CN109988790A - 谷氨酸发酵液的除菌和提取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于氨基酸生产技术领域，公开了谷氨酸发酵液的除菌和提取方法，包括如下步骤：1）菌株改造，2）发酵，3）碟片式离心机分离，4）卧螺离心机分离，5）混合，6）浓缩和等电，7）平板离心机离心，8）烘干菌体，9）酶解。本发明通过超高速二次离心除菌与浓缩连续等电离交提取技术，使得谷氨酸、菌体蛋白总收率显著提高，提取过程中的酸碱消耗显著减少，且菌体蛋白的纯度及收率均有所提高，将部分菌体蛋白代替复合氨基酸粉回用于谷氨酸发酵，从而节约成本同时实现了菌体蛋白的高附加值利用。
Description
技术领域
本发明属于氨基酸生产技术领域，具体涉及谷氨酸发酵液的除菌和提取方法。
背景技术
氨基酸在食品工业、医药、农业、畜牧业、以及人类健康、保健、化妆品行业等方面，发挥了越来越广泛的作用。国际氨基酸科学协会公布的调查报告显示，亚太地区已成为全球最大的氨基酸市场。生物发酵是生物产业的重要组成部分。经过几十年的发展，尤其是近二十年的飞速发展，已经发展成为一个重要的工业体系。2015年，行业产值超过3000亿元、产品总产量2424万吨，进入20世纪以来，我国生物发酵行业迅猛发展，目前我国氨基酸产业规模以上生产厂家已达近百家，年产值近500亿元，谷氨酸年产量达240万吨，赖氨酸年产量达85万吨，其产能均位居世界第一位，我国已成为氨基酸产品的“世界工厂”。
国家对生物发酵产业政策支持力度的不断加大，行业在技术创新方面取得了很大进展。氨酸发酵企业绝大部分采用了高性能的温敏菌种发酵的工艺技术，使谷氨酸产酸率和转化率、糖酸转化明显提高，明显提高了产品质量，降低了粮耗、能耗和水耗，减少了COD的产生，很好的起到了节能降耗的作用。但是，行业内仍然存在着高能耗、高消耗、高污染的问题，在工业产业转型升级及国际大力提倡节能环保的当前，严总阻碍行业发展。
另外，作为全球最大的谷氨酸生产地基的内蒙古阜丰生物科技有限公司，在我国乃至全球氨基酸行业占有举足轻重高的地位，其产能及技术研发水平均居行业前列，基于10多年的科技创新及生产实践经验，整合资源，提出通过自主创新结合产学研合作的形式，探索并实现生物发酵产品“低消耗、低能耗、低排废、高收率、高品质、高效益”的绿色制造模式。以推动企业健康绿色长远发展，促进产业转型升级，在实现经济发展的同时实现环境保护、资源保护。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明提供了谷氨酸发酵液的除菌和提取方法。
本法发明是这样实现的。
谷氨酸发酵液的除菌和提取方法，其主要包括三个部分的工序：
工序1：环保型高产酸菌株改造
通过分子改造与高通筛选相配合，引入新酵解途径：磷酸解酮酶（PKT）能使得CO2不被释放，它催化果糖-6 磷酸为乙酰磷酸和赤藓糖-4磷酸，以及催化5 碳糖代谢途径中的木酮糖-5 磷酸为甘油醛-3 磷酸和乙酰磷酸，产生的乙酰磷酸经磷酸转乙酰酶（PTA）转化为乙酰CoA，进入三羧酸循环。通过这一代谢途径可以避免丙酮酸转化为乙酰CoA 时CO2的损失，理论上5 个葡萄糖分子能产生6 个谷氨酸分子，理论转化率从81.7%提高到98%。
工序2：发酵液超高速二次离心除菌工艺研究
对比行业内普遍使用氨基酸发酵液除菌工艺后提出超高速碟片离心机和卧螺离心机的最佳组合对氨基酸发酵液进行二次离心除菌工艺，通过测定发酵液经过碟片、卧螺离心机除菌的进料温度、流量以及pH等参数，确定最佳运行条件。
降低了菌体蛋白等杂质对离交树脂的影响，提高了树脂的吸附率，可解决了连续浓缩等电清液不能进行离交回收的技术缺陷。
工序3：发酵营养元素梯度循环利用研究
二次离心获得的菌体蛋白取代传统絮凝提取法，得到的谷氨酸菌体蛋白无任何添加物，品质好、收率高，水解后代替复合氨基酸、苏氨酸、赖氨酸用于谷氨酸发酵，实现菌体蛋白的高附加值利用，同时节约成本生产。
本发明取得的有益效果主要包括但是并不限于以下几个方面：
1、利用基因工程、高通量筛选等方法获得的环保型高产酸菌株进行发酵优化，从源头减少原料消耗，提高产品产率；
2、利用超高速二次离心除菌工艺预处理发酵液，提高谷氨酸收率及纯度，提高副产物菌体蛋白收率；
3、预处理后发酵液经过浓缩连续等电离交工艺提取氨基酸，并对其工艺参数进行优化，从而提高氨基酸收率，减少酸碱等消耗。
4、将离心出的菌体蛋白进行酶解，得到复合氨基酸溶液，作为发酵营养元素回用于发酵中，实现菌体蛋白高附加值利用，降低生产成本。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请具体实施例，对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
实施例1
谷氨酸发酵液的除菌和提取方法，包括如下步骤：
1）菌株改造：从氨基酸发酵菌种谷氨酸棒杆菌开始进行研究，通过对原始菌种的基因改造获得目的菌株，在经过高通量筛选技术，选出高转化率菌株，进而引入新酵解途径：磷酸解酮酶（PKT）能使得CO2不被释放，它催化果糖-6磷酸为乙酰磷酸和赤藓糖-4磷酸，以及催化5碳糖代谢途径中的木酮糖-5磷酸为甘油醛-3磷酸和乙酰磷酸，产生的乙酰磷酸经磷酸转乙酰酶（PTA）转化为乙酰CoA，进入三羧酸循环。通过这一代谢途径可以避免丙酮酸转化为乙酰CoA 时CO2的损失，理论上5个葡萄糖分子能产生6个谷氨酸分子，理论转化率从81.7%提高到98%。可以选择通过质粒引入并过表达单个或两个基因：PPC、GLTA、fbp、PYC、GDH2、ppsA。
2）发酵：将基因改造的谷氨酸棒杆菌添加到发酵培养基中进行发酵得到谷氨酸发酵液；
3）碟片式离心机分离：谷氨酸发酵液用碟片式离心机进行离心分离，离心速度为5000rpm，离心时间为3min，收集上层液体和菌体；
4）卧螺离心机分离：将上层液体用卧螺离心机分离，离心速度为6000rpm，离心时间为5min，收集上清液和沉淀物；
5）混合：将步骤3）所得菌体和步骤4）所得沉淀物合并，得到菌体蛋白浆液；
6）浓缩和等电：用浓缩设备浓缩步骤4）所得上清液，采用板式蒸发器，浓缩温度为80℃，真空度在0.06MPa，浓缩2倍，得浓缩液，将pH值调至谷氨酸等电点3.2，降温至10℃，保温条件下静置30min，析出谷氨酸；
7）平板离心机离心：将步骤6）的料液采用平板离心机进行离心，转速为1000r/min,离心时间10min，将谷氨酸晶体和液体分离；纯度可达到97.6%；液体进入废水处理工序；
8）烘干菌体：将步骤 5）得到的菌体蛋白浆液用烘干设备进行烘干得菌体蛋白粉，烘干设备采用回转式滚筒干燥机和回转式冷却机，干燥机进风温度为600℃，出料温度为100℃，出料后蛋白进入冷却机，冷却机的出料温度为40℃，烘干后干蛋白水分为9.0%；
9）酶解：将步骤8）所得菌体蛋白粉用水稀释至干菌体浓度为50g/L，置于高速剪切机中以10000rpm的速度剪切120s，得到菌悬液，往菌悬液中添加相同体积的浓度为1mol/L的盐酸溶液，混匀，在90℃水解1h，之后添加胰蛋白酶进行水解，然后陶瓷膜过滤，收集滤液,90℃灭酶10min，然后浓缩成干物质含量为40%（重量比）的膏状物，喷雾干燥制备成复合氨基酸粉；所述的胰蛋白酶的水解条件为：pH为8、温度为37℃、水解时间为8h；所述的胰蛋白酶的酶活力为5000U/g，添加量为：酶与底物干质量比为1:40。
将发酵菌体有效利用，对菌体蛋白粉水解后的产物代替现有的复合氨基酸粉或酵母膏回用于谷氨酸发酵，从而节约成本并且实现菌体蛋白的高附加值利用。
谷氨酸菌体蛋白水解后经氨基酸分析仪测定，谷氨酸菌体蛋白水解液总氨基酸成分较全，与现有的复合氨基酸粉成分组成相似，可替代谷氨酸发酵配方中复合氨基酸粉。菌体蛋白水解成分如下表1所示：
表1菌体蛋白水解成分
| 样品名称 | 谷氨酸菌体蛋白水解（%） |
| 天冬氨酸 | 6.76 |
| 苏氨酸 | 2.77 |
| 丝氨酸 | 3.42 |
| 谷氨酸 | 11.3 |
| 甘氨酸 | 7.05 |
| 丙氨酸 | 3.4 |
| 胱氨酸 | 4.62 |
| 缬氨酸 | 1.13 |
| 蛋氨酸 | 3.54 |
| 异亮氨酸 | 5.22 |
| 亮氨酸 | 2.98 |
| 酪氨酸 | 2.65 |
| 苯丙氨酸 | 2.35 |
| 组氨酸 | 2.61 |
| 赖氨酸 | 3.86 |
| 精氨酸 | 2.91 |
| 总酸 | 66.57 |
本发明通过环保型高产酸菌株结合零添加超高速二次离心除菌与浓缩连续等电离交提取技术，使得谷氨酸、菌体蛋白总收率显著提高，提取过程中的酸碱消耗显著减少，且菌体蛋白的纯度及收率均有所提高，将部分菌体蛋白代替复合氨基酸粉回用于谷氨酸发酵，从而节约成本同时实现了菌体蛋白的高附加值利用，获得可观经济效益。一套年产2万吨氨基酸的示范生产线，每年可新增销售收入677.1万元；新增税金101.57万元；新增利润291.4万元（其中销售利润43.47万元、节约成本247.93万元）。
综上所述，将该技术应用于年产50万吨氨基酸生产线，预计每年为公司新增产值16927.5万元、新增利润7285.03万元（其中销售利润1086.75、节约成本6198.28万元）、新增税收2539.25万元。
该发明关键技术的研究及应用不仅为公司带来可观经济效益，同时其社会效益及环保效益显著，本发明关键技术的实施，有效减少生产中原材料的消耗，将副产物回用于生产中，提高其附加值，并且为后期发酵废水的处理减轻压力，为氨基酸行业清洁生产提供思路，为行业实现健康快速产业升级转型奠定基础。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的其中之一具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (5)
1.谷氨酸发酵液的除菌和提取方法，包括如下步骤：1）菌株改造，2）发酵，3）碟片式离心机分离，4）卧螺离心机分离，5）混合，6）浓缩和等电，7）平板离心机离心，8）烘干菌体，9）酶解。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
1）菌株改造：通过转基因技术提高谷氨酸棒杆菌中磷酸解酮酶的活性；
2）发酵：将步骤1）中的谷氨酸棒杆菌进行发酵得到谷氨酸发酵液；
3）碟片式离心机分离：谷氨酸发酵液用碟片式离心机进行离心分离，离心速度为5000rpm，离心时间为3min，收集上层液体和菌体；
4）卧螺离心机分离：将上层液体用卧螺离心机分离，离心速度为6000rpm，离心时间为5min，收集上清液和沉淀物；
5）混合：将步骤3）所得菌体和步骤4）所得沉淀物合并，得到菌体蛋白浆液；
6）浓缩和等电：用浓缩设备浓缩步骤4）所得上清液，采用板式蒸发器，浓缩温度为80℃，真空度在0.06MPa，浓缩2倍，得浓缩液，将pH值调至谷氨酸等电点3.2，降温至10℃，保温条件下静置30min，析出谷氨酸；
7）平板离心机离心：将步骤6）的料液采用平板离心机进行离心，转速为1000r/min,离心时间10min，将谷氨酸晶体和液体分离；液体进入废水处理工序；
8）烘干菌体：将步骤 5）得到的菌体蛋白浆液用烘干设备进行烘干得菌体蛋白粉，烘干设备采用回转式滚筒干燥机和回转式冷却机，干燥机进风温度为600℃，出料温度为100℃，出料后蛋白进入冷却机，冷却机的出料温度为40℃，烘干后干蛋白水分为9.0%；
9）酶解：将步骤8）所得菌体蛋白粉酶解制备得到复合氨基酸粉。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤9）酶解的具体工艺为：
用水稀释至干菌体浓度为50g/L，置于高速剪切机中以10000rpm的速度剪切120s，得到菌悬液，往菌悬液中添加相同体积的浓度为1mol/L的盐酸溶液，混匀，在90℃水解1h，之后添加胰蛋白酶进行水解，然后陶瓷膜过滤，收集滤液,90℃灭酶10min，然后浓缩成干物质含量为40%的膏状物，喷雾干燥制备成复合氨基酸粉。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的胰蛋白酶的水解条件为：pH为8、温度为37℃、水解时间为8h；所述的胰蛋白酶的酶活力为5000U/g，添加量为：酶与底物干质量比为1:40。
5.按照权利要求3所述的方法制备的复合氨基酸粉。
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