CN108084041A - 一种高效处理发酵液生产氨基酸的方法 - Google Patents

一种高效处理发酵液生产氨基酸的方法 Download PDF

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Abstract

一种高效处理发酵液生产氨基酸的方法，包括如下步骤：(1)使用孔径0.2～0.4μm的陶瓷膜对发酵液进行过滤；(2)使用有机超滤膜或活性炭对步骤(1)所得的滤液进行脱色除杂处理；(3)使用反渗透膜对步骤(2)处理后的液体进行浓缩处理；(4)步骤(3)所得到的浓缩液经多级闪蒸浓缩结晶，得到晶体中间产品；(5)合并步骤(4)所得到的纯度低于90％的晶体中间产品，以洗晶剂进行洗涤。该方法操作简便、高效节能、环境友好且成本低廉，可以解决现有氨基酸分离纯化工艺中收率低、成本高、三废多的问题。所获得的氨基酸晶体产品纯度超过95％，折纯收率高于85％。

Description

一种高效处理发酵液生产氨基酸的方法
技术领域
本发明涉及发酵法生产氨基酸的工艺，尤其涉及发酵产物的处理方法。
技术背景
目前氨基酸工业生产上广泛采用的一般为微生物发酵法，微生物发酵生产氨基酸的过程中，需要提供营养成分的培养基，因此发酵液除氨基酸以外还含有微生物、培养基残留物、代谢产物等。以培养基成分为例就含有无机盐、碳源(葡萄糖、蜜糖)、氮源、消泡剂(植物油)等等。由于发酵液的复杂成分，需要对其进行预处理才能通过结晶手段得到高纯度的氨基酸。
目前国内外普遍采用离子交换法除去发酵液中的杂质。主要过程为发酵液絮凝、过滤除菌体，调pH后离子交换，吸附饱和后，用氨水洗脱氨基酸，再采用重结晶的方式得到氨基酸晶体。该方法工艺复杂、收率低、成本高，并产生大量废水。
专利申请CN101298422报道了一种从发酵液中得到L-异亮氨酸的方法，首先加入中性絮凝剂过滤除菌体，滤液加活性炭脱色，再进行浓缩和重结晶得到产品。但结晶母液需离子交换处理，增加后续处理的难度及三废产生量。
综上，目前从发酵液中分离纯化氨基酸的方法得到的产品产率、纯度较低，且工艺过程能耗高，废水产生量大污染环境，这些都是新工艺开发过程中亟待解决的问题。
发明内容
本发明提供一种高效处理发酵液氨基酸的方法，该方法尤其适用于L-亮氨酸、L-异亮氨酸、L-缬氨酸发酵液的处理。
所提供的方法包括如下步骤：
(1)使用孔径0.2～0.4μm的陶瓷膜对发酵液进行过滤；
(2)使用有机超滤膜或活性炭对步骤(1)所得的滤液进行脱色除杂处理；
(3)使用反渗透膜对步骤(2)处理后的液体进行浓缩处理；
(4)步骤(3)所得到的浓缩液经多级闪蒸浓缩结晶，得到晶体产品；
(5)合并步骤(4)所得到的纯度低于90％的晶体中间产品，以洗晶剂进行洗涤。
该方法操作简便、高效节能、环境友好且成本低廉，可以解决现有氨基酸分离纯化工艺中收率低、成本高、三废多的问题。所获得的氨基酸晶体产品纯度超过95％，折纯收率高于85％。
具体实施方式
本发明的目的在于提供一种高效处理发酵液生产氨基酸的方法。该方法有效解决了传统氨基酸提取方法产品低纯度、低收率、工艺复杂的问题。
本发明所述的高效处理发酵液生产氨基酸的方法，是包括陶瓷膜过滤、脱色除杂、反渗透浓缩、多级闪蒸及晶体纯化等多个工艺模块的综合操作方案。本发明的技术方案尤其适用于产生L-亮氨酸、L-异亮氨酸或L-缬氨酸的微生物发酵液的处理。
本发明所述的方法主要包括：
(1)陶瓷膜过滤，其主要目的是除去菌体；本发明中，使用孔径0.2～0.4μm的陶瓷膜对发酵液进行过滤，最优选的是使用孔径0.22μm的陶瓷膜；菌体浓度>16％后进行多次清水稀释过滤，每次稀释加水体积为原发酵液的0.1～0.5倍，该稀释过滤的步骤重复3～5次；最后合并滤液。
过滤后得到除去部分蛋白、色素的发酵液，滤饼中氨基酸含量应<0.1％，过程氨基酸损失<2％。且过滤残液经离心得到的滤液可套用至下一釜次的顶水。
(2)脱色除杂，该步骤是使用有机超滤膜或活性炭对步骤(1)所得的滤液进行脱色除杂处理；优选使用截留分子量为1000～3000Dalton的有机超滤膜、更优选截留分子量2000Dalton的有机超滤膜进行脱色除杂处理。
处理过滤所得浓液氨基酸含量<0.1％，过程氨基酸损失<2％。
(3)反渗透浓缩，使用反渗透膜对步骤(2)处理后的液体进行浓缩处理，优选使用RO反渗透膜浓缩除盐，浓缩至液体体积为处理前的50％以下，即浓缩清液量大于50％。
清液氨基酸含量<0.1％，过程氨基酸损失<2％。
(4)步骤(3)所得到的浓缩液经多级闪蒸浓缩结晶，得到晶体产品；
所述的多级闪蒸处理方案是：
第一级闪蒸温度75～85℃，真空度控制在-0.080Mpa～-0.085Mpa，液体浓缩到原始发酵液体积的20～30％，过滤得到晶体；经该步骤得到的晶体可以直接作为最终产品的一部分，其纯度为>95％；
第二级闪蒸温度85～95℃，真空度控制在-0.093Mpa～-0.097Mpa，液体体积浓缩到原始发酵液体积的2～8％，过滤得到晶体；经该步骤得到的晶体往往不如第一级晶体产品纯度高，纯度40-80％，需要经过洗晶后方能作为最终产品。
该二级闪蒸往往需要重复1～2次，合并所得的粗晶体，进行洗晶。
(5)步骤(4)中所得到的纯度低于90％的粗晶体是晶体的中间产品，以洗晶剂进行洗涤。
所述的洗晶剂是含有水和水溶性有机溶剂的混合物；其中的水溶性有机溶剂选自甲醇、乙醇、丙醇、丙酮、异丙醇、乙二醇、四氢呋喃或其中两种的混合物。作为优选，所述的洗晶剂中，水的体积百分含量为6～95％，优选20～80％，更优选30～50％。
所述的洗晶剂在使用前需要调节pH值，其目标pH值为1～10，优选2～7，更优选为3～6。常常用于洗晶剂pH调节的物质选自下述一种或多种：乙酸、丙酸、柠檬酸、酒石酸、乳酸、盐酸、硫酸、磷酸、氨水、碳酸钠、碳酸钾、氢氧化钠、氢氧化钾。其中的多种是指任意2种或2种以上的组分按照任意比例的混合。
经过洗晶处理之后的粗晶体可以满足氨基酸纯度不低于90％的产品要求，与第一级闪蒸后获得的晶体产品合并，即获得目标的氨基酸晶体产品。洗晶剂可以回收再利用。
综合对各技术特征的优选选择，整合而得本发明所述方法的优选实施方案，描述如下：
(1)以孔径0.22μm的陶瓷微滤膜过滤过滤发酵液除去菌体，菌体浓度>16％后进行多次清水稀释过滤，每次稀释加水体积为原发酵液的0.1～0.5倍；合并滤液；过滤残液经离心得到的滤液套用至下一釜次的顶水；
(2)以下面两种方法之一对步骤(1)所获得的滤液进行脱色除杂处理:
a.加入滤液质量0.5％的活性炭吸附进行除杂脱色；
b.使用截留分子量2000Dalton的有机膜进行除杂脱色；
(3)步骤(2)处理后的液体过RO反渗透膜进行浓缩除盐，浓缩清液量大于50％；
(4)将步骤(3)处理后的浓缩液调节pH至4～6，并在75～85℃下进行真空闪蒸浓缩，液体体积浓缩至原始发酵液体积的20～30％后过滤；
(5)步骤(4)的滤液进行二级真空闪蒸浓缩，液体体积浓缩到原来体积的2-8％，过滤；重复该步骤1-2次，合并过滤所得晶体为粗晶，合并液体作为釜残收集；
(6)向步骤(5)所得的粗晶中加入1～2倍体积的洗晶剂，调节pH3～6，搅拌均匀后过滤。
(7)合并步骤(4)和(6)所得的晶体，为目标氨基酸。
下述非限制性实施例用于对本发明的技术方案作进一步说明，不应当理解为对本发明内容任何形式的限定。
本说明书中所述及的参数按照下述方法进行检测和计算：
氨基酸含量：GB 5009.124-2016；
蛋白质含量：GB 5009.5-2016；
目标氨基酸损失：1-处理后氨基酸质量/处理前氨基酸质量)*100％；
脱色率：(1-脱色后液体的色度/脱色前液体的色度)*100％
除蛋白率：(1-除蛋白后液体的蛋白含量/除蛋白前液体的蛋白含量)*100％；
平均除盐率：[1-(除盐后溶液盐浓度*溶液质量)/(除盐前溶液盐浓度*溶液质量)]*100％
实施例1
高效处理发酵液生产L-异亮氨酸的方法：
(1)按照“L-异亮氨酸发酵的研究”一文所载的方法制备L-异亮氨酸发酵液，《中国现代应用药学》,1994(4):26-26。
(2)以孔径为0.22μm的陶瓷膜对发酵液在0.3MPa压力下进行过滤；菌体浓度>16％后，按照原发酵液体积的20％加清水稀释发酵浓液后继续过滤，重复操作直至发酵浓液中的氨基酸含量为初始发酵液中氨基酸含量的0.1％以下；合并滤液得滤液1-i；
剩余发酵浓液经离心得到的上清液可循环利用，应用于下一批次发酵液过滤后的第一次顶水；
经检测，此步骤目标氨基酸损失<2％。
(3)滤液1-i通过经截留分子量为2000Dalton的膜脱色处理，得到滤液1-ii；
经检测，本步骤脱色率为85.6％，除蛋白率为84.1％，该步骤氨基酸损失<2％。
(4)滤液1-ii经RO反渗透膜浓缩除盐，操作压力2MPa，操作温度37℃，部分盐分随清水在浓缩过程中过滤排出，浓缩过程排出体积为滤液1-ii体积55％的清液，得到浓缩液1-iii；经检测平均除盐率达到21.5％。
此步骤氨基酸损失<2％；
(5)使用冰醋酸调节浓缩液1-iii pH至4.7，在真空闪蒸罐中80℃控制压力在-0.080Mpa～-0.085Mpa下进行真空闪蒸浓缩，液体体积浓缩到原始发酵液体积的25％，然后过滤得滤液1-iv。
此步骤所获得的晶体为最终产品的一部分，其纯度为95.7％，折纯收率为68.2％。
(6)滤液1-iv进一步于真空闪蒸罐中90℃下控制压力在-0.093Mpa～-0.097Mpa进行真空闪蒸，液体体积浓缩到原始发酵液体积的5％，过滤得粗晶体；向所得粗晶体中加入1.5倍体积的50％乙醇水溶液洗晶剂，调节pH至4，搅拌洗涤30min，过滤得氨基酸晶体。
此步所获得的晶体为最终产品的一部分，晶体纯度为94％，收率为96％，折纯收率为20.3％。
(7)合并步骤(5)和(6)所得晶体，为L-异亮氨酸晶体终产品。经计算，平均氨基酸晶体纯度>95％，总折纯收率>85％，得到白色晶体。
过程中使用反渗透膜进行浓缩减少了55％水分的蒸发量，节省了大量动力费用；真空闪蒸的应用减少了浓缩结晶过程中晶体在釜中的挂壁损失。
实施例2
高效处理发酵液生产L-亮氨酸的方法：
按照“发酵法生产L-亮氨酸工业性试验研究”一文所记载的方法制备L-亮氨酸发酵液，《今日药学》，2000,10(4):22-24。
(2)以孔径为0.22μm的陶瓷膜对发酵液在0.3MPa压力下进行过滤；菌体浓度>16％后，按照原发酵液体积的20％加清水稀释发酵浓液后继续过滤，重复操作直至发酵浓液中的氨基酸含量为初始发酵液中氨基酸含量的0.1％以下；合并滤液得滤液2-i；
剩余发酵浓液经离心得到的上清液可循环利用，应用于下一批次发酵液过滤后的第一次顶水；
经检测，此步骤目标氨基酸损失<2％。
(3)滤液2-i通过50nm的陶瓷膜过滤后加入原始发酵液0.5％的活性炭，40℃吸附脱色0.5h，过滤得到滤液2-ii；
经检测，本步骤脱色率为86.5％，除蛋白率为78.3％，步骤氨基酸损失<2％。
(4)滤液2-ii经RO反渗透膜浓缩除盐，操作压力2MPa，操作温度37℃，部分盐分随清水在浓缩过程中过滤排出，浓缩过程排出体积为滤液2-ii体积55％的清液，得到浓缩液2-iii；经检测平均除盐率达到21.5％
此步骤氨基酸损失<2％；
(5)使用冰醋酸调节浓缩液2-iii pH至pH4.7，在真空闪蒸罐中80℃控制压力在-0.080Mpa～-0.085Mpa下进行真空闪蒸浓缩，液体体积浓缩到原始发酵液体积的25％，然后过滤得滤液2-iv。
此步所获得的晶体为最终产品的一部分，其纯度为97.4％，折纯收率为67.9％。
(6)滤液2-iv进一步于真空闪蒸罐中90℃下控制压力在-0.093Mpa～-0.097Mpa进行真空闪蒸，液体体积浓缩到原始发酵液体积的5％，过滤得粗晶体；向所得粗晶体中加入1.5倍体积的50％乙醇水溶液洗晶剂，调节pH至4，搅拌洗涤30min，过滤得氨基酸晶体。
此步所获得的晶体为最终产品的一部分，晶体纯度为90.34％，收率为97.02％，折纯收率为20.6％。
(7)合并步骤(5)和(6)所得晶体，为L-亮氨酸晶体终产品。经计算，平均氨基酸晶体纯度>95％，总折纯收率>85％，得到白色晶体。
过程中使用反渗透膜进行浓缩减少了55％水分的蒸发量，节省了大量动力费用；真空闪蒸的应用减少了浓缩结晶过程中晶体在釜中的挂壁损失。
实施例3(对比例)CN101298422
(1)通过发酵法获得含有L-异亮氨酸的发酵液，含量一般在2％左右，加入中性絮凝剂后对发酵液进行过滤，通过过滤除去发酵液中的菌体，在滤液中加入占滤液重量2％的活性炭进行脱色，脱色后的液体经加热和浓缩，液体体积浓缩到原来体积的9-11％左右，然后将浓缩液冷却到24.5-25.5℃结晶，最佳结晶温度在25％左右，而经离心分离得到结晶的粗产品，分离出来的母液经PH值调节至2.5-3.0，然后采用732树脂吸附，采用1.0N左右的氨水洗脱，其解析液回到下批滤液中循环使用。
(2)将上述第一次结晶分离出来的粗产品加水溶解成重量比为3.5％左右的溶液，溶液加热到58-62℃，加入活性炭进行再次脱色，活性炭加入量为滤液重量的0.17-0.23％，脱色后的溶液经过滤，并将溶液浓缩到原来体积的7-9％左右，然后将浓缩液冷却到24.5-25.5℃结晶，最佳结晶温度在25％左右，经离心分离可得到第二次结晶的粗产品，分离出来的母液可回发酵滤液中再次使用；
(3)第二次结晶的粗产品再次加水溶解成重量比为3.5％左右的溶液，溶液加热到58-62℃，加入活性炭进行再次脱色，活性炭加入量为滤液重量的0.17-0.23％，脱色后的溶液经过滤，再经过超滤，再次将溶液浓缩到原来体积的7-9％左右，然后再将浓缩液冷却到24.5-25.5℃结晶，最佳结晶温度在25％左右，经离心分离得到湿成品，分离出来的母液可用作第一次结晶粗产品的配料水，湿成品经干燥后成为成品。
实施例4
高效处理发酵液生产L-缬氨酸的方法：
(1)按照“L-缬氨酸发酵工艺研究”一文所记载的方法，选择玉米浆浓度为35％,溶解氧为2-4之间，PH＝7的发酵条件制备L-缬氨酸发酵液，《中国药学会学术年会》，2004。
(2)以孔径为0.22μm的陶瓷膜对发酵液在0.3MPa压力下进行过滤；菌体浓度>16％后，按照原发酵液体积的20％加清水稀释发酵浓液后继续过滤，直至发酵浓液中的氨基酸含量为初始发酵液中氨基酸含量的0.1％以下；合并滤液得滤液4-i；
剩余发酵浓液经离心得到的上清液可循环利用，应用于下一批次发酵液过滤后的第一次顶水；
经检测，此步骤目标氨基酸损失<2％。
(3)滤液4-i通过50nm的陶瓷膜过滤后加入原始发酵液0.5％的活性炭，40℃吸附脱色0.5h，过滤得到滤液4-ii；
经检测，本步骤脱色率为85.7％，除蛋白率为80.1％，步骤氨基酸损失<2％。
(4)滤液4-ii经RO反渗透膜浓缩除盐，操作压力2MPa，操作温度37℃，部分盐分随清水在浓缩过程中过滤排出，浓缩过程排出体积为滤液4-ii体积55％的清液，得到浓缩液4-iii；经检测平均除盐率达到21.5％
此步骤氨基酸损失<2％；
(5)使用冰醋酸调节浓缩液4-iii pH至pH4.7，在真空闪蒸罐中80℃控制压力在-0.080Mpa～-0.085Mpa下进行真空闪蒸浓缩，液体体积浓缩到原始发酵液体积的25％，然后过滤得滤液4-iv。
此步所获得的晶体为最终产品的一部分，其纯度为96.4％，折纯收率为69.3％。
(6)滤液4-iv进一步于真空闪蒸罐中90℃下控制压力在-0.093Mpa～-0.097Mpa进行真空闪蒸，液体体积浓缩到原始发酵液体积的5％，过滤得粗晶体；向所得粗晶体中加入1.5倍体积的50％乙醇水溶液洗晶剂，调节pH至4，搅拌洗涤30min，过滤得氨基酸晶体。
此步所获得的晶体为最终产品的一部分，晶体纯度为93.8％，收率为97.6％，折纯收率为19.5％。
(7)合并步骤(5)和(6)所得晶体，为L-缬氨酸晶体终产品。经计算，平均氨基酸晶体纯度>95％，总折纯收率>85％，得到白色晶体。
过程中使用反渗透膜进行浓缩减少了55％水分的蒸发量，节省了大量动力费用；真空闪蒸的应用减少了浓缩结晶过程中晶体在釜中的挂壁损失。

Claims (9)

1.一种高效处理发酵液生产氨基酸的方法，包括如下步骤：
(1)使用孔径0.2～0.4μm的陶瓷膜对发酵液进行过滤；
(2)使用有机超滤膜或活性炭对步骤(1)所得的滤液进行脱色除杂处理；
(3)使用反渗透膜对步骤(2)处理后的液体进行浓缩处理；
(4)步骤(3)所得到的浓缩液经多级闪蒸浓缩结晶，得到晶体中间产品；
(5)合并步骤(4)所得到的纯度低于90％的晶体中间产品，以洗晶剂进行洗涤。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中所述的多级闪蒸处理是：第一级闪蒸，温度75～85℃，真空度控制在-0.080Mpa～-0.085Mpa，液体浓缩到原始发酵液体积的20～30％；第二级闪蒸，温度85～95℃，真空度控制在-0.093Mpa～-0.097Mpa，液体体积浓缩到原始发酵液体积的2～8％。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤(2)是使用截留分子量为1000～3000Dalton的有机超滤膜进行脱色除杂处理。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤(3)浓缩至液体体积为处理前的50％以下。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的洗晶剂是含有水和水溶性有机溶剂的混合物；其中的水溶性有机溶剂选自甲醇、乙醇、丙醇、丙酮、异丙醇、乙二醇、四氢呋喃或其中两种的混合物。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的洗晶剂中，水的体积百分含量为6～95％。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的洗晶剂以下述物质中的一种或多种调节pH：乙酸、丙酸、柠檬酸、酒石酸、乳酸、盐酸、硫酸、磷酸、氨水、碳酸钠、碳酸钾、氢氧化钠、氢氧化钾。
8.根据权利要求1所述的方法，包括如下步骤：
(1)以孔径0.22μm的陶瓷微滤膜过滤过滤发酵液除去菌体，菌体浓度>16％后进行多次清水稀释过滤，每次稀释加水体积为原发酵液的0.1～0.5倍；合并滤液；
过滤残液经离心得到的滤液套用至下一釜次的顶水；
(2)对步骤(1)所获得的滤液进行脱色除杂处理:
a.以活性炭吸附进行除杂脱色；
b.使用截留分子量2000Dalton的有机膜进行除杂脱色；
(3)步骤(2)处理后的液体过RO反渗透膜进行浓缩除盐，浓缩清液量大于50％；
(4)将步骤(3)处理后的浓缩液调节pH至4～6(实施例4.7)，并在75～85℃下进行真空闪蒸浓缩，液体体积浓缩至原始发酵液体积的20～30％后过滤；
(5)步骤(4)的滤液进行2级真空闪蒸浓缩，液体体积浓缩到原来体积的2-8％，过滤；重复该步骤1-2次，合并过滤所得晶体为粗晶，合并液体作为釜残收集；
(6)向步骤(5)所得的粗晶中加入1～2倍体积的洗晶剂，调节pH3～6，搅拌均匀后过滤；
(7)合并步骤(4)和(6)所得的晶体，为目标氨基酸。
9.根据权利要求1～8中任意权项所述的方法，其特征在于，所述的发酵液是产生L-亮氨酸、L-异亮氨酸或L-缬氨酸的微生物发酵液。
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