CN104262230B - 一种l-色氨酸的提取方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种L‑色氨酸的提取方法及装置，该方法主要包括下列步骤：将L‑色氨酸发酵液升温灭菌、调酸后，经管式超滤膜过滤得过滤清液和过滤浓液，超滤膜过滤清液经蒸发浓缩、结晶得L‑色氨酸晶体和结晶母液，L‑色氨酸晶体溶解后并经卷式超滤膜过滤脱色，卷式超滤膜的脱色液经蒸发浓缩、结晶、烘干得L‑色氨酸，卷式超滤膜浓缩液两次结晶母液干燥后与饲料载体混合配制成混合饲料。本发明将L‑色氨酸的提取与饲料加工相结合，简化了色氨酸的提取工艺，提高了产品L‑色氨酸的纯度，提高了产品和副产物的利用率，同时减少了生产废液等对环境的污染。本发明具有一定的经济效益和环境效益。

Description

一种L-色氨酸的提取方法及装置
技术领域
本发明涉及一种L-色氨酸的提取方法及装置，尤其涉及采用将色氨酸精提与含色氨酸饲料的配制相结合的L-色氨酸提取方法及装置。
背景技术
色氨酸，又名α-氨基-β-吲哚丙酸，分子量为204.23。L-色氨酸性状呈白色或略带黄色的叶片状晶体或粉末，无臭或微臭。溶于沸水、热乙醇，微溶于水。L-色氨酸是人体和动物生命活动中必需的氨基酸之一，对人和动物的生长发育、生长代谢起着重要的作用，广泛应用于医药、食品和饲料等方面。目前，L-色氨酸多采用发酵法生产，L-色氨酸的提取成本较高，对环境的污染较严重。较多厂家采用管式超滤膜过滤+树脂吸附+活性炭脱色等工艺提取L-色氨酸。中国专利CN101709048A中公布了一种L-色氨酸的提取方法，该方法中采用离交及活性炭脱色工艺提取L-色氨酸，离交树脂的清洗、再生耗费大量的酸、碱、水，活性炭脱色过程中吸附较多的L-色氨酸导致产品收率较低。中国专利CN101812009A中公布了一种从发酵液中分离、提取L-色氨酸的方法，该方法工艺复杂，生产成本较高，所选用的超滤膜孔径过大，不能有效除去料液中的小分子蛋白及色素，结晶母液还需经树脂处理，浪费酸、碱、水，L-色氨酸的收率偏低。本发明通过将L-色氨酸的提取与含色氨酸饲料的配制相结合，确保了发酵液中L-色氨酸的全利用，精制的L-色氨酸纯度可达99.5％以上，同时减少了废液对环境的污染问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中L-色氨酸收率低、工艺复杂、污染环境等问题，提供一种工艺简单、产品利用率高且无污染的L-色氨酸提取方法及装置。
技术方案：
根据本发明的一个方面，L-色氨酸的提取方法，包括如下步骤：
第1步，将L-色氨酸发酵液送入第一超滤膜进行过滤，得到第一透过液；
第2步，将第一透过液送入第二超滤膜进行过滤，得到超滤浓缩液和第二透过液；
第3步，将第二透过液进行浓缩、结晶，得到L-色氨酸成品。
优选地，第一超滤膜的截留分子量是20000～300000Da，或者平均孔径的范围是20nm～50nm。
优选地，第二超滤膜的截留分子量是1000～2500Da。
优选地，第一透过液需要经过浓缩、结晶、溶解之后，再送入第2步的第二超滤膜进行过滤。
优选地，第一超滤膜的操作参数是：膜面流速2～5m/s，优选4m/s；跨膜压差0.1～0.3MPa，优选0.2MPa；浓缩倍数较优是5～15倍，最优10倍。
优选地，第二超滤膜的操作参数是：跨膜压差0.5～1.5MPa，更优是1.0MPa；过滤温度为30～45℃。
根据本发明的另一个方面，L-色氨酸的提取装置，包括有第一超滤膜、第二超滤膜、第二浓缩结晶装置、干燥装置，第一超滤膜的渗透侧与第二超滤膜的截留侧的入口连接，第二超滤膜的渗透侧与第二浓缩结晶装置、第二固液分离装置、干燥装置依次连接。
作为改进，第一超滤膜的渗透侧与第一浓缩结晶装置、第一固液分离装置、溶解槽依次连接后，再连接于第二超滤膜的截留侧的入口。
优选地，第一超滤膜的截留分子量是20000～300000Da或者平均孔径范围是20nm～50nm。
优选地，第一超滤膜的材质是纤维素膜、纤维素酯膜、聚砜膜、聚醚砜膜、聚氯乙烯膜、氯丙烯膜、聚烯烃膜、聚乙烯醇膜、聚甲基丙烯酸甲酯膜、聚偏二氟乙烯膜、聚四氟乙烯膜、不锈钢膜或者陶瓷膜。优选是陶瓷膜。
优选地，第二超滤膜的截留分子量是1000～2500Da。
优选地，第二超滤膜的材质是乙酸纤维素系聚合物膜、聚酰胺膜、磺化聚砜膜、聚醚砜膜、聚砜膜、聚丙烯腈膜、聚酯膜、聚酰亚胺膜或乙烯基聚合物膜；优选是聚醚砜膜或聚砜膜。
第二浓缩结晶装置是由依次连接的浓缩釜和结晶釜所组成。
第一浓缩结晶装置是由依次连接的浓缩釜和结晶釜所组成。
有益效果
本发明中卷式超滤膜过滤浓液与结晶母液不再进行进一步的提取，而是干燥后直接与饲料载体混合配制成混合饲料，简化L-色氨酸的提取工序，减轻提取工序的负荷，提高产品L-色氨酸的纯度，提高产品和副产物的利用率，同时减少了生产废液等对环境的污染。
附图说明
图1是具体实施方式中采用的提取装置的结构示意图；
其中，1、第一超滤膜；2、第一浓缩结晶装置；3、第二超滤膜；4、第二浓缩结晶装置；5、干燥装置；6、第一固液分离装置；7、溶解槽；8、第二固液分离装置。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细说明。但本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件(例如参考徐南平等著的《无机膜分离技术与应用》，化学工业出版社，2003)或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
本文使用的近似语在整个说明书和权利要求书中可用于修饰任何数量表述，其可在不导致其相关的基本功能发生变化的条件下准许进行改变。因此，由诸如“约”的术语修饰的值并不局限于所指定的精确值。在至少一些情况下，近似语可与用于测量该值的仪器的精度相对应。除非上下文或语句中另有指出，否则范围界限可以进行组合和/或互换，并且这种范围被确定为且包括本文中所包括的所有子范围。除了在操作实施例中或其他地方中指明之外，说明书和权利要求书中所使用的所有表示成分的量、反应条件等等的数字或表达在所有情况下都应被理解为受到词语“约”的修饰。
以范围形式表达的值应当以灵活的方式理解为不仅包括明确列举出的作为范围限值的数值，而且还包括涵盖在该范围内的所有单个数值或子区间，犹如每个数值和子区间被明确列举出。例如，“大约0.1％至约5％”的浓度范围应当理解为不仅包括明确列举出的约0.1％至约5％的浓度，还包括有所指范围内的单个浓度(如，1％、2％、3％和4％)和子区间(例如，0.1％至0.5％、1％至2.2％、3.3％至4.4％)。
在权利要求和说明书中使用的序数词例如“第一”、“第二”、“第三”等，用于修饰权利要求项而不是由于本身含有任何优先、在先或一项权利要求的顺序在另一权利要求之前或者执行方法步骤的时间顺序。但是，仅仅作为标签使用以区别例如带有特定名称的权利要求的元素与另外一个带有相同名称的元素(而不是用于顺序性的属于)，来区分权利要求的元素。
在本发明的描述中，“几种”的含义是两种或两种以上，“多次”的含义是两次或者两次以上，除非另有明确具体的限定。
本发明采用的原料是L-色氨酸发酵液，采用的发酵菌种可以是本领域公知的经过改造或者人工诱变产生的大肠杆菌等。
L-色氨酸即是由微生物发酵法合成，本发明中使用的发酵原料可以是促进培养的菌种的生长，能够使作为目的发酵生产物的良好生产的原料，可以优选使用例如适当含有碳源、氮源、无机盐类、和根据需要添加的氨基酸和维生素等有机微量营养素的液体培养基。作为上述碳源，可优选使用例如葡萄糖、蔗糖、果糖、半乳糖、乳糖和麦芽糖等糖类、含有这些糖类的淀粉糖化液、甘薯糖蜜、甜菜糖蜜、高级糖蜜(High Test Molasses)、蔗汁、蔗汁提取物或浓缩液、从蔗汁中纯化或结晶化的原料糖、从蔗汁中纯化或结晶化的纯化糖、以及醋酸、延胡索酸等有机酸、乙醇等醇类和甘油等。这里所述糖类是指多元醇的最初氧化生成物，具有一个醛基或酮基，且具有醛基的糖被分类为醛糖、具有酮基的糖被分类为酮糖的碳水化合物，优选为葡萄糖、蔗糖、果糖、半乳糖、乳糖或麦芽糖。上述碳源，可以在培养开始时一起添加，还可以在培养中分批或连续地添加。此外，作为上述氮源，可以使用例如氨气、氨水、铵盐类、尿素、硝酸盐类、其它辅助使用的有机氮源例如油粕类、大豆加水分解液、酪蛋白分解物、其它氨基酸、维生素类、玉米浆、酵母或酵母提取物、肉膏、蛋白胨等肽类、各种发酵菌体及其加水分解物等。此外，作为上述无机盐类，可以适当添加例如磷酸盐、镁盐、钙盐、铁盐、和锰盐等。而且，根据需要还可以添加使用消泡剂。对于发酵培养条件，只要能够进行培养，就没有特别限制，但优选在pH为4～8，温度在20～40℃的范围内进行。发酵培养液的pH用无机酸或有机酸、碱性物质、以及尿素、碳酸钙和氨气等，调整到上述范围内的预先确定的值。
本发明的工艺中首先通过超滤膜对发酵液中的杂质、胶体、颗粒等进行过滤。用于该步骤的超滤膜优选为截留分子量是20000～300000Da的膜或者其平均孔径范围是20nm～50nm。在此，当超滤膜的孔径过小而难以用电子显微镜等来测定膜表面的孔径，用称为截留分子量的值代替平均孔径来作为孔径大小的指标。关于截留分子量，如在本领域技术文献所记载的那样：“将以溶质分子量为横轴、阻止率为纵轴，对数据进行绘制而成的曲线称为截留分子量曲线。而且将阻止率为90％的分子量称为膜的截留分子量”，截留分子量作为表示超滤膜的膜性能的指标，为本领域技术人员所熟知。该步骤中的超滤膜的孔径的选择直接影响到发酵液过滤除菌和去除其它杂质的效果，孔径过大，会使得过滤精度变低，发酵液中的杂质透过陶瓷膜，增大后续的脱色膜(第二级的超滤膜)的处理负荷，也影响后续产品的纯度；孔径过小，会使得过滤阻力过大，膜通量过低，导致膜过滤设备投资过大、能耗增加，此外，还会截留部分有效成分，导致最终收率降低。该超滤步骤中的过滤压力也直接影响到过滤过程的稳定运行，操作压力过高，会导致膜污染加剧，导致膜通量急剧衰减；操作压力过低，则会使得过滤过程的驱动力太小，导致膜通量过低，其跨膜压差优选0.1～0.3MPa，更优选0.2MPa。
该步骤用的超滤膜进行的过滤可以为错流过滤也可以为死端过滤。从泵的能量消耗的观点出发，优选为死端过滤。然而，对于过滤性差的液体，优选为错流过滤，如果超滤过程中的膜面流速过大，会导致膜面无法形成较好的滤饼层，这些滤饼层能够起到进一步地截留发酵液中杂质的作用，膜面流速过大则会导致细小杂质透过超滤膜；如果膜面流速过小，则会导致超滤的通量过小，使浓缩倍数无法进一步地提高，导致最终收率变低，膜面流速优选2～5m/s，更优选4m/s；浓缩倍数较优是5～15倍，最优10倍。此外在过滤中，优选进行反洗、曝气的工序。这是因为减轻膜的污染。此外在采用超滤膜进行的过滤之前，为了抑制污染物质，可以进行固液分离处理作为前处理。关于固液分离方法，没有特别限定。作为具体的固液分离处理的方法，可举出离心分离方式、压榨分离方式、过滤方式、上浮分离方式、沉降分离方式。作为离心分离方式，可以例示卧式连续离心分离机、分离板式离心分离机、离心过滤机，作为过滤方式，可以例示袋式过滤机、压带机、螺杆压机、预涂过滤器、压滤机等。但不特别限定于上述的任一项，只要能够通过上述的任一项或其组合来减少超滤膜处理时对膜的负荷。通过超滤之后，将所得的透过液送入后续的超滤的分离/浓缩步骤中。作为特别优选的，可以采用孔径2～4mm篮式过滤器作为第一超滤的前处理工艺。
在得到上述的超滤膜的渗透液之后，还需要通过第二级的超滤膜对其进行再次过滤，可以起到较好的脱色和去除渗透液中杂质的作用。这一级的超滤膜的截留分子量优选是1000～2500Da，更优是2000Da；跨膜压差0.5～1.5MPa，更优是1.0MPa；过滤温度为30～45℃。
对于上述步骤中所涉及的第一级超滤膜的材质，只要能够实现除去上述水溶性高分子、菌体和胶体成分这样的本发明目的即可，没有特别限定，可以举出：纤维素、纤维素酯、聚砜、聚醚砜、聚氯乙烯、氯丙烯、聚烯烃、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯等有机材料，或者不锈钢等金属、或者陶瓷等无机材料。第一级超滤膜的材质可以考虑发酵液的性状或者运行成本来适当选择，从操作容易性考虑，优选陶瓷材料，作为构成陶瓷分离膜的多孔膜的材料，能够从现有公知的陶瓷材料中适当选择。例如，可以使用氧化铝、氧化锆、氧化镁、氧化硅、氧化钛、氧化铈、氧化钇，钛酸钡等氧化物类材料；堇青石、多铝红柱石、镁橄榄石、块滑石、硅铝氧氮陶瓷、锆石、铁酸盐等复合氧化物类材料；氮化硅，氮化铝等氮化物类材料；碳化硅等碳化物类材料；羟基磷灰石等氢氧化物类材料；碳、硅等元素类材料；或者含有它们的两种以上的无机复合材料等。还可以使用天然矿物(粘土、粘土矿物、陶渣、硅砂、陶石、长石、白砂)或高炉炉渣、飞灰等。其中，优选选自氧化铝、二氧化锆、氧化钛、氧化镁、氧化硅中的1种或2种以上，更优选以氧化铝、二氧化锆或者氧化钛作为主体构成的陶瓷粉末。其中，这里所说的“作为主体”表示陶瓷粉末总体的50wt％以上(优选75wt％以上、更优选80wt％～100wt％)为氧化铝或二氧化硅。例如，在多孔材料中，氧化铝较为廉价且操作性优异。并且，能够容易地形成具有适合于液体分离的孔径的多孔结构，因此能够容易地制造具有优异的液体透过性的陶瓷分离膜。并且，在上述氧化铝中，特别优选使用α-氧化铝。α-氧化铝具有在化学方面稳定、且熔点和机械强度高的特性。因此，通过使用α-氧化铝，能够制造可以在宽泛用途(例如工业领域)中利用的陶瓷分离膜。对于第二级超滤膜的材料，可以使用乙酸纤维素系聚合物、聚酰胺、磺化聚砜、聚醚砜、聚砜、聚丙烯腈、聚酯、聚酰亚胺或者乙烯基聚合物等高分子材料，在本发明所涉及的具体的应用体系中，最优是采用聚醚砜(PES)或聚砜(PS)，不限于仅由一种材料构成的膜，可以是包含多种所述材料的膜。关于膜结构，所述膜可以是非对称膜，其在膜的至少一面上具有致密层，并且具有从致密层向膜内部或者另一面孔径逐渐变大的微孔；或者是复合膜，其在非对称膜的致密层上具有由其它材料所形成的非常薄的功能层。
采用两级超滤膜对发酵液进行过滤处理，其有益效果之一是能够起到较好的脱色处理，明显优于传统的利用活性炭脱色的工艺，避免了活性炭脱色带来的活性炭吸附产品导致产品收率较低、活性炭脱色过程中极易漏碳导致产品纯度偏低以及使用活性炭成本高且会对环境造成污染等问题，第二级超滤膜脱色液透光度可达90％以上。
在得到超滤膜的透过液之后，通过对其进行浓缩、结晶，最终能够得到色氨酸成品。对其进行浓缩时较优选采用蒸发浓缩，直至有大量结晶出现后进行降温结晶，结晶温度优选为5～20℃，更优选为15℃；由于L-色氨酸在高温下溶解度较高，采用蒸发浓缩，与其他浓缩方法相比，可明显提高料液的浓缩倍数，后续结晶过程也只需通过降温结晶即可显著提高结晶效果，提高效率，同时还降低了生产成本。
作为本发明的一种改进实施方式，在得到第一级的超滤膜的滤液之后，最好是对其进行浓缩、结晶之后，再将得到的结晶物溶解后再送入第二级的超滤膜进行过滤、脱色。这样可以能够进一步地减少第二级超滤膜处理料液中的杂质，发现可以明显地提高L-色氨酸的透过率，而且通过该步骤中的结晶处理后，可以去除一部分杂质，这对于提高产品的收率以及纯度是有利的。作为评价本发明中所使用的超滤膜的性能的方法，可以通过算出处理料液中所包含的L-色氨酸的透过率(％)来进行评价，透过率(％)的计算方法示于式1。
透过率(％)＝(透过侧的L-色氨酸浓度/待处理料液的L-色氨酸浓度)×100％ (1)
关于式1中的对象化合物浓度，只要是具有高精度及再现性且可以进行测定的分析手段即可，没有限定，但可以优选使用高效液相色谱法、纸层析法、氨基酸分析仪测定法、比色法等。本发明采用比色法对料液中L-色氨酸的含量进行测定，方法是：取干净试管，加入蒸馏水2ml，再加入浓H2SO42.5ml，然后加入3％的对二甲胺基苯甲醛溶液0.5ml，摇匀后加入0.5ml不同浓度的L-色氨酸标准品溶液，摇匀放暗处反应1h后加入1滴2％NaNO2溶液，摇匀静置30min后用752紫外可见分光光度计在波长600nm下，用1cm比色皿进行比色，绘制标准曲线，对待测料液吸光值测定后，通过标准曲线计算出含量。关于本发明中所使用的超滤膜，在对L-色氨酸进行过滤的情况下，优选透过率较高者。
在本发明的一个优选实施方式中，对于第一次浓缩结晶后的母液、第二级超滤膜的浓缩液、以及产品的结晶母液，可以将这些料液混合后进行浓缩和烘干处理，再与饲料载体混合，配制成L-色氨酸含量8％～12％(重量)的混合饲料。第二级的超滤膜浓缩液及产物结晶母液中的L-色氨酸不再进行提取，简化L-色氨酸的提取工序，减轻提取工序的负荷，提高产品和副产物的利用率，同时减少了生产废液等对环境的污染。所述的饲料载体可以为低蛋白饲料，例如选自稻壳粉、小麦粉、全麦粉、核桃壳粉、玉米粕或玉米芯粉中的一种或多种。
以下实施例中采用的L-色氨酸发酵液为利用重组大肠杆菌(Escherichia coli)基因工程菌(来源：中国典型培养物保藏中心，保藏号：CCTCC M2011316)进行发酵葡萄糖得到的含L-色氨酸的液体，L-色氨酸含量为20～50g/L。
(1)培养基：
摇瓶种子培养基(1L)：酵母粉5g，蛋白胨10g，NaCl10g，加水配制；
一级种子培养基(1L)：葡萄糖10g，硫酸铵5g，MgSO41g，柠檬酸三钠1g，磷酸二氢钾5g，酵母提取物5g，CaCl20.02g，FeSO4·7H2O0.05g，微量元素1ml，pH6.8；其中微量元素溶液(1L)：Na2MoO4·2H2O0.15g，H3PO31g，CoCl0.5g，CuSO40.5g，MnCl20.3g，ZnSO41.2g。
发酵培养基(1L)：葡萄糖20g，硫酸铵10g，MgSO42g，柠檬酸三钠1g，磷酸二氢钾10g，酵母提取物8g，CaCl20.2g，FeSO4·7H2O0.1g，微量元素2ml，消泡剂5滴，pH6.8。
(2)培养与发酵：
从斜面种子接种到含50ml摇瓶种子培养基的250ml三角瓶中，33℃，280rpm培养10～12小时后，按照10％接种量接种到含200ml一级种子培养基的2L三角瓶中(6瓶)，33℃，280rpm培养8～10小时后，转接到含15L发酵培养基的30L发酵罐中，35℃培养，发酵前期控制溶氧DO30％，用氨水维持罐内pH6.8，罐压0.05MPa。当发酵培养基中葡萄糖耗完后，进入补糖生产L-色氨酸阶段。向发酵罐中补糖是采用泵从700g/L葡萄糖溶液(已经灭菌)中泵入，发酵过程采用控制转速、通风量等结合方式来保证补糖-DO联动，控制DO15％-30％，以减少代谢负产物。整个发酵(接种后)过程大约33～40小时。
基于以上的方法，本发明的具体实施方式中采用的提取装置如图1所示，发酵液的输送管道通过泵连接于第一超滤膜1的截留侧的入口，第一超滤膜1的渗透侧连接于第一浓缩结晶装置2的入口，其出口再连接于第一固液分离装置6，固液分离装置6连接于溶解槽7，溶解槽7再通过泵与第二超滤膜3的截留侧的入口连接，第二超滤膜3的渗透侧再与第二浓缩结晶装置4的入口连接，其出口再连接于第二固液分离装置8，第二固液分离装置8连接于干燥装置5。
在操作过程中，第一超滤膜1将发酵液处理之后，将渗透液可以直接送入第二超滤膜3进行过滤，也可以先送入第一浓缩结晶装置2进行浓缩、结晶，在得到结晶完全之后，再将料液送入第一固液分离装置6进行沉淀的分离，再将分离出的沉淀送入溶解槽7中加水溶解，得到的料液再送入第二超滤膜3进行过滤，滤液再送入第二浓缩结晶装置4进行浓缩、结晶，得到的结晶物送入第二固液分离装置8进行沉淀的分离，沉淀再送入干燥装置5进行干燥后即可。对于第一浓缩结晶装置2和第二浓缩结晶装置4，它们既可以是由依次连接的浓缩釜和结晶釜所组成，也可以是一体式的，也就是采用浓缩结晶釜来实现，浓缩操作和结晶操作都在同一个釜中进行。对于第一固液分离装置6和第二固液分离装置8可以采用离心机等常规设备。
实施例1
取60℃高温灭菌后的L-色氨酸发酵液500L，L-色氨酸含量为35g/L，混合均匀后经陶瓷超滤膜过滤浓缩，陶瓷超滤膜的平均孔径是20nm，过滤压力0.3MPa，膜面流速2m/s，发酵液浓缩10倍后得陶瓷膜超滤透过液，陶瓷膜超滤透过液送入卷式超滤膜进行浓缩过滤，卷式超滤膜的材质是磺化聚砜，膜截留分子量为1000Da，压力0.6MPa，温度40℃，得到了脱色后的滤过液(透光率82％)，L-色氨酸的透过率是70％，将滤过液进行浓缩、结晶，蒸发浓缩的温度为70℃，真空度为-0.08MPa，后将浓缩液降至18℃进行降温结晶，得到L-色氨酸9.2kg，纯度93.7％。将卷式超滤膜的浓缩液和结晶母液浓缩、干燥后与玉米粕配制成混合饲料85kg，色氨酸含量约10wt.％。
实施例2
取60℃高温灭菌后的L-色氨酸发酵液500L，L-色氨酸含量为35g/L，混合均匀后经陶瓷超滤膜过滤浓缩，陶瓷超滤膜的平均孔径是20nm，过滤压力0.3MPa，膜面流速2m/s，发酵液浓缩10倍后得陶瓷膜超滤透过液，陶瓷膜超滤透过液进行浓缩、结晶，蒸发浓缩的温度为70℃，真空度为-0.08MPa，后将浓缩液降至18℃进行降温结晶，再将结晶物用水溶解之后(结晶物湿重：加水重量＝1:20)送入卷式超滤膜进行浓缩过滤，卷式超滤膜的材质是磺化聚砜，膜截留分子量为1000Da，压力0.6MPa，温度40℃，得到了脱色后的滤过液(透光率85％)，L-色氨酸的透过率是83％，将滤过液再次进行浓缩、结晶，浓缩、结晶条件与陶瓷膜超滤透过液的浓缩、结晶条件相同，得到L-色氨酸9.8kg，纯度96.2％。将卷式超滤膜的浓缩液和结晶母液浓缩、干燥后与玉米粕配制成混合饲料40kg，色氨酸含量约12wt.％。通过实施例1和实施例2对比，可以看出通过将第一级的陶瓷膜的透过液进行浓缩、结晶之后，再送入第二级的超滤处理，很明显地可以提高L-色氨酸在超滤中的透过率，在这种条件下得到的产物的纯度更好，收率也得到了提高。
实施例3
取60℃高温灭菌后的L-色氨酸发酵液500L，L-色氨酸含量为35g/L，混合均匀后经陶瓷超滤膜过滤浓缩，陶瓷超滤膜的平均孔径是50nm，过滤压力分别采用0.05、0.1、0.2、0.3、0.4MPa，膜面流速5m/s，发酵液浓缩20倍后得陶瓷膜超滤透过液，陶瓷膜超滤透过液进行浓缩、结晶，蒸发浓缩的温度为60℃，真空度为-0.08MPa，后将浓缩液降至15℃进行降温结晶，再将结晶物用水溶解之后(结晶物湿重：加水重量＝1：12)送入卷式超滤膜进行浓缩过滤，卷式超滤膜的材质是磺化聚砜，膜截留分子量为2000Da，压力0.8MPa，温度45℃，得到了脱色后的滤过液，将滤过液再次进行浓缩、结晶，浓缩、结晶条件与陶瓷膜超滤透过液的浓缩、结晶条件相同，得到L-色氨酸成品。将卷式超滤膜的浓缩液和结晶母液浓缩、干燥后与玉米粕配制成混合饲料。在不同的过滤压力下，过滤性能以及成品指标如下表所示，可以看出，在0.1～0.3MPa跨膜压差条件下，得到的L-色氨酸产品的纯度较好。
跨膜压差MPa 0.05 0.1 0.2 0.3 0.4
L-色氨酸成品重量Kg 9.2 9.5 10.5 9.6 10.2
L-色氨酸成品纯度％ 93.3 93.9 96.2 94.9 94.9
卷式超滤膜的透过液的透光率％ 83 84 86 84 83
L-色氨酸的在卷式超滤膜的透过率％ 84 84 86 81 82
实施例4
取60℃高温灭菌后的L-色氨酸发酵液500L，L-色氨酸含量为35g/L，混合均匀后经陶瓷超滤膜过滤浓缩，陶瓷超滤膜的平均孔径是50nm，过滤压力0.2MPa，膜面流速分别为1、2、3、4、5m/s，发酵液浓缩14倍后得陶瓷膜超滤透过液，陶瓷膜超滤透过液进行浓缩、结晶，蒸发浓缩的温度为65℃，真空度为-0.08MPa，后将浓缩液降至15℃进行降温结晶，再将结晶物用水溶解之后(结晶物湿重：加水重量＝1：12)送入卷式超滤膜进行浓缩过滤，卷式超滤膜的材质是聚丙烯腈，膜截留分子量为2500Da，压力1.0MPa，温度35℃，得到了脱色后的滤过液，将滤过液再次进行浓缩、结晶，浓缩、结晶条件与陶瓷膜超滤透过液的浓缩、结晶条件相同，得到L-色氨酸成品。将卷式超滤膜的浓缩液和结晶母液浓缩、干燥后与玉米粕配制成混合饲料。在不同的膜面流速下，过滤性能以及成品指标如下表所示，可以看出，在4m/s的膜面流速条件下，得到的L-色氨酸产品的收率较好。
膜面流速m/s 1 2 3 4 5
L-色氨酸成品重量Kg 9.4 9.6 10.1 10.5 10.0
L-色氨酸成品纯度％ 94.5 94.9 94.6 96.8 96.2
卷式超滤膜的透过液的透光率％ 83 84 84 87 84
L-色氨酸的在卷式超滤膜的透过率％ 86 86 87 89 87
实施例5
取60℃高温灭菌后的L-色氨酸发酵液500L，L-色氨酸含量为35g/L，混合均匀后经不同孔径的陶瓷超滤膜过滤浓缩，陶瓷超滤膜的平均孔径分别是是20nm、50nm、100nm，过滤压力0.2MPa，膜面流速为4m/s，发酵液浓缩后得陶瓷膜超滤透过液，陶瓷膜超滤透过液进行浓缩、结晶，蒸发浓缩的温度为65℃，真空度为-0.08MPa，后将浓缩液降至15℃进行降温结晶，再将结晶物用水溶解之后(结晶物湿重：加水重量＝1：20)送入卷式超滤膜进行浓缩过滤，卷式超滤膜的材质是聚醚砜，膜截留分子量为2000Da，压力1.2MPa，温度40℃，得到了脱色后的滤过液，将滤过液再次进行浓缩、结晶，浓缩条件、结晶条件与陶瓷膜超滤透过液的条件相同，结晶温度15℃，得到L-色氨酸成品。将卷式超滤膜的浓缩液和结晶母液浓缩、干燥后与玉米粕配制成混合饲料。在不同孔径陶瓷膜过滤下，过滤性能以及成品指标如下表所示，可以看出，50nm陶瓷膜对料液的浓缩倍数和过滤通量均较高，过滤速率较高，L-色氨酸的收率也较高。
陶瓷膜孔径 20 50 100
发酵液浓缩倍数 5.8 11 7
过滤平均通量L/h 20.5 70 54
卷式超滤膜的透过液的透光率％ 91 91.2 90.7
L-色氨酸的在卷式超滤膜的透过率％ 87 86 86.5
L-色氨酸重量Kg 10.2 11.9 10.5
L-色氨酸成品纯度％ 99.4 99.5 99.3
实施例6
取60℃高温灭菌后的L-色氨酸发酵液500L，L-色氨酸含量为35g/L，混合均匀后经陶瓷超滤膜过滤浓缩，陶瓷超滤膜的平均孔径是50nm，过滤压力0.2MPa，膜面流速为4m/s，发酵液浓缩10倍后得陶瓷膜超滤透过液，陶瓷膜超滤透过液进行浓缩、结晶，蒸发浓缩的温度为65℃，真空度为-0.08MPa，后将浓缩液降至15℃进行降温结晶，再将结晶物用水溶解之后(结晶物湿重：加水重量＝1:20)送入卷式超滤膜进行浓缩过滤，卷式超滤膜的材质分别采用聚丙烯腈、聚酰亚胺、聚醚砜、聚砜、磺化聚砜，膜截留分子量为2000Da，压力1.2MPa，温度45℃，得到了脱色后的滤过液，将滤过液再次进行浓缩、结晶，浓缩、结晶条件与陶瓷膜超滤透过液的浓缩、结晶条件相同，得到L-色氨酸成品。将卷式超滤膜的浓缩液和结晶母液浓缩、干燥后与玉米粕配制成混合饲料。在采用不同的超滤膜材料时，过滤性能以及成品指标如下表所示，可以看出，聚醚砜和聚砜得到的L-色氨酸产品的透过率和收率较好。
膜材料 聚丙烯腈 聚酰亚胺 聚醚砜 聚砜 磺化聚砜
浓缩倍数 5 6.1 10 12 7.3
平均过滤通量L/h 7.5 8.8 15.5 16 11.2
L-色氨酸成品重量Kg 10.5 10.8 11.8 11.7 10.5
L-色氨酸成品纯度％ 99.2 99.3 99.5 99.6 99.5
卷式超滤膜的透过液的透光率％ 83 79 91 90 86
L-色氨酸的在卷式超滤膜的透过率％ 83 82 86 85 81
实施例7
取60℃高温灭菌后的L-色氨酸发酵液500L，L-色氨酸含量为35g/L，混合均匀后经陶瓷超滤膜过滤浓缩，陶瓷超滤膜的平均孔径是50nm，过滤压力0.2MPa，膜面流速为4m/s，发酵液浓缩10倍后得陶瓷膜超滤透过液，陶瓷膜超滤透过液进行浓缩、结晶，蒸发浓缩的温度为65℃，真空度为-0.08MPa，后将浓缩液降至15℃进行降温结晶，再将结晶物用水溶解之后(结晶物湿重：加水重量＝1:20)送入卷式超滤膜进行浓缩过滤，卷式超滤膜的材质采用聚醚砜、聚砜，膜截留分子量分别为1000、1500、2000、2500Da，压力1.2MPa，温度45℃，得到了脱色后的滤过液，将滤过液再次进行浓缩、结晶，浓缩、结晶条件与陶瓷膜超滤透过液的浓缩、结晶条件相同，得到L-色氨酸成品。将卷式超滤膜的浓缩液和结晶母液浓缩、干燥后与玉米粕配制成混合饲料。在采用不同截留分子量的超滤膜时，过滤性能以及成品指标如下表所示，可以看出，截留分子量为2000的超滤膜的过滤效率较好，得到的L-色氨酸产品的纯度和收率较好。
截留分子量Da 1000 1500 2000 2500
浓缩倍数 5.1 7.2 11 13.2
平均通量L/h 9.5 11 15.4 20
卷式超滤膜的透过液的透光率％ 95 94 93 85
L-色氨酸的在卷式超滤膜的透过率％ 65 71.2 85 90.5
L-色氨酸成品重量Kg 8.2 10.4 11.8 11.7
L-色氨酸成品纯度％ 99.8 99.6 99.5 99.1

Claims (22)

1.L-色氨酸的提取方法，其特征在于：包括如下步骤：第1步，将L-色氨酸发酵液送入第一超滤膜进行过滤，得到第一透过液；第2步，将第一透过液送入第二超滤膜进行过滤，得到超滤浓缩液和第二透过液；第3步，将第二透过液进行浓缩、结晶，得到L-色氨酸成品；第一透过液需要经过浓缩、结晶、溶解之后，再送入第2步的第二超滤膜进行过滤。
2.根据权利要求1所述的L-色氨酸的提取方法，其特征在于：第一超滤膜的截留分子量是20000～300000Da，或者平均孔径的范围是20nm～50nm。
3.根据权利要求1所述的L-色氨酸的提取方法，其特征在于：第二超滤膜的截留分子量是1000～2500Da。
4.根据权利要求1所述的L-色氨酸的提取方法，其特征在于：第一超滤膜的膜面流速2～5m/s。
5.根据权利要求4所述的L-色氨酸的提取方法，其特征在于：第一超滤膜的膜面流速4m/s。
6.根据权利要求1所述的L-色氨酸的提取方法，其特征在于：第一超滤膜的跨膜压差0.1～0.3MPa。
7.根据权利要求6所述的L-色氨酸的提取方法，其特征在于：第一超滤膜的跨膜压差0.2 MPa。
8.根据权利要求1所述的L-色氨酸的提取方法，其特征在于：第一超滤膜的浓缩倍数是5～15倍。
9.根据权利要求8所述的L-色氨酸的提取方法，其特征在于：第一超滤膜的浓缩倍数是15倍。
10.根据权利要求1所述的L-色氨酸的提取方法，其特征在于：第二超滤膜的跨膜压差0.5～1.5MPa。
11.根据权利要求10所述的L-色氨酸的提取方法，其特征在于：第二超滤膜的跨膜压差是1.0 MPa。
12.根据权利要求1所述的L-色氨酸的提取方法，其特征在于：第二超滤膜的过滤温度为30～45℃。
13.根据权利要求1所述的L-色氨酸的提取方法，其特征在于：结晶温度为5～20℃。
14.根据权利要求13所述的L-色氨酸的提取方法，其特征在于：结晶温度为15℃。
15.根据权利要求1所述的L-色氨酸的提取方法，其特征在于：第一超滤膜的材质是纤维素、纤维素酯、聚砜、聚醚砜、聚氯乙烯、氯丙烯、聚烯烃、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、不锈钢或者陶瓷材料。
16.根据权利要求1所述的L-色氨酸的提取方法，其特征在于：第二超滤膜的材料选自乙酸纤维素系聚合物、聚酰胺、磺化聚砜、聚醚砜、聚砜、聚丙烯腈、聚酯、聚酰亚胺或者乙烯基聚合物。
17.根据权利要求1所述的L-色氨酸的提取方法，其特征在于：将第一透过液结晶后的母液、第二透过液结晶后的母液、第二超滤膜的浓缩液中的一种或者几种进行浓缩和烘干后，与饲料载体混合，配制成L-色氨酸含量8～12wt%的混合饲料。
18.根据权利要求17所述的L-色氨酸的提取方法，其特征在于：所述的饲料载体选自稻壳粉、小麦粉、全麦粉、核桃壳粉、玉米粕或玉米芯粉中的一种或多种。
19.L-色氨酸的提取装置，其特征在于：包括有第一超滤膜（1）、第二超滤膜（3）、第二浓缩结晶装置（4）、干燥装置（5），第二超滤膜（3）的渗透侧与第二浓缩结晶装置（4）、第二固液分离装置（8）、干燥装置（5）依次连接；第一超滤膜（1）的渗透侧与第一浓缩结晶装置（2）、第一固液分离装置（6）、溶解槽（7）依次连接后，再连接于第二超滤膜（3）的截留侧的入口；第一超滤膜（1）的截留分子量是20000～300000Da或者平均孔径范围是20nm～50nm。
20.根据权利要求19所述的L-色氨酸的提取装置，其特征在于：第一超滤膜（1）的材质是纤维素、纤维素酯、聚砜、聚醚砜、聚氯乙烯、氯丙烯、聚烯烃、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、不锈钢、陶瓷。
21.根据权利要求19所述的L-色氨酸的提取装置，其特征在于：第二超滤膜（3）的截留分子量是1000～2500Da。
22.根据权利要求19所述的L-色氨酸的提取装置，其特征在于：第二超滤膜（3）的材质是乙酸纤维素系聚合物、聚酰胺、磺化聚砜、聚醚砜、聚砜、聚丙烯腈、聚酯、聚酰亚胺或乙烯基聚合物。
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