CN101691349B - 一种从发酵液中提取色氨酸的工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种色氨酸清洁生产新工艺，本发明以色氨酸发酵液为原料，经酸化、陶瓷膜洗滤、有机膜超滤、间歇浓缩结晶、离心分离和干燥工艺步骤获得高纯度的色氨酸，并采用离子交换除盐技术处理结晶母液循环回收产品，提高产品收率。它不仅打传统的工艺路线长、须用大量有机溶剂进行重结晶的繁琐步骤，而且使该工艺更加有利于工艺化生产，减少生产中环境的污染。
Description
技术领域
本发明涉及一种色氨酸的生产方法，具体为一种从发酵液中提取色氨酸的工艺。
背景技术
色氨酸，英文名：Tryptophan，化学名称：L-2-氨基-3(β-吲哚)丙酸，化学式：C11H12N2O2，学名：β-吲哚基丙氨酸(β-indolylalanine)。它有三种异构体。其消旋体是白色晶体，微溶于水，在碱性溶液中稳定，被强酸分解；左旋体是白色或微黄色片状晶体，无臭，味微苦。熔点289℃(分解)，在水中微溶，在乙醇中极微溶解，在氯仿中不溶，在甲酸中易溶，在氢氧化钠试液或稀盐酸中溶解；右旋体是白色晶体，有特殊甜味，熔点281-282℃(分解)，溶于水、热乙醇和氢氧化碱溶液。
L-色氨酸是杂环氨基酸，为人体和动物生命活动所必需的8种氨基酸之一，是重要的营养剂，广泛应用于氨基酸输液、综合氨基酸制剂、营养补充剂、烟酸缺乏症治疗、安神药(调节精神节律、改善睡眠)、食品和饲料添加剂。近年来，随着国内外饲料工业和医药工业的不断发展，色氨酸成为一种国际市场发展前景良好、中国市场需求较大的产品。色氨酸的生产最早主要依靠化学合成法和蛋白质水解法，但是随着对微生物法生产色氨酸研究的不断深入，这种方法已经走向实用并且处于主导地位。微生物法大体上可以分为直接发酵法、微生物转化法和酶法。以微生物直接发酵生产色氨酸已具有一定规模的工业化生产能力。直接发酵法获得的色氨酸发酵液中含有大量的菌丝体、蛋白、色素等杂质，必须通过一定的提取分离技术才能获得纯度高、透光率好的色氨酸。
目前色氨酸的提取纯化技术主要采用吸附和离子交换法，在低级脂肪醇存在下通过中和或降温重结晶，工艺复杂。同时采用有机溶剂进行色氨酸的提取，增加溶剂回收和后处理难度，对环境造成不利影响。
日本专利公开说明书(JP895/1983)采用色氨酸溶液先通过非极性多孔树脂，再通过超滤的方法提取色氨酸，但杂质去除不理想，达不到高透光率要求。日本专利公开说明书(JP39857/1984)提出了色氨酸用碱液溶解，在低脂肪醇或酮存在下中和结晶，提高纯度，但杂质去除仍不充分，透光率很难达到95％，而且，使用了大量溶剂，造成后续溶剂处理难度。日本专利公开说明书(JP126070/1986)将色氨酸溶解在95-100℃的酸性溶液中，用活性炭吸附率除炭后，再经过非极性多孔树脂吸附，洗脱色氨酸，在低脂醇存在下中和晶体，透光率也不理想。美国专利说明书(US5057615)中，将色氨酸在40-115℃的醋酸水溶液中，先用活性碳吸附，除碳后降温结晶，同样存在色氨酸分解变色问题。国内色氨酸纯化技术报道较少，大都采用离子交换树脂吸附色氨酸，该法的缺陷是：色氨酸易于氧化，收率不稳定；提取色氨酸杂质较多、色泽深；耗水量大，酸碱用量大，在生产中会产生大量的废渣和废水，污染环境。
综上所述，目前国内外在色氨酸的提取工艺中大都存在色氨酸降解、脱色不彻底、对环境的污染、后续有机溶剂的处理问题等。
发明内容
为了克服现有的色氨酸提取工艺中存在的缺点，本发明提供一种色氨酸清洁生产新工艺，本发明以色氨酸发酵液为原料，经酸化、陶瓷膜洗滤、有机膜超滤、间歇浓缩结晶、离心分离和干燥工艺步骤获得高纯度的色氨酸，并采用离子交换除盐技术处理结晶母液循环回收产品，提高产品收率。它不仅打传统的工艺路线长、须用大量有机溶剂进行重结晶的繁琐步骤，而且使该工艺更加有利于工艺化生产，减少生产中环境的污染。
本发明的技术方案是：一种从发酵液中提取色氨酸的工艺，其工艺步骤为：
(1)在线加热稀释酸化技术进行发酵液pH值调节
将发酵液加水稀释1倍，并将发酵液加热至温度为50-100℃，采用静态混和技术，加入浓度为70-98％的硫酸，通过控制发酵液及硫酸的流量比例调节pH至3-6，使色氨酸以溶液状态存在于发酵液中，并使菌体蛋白变性，适宜于菌体分离；
(2)陶瓷膜连续在线洗滤
将经步骤(1)酸化的发酵液，经陶瓷膜在线过滤，除去发酵液中的全部菌丝体；所述陶瓷膜膜孔径为50nm，控制膜过滤的操作温度为50-90℃，进膜压力为1.5-3.0bar，过滤出菌渣，原料液体积浓缩至菌渣体积的8-15倍，菌渣经浓缩喷干可做菌体蛋白；
(3)卷式有机膜除蛋白、大分子杂质、脱色
将经步骤(2)洗滤后的料液经过卷式有机膜除去蛋白、大分子杂质和色素，所述卷式有机膜可截流分子量为1000，控制pH 2.0-5.0，过滤温度为20-40℃，控制过滤压力10-20bar，经有机膜脱色后料液透光率明显提高，由原来的9-10％上升到95％以上；
(4)间歇浓缩结晶
采用三效降膜浓缩，控制一效浓缩温度60-90℃，控制二效浓缩温度90-110℃，控制三效浓缩温度50-80℃，控制真空压力为-0.08Mpa以上(最大不会超过-0.1Mpa)，将经步骤(3)有机膜脱色后的料液浓缩到饱和状态；然后将浓缩液立即送到真空浓缩结晶罐，真空浓缩温度50-75℃，真空压力-0.08Mpa以上(最大不会超过-0.1Mpa)，继续浓缩至料液比重为1.15-1.4g/cm3；然后加入氨水调节pH至4.5-6.8，常压下自然降温结晶，控制结晶过程时间为2-6小时；当晶体析出后，再补充新的浓缩液至原体积(第一次加入浓缩结晶罐的浓缩液的体积)，升温到50-75℃，真空浓缩至料液比重为1.15-1.4g/cm3，氨水调节pH至4.5-6.8，常压下自然降温结晶，如此三次补充浓缩液，最后浓缩至体积为原体积(第一次加入浓缩结晶罐的浓缩液的体积)的30-40％，得到片状色氨酸晶体；
(5)采用平板刮刀卸料离心机甩干分离去除结晶母液，收集色氨酸晶体，经干燥得到白色结晶粉末为产品色氨酸；
(6)结晶母液利用大孔阳离子树脂进行除盐处理，结晶母液与纯水按1∶0.5比例进行混合，控制pH5.5-6.5，工作温度35℃，离子交换柱床长径比为6∶1，进料流速为每小时流量为柱体积的1.5倍，流出液再回陶瓷膜膜过滤工艺循环处理，回收产品，洗脱的无机盐和杂酸可做无机肥料出售亦可做发酵培养基配料。
本发明所用的色氨酸发酵液中色氨酸含量为30-50g/L，pH值为4.0-7.0，残糖为0.5g/L以下，它是以葡萄糖等为原料采用直接发酵法所获得的发酵液，色氨酸发酵工艺属于现有技术。
本发明所得色氨酸为白色结晶粉末，无臭，味微苦，其性能指标如表1所示。
表1采用本工艺生产的色氨酸的性能指标
| 项目 | 指标 |
| 色氨酸含量(以干基计)，％ ≥ | 98.5 |
| 旋光度[a]20 D | -29.5°～-33.0° |
| 干燥失重，％ ≤ | 0.5 |
| 灼烧残留，％ ≤ | 0.5 |
| 重金属(以Pb计)，％ ＜ | 0.002 |
| 砷(以As计)，％ ＜ | 0.0002 |
本发明的有益效果是：本发明工艺先进，产品质量高。具体为：1)在线加热稀释酸化技术，采用静态混合器，连续调节pH值，节省投资和搅拌动力费用；2)采用陶瓷膜在线洗滤技术，提高产品质量及收率，陶瓷膜良好的化学和机械性能，耐高温、耐酸碱、易于清洗维护；相比其它分离设备，提高了浓缩倍数，减少菌渣排放。过滤出的菌渣，经浓缩可做菌体蛋白；3)采用卷式有机膜除蛋白、大分子杂质和脱色，提高滤液质量，使滤液更加纯净、透亮，杂质含量更低，提高产品质量；4)间歇浓缩结晶工艺，无需造粒，直接结晶得到片状结晶体，提高产品纯度，色泽亮度，无静电。一次结晶能满足饲料级、食品级产品的需求。5)结晶母液经过离子交换除盐，再回膜过滤处理循环，回收产品，提高产品收率，降低生产成本。回收的无机盐可出售做肥料或可做发酵培养配料；6)整个色氨酸发酵法的清洁生产工艺为闭环提取工艺，三废排放少。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
以下通过具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
(1)将500L发酵液(色氨酸含量为40g/L，PH值为6.0，残糖为0.5g/L)加水稀释至1000L，并将发酵液加热至温度为70℃，采用静态混和技术，加入浓度为70-98％的硫酸，通过控制发酵液及硫酸的流量比例调节pH至4.0，使色氨酸以溶液状态存在于发酵液中，并使菌体蛋白变性，适宜于菌体分离；
(2)将经步骤(1)酸化的发酵液，经陶瓷膜在线洗滤，除去发酵液中的全部菌丝体；所述陶瓷膜膜孔径为50nm，控制膜过滤的操作温度为70℃，进膜压力为2.0bar，原料液体积浓缩至菌渣体积的10倍，菌渣经浓缩喷干可做菌体蛋白；
(3)将经步骤(2)洗滤后的料液经过卷式有机膜除去蛋白、大分子杂质和色素，有机膜截流分子量为1000，控制pH 4.0，过滤温度为30℃，控制过滤压力15bar；
(4)采用三效降膜浓缩，控制一效浓缩温度70℃，控制二效浓缩温度100℃，控制三效浓缩温度70℃，控制真空压力为-0.08Mpa以上，将经步骤(3)有机膜脱色后的料液浓缩到饱和状态；然后将浓缩液立即送到真空浓缩结晶罐，真空浓缩温度70℃，真空压力为-0.08Mpa以上，浓缩至料液比重为1.2g/cm3，然后加入氨水调节pH 6.0，常温下自然降温结晶，控制结晶过程时间为3小时；当晶体析出后，再补充新的浓缩液到原体积，升温到70℃，真空浓缩至料液比重为1.2g/cm3，氨水调节pH至6.0，常压下自然降温结晶，如此三次补充浓缩液，最后浓缩体积为原体积的30-40％，得到片状色氨酸晶体；
(5)采用平板刮刀卸料离心机甩干分离去除结晶母液，收集色氨酸晶体，经干燥得到白色结晶粉末为产品色氨酸；
(6)结晶母液利用离子交换除盐技术处理，结晶母液与纯水按1∶0.5比例进行混合，控制pH5.5-6.5，工作温度35℃，离子交换柱床长径比为6∶1，进料流速为每小时流量为柱体积的1.5倍，再回陶瓷膜膜过滤工艺循环处理，回收产品，回收的无机盐可做无机肥料出售亦可做发酵培养基配料。
产品色氨酸收率为99.8％，产品色氨酸各项指标均符合表1所示的色氨酸性能指标。
实施例2
(1)将500L发酵液(色氨酸含量为35g/L，pH值为5.5，残糖为0.4g/L)加水稀释至1000L，并将发酵液加热至温度为50℃，采用静态混和技术，加入浓度为70-98％的硫酸，通过控制发酵液及硫酸的流量比例调节pH至3，使色氨酸以溶液状态存在于发酵液中，并使菌体蛋白变性，适宜于菌体分离；
(2)将经步骤(1)酸化的发酵液，经陶瓷膜在线洗滤，除去发酵液中的全部菌丝体；所述陶瓷膜膜孔径为50nm，控制膜过滤的操作温度为50℃，进膜压力为3.0bar。浓缩原料液体积至菌渣体积的15倍，菌渣经浓缩喷干可做菌体蛋白；
(3)将经步骤(2)洗滤后的料液经过卷式有机膜除去蛋白、大分子杂质和色素，膜可截流分子量为1000，控制pH 3，过滤温度为20℃，控制过滤压力20bar；
(4)采用三效降膜浓缩，控制一效浓缩温度60℃，控制二效浓缩温度90℃，控制三效浓缩温度50℃，控制真空压力为-0.08Mpa以上，将经步骤(3)有机膜脱色后的料液浓缩到饱和状态；然后将浓缩液立即送到真空浓缩结晶罐，真空浓缩温度50℃，真空压力为-0.08Mpa以上，浓缩至料液比重为1.4g/cm3，然后加入氨水调节pH 4.5，常温下自然降温结晶，控制结晶过程时间为4小时；当晶体析出后，再补充新的浓缩液到原体积，升温到50℃，真空浓缩至料液比重为1.4g/cm3，氨水调节pH至4.5，常压下自然降结晶，如此三次补充浓缩液，最后浓缩体积为原体积的30-40％，得到片状色氨酸晶体；
(5)采用平板刮刀卸料离心机甩干分离去除结晶母液，收集色氨酸晶体，经干燥得到白色结晶粉末为产品色氨酸。
(6)结晶母液利用离子交换除盐技术处理，结晶母液与纯水按1∶0.5比例进行混合，控制pH5.5-6.5，工作温度35℃，离子交换柱床长径比为6∶1，进料流速为每小时流量为柱体积的1.5倍，再回陶瓷膜膜过滤工艺循环处理，回收产品，回收的无机盐可做无机肥料出售亦可做发酵培养基配料。
产品色氨酸的收率为99.5％，产品色氨酸各项指标均符合表1所示的色氨酸性能指标。
实施例3
(1)将500L发酵液(色氨酸含量为40g/L，PH值为6.5，残糖为0.4g/L)加水稀释至1000L，并将发酵液加热至温度为90℃，采用静态混和技术，加入浓度为70-98％的硫酸，通过控制发酵液及硫酸的流量比例调节pH值至5，使色氨酸以溶液状态存在于发酵液中，并使菌体蛋白变性，适宜于菌体分离；
(2)将经步骤(1)酸化的发酵液，经陶瓷膜在线洗滤，除去发酵液中的全部菌丝体；所述陶瓷膜膜孔径为50nm，控制膜过滤的操作温度为90℃，进膜压力为1.5bar，浓缩原料液体积至菌渣体积的8倍，过滤出的菌渣，经浓缩喷干可做菌体蛋白；
(3)将经步骤(2)洗滤后的料液经过卷式有机膜除去蛋白、大分子杂质和色素，膜可截流分子量为1000，控制pH 5.0，过滤温度为40℃，控制过滤压力10bar；
(4)采用三效降膜浓缩，控制一效浓缩温度90℃，控制二效浓缩温度110℃，控制三效浓缩温度75℃，控制真空压力为-0.08Mpa以上，将经步骤(3)有机膜脱色后的料液浓缩到饱和状态；然后将浓缩液立即送到真空浓缩结晶罐，真空浓缩温度75℃，真空压力为-0.08Mpa以上。浓缩至料液比重为1.15g/cm3，然后加入氨水调节pH 6.8，常温下自然降温结晶，控制结晶过程时间为4小时，当晶体析出后，再补充新的浓缩液，升温到75℃，真空浓缩至料液比重为1.15g/cm3，氨水调节pH至6.8，常压下自然降温结晶，如此三次补充浓缩液到原体积，最后浓缩体积为原体积的30-40％，得到片状色氨酸晶体；
(5)采用平板刮刀卸料离心机甩干分离去除结晶母液，收集色氨酸晶体，经干燥得到白色结晶粉末为产品色氨酸。
(6)结晶母液利用离子交换除盐技术处理，结晶母液与纯水按1∶0.5比例进行混合，控制pH5.5-6.5，工作温度35℃，离子交换柱床长径比为6∶1，进料流速为每小时流量为柱体积的1.5倍，再回陶瓷膜膜过滤工艺循环处理，回收产品，回收的无机盐可做无机肥料出售亦可做发酵培养基配料。
产品色氨酸收率为99.3％，产品色氨酸各项指标均符合表1所示的色氨酸性能指标。
实施例4
(1)将500L发酵液(色氨酸含量为40g/L，pH值为6.0，残糖为0.4g/L)加水稀释至1000L，并将发酵液加热至温度为60℃，采用静态混和技术，加入浓度为70-98％的硫酸，通过控制发酵液及硫酸的流量比例调节pH至4.5，使色氨酸以溶液状态存在于发酵液中，并使菌体蛋白变性，适宜于菌体分离；
(2)将经步骤(1)酸化的发酵液，经陶瓷膜在线洗滤，除去发酵液中的全部菌丝体；所述陶瓷膜膜孔径为50nm，控制膜过滤的操作温度为60℃，进膜压力为2.5bar，浓缩原料液体积至菌渣体积的12倍，菌渣经浓缩喷干可做菌体蛋白；
(3)将经步骤(2)洗滤后的料液经过卷式有机膜除去蛋白、大分子杂质和色素，膜可截流分子量为1000，控制pH 4.5，过滤温度为25℃，控制过滤压力16bar；
(4)采用三效降膜浓缩，控制一效浓缩温度70℃，控制二效浓缩温度100℃，控制三效浓缩温度60℃，控制真空压力为-0.08Mpa以上，将经步骤(3)有机膜脱色后的料液浓缩到饱和状态；然后将浓缩液立即送到真空浓缩结晶罐，真空浓缩温度60℃，真空压力为-0.08Mpa以上。浓缩至料液比重为1.3g/cm3；然后加入氨水调节pH 5.5，常温下自然降温结晶，控制结晶过程时间为4小时，当晶体析出后，再补充新的浓缩液到原体积，升温到60℃，真空浓缩至料液比重为1.3g/cm3，氨水调节pH至5.5，常压下自然降温结晶，如此三次补充浓缩液，最后浓缩体积为原体积的30-40％，得到片状色氨酸晶体；
(5)采用平板刮刀卸料离心机甩干分离去除结晶母液，收集色氨酸晶体，经干燥得到白色结晶粉末为产品色氨酸；
(6)结晶母液利用离子交换除盐技术处理，结晶母液与纯水按1∶0.5比例进行混合，控制pH5.5-6.5，工作温度35℃，离子交换柱床长径比为6∶1，进料流速为每小时流量为柱体积的1.5倍，再回陶瓷膜膜过滤工艺循环处理，回收产品，回收的无机盐可做无机肥料出售亦可做发酵培养基配料。
产品色氨酸收率为99.8％，产品色氨酸各项指标均符合表1所示的色氨酸性能指标。
Claims (1)
1.一种从发酵液中提取色氨酸的工艺，其特征是，包括以下步骤：
(1)将色氨酸含量为30-50g/L，pH值为4.0-7.0，残糖量为≤0.5g/L的色氨酸发酵液加水稀释1倍，并将发酵液加热至温度为50-100℃，采用静态混和技术，加入浓度为70-98％的硫酸，通过控制发酵液及硫酸的流量比例调节pH至3-6，使色氨酸以溶液状态存在于发酵液中，并使菌体蛋白变性，适宜于菌体分离；
(2)将经步骤(1)酸化的发酵液，经陶瓷膜在线过滤，除去发酵液中的全部菌丝体；所述陶瓷膜膜孔径为50nm，控制膜过滤的操作温度为50-90℃，进膜压力为1.5-3.0bar，过滤出菌渣，原料液体积浓缩至菌渣体积的8-15倍，菌渣经浓缩喷干可做菌体蛋白；
(3)将经步骤(2)洗滤后的料液经过卷式有机膜除去蛋白、大分子杂质和色素，所述卷式有机膜截流分子量为1000，控制pH 2.0-5.0，过滤温度为20-40℃，控制过滤压力10-20bar；
(4)采用三效降膜浓缩，控制一效浓缩温度60-90℃，控制二效浓缩温度90-110℃，控制三效浓缩温度50-80℃，控制真空压力为-0.08Mpa以上，将经步骤(3)有机膜脱色后的料液浓缩到饱和状态；然后将浓缩液立即送到真空浓缩结晶罐，真空浓缩温度50-75℃，真空压力-0.08Mpa以上，继续浓缩至料液比重为1.15-1.4g/cm3；然后加入氨水调节pH至4.5-6.8，常压下自然降温结晶，控制结晶过程时间为2-6小时；当晶体析出后，再补充新的浓缩液到原体积，升温到50-75℃，真空浓缩至料液比重为1.15-1.4g/cm3，氨水调节pH至4.5-6.8，常压下自然降温结晶，如此三次补充浓缩液，最后浓缩至体积为原体积的30-40％，得到片状色氨酸晶体；
(5)采用平板刮刀卸料离心机甩干分离去除结晶母液，收集色氨酸晶体，经干燥得到白色结晶粉末为产品色氨酸；
(6)结晶母液利用大孔阳离子树脂进行除盐处理，结晶母液与纯水按1∶0.5比例进行混合，控制pH5.5-6.5，工作温度35℃，离子交换柱床长径比为6∶1，进料流速为每小时流量柱体积的1.5倍，流出液再回陶瓷膜膜过滤工艺循环处理，回收产品，洗脱的无机盐和杂酸可做无机肥料出售亦可做发酵培养基配料。
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