为98.1%；

4、离子交换处理

将处理成H型的WA-2强酸性阳离子交换树脂装入离子交换柱中，在室温下将粗品母液的pH调节为3.0后上柱，其中上柱流度为0.5BV/h，上柱量为1倍床体积；

上柱结束后，用2倍床体积的pH3.0的酸性水以1.0BV/h的流速洗涤树脂，然后用氨水将0.5mol/L的氯化铵的pH值调节至9.0后，以0.6BV/h的流速进行洗脱，收集pH为2-9的洗脱液，得到L-缬氨酸回收液，其中，离子交换处理后L-缬氨酸的收率为88.9%；

离子交换处理后的树脂采用1.5mol/L的盐酸溶液进行再生；

5、浓缩、结晶

将上述L-缬氨酸回收液在40℃下减压浓缩至原体积的1/5后，调节pH值至6.0，随后降温至10℃以下，经抽滤得到L-缬氨酸第二粗品；

6、重结晶

用去离子水溶解上述L-缬氨酸第一粗品和第二粗品，再加入95%的乙醇至乙醇终浓度为45%，冷藏过夜、析出晶体，将晶体过滤、烘干，得到L-缬氨酸纯品，其中重结晶的收率为93.2％，L-缬氨酸总收率为72.5%，L-缬氨酸纯品的纯度为99.2％。

实施例3

1、微滤处理

将L-缬氨酸发酵液注入膜孔径为50-100nm的有机膜微滤分离系统，控制操作温度为20℃，操作压力为1.0MPa，平均膜通量为76L/m²·h，去除发酵液中的菌体及部分蛋白后，得到微滤透过液和菌体蛋白；微滤透过液透明澄清、无可见悬浮物，透光度≥90%，菌体蛋白经烘干后可作为高蛋白饲料添加剂应用；其中，微滤处理后L-缬氨酸的收率为95.2%，蛋白去除率为91.2%；

2、超滤处理

将微滤透过液注入膜孔径为1-10nm的有机膜超滤分离系统，控制操作温度为45℃，操作压力为1.0MPa，平均膜通量为71L/m²·h，进一步去除微滤透过液中的蛋白及色素，得到超滤透过液及超滤浓缩液，超滤浓缩液经烘干后可作为高蛋白饲料添加剂应用；其中，超滤处理后L-缬氨酸的收率为92.2%，蛋白去除率为90.5%，色素去除率为96.2%；

3、浓缩、结晶

将上述超滤透过液在60℃下减压浓缩至原体积的1/4后，调节pH值至6.0，随后降温至10-20℃，经抽滤得到L-缬氨酸第一粗品和粗品母液；其中，经浓缩、结晶后L-缬氨酸的收率为62.0%，纯度为98.2%；

4、离子交换处理

将实施例1再生后的732强酸性阳离子交换树脂装入离子交换柱中，在室温下将粗品母液的pH调节为3.0后上柱，其中上柱流度为1BV/h，上柱量为1倍床体积；

上柱结束后，用1倍床体积的去离子水以1.5BV/h的流速洗涤树脂，然后用氨水将1.5mol/L的硫酸铵的pH值调节至9.0后，以1.5BV/h的流速进行洗脱，收集pH为2-9的洗脱液，得到L-缬氨酸回收液，其中，离子交换处理后L-缬氨酸的收率为89.5%；

5、浓缩、结晶

将上述L-缬氨酸回收液在60℃下减压浓缩至原体积的1/4后，调节pH值至6.0，随后降温至20℃以下，经抽滤得到L-缬氨酸第二粗品；

6、重结晶

用去离子水溶解上述L-缬氨酸第一粗品和第二粗品，再加入95%的乙醇至乙醇终浓度为55%，冷藏过夜、析出晶体，将晶体过滤、烘干，得到L-缬氨酸纯品，其中重结晶的收率为92.8％，L-缬氨酸总收率为72.1%，L-缬氨酸纯品的纯度为99.0％。

Claims

1.一种从发酵液中分离提取L-缬氨酸的方法，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A）具体包括：

A3）将所述超滤透过液浓缩、结晶，制得L-缬氨酸第一粗品和粗品母液。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述有机微滤膜的孔径为50-100nm。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述有机超滤膜的孔径为1-10nm。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤B）具体包括：

B2）将所述回收液浓缩、结晶，制得L-缬氨酸第二粗品。

6.如权利要求1-5中任一所述的方法，其特征在于，所述浓缩为减压浓缩，浓缩的温度为40-75℃。

7.如权利要求1-5中任一所述的方法，其特征在于，所述结晶为等电点结晶，其具体包括：将浓缩后的超滤透过液和洗脱液的pH值调节至谷氨酸的等电点后，析出晶体。

8.如权利要求5的方法，其特征在于，所述离子交换树脂选自WA-2强酸性阳离子交换树脂或732强酸性阳离子交换树脂。

9.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述洗脱液为0.2-1mol/L的氨水或0.2-1mol/L的铵盐溶液。

10.如权利要求1-5中任一所述的方法，其特征在于，对所述L-缬氨酸第一粗品和L-缬氨酸第二粗品进行重结晶，制得L-缬氨酸纯品。