CN108409609A - 精氨酸电渗析提取工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种精氨酸电渗析提取工艺，属于氨基酸生产技术领域。本发明。本发明采用陶瓷膜分离、电渗析脱盐、膜浓缩等先进处理工艺的组合，有效实现了精氨酸的洁净化生产。该工艺的关键点为用电渗析取代了传统离子交换，提高了产品提取率，提高了产品纯度，同时减少了原有工艺的酸碱用量和水耗，降低了后续工艺的活性炭用量，减少了环境污染。

Description

精氨酸电渗析提取工艺
技术领域
本发明涉及氨基酸生产技术领域，特别涉及一种精氨酸电渗析提取工艺。
背景技术
传统生物发酵工艺来制备精氨酸。生物发酵工艺中发酵液中含有大量的有机和无机杂质，传统的后提取处理工艺对产品质量没有保障，而且费工费时。现有技术提取时采用了板框过滤，时间长，收率低，损失大。传统工艺只能达到50%的总收率，一次合格率只有97%。
本公司于2013年12月24日申请的授权公告号为“CN 103695487 B”、发明名称为“一种微生物发酵生产精氨酸工艺”的发明专利公开了利用MQA-121菌株发酵培养得含有精氨酸的发酵液，并且从该发酵液中分离提取精氨酸的方法。
该专利公开的精氨酸纯化提取方式，精氨酸提取收率高达86.3%，产品合格率高达99.9%，该纯化提取方式相对于现有技术虽然已经获得了显著的进步，然而，实际生产过程存在诸多不足，例如用水量大，污水产生量过高，活性炭用量较大，造成人工和物料消耗的提取成本较高，此外提取收率还有提升的空间。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，本发明提供了一种精氨酸电渗析提取工艺。
本发明的技术方案为：
一种精氨酸电渗析提取工艺，包括步骤：
1）陶瓷膜过滤：将黄色短杆菌MQA121的发酵液经陶瓷膜过滤，去除发酵液中的生产菌和大分子蛋白，得陶滤清液；所述陶瓷膜过滤的具体条件为：陶瓷膜孔径为120-500nm，操作压差为0.15-0.40MPa，膜面流速为3.0-3.5m/s，拟稳定通量为70-120L/ m2.h；
2）电渗析：将所述陶滤清液通过电渗析脱盐处理，得到透析清液；所述电渗析脱盐处理设备采用异相合金膜或均相模；
3）纳滤；所述透析清液采用通径为800分子量的纳滤膜设备处理，得到精氨酸含量为5-7%的纳滤浓缩液；纳滤处理过程的温度低于50℃；
4）活性炭脱色：将所述纳滤浓缩液升温至55-65℃，搅拌下加入活性炭脱色，保温脱色处理40-60min，得脱色清液；
5）反渗透浓缩：将所述脱色清液经反渗透膜浓缩至精氨酸含量为12%-15%后，得到反渗透浓缩液；
6）阴离子交换；将所述反渗透浓缩液以0.8-1.2倍树脂体积/小时的流速经过弱碱性阴离子树脂，得到阴离子树脂交换液；
7）浓缩结晶：将所述阴离子树脂交换液进行浓缩，浓缩至精氨酸含量为80%-85%的浓缩液；将所述浓缩液冷却至室温并于5-10℃条件下养晶8h；抽滤得精氨酸晶体湿品；
8）干燥：将精氨酸晶体湿品进行干燥，得纯化的精氨酸产品。
作为优选方案，步骤2）中，电渗析脱盐处理的具体条件为：电渗析设备运行电压20v，电流变化范围1-20A，电极液为1.5%-2.5%的硫酸铵水溶液pH维持在6.0-7.0。
作为优选方案，步骤4）中，活性炭的用量为所述纳滤浓缩液质量的0.8%-1.2%。
作为优选方案，步骤5）中，反渗透浓缩的过程中，温度低于60℃。
作为优选方案，步骤7）具体为，将所述阴离子树脂交换液吸入浓缩结晶罐，在-0.08Mpa、55-65℃、搅拌条件下将阴离子树脂交换液进行浓缩。
作为优选方案，步骤8）中精氨酸晶体湿品经双锥干燥，在真空度-0.08Mpa、温度80℃条件下烘干5小时得到含水量0.5%以下的干品。
作为优选方案，所述黄色短杆菌MQA121的发酵液的制备方法如下:
1）斜面培养：将MQA121菌种接入灭菌的斜面培养基，在32℃培养，32小时得到斜面菌种；
2）摇瓶菌种：将培养好的斜面菌种接入摇瓶种子培养基32℃培养22-32小时得到摇瓶种子液；
3）一级种子培养：将培养好的摇瓶种子液接入灭菌的一级种子培养基，32℃培养22-28小时得一级种液；
4）二级种子培养：将培养好的一级种子液接入灭菌过的二级种子培养基32℃培养4-8小时得二级种子液；
5）将培养好的二级种子液接种到灭菌的发酵培养基中，发酵过程补加按重量百分比的3%葡萄糖和玉米浆3.0-5.0%、(NH4)2SO41.5-3.5%、KH2PO40.3-0.8%、K2HPO4·3H2O0.3-0.6%，通入无菌风，采用氨水控制pH值6.8，在32℃条件下，经过65-70小时培养得到含精氨酸产品的发酵液。
进一步的，按重量百分比，所述斜面培养基为：葡萄糖2.5-4.0%、(NH4)2SO41.0-2.5%、KH2PO40.3-0.8%、K2HPO4·3H2O0.3-0.8%、MgSO4·7H2O0.05-0.1%、 FeSO4·7H2O0.002-0.004%、 MnSO4·H2O0.002-0.010%，琼脂粉2.0%，pH6.4~7.0。
作为优选方案，按重量百分比，所述摇瓶种子培养基、一级种子培养基、二级种子培养基以及发酵培养基为：初糖浓度12.5%，尿素0.3%，玉米浆CSL4.0%,（NH4）SO45.0%。
MQA121菌株在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心保藏，地址：北京市朝阳区北辰西路1号院3号，邮编：100101，其保藏编号是：CGMCC No.8392，菌种的拉丁文名称是BrevibacteriumfLavum，参据的微生物（株）：MQA121，保藏日期是2013年10月25日。该菌株产酸能力强、糖酸转化率高、性能稳定。
本发明的有益效果为：
1、通过新提取精制工艺的组合提高了产品收率和产品质量。精氨酸的一次性提取收率达到90%，纯度高达99%；
2、本发明用电渗析取代了传统离子交换工艺，大大降低了污水产生量。现有工艺采用离子交换进行产品分离，污水产生量较大，环保压力较高。每吨产品消耗新鲜水量约150吨，产生污水约130吨。而采用电渗析工艺后，污水产生量下降50%以上，每吨产品消耗新鲜水量约80吨，产生污水约50吨。
3、本发明用电渗析取代了传统离子交换工艺，节约了人工成本和物料消耗，降低了生产成本。目前离子交换工艺为人工操作控制，该岗位需要配置人员为10人左右，提取成本约为8000元/吨，而采用升级工艺后，电渗析工序可以采用自动化控制，人工可降低到3人，而且有效降低了酸、碱、活性炭用量，提取成本约为5000元/吨，降低1/3左右。
4、本发明中对MQA121菌株的发酵工艺进行微调（相对于申请日为2013年12月24日、授权公告号为CN 103695487 B、发明名称为一种微生物发酵生产精氨酸工艺的发明专利中的发酵工艺条件），显著增加了精氨酸的产量。
具体实施方式
实施例1：
本实施例所用菌株为MQA-121，MQA121菌株在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心保藏，地址：北京市朝阳区北辰西路1号院3号，邮编：100101，其保藏编号是：CGMCCNo.8392，菌种的拉丁文名称是BrevibacteriumfLavum，参据的微生物（株）：MQA121，保藏日期是2013年10月25日。该菌株产酸能力强、糖酸转化率高、性能稳定。
黄色短杆菌MQA121的发酵液的制备包括下述的步骤：
（1）斜面培养：将MQA121菌种接入灭菌的斜面培养基（配方葡萄糖2.5-4.0%、(NH4)2SO41.0-2.5%、KH2PO40.3-0.8%、K2HPO4·3H2O0.3-0.8%、MgSO4·7H2O0.05-0.1%、FeSO4·7H2O0.002-0.004%、MnSO4·H2O0.002-0.010%，琼脂粉2.0%，pH6.4~7.0。），在32℃培养，32小时得到斜面菌种；
（2）摇瓶菌种：将培养好的斜面菌种接入摇瓶灭菌种子培养基32℃培养22-32小时得到摇瓶种子液；
（3）一级种子培养：将培养好的摇瓶种子液接入灭菌的一级种子培养基，32℃培养22-28小时得一级种液；
（4）二级种子培养：将培养好的一级种子液接入灭菌过的二级种子培养基32℃培养4-8小时得二级种子液；
（5）将培养好的二级种子液接种到灭菌的发酵培养基中，发酵过程补加含量为3%葡萄糖和营养物质（玉米浆3.0-5.0%、(NH4)2SO41.5-3.5%、KH2PO40.3-0.8%、K2HPO4·3H2O0.3-0.6%），通入无菌风，采用氨水（1:1体积浓度）控制pH值6.8，在32℃条件下，经过65-70小时培养得到含精氨酸产品的发酵液。
摇瓶种子培养基、一级种子培养基、二级种子培养基以及发酵培养基配方为：初糖浓度12.5%，尿素0.3%，玉米浆CSL4.0%,（NH4）SO45.0%。
黄色短杆菌MQA121的发酵液提取精制包括以下步骤：（1）发酵液陶瓷膜过滤； （2）电渗析；（3）纳滤；（4）活性炭脱色；（5）反渗透浓缩；（6）阴离子交换；（7）浓缩、结晶；（8）离心干燥。
具体为：
（1）发酵液预处理利用陶瓷膜设备除去发酵液中的生产菌和大分子蛋白。陶瓷膜孔径120-500nm，操作压差0.15-0.40MPa，膜面流速3.0-3.5m/s，拟稳定通量70-120L/m2.h。
发酵液直接经过陶瓷膜循环过滤，过程采用循环水为循环料液降温，循环料液温度控制在65℃以下，浓缩液加入反渗透水清洗出残留的产品。过滤时间为12小时，滤清液含量为60-80g/L，滤液澄清、透明，预处理收率为85%。经过陶瓷膜后，清液含菌量＜0.2%。
（2）电渗析将步骤（1）中得到的滤清液通过电渗析脱盐，获得渗透清液，清液电导率500-1000μS/cm，清液体积为原有料液体积的90-100%；
（3）纳滤将步骤（2）中的透析清液通过通径为800分子量的纳滤膜设备循环脱色，过程使用循环水降温控制循环料液温度低于50℃，用反渗透水清洗浓缩液至产品含量低于0.2%，得到透光为80%以上，含量为6%的纳滤浓缩液；
（4）活性炭脱色 将步骤（3）纳滤清液升温至60℃，120rpm搅拌状态下加入1%活性炭脱色，保温45分钟，当清液透光率达到93%以上后经脱碳机除去活性炭得到脱色清液，
（5）反渗透 将步骤（4）脱色清液经过反渗透循环，用循环水降温控制循环料液温度低于60℃，浓缩液含量达到12-15%后得到反渗透浓缩液；
（6）阴离子交换树脂 步骤（5）反渗透浓缩液以1倍树脂体积/小时的流速流经经过弱碱性阴离子树脂得到含量为13%透光率99.5%的阴离子树脂交换液。
（7）浓缩、结晶将步骤（6）阴离子交换液吸入浓缩结晶罐，在-0.08Mpa、料液温度控制在60℃、搅拌转速为120rpm的条件下将阴离子交换液浓缩至料液含量达到85%，降低转速至80rpm，用-5℃冰水将料液降温至5-10℃养晶8小时。
（8）成品将步骤（7）养好晶的结晶液以2500rpm转速的全自动出料离心机将结晶和母液分离，用75%的酒精清洗结晶得到湿品，湿品经双锥干燥在真空度-0.08Mpa，温度80℃条件下烘干5小时得到含水量0.5%以下的干品，干品在环境为温度22℃—28℃，湿度≤50%，无菌条件下包装得成品。
本发明的优点在于，采用电渗析脱盐技术代替传统的离子交换分离技术，降低了酸碱用量和耗水量，减少了活性炭用量及污水产生量，提高了产品质量。
通过本发明制备方法，污水产生量降低了50%，活性炭用量降低了20%，酸碱用量降低了60%。
采用上述处理手段，成品对于发酵液来说总收率能达到93.2%以上（相对于除去菌体的净精氨酸含量计算），成品一次合格率达到100%，中试产品经滨州市质量技术监督局第三方检验，各项指标符合中华人民共和国国家标准，食品安全国家标准，食品添加剂，L-精氨酸GB 28306—2012标准，主要性能指标详见表1：
表1
对比例1
对比例1与实施例1黄色短杆菌MQA121的发酵液的制备方法完全相同。
本对比例中，黄色短杆菌MQA121的发酵液提取精制方法按照申请日为2013年12月24日，授权公告号为“CN 103695487 B”、发明名称为“一种微生物发酵生产精氨酸工艺”的发明专利公开的从该发酵液中分离提取精氨酸的方法进行精氨酸的提取精制。
本对比例精氨酸的一次性提取收率为86.1%，精氨酸的纯度为96%，本实施例分离纯化过程中所产生的废水为130吨/吨精氨酸。
可见，本发明与对比例相比，精氨酸的一次性提取收率提高了4%，纯度也大大提升，另外，所产生的污水显著降低，极大降低了环境压力，减少了污水处理所耗能源。

Claims (9)

1.一种精氨酸电渗析提取工艺，其特征在于，包括步骤：
1）陶瓷膜过滤：将黄色短杆菌MQA121的发酵液经陶瓷膜过滤，去除发酵液中的生产菌和大分子蛋白，得陶滤清液；所述陶瓷膜过滤的具体条件为：陶瓷膜孔径为120-500nm，操作压差为0.15-0.40MPa，膜面流速为3.0-3.5m/s，拟稳定通量为70-120L/ m2.h；
2）电渗析：将所述陶滤清液通过电渗析脱盐处理，得到透析清液；所述电渗析脱盐处理设备采用异相合金膜或均相模；
3）纳滤；所述透析清液采用通径为800分子量的纳滤膜设备处理，得到精氨酸含量为5-7%的纳滤浓缩液；纳滤处理过程的温度低于50℃；
4）活性炭脱色：将所述纳滤浓缩液升温至55-65℃，搅拌下加入活性炭脱色，保温脱色处理40-60min，得脱色清液；
5）反渗透浓缩：将所述脱色清液经反渗透膜浓缩至精氨酸含量为12%-15%后，得到反渗透浓缩液；
6）阴离子交换；将所述反渗透浓缩液以0.8-1.2倍树脂体积/小时的流速经过弱碱性阴离子树脂，得到阴离子树脂交换液；
7）浓缩结晶：将所述阴离子树脂交换液进行浓缩，浓缩至精氨酸含量为80%-85%的浓缩液；将所述浓缩液冷却至室温并于5-10℃条件下养晶8h；抽滤得精氨酸晶体湿品；
8）干燥：将精氨酸晶体湿品进行干燥，得纯化的精氨酸产品。
2.如权利要求1所述精氨酸电渗析提取工艺，其特征在于：步骤2）中，电渗析脱盐处理的具体条件为：电渗析设备运行电压20v，电流变化范围1-20A，电极液为1.5%-2.5%的硫酸铵水溶液pH维持在6.0-7.0。
3.如权利要求1或2所述精氨酸电渗析提取工艺，其特征在于：步骤4）中，活性炭的用量为所述纳滤浓缩液质量的0.8%-1.2%。
4.如权利要求1或2所述精氨酸电渗析提取工艺，其特征在于：步骤5）中，反渗透浓缩的过程中，温度低于60℃。
5.如权利要求1或2所述精氨酸电渗析提取工艺，其特征在于：步骤7）具体为，将所述阴离子树脂交换液吸入浓缩结晶罐，在-0.08Mpa、55-65℃、搅拌条件下将阴离子树脂交换液进行浓缩。
6.如权利要求1或2所述精氨酸电渗析提取工艺，其特征在于：步骤8）中精氨酸晶体湿品经双锥干燥，在真空度-0.08Mpa、温度80℃条件下烘干5小时得到含水量0.5%以下的干品。
7.如权利要求1或2所述精氨酸电渗析提取工艺，其特征在于，所述黄色短杆菌MQA121的发酵液的制备方法如下:
1）斜面培养：将MQA121菌种接入灭菌的斜面培养基，在32℃培养，32小时得到斜面菌种；
2）摇瓶菌种：将培养好的斜面菌种接入摇瓶种子培养基32℃培养22-32小时得到摇瓶种子液；
3）一级种子培养：将培养好的摇瓶种子液接入灭菌的一级种子培养基，32℃培养22-28小时得一级种液；
4）二级种子培养：将培养好的一级种子液接入灭菌过的二级种子培养基32℃培养4-8小时得二级种子液；
5）将培养好的二级种子液接种到灭菌的发酵培养基中，发酵过程补加按重量百分比的3%葡萄糖和玉米浆3.0-5.0%、(NH4)2SO41.5-3.5%、KH2PO40.3-0.8%、K2HPO4·3H2O0.3-0.6%，通入无菌风，采用氨水控制pH值6.8，在32℃条件下，经过65-70小时培养得到含精氨酸产品的发酵液。
8.如权利要求7所述精氨酸电渗析提取工艺，其特征在于，按重量百分比，所述斜面培养基为：葡萄糖2.5-4.0%、(NH4)2SO41.0-2.5%、KH2PO40.3-0.8%、K2HPO4·3H2O0.3-0.8%、MgSO4·7H2O0.05-0.1%、FeSO4·7H2O 0.002-0.004%、MnSO4·H2O0.002-0.010%，琼脂粉2.0%，pH6.4~7.0。
9.如权利要求7所述精氨酸电渗析提取工艺，其特征在于，按重量百分比，所述摇瓶种子培养基、一级种子培养基、二级种子培养基以及发酵培养基为：初糖浓度12.5%，尿素0.3%，玉米浆CSL4.0%,（NH4）SO45.0%。
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