《用一步精製法提取發酵液中色氨酸的生產方法》是河南巨龍澱粉實業有限公司於2010年6月17日申請的專利，該專利公布號為CN101863822A，公布日為2010年10月20日，發明人是鄧立君、趙春光、孟宗盤。
《用一步精製法提取發酵液中色氨酸的生產方法》包括將發酵液進行預處理，採用陶瓷微濾膜過濾除菌體蛋白，然後經超濾膜脫色以及納濾膜脫鹽濃縮；納濾膜濃縮液直接進行活性炭脫色，脫色液低溫等電結晶，離心分離時用冰水淋洗獲得合格精品；結晶母液回至納濾膜繼續套用；超濾濃液以及菌體蛋白混合烘乾粉碎製成高附加值蛋白飼料；納濾濃鹽水可以作為培養基繼續回用或者作為基礎肥料出售。該發明杜絕了粗品製備和精品製備過程中有機溶劑和無機溶劑的加入，節省了溶劑回收費用，避免由此引起的污水處理問題和污染環境的問題；母液利用率高，產品質量好，在500噸生產線實現了L-色氨酸提取總收率為83.5％，更有利於工業化生產。
2018年8月，《用一步精製法提取發酵液中色氨酸的生產方法》獲得第一屆河南省專利獎三等獎。
基本介紹
- 中文名：用一步精製法提取發酵液中色氨酸的生產方法
- 公布號：CN101863822A
- 公布日：2010年10月20日
- 申請號：2010102018891
- 申請日：2010年6月17日
- 申請人：河南巨龍澱粉實業有限公司
- 地址：河南省汝州市廣成西路立交橋西200米
- 發明人：鄧立君、趙春光、孟宗盤
- 專利代理機構：鄭州紅元帥專利代理事務所
- 代理人：楊妙琴
- 分類號：C07D209/20(2006.01)I、A23K1/06(2006.01)I、C05F5/00(2006.01)I、C07D209/20、A23K1/06、C05F5/00
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
L-色氨酸是人體和動物生命活動中八種必需的胺基酸之一，對生長發育、新陳代謝起重要重用，被稱為第二必須胺基酸，廣泛套用於醫藥、食品和飼料等方面。根據聯合國糧農組織2000年測算，世界市場L-色氨酸年需求量約為120萬噸以上，截止到2007年底，全球L-色氨酸產能水平在10000噸以上，隨著蛋氨酸、賴氨酸的大量套用，價格一直較高的L-色氨酸更希望有廉價高效的生產及提取方法，以便推進L-色氨酸的套用。所以L-色氨酸的市場缺口很大，前景廣闊。
2010年6月之前，利用微生物直接發酵法生產的L-色氨酸以其原料成本低，來源廣泛，產品純度高，反應條件溫和等優點逐漸成為L-色氨酸的主要生產方法，和其他生物工程產品一樣，色氨酸工業生產也常常會受到生產成本的制約，而在生產成本的構成中，分離提取等下游工程的成本占有相當的比例。因此，研究L-色氨酸的提取方法具有重要的理論意義和實用價值。
工業化生產中，研究發酵液中L-色氨酸的提取工藝必須考慮其物料性質和提取方法路線。L-色氨酸屬於熱敏性物質，長時間加熱或光照易著色，易分解變質，所以提取工藝研究中在提高收率和產品質量的基礎上必須遵守低溫快速的原則；其次對L-色氨酸發酵液中所有妨礙色氨酸結晶的雜質成分分析後，確定合理的由易到難的去除雜質的提取路線更有利於提高收率，獲得優質產品。而2010年6月之前的資料表明2010年6月之前利用發酵液分離提取色氨酸一般經過兩個步驟，即粗品製備和精品製備。
粗品製備過程中一般採用膜過濾或離子交換法，或者二者結合的方法進行。即膜過濾的清液通過陽離子交換樹脂吸附，水洗，氨水洗脫，收集pH3～5的洗脫液真空濃縮，結晶過濾出粗品。其不足之處是在L-色氨酸粗品提取過程中加入大量的硫酸、氨水等無機試劑，得到粗品要經過繁雜的工序對上述藥品進行脫除。而大量試劑的加入，使得母液的pH值波動較大，雜質較多，而無法循環使用，造成極大地浪費。增加成本的同時也給環境帶來不良的影響。
精品製備一般採用有機溶媒溶解重結晶法或活性炭脫色後重結晶法，或者二者相結合的方法。用丙酮、酒精或冰醋酸等有機溶劑對色氨酸粗品進行加熱溶解，然後加入活性炭進行脫色，過濾除炭後結晶分離獲得精品。其不足之處在於有機溶劑大都易燃易爆增加了使用的安全隱患，而且不容易回收，造成環境污染和資源浪費。
綜上所述，2010年6月之前中國國內外色氨酸的提取工藝中大都存在提取工藝路線繁雜，提取時間長，導致色氨酸易降解、收率低，而且帶來對環境的污染、後續有機溶劑的處理問題等。
發明內容
專利目的
《用一步精製法提取發酵液中色氨酸的生產方法》是針對2010年之前發酵法生產L-色氨酸的工業化過程中，產品易變質，提取收率低以及環境污染嚴重的問題，而提供一種用一步精製法提取發酵液中色氨酸的生產方法。
技術方案
《用一步精製法提取發酵液中色氨酸的生產方法》包括以下步驟：
第一步、對含有L-色氨酸發酵液進行預處理：處理方式為分別加入發酵液體積0.1％～1.0％的明礬和發酵液體積0.1％～1.0％的NaHSO3後，攪拌並加熱到40～80℃，制為處理液；
第二步、將處理液泵入陶瓷微濾膜過濾器，得到除去菌體的色氨酸微濾液以及菌體蛋白；
第三步、將色氨酸微濾液泵入超濾膜過濾器，得到色氨酸超濾液和含有色素及蛋白的濃縮液；
第四步、將色氨酸超濾液泵入納濾膜過濾器，得到色氨酸濃縮液以及含鹽的透過液；
第五步、將經納濾的色氨酸濃縮液打入脫色罐，加入含酸量的5％～40％的活性炭進行脫色，脫色溫度控制在50～80℃保溫，脫色時間控制在10～60分鐘；
第六步、將壓濾除炭後的脫色液泵入單效蒸發器中，控制溫度50～80℃，真空度為-0.06～-0.1兆帕，濃縮至有大量晶體析出時停止；
第七步、將濃縮液打入結晶罐，迅速攪拌降溫至10～20℃，結晶4～10小時，晶體離心脫水烘乾後，得L-色氨酸成品；
第八步、將結晶母液泵入納濾膜過濾器重複步驟四；
第九步、將步驟三的濃縮液和步驟二的菌體蛋白混合，進入單效蒸發器結晶器，控制溫度80℃，真空度為-0.08兆帕，濃縮約8小時後，進入氣流烘乾，經粉碎機粉碎後，製成高蛋白飼料，蛋白含量在90％以上；
第十步、將步驟四的含鹽的透過液直接打入發酵工段代替部分培養基使用或者濃縮後作為肥料使用。
該發明的技術方案可以是這樣實現的：步驟一中所述發酵液是指利用葡萄糖、澱粉水解糖或其他替代物質為原料在L-色氨酸產生菌作用下經過一定的常規工序得到的含有L-色氨酸的發酵液。
該發明的技術方案還可以是這樣實現的：步驟二微濾膜器採用陶瓷管式膜分離系統，其材質可以是Al2O3或TiO2或SiO2或ZrO2，其孔徑為20納米～100納米，截留分子尺寸≥1.0微米，pH範圍1～14，操作溫度為0～80℃，進膜壓力與出膜壓力差為0.1～1.0兆帕，濾速控制在2～3立方米/小時，當清液流量小於2立方米/小時時，分多次，每次泵入1.5～3立方米的純化水頂洗，直至濃液中色氨酸含量低於1.0克/升後停機，得到除去菌體的色氨酸微濾液以及菌體蛋白。
該發明的技術方案還可以是這樣實現的：步驟三超濾膜器採用聚醯胺管式膜分離系統，超濾膜孔徑為1～20納米，截留分子量為600～1000千道爾頓，其操作條件為pH2～12，操作溫度20～40℃，進膜壓力與出膜壓力差為0.5～1.5兆帕，濾速控制在4～8立方米/小時，當清液流量小於2立方米/小時時，分多次，每次泵入1.5～3立方米的純化水頂洗，直至濃液中色氨酸含量低於0.5克/升後停機，得到色氨酸超濾液和含有色素及蛋白的濃縮液。
該發明的技術方案還可以是這樣實現的：步驟四納濾膜器採用聚醯胺管式膜分離系統，納濾膜孔徑為0.1～1納米，截留分子量為100～150千道爾頓，其操作條件為pH2～12，操作溫度20～40℃，進膜壓力與出膜壓力差為0.5～1.5兆帕，濾速控制在2.0～4.0立方米/小時，得到色氨酸濃縮液以及含鹽的透過液。
該發明的技術方案還可以是這樣實現的：步驟五中所用活性炭為木質粉末狀活性炭，加入前必須在溫水中完全溶解。
該發明的技術方案還可以是這樣實現的：步驟七中離心脫水時用10℃左右的冷純水進行淋洗，淋洗水量約為母液體積的10％～30％。
該發明所得色氨酸為白色結晶粉末，無臭，味微苦，其質量指標如表1所示：
檢測項目 | 指標 |
|---|---|
色氨酸含量（以乾基計），％≥ | 98.5 |
pH | 5.4～6.4 |
旋光度[a]D | -29.4°～-32.8° |
透光度，％ | ≥50 |
乾燥失重，％≤ | 0.5 |
熾熱殘渣，％≤ | 0.5 |
重金屬（以Pb計），％＜ | 0.002 |
砷（以As計），％＜ | 0.0002 |
改善效果
1、《用一步精製法提取發酵液中色氨酸的生產方法》採用微濾超濾納濾集成膜分離系統過濾發酵液和活性炭進行脫色，完全符合由易到難的雜質去除順序，即根據雜質成分大小順序先後除菌除蛋白脫鹽脫色，不但充分利用了膜系統的分離特性，不易造成膜污染；而且除雜徹底、過濾時間短、溫度低，特別適合處理熱敏性的色氨酸物料，使得色氨酸濾液顏色清亮、透光度高、純度高易於結晶，大大提高了色氨酸一次結晶收率。
2、該發明簡化了傳統的色氨酸提取工藝，徹底刪減了粗品製備的過程，採用一次精製法直接從發酵液中提取色氨酸，不但縮短了料液存放處理時間避免色氨酸變質，而且在L-色氨酸提取過程中不添加任何的酸鹼等化學試劑，沒有使用離子交換樹脂，很大程度上降低成本，減少污染，縮短了提純時間。杜絕了粗品製備和精品製備過程中有機溶劑和無機溶劑的加入，節省了溶劑回收費用，避免由此引起的污水處理問題和污染環境的問題。
3、該發明根據循環經濟的原則，將結晶母液循環套用，並且將過濾雜質與菌體蛋白等綜合利用實現了產品利潤的最大化。
4、該發明工藝路線簡單，提取過程清潔無污染，提取收率高，最終在500噸生產線實現了L-色氨酸提取總收率為83.5％，產品符合表1所示質量指標。
權利要求
1.《用一步精製法提取發酵液中色氨酸的生產方法》包括以下步驟：
第一步、對含有L-色氨酸發酵液進行預處理：處理方式為分別加入發酵液體積0.1％～1.0％的明礬和發酵液體積0.1％～1.0％的NaHSO3後，攪拌並加熱到40～80℃，制為處理液；
第二步、將處理液泵入陶瓷微濾膜過濾器，得到除去菌體的色氨酸微濾液以及菌體蛋白；
第三步、將色氨酸微濾液泵入超濾膜過濾器，得到色氨酸超濾液和含有色素及蛋白的濃縮液；
第四步、將色氨酸超濾液泵入納濾膜過濾器，得到色氨酸濃縮液以及含鹽的透過液；
第五步、將經納濾的色氨酸濃縮液打入脫色罐，加入含酸量的5％～40％的活性炭進行脫色，脫色溫度控制在50～80℃保溫，脫色時間控制在10～60分鐘；
第六步、將壓濾除炭後的脫色液泵入單效蒸發器中，控制溫度50～80℃，真空度為-0.06～-0.1兆帕，濃縮至有大量晶體析出時停止；
第七步、將濃縮液打入結晶罐，迅速攪拌降溫至10～20℃，結晶4～10小時，晶體離心脫水烘乾後，得L-色氨酸成品；
第八步、將結晶母液泵入納濾膜過濾器重複步驟四；
第九步、將步驟三的濃縮液和步驟二的菌體蛋白混合，進入單效蒸發器結晶器，控制溫度80℃，真空度為-0.08兆帕，濃縮約8小時後，進入氣流烘乾，經粉碎機粉碎後，製成高蛋白飼料，蛋白含量在90％以上；
第十步、將步驟四的含鹽的透過液直接打入發酵工段代替部分培養基使用或者濃縮後作為肥料使用。
2.根據權利要求1所述的用一步精製法提取發酵液中色氨酸的生產方法，其特徵在於：步驟一中所述發酵液是指利用葡萄糖、澱粉水解糖或其他替代物質為原料在L-色氨酸產生菌作用下經過一定的常規工序得到的含有L-色氨酸的發酵液。
3.根據權利要求1所述的用一步精製法提取發酵液中色氨酸的生產方法，其特徵在於：步驟二微濾膜器採用陶瓷管式膜分離系統，其材質可以是Al2O3或TiO2或SiO2或ZrO2，其孔徑為20納米～100納米，截留分子尺寸≥1.0微米，pH範圍1～14，操作溫度為0～80℃，進膜壓力與出膜壓力差為0.1～1.0兆帕，濾速控制在2～3立方米/小時，當清液流量小於2立方米/小時時，分多次，每次泵入1.5～3立方米的純化水頂洗，直至濃液中色氨酸含量低於1.0克/升後停機，得到除去菌體的色氨酸微濾液以及菌體蛋白。
4.根據權利要求1所述的用一步精製法提取發酵液中色氨酸的生產方法，其特徵在於：步驟三超濾膜器採用聚醯胺管式膜分離系統，超濾膜孔徑為1～20納米，截留分子量為600～1000千道爾頓，其操作條件為pH2～12，操作溫度20～40℃，進膜壓力與出膜壓力差為0.5～1.5兆帕，濾速控制在4～8立方米/小時，當清液流量小於2立方米/小時時，分多次，每次泵入1.5～3立方米的純化水頂洗，直至濃液中色氨酸含量低於0.5克/升後停機，得到色氨酸超濾液和含有色素及蛋白的濃縮液。
5.根據權利要求1所述的用一步精製法提取發酵液中色氨酸的生產方法，其特徵在於：步驟四納濾膜器採用聚醯胺管式膜分離系統，納濾膜孔徑為0.1～1納米，截留分子量為100～150千道爾頓，其操作條件為pH2～12，操作溫度20～40℃，進膜壓力與出膜壓力差為0.5～1.5兆帕，濾速控制在2.0～4.0立方米/小時，得到色氨酸濃縮液以及含鹽的透過液。
6.根據權利要求1所述的用一步精製法提取發酵液中色氨酸的生產方法，其特徵在於：步驟五中所用活性炭為木質粉末狀活性炭，加入前必須在溫水中完全溶解。
7.根據權利要求1所述的用一步精製法提取發酵液中色氨酸的生產方法，其特徵在於：步驟七中離心脫水時用10℃左右的冷純水進行淋洗，淋洗水量約為母液體積的10％～30％。
實施方式
- 實施例1
第一步、對含有L-色氨酸發酵液進行預處理：處理方式為分別加入發酵液體積0.1％的明礬和0.1％NaHSO3後，攪拌並加熱到60℃，持續30分鐘制為處理液；
第二步、將處理液泵入陶瓷微濾膜過濾器，控制溫度±45℃，進膜壓力與出膜壓力差為0.2～0.3兆帕，濾速控制在2～3立方米/小時，當清液流量小於2立方米/小時時，分多次，每次泵入1.5～3立方米的純化水頂洗，直至濃液中色氨酸含量低於1.0克/升後停機，得到除去菌體的色氨酸微濾液以及菌體蛋白，除菌率達到99.74％，L-色氨酸收率為99.3％；
第三步、將色氨酸微濾液泵入超濾膜過濾器，控制溫度±35℃，進膜壓力與出膜壓力差1.0±0.1兆帕，濾速控制在4～8立方米/小時，當清液流量小於2立方米/小時時，分多次，每次泵入1.5～3立方米的純化水頂洗，直至濃液中色氨酸含量低於0.5克/升後停機，得到色氨酸超濾液和含有色素及蛋白的濃縮液，色素去除率達到96.31％，蛋白去除率達到59.67％，L-色氨酸收率為96.1％；
第四步、將色氨酸超濾液泵入納濾膜過濾器，控制溫度±40℃，進膜壓力與出膜壓力差1.0±0.1兆帕，濾速控制在2.0～4.0立方米/小時，得到色氨酸濃縮液以及含鹽的透過液，離子去除率達到78.31％，L-色氨酸收率為95.4％；
第五步、將經納濾的色氨酸濃縮液泵入脫色罐，加入色氨酸含量的30％的303#活性炭進行脫色，脫色溫度控制在60℃，保溫60分鐘；
第六步、將壓濾除炭後的脫色液泵入單效蒸發器中，控制溫度60℃，真空度為-0.1兆帕，濃縮至有大量晶體析出時停止；
第七步、將濃縮液打入結晶罐，迅速攪拌降溫至10～20℃，結晶4小時，晶體離心脫水，並用母液體積的30％的10℃左右的冷純水進行淋洗，烘乾後，得L-色氨酸成品，一次結晶收率為53.2％，經檢測產品質量符合表1指標；
第八步、將結晶母液泵入納濾膜過濾器重複步驟四；
第九步、將步驟三的濃縮液和步驟二的菌體蛋白混合，進入單效蒸發器結晶器，控制溫度80℃，真空度為-0.08兆帕，濃縮約8小時後，進入氣流烘乾，經粉碎機粉碎後，製成色氨酸提取的副產品—高蛋白飼料，蛋白含量在90％以上；
第十步、將步驟四的含鹽的透過液直接打入發酵工段代替部分培養基使用或者濃縮後作為肥料使用。
- 實施例2
第一步、對含有L-色氨酸發酵液進行預處理：處理方式為分別加入發酵液體積0.1％的明礬和0.1％NaHSO3後，攪拌並加熱到60℃，持續30分鐘制為處理液；
第二步、將處理液泵入陶瓷微濾膜過濾器，控制溫度±45℃，進膜壓力與出膜壓力差為0.2～0.3兆帕，濾速控制在2～3立方米/小時，當清液流量小於2立方米/小時時，分多次，每次泵入1.5～3立方米的純化水頂洗，直至濃液中色氨酸含量低於1.0克/升後停機，得到除去菌體的色氨酸微濾液以及菌體蛋白，除菌率達到99.74％，L-色氨酸收率為99.3％；
第三步、將色氨酸微濾液泵入超濾膜過濾器，控制溫度±35℃，進膜壓力與出膜壓力差1.0±0.1兆帕，濾速控制在4～8立方米/小時，當清液流量小於2立方米/小時時，分多次，每次泵入1.5～3立方米的純化水頂洗，直至濃液中色氨酸含量低於0.5克/升後停機，得到色氨酸超濾液和含有色素及蛋白的濃縮液，色素去除率達到96.31％，蛋白去除率達到59.67％，L-色氨酸收率為96.1％；
第四步、將色氨酸超濾液泵入納濾膜過濾器，控制溫度±40℃，進膜壓力與出膜壓力差1.0±0.1兆帕，濾速控制在2.0～4.0立方米/小時，得到色氨酸濃縮液以及含鹽的透過液，離子去除率達到78.31％，L-色氨酸收率為95.4％；
第五步、將經納濾的色氨酸濃縮液泵入脫色罐，加入色氨酸含量的20％的303#活性炭進行脫色，脫色溫度控制在60℃，保溫60分鐘；
第六步、將壓濾除炭後的脫色液泵入單效蒸發器中，控制溫度55℃，真空度為-0.1兆帕，濃縮至有大量晶體析出時停止；
第七步、將濃縮液打入結晶罐，迅速攪拌降溫至10～20℃，結晶4小時，晶體離心脫水，並用母液體積的20％的10℃左右的冷純水進行淋洗，烘乾後，得L-色氨酸成品，一次結晶收率為55.7％，經檢測產品質量符合表1指標；
第八步、將結晶母液泵入納濾膜過濾器重複步驟四；
第九步、將步驟三的濃縮液和步驟二的菌體蛋白混合，進入單效蒸發器結晶器，控制溫度80℃，真空度為-0.08兆帕，濃縮約8小時後，進入氣流烘乾，經粉碎機粉碎後，製成色氨酸提取的副產品—高蛋白飼料，蛋白含量在90％以上；
第十步、將步驟四的含鹽的透過液直接打入發酵工段代替部分培養基使用或者濃縮後作為肥料使用。
- 實施例3
第一步、對含有L-色氨酸發酵液進行預處理：處理方式為分別加入發酵液體積0.1％的明礬和0.1％NaHSO3後，攪拌並加熱到60℃，持續30分鐘制為處理液；
第二步、將處理液泵入陶瓷微濾膜過濾器，控制溫度±45℃，進膜壓力與出膜壓力差為0.2～0.3兆帕，濾速控制在2～3立方米/小時，當清液流量小於2立方米/小時時，分多次，每次泵入1.5～3立方米的純化水頂洗，直至濃液中色氨酸含量低於1.0克/升後停機，得到除去菌體的色氨酸微濾液以及菌體蛋白，除菌率達到99.74％，L-色氨酸收率為99.3％；
第三步、將色氨酸微濾液泵入超濾膜過濾器，控制溫度±35℃，進膜壓力與出膜壓力差1.0±0.1兆帕，濾速控制在4～8立方米/小時，當清液流量小於2立方米/小時時，分多次，每次泵入1.5～3立方米的純化水頂洗，直至濃液中色氨酸含量低於0.5克/升後停機，得到色氨酸超濾液和含有色素及蛋白的濃縮液，色素去除率達到96.31％，蛋白去除率達到59.67％，L-色氨酸收率為96.1％；
第四步、將色氨酸超濾液泵入納濾膜過濾器，控制溫度±40℃，進膜壓力與出膜壓力差1.0±0.1兆帕，濾速控制在2.0～4.0立方米/小時，得到色氨酸濃縮液以及含鹽的透過液，離子去除率達到78.31％，L-色氨酸收率為95.4％；
第五步、將經納濾的色氨酸濃縮液泵入脫色罐，加入色氨酸含量的10％的303#活性炭進行脫色，脫色溫度控制在50～70℃，保溫60分鐘；
第六步、將壓濾除炭後的脫色液泵入單效蒸發器中，控制溫度60℃，真空度為-0.1兆帕，濃縮至有大量晶體析出時停止；
第七步、將濃縮液打入結晶罐，迅速攪拌降溫至10～20℃，結晶4小時，晶體離心脫水，並用母液體積的30％的10℃左右的冷純水進行淋洗，烘乾後，得L-色氨酸成品，一次結晶收率為59.3％，經檢測產品質量符合表1指標；
第八步、將結晶母液泵入納濾膜過濾器重複步驟四；
第九步、將步驟三的濃縮液和步驟二的菌體蛋白混合，進入單效蒸發器結晶器，控制溫度80℃，真空度為-0.08兆帕，濃縮約8小時後，進入氣流烘乾，經粉碎機粉碎後，製成色氨酸提取的副產品—高蛋白飼料，蛋白含量在90％以上；
第十步、將步驟四的含鹽的透過液直接打入發酵工段代替部分培養基使用或者濃縮後作為肥料使用。
榮譽表彰
2018年8月，《用一步精製法提取發酵液中色氨酸的生產方法》獲得第一屆河南省專利獎三等獎。
