專利名稱：從谷氨酸發(fā)酵液中回收谷氨酸及相關(guān)物質(zhì)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提取谷氨酸及相關(guān)物質(zhì)的方法。
本發(fā)明已就相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了“世界專利文摘索引”(1963年至今)，“化學(xué)文摘”(1967年至今)的國(guó)際聯(lián)機(jī)檢索。其中有關(guān)離子交換提取谷氨酸的專利有1)發(fā)酵液全部經(jīng)過(guò)強(qiáng)酸陽(yáng)離子交換樹脂回收谷氨酸(a.USP3325539；b.JP285537)；2)發(fā)酵液先經(jīng)弱酸性陽(yáng)離子樹脂處理，除去大部分銨離子等陽(yáng)離子雜質(zhì)，再加酸進(jìn)行等電點(diǎn)結(jié)晶操作，等電液中谷氨酸經(jīng)強(qiáng)酸性陽(yáng)離子回收，用NaOH洗脫(《離子交換與吸附》4,35-39(1987))；3)以弱堿性陰離子交換樹脂從發(fā)酵液中吸附谷氨酸(JP257063)；4)離子交換法從等電結(jié)晶母液中回收谷氨酸，用新鮮發(fā)酵液直接洗脫，谷氨酸的平均收率為86.7％(B.P.1201823)；5)用銨型強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂吸附等電母液中的谷氨酸(CN1031527A；CN1056490A)；6)一個(gè)中國(guó)發(fā)明專利(申請(qǐng)?zhí)?31028191)提供了如下技術(shù)用氫型弱酸性陽(yáng)離子交換樹脂吸附發(fā)酵液中銨離子，再用高濃度酸性谷氨酸洗脫液中和到等電點(diǎn)，使大部分谷氨酸析出。等電液中谷氨酸用氫型強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂吸附，用強(qiáng)酸洗脫。
從谷氨酸發(fā)酵液中分離谷氨酸的方法有鹽酸鹽法，鋅鹽法，冷凍等電結(jié)晶法和等電結(jié)晶離子交換法。其中以后兩種較為經(jīng)濟(jì)實(shí)用。冷凍等電結(jié)晶法一般需將發(fā)酵液冷卻到4℃左右，pH調(diào)到3.2等電結(jié)晶，結(jié)晶收率為70-80％。該法設(shè)備投資小，但能耗大，收率低。傳統(tǒng)的等電結(jié)晶--離子交換法是將含谷氨酸的發(fā)酵液在常溫下進(jìn)行等電結(jié)晶，剩余的含量在1.3％左右的谷氨酸結(jié)晶母液用氫型強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂吸附，用NaOH或NH4OH洗脫，樹脂用鹽酸再生恢復(fù)至氫型，水洗，再重新上柱交換谷氨酸。該法雖然可提高總收率到85％左右，但需耗大量的酸，堿及熱水，樹脂損耗也大。中國(guó)專利CN1056490A提出的用銨型強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂回收等電液中谷氨酸的方法，使收率達(dá)到90％，然而存在著廢液中含有大量酸根和銨離子，難以處理，污染環(huán)境等問(wèn)題。
為發(fā)揚(yáng)等電結(jié)晶--離子交換法的優(yōu)點(diǎn)，避免其缺點(diǎn)，產(chǎn)生了本發(fā)明。
本發(fā)明所提供的從谷氨酸發(fā)酵液中回收谷氨酸的方法，其特征在于1)使發(fā)酵液通過(guò)H型弱酸性陽(yáng)離子交換樹脂，除掉大部分銨離子，降低發(fā)酵液pH值，使部分谷氨酸結(jié)晶沉淀析出；2)再使發(fā)酵液通過(guò)被谷氨酸飽和的強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂進(jìn)一步除去發(fā)酵液中的銨離子，并置換出谷氨酸，使發(fā)酵液pH值達(dá)到3.2，于等電點(diǎn)進(jìn)一步結(jié)晶析出，發(fā)酵液中剩余的少量谷氨酸通過(guò)H型強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂進(jìn)一步回收并用于下一循環(huán)除銨；3)用稀強(qiáng)堿洗脫吸附有銨離子和少量谷氨酸的強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂、進(jìn)一步回收谷氨酸；同時(shí)，隨著PH值的升高，可直接回收該樹脂上的氨基酸如丙氨酸，精氨基酸，腺嘌呤和尿密啶；4)從強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂排出的廢液，用OH型弱堿性陰離子交換樹脂處理，然后再用稀堿液洗脫回收a-酮戊二酸和乳酸；在上述回收谷氨酸的方法中，弱酸性陽(yáng)離子交換樹脂再生后首先用于處理已被處理過(guò)的pH和銨離子濃度均較低的發(fā)酵液，再用來(lái)處理pH和銨離子濃度均較高的發(fā)酵液，以達(dá)到最大可能利用樹脂的交換能力的目的；在上述回收谷氨酸的方法中，弱酸性陽(yáng)離子交換樹脂上殘留的谷氨酸用水洗脫回收，銨離子濃度較高部分用于洗脫強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換柱上的谷氨酸，低濃度部分用于下次洗脫；在上述回收谷氨酸的方法中，用2-3M強(qiáng)酸再生強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂而流出的廢酸液，經(jīng)補(bǔ)加濃強(qiáng)酸后，直接用于再生吸附有銨離子等陽(yáng)離子的弱酸性陽(yáng)離子交換樹脂，并采用多分部法，使回收的廢鹽液的濃度達(dá)2-5M；在上述回收谷氨酸的方法中，等電點(diǎn)液銨離子濃度控制在0.1-0.01M，最好在0.04-0.01M，以盡量提高強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂對(duì)谷氨酸的吸附率；在上述回收谷氨酸的方法中，等電點(diǎn)發(fā)酵液經(jīng)強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂吸附后的廢液，經(jīng)弱堿性陰離子交換樹脂吸附無(wú)機(jī)陰離子和a-酮戊二酸和乳酸，并經(jīng)沉淀過(guò)濾后，直接回用于洗脫弱酸性陽(yáng)離子交換樹脂；在上述回收谷氨酸的方法中，谷氨酸結(jié)晶大體分為兩個(gè)階段，第一階段是發(fā)酵液經(jīng)弱酸性陽(yáng)離子交換樹脂處理，逐步降低pH，直至pH4.3-4.0，排入結(jié)晶罐中結(jié)晶回收谷氨酸；第二階段，前段結(jié)晶后的上清液逆上柱，通過(guò)吸附有谷氨酸的強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂，得pH值為3.2的等電液，在結(jié)晶罐中結(jié)晶回收谷氨酸。


圖1是本發(fā)明的流程圖，其中1、2、3、4為結(jié)晶罐，5為離心機(jī)，6為菌體沉降池，7為弱堿性陰離子交換樹脂，8為一組強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂，9為儲(chǔ)液池，10為一組弱酸性陽(yáng)離子交換樹脂，11為廢酸池，12為儲(chǔ)水池。
下面結(jié)合附圖一對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
在帶攪拌裝置的結(jié)晶罐1,2,3,4中放置發(fā)酵液，發(fā)酵液的pH值由1至4順序降低。弱酸性陽(yáng)離子交換樹脂組10由3-5個(gè)帶攪拌裝置的弱酸性陽(yáng)離子交換柱組成。當(dāng)弱酸性陽(yáng)離子交換樹脂10為氫型時(shí)，首先將結(jié)晶罐2中的發(fā)酵液逆上柱進(jìn)行除氨處理，上柱速度為5-15BV/h(BV指樹脂體積，h指小時(shí))，處理后流出液的銨離子濃度為0.15-0.10M,pH值為4.0-4.3，進(jìn)入結(jié)晶罐3，用于洗脫強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂組8上的谷氨酸；再用該批弱酸性陽(yáng)離子交換樹脂10處理結(jié)晶罐1中發(fā)酵液，速度5-15BV/h，處理后的發(fā)酵液pH降低，流入結(jié)晶罐2，在結(jié)晶罐2中谷氨酸結(jié)晶析出；然后用該批弱酸性陽(yáng)離子交換樹脂10處理新發(fā)酵液，除氨處理后的發(fā)酵液排入結(jié)晶罐1中。經(jīng)弱酸性陽(yáng)離子交換樹脂組10處理后的發(fā)酵液在結(jié)晶罐1,2,3中在攪拌狀態(tài)下結(jié)晶2-3h，使谷氨酸結(jié)晶充分析出，結(jié)晶經(jīng)離心機(jī)5，離心分離出谷氨酸。濕結(jié)晶離心出的液體再送回結(jié)晶罐1、2、3中。
將吸附有發(fā)酵液中銨離子的弱酸性陽(yáng)離子交換樹脂10中的發(fā)酵液放干，先后用儲(chǔ)液池9中的稀溶液和儲(chǔ)水池12中的去離子水分批洗滌，使最終洗出液的谷氨酸＜0.03％。洗出液中較濃部分含銨離子0.20-0.10M，谷氨酸1-2％，注入強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂組8，用于洗脫其上吸附的谷氨酸；洗出液中較稀部分流入儲(chǔ)液池9，用于下一循環(huán)洗脫。然后向廢酸池中添加濃強(qiáng)酸，如硫酸或鹽酸，用于再生弱酸性陽(yáng)離子交換樹脂組10，使該組樹脂10再生成氫型柱，這一再生過(guò)程采用多分部法，使排出的鹽的濃度達(dá)到2-5M。
強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂柱組8由3-5個(gè)H型樹脂柱組成，將二柱串聯(lián)。當(dāng)該組樹脂8為氫型柱時(shí)，將結(jié)晶罐4中的發(fā)酵液(等電液)以5-10BV/h速度正上樹脂組8的第一柱，待第一柱上吸附的谷氨酸飽和后停止上柱；再用結(jié)晶罐3中銨離子濃度0.15-0.10M,pH4.3-4.0的結(jié)晶上清液及弱酸性陽(yáng)離子交換樹脂酸柱10中洗水較濃部分先后逆上第一柱，洗脫谷氨酸，洗脫速度為前期5-12BV/h，后期5-10BV/h，洗脫液pH值為2.7-3.5，銨離子濃度為0.08-0.01M，谷氨酸含量為3.5-4.5％；洗脫液流入結(jié)晶罐4，(洗脫液混合)與結(jié)晶罐4中的發(fā)酵液混合后pH在3.2左右，成為等電液，在結(jié)晶罐4(等電罐)中攪拌結(jié)晶2-3小時(shí)，結(jié)晶沉淀，經(jīng)離心機(jī)5，離心回收谷氨酸；結(jié)晶罐4中的上清液以5-10BV/h速度正向上強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂組8的第二柱，并下接第三根強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂柱；接著用強(qiáng)堿，如0.1-0.2M氨水洗脫強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂組8的第一柱，前部洗脫液仍為谷氨酸液，流入結(jié)晶罐4；隨著洗脫液pH值的增高，中性氨基酸，如丙氨酸等所占比例逐漸加大，流出回收，當(dāng)洗脫液呈堿性時(shí)，精氨酸、腺嘌呤、尿密啶等流出，將這些溶液分部收集，進(jìn)行分離回收。當(dāng)?shù)谝恢孟?qiáng)堿，如氫氧化納、氨水等洗脫后，以2-3BV/h的速度注入2-3M強(qiáng)酸，如硫酸、鹽酸，使強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂8再生成氫型柱，再生后用儲(chǔ)水池12中的去離子水洗脫至pH＞4.0。再生強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂酸柱的廢酸流入廢酸池11，待添加濃酸后用于再生弱酸性陽(yáng)離子交換樹脂10。
結(jié)晶罐4中的等電液經(jīng)過(guò)強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂組8吸附谷氨酸后，廢水含谷氨酸＜0.03％，pH值為2.0-2.7。為回收這部分廢水中的有用成份，首先將該廢水排入菌體沉降池6內(nèi)，靜止沉淀回收菌體，再送入弱堿性陰離子交換樹脂7中進(jìn)行處理，用OH型弱堿性陰離子交換樹脂7吸附廢水中的a-酮戊二酸、乳酸等有機(jī)酸，并除去無(wú)機(jī)陰離子，將處理后的中性去離子水送入儲(chǔ)水池12內(nèi)，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步過(guò)濾處理，可以回用；然后在弱堿性陰離子交換樹脂7中加入0.1-0.2M稀堿液，將a-酮戊二酸，乳酸洗脫回收；再用2M濃堿再生樹脂7待用。
本發(fā)明較現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于1、回收率高，總收率可達(dá)96％；2、排放出的發(fā)酵廢液可回用，解決了環(huán)境污染問(wèn)題；3、排出廢鹽液濃度高，便于回收利用；4、由于除銨徹底，便于用離子交換法回收其它副產(chǎn)品；5、在處理過(guò)程中，破壞了發(fā)酵液的平衡，使菌體易于沉淀回收；6、不用冷凍結(jié)晶，酸堿消耗也較現(xiàn)有技術(shù)方法大大減少，節(jié)約了原料和能量，降低了生產(chǎn)成本。
實(shí)施例4只帶有攪拌器的結(jié)晶罐1、2、3和4，每罐盛發(fā)酵液100L。其中結(jié)晶罐4中發(fā)酵液的pH值為3.2，谷氨酸濃度為1.5％，銨離子濃度為0.02M；結(jié)晶罐3中發(fā)酵液的pH值為4.0，谷氨酸濃度為2％，銨離子濃度為0.12M；結(jié)晶罐2中發(fā)酵液的PH值為4.5，谷氨酸濃度為2.9％，銨離子濃度為0.36M；結(jié)晶罐1中發(fā)酵液的PH值為5.0，銨離子濃度為0.54M。
強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂組由4只H型強(qiáng)酸性陽(yáng)離子柱組成，柱高800mm，樹脂體積5L。將兩只柱串聯(lián)，以12BV/h速度，正向上流入結(jié)晶罐4中的等電發(fā)酵液，共上70L，第一柱吸附谷氨酸飽和后分開第一柱，用第三柱下接第二柱繼續(xù)上液。用結(jié)晶罐3的發(fā)酵液逆上柱洗脫第一柱，速度12BV/h，共用35L，流出的洗脫液銨離子濃度為0.012M，谷氨酸濃度為4.1％，pH值為2.8，排進(jìn)結(jié)晶罐4；再用從弱酸性陽(yáng)離子交換樹脂10中流出的洗脫液(銨離子濃度0.16M，谷氨酸濃度1.9％)15L逆上第一柱洗脫，速度為10BV/h；最后用0.2M氨水15L，以5BV/h速度洗脫；這第三次洗脫過(guò)程中的前5L洗脫液與前兩次洗脫液一起排入結(jié)晶罐4，得到PH值為3.2、銨離子濃度為0.02M的等電液，攪拌結(jié)晶2h，將結(jié)晶送入離心機(jī)，分離回收谷氨酸。結(jié)晶罐4中的上清液可繼續(xù)上柱。第三次洗脫液中的后10L洗脫液含丙氨酸、精氨酸等氨基酸和腺嘌呤、尿密啶等堿基，流出后分部收集，進(jìn)入相應(yīng)分離工序。
弱酸性陽(yáng)離子交換樹脂組由4個(gè)帶有氣動(dòng)攪伴裝置的H型弱酸性陽(yáng)離子柱組成，柱高800mm，樹脂體積10L。首先將結(jié)晶罐2中的發(fā)酵液以12BV/h的速度逆上柱25L進(jìn)行除氨處理，然后排入結(jié)晶罐3；再將結(jié)晶罐1中的發(fā)酵液以15BV/h的速度逆上柱25L，流出液進(jìn)入結(jié)晶罐2；最后以PH值為7.8，銨離子濃度為0.73的新發(fā)酵液以10BV/h的速度逆上柱25L，然后放干，排出液進(jìn)入結(jié)晶罐1。用儲(chǔ)水池中的前批洗水20L上柱漂洗，放干，洗脫液送往強(qiáng)酸性陰離子交換樹脂，用于洗脫；再用30L水正洗，直至洗出液中谷氨酸濃度＜0.03％，再放干；然后用廢酸池中HCL0.6M，銨離子濃度0.9M的廢酸，加濃鹽酸40％，用多分步法洗脫將PH＞3，含谷氨酸0.06％，NH4CL濃度為4M的廢鹽液(洗脫液)5.5L排出；水洗18L，至PH＞4，放干，待下一循環(huán)使用。
結(jié)晶罐4中的等電液上強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂回收谷氨酸后，排出PH值為2.5的廢液共70L，先流入菌體沉降池內(nèi)，靜止沉淀回收菌體之后，再送入裝有5LOH型弱堿性陰離子交換樹脂的交換柱吸附a-酮戊二酸、乳酸及無(wú)機(jī)陰離子，剩下的中性去離子水用過(guò)濾器處理后排入儲(chǔ)水池，即可重復(fù)使用；然后先用0.2M8L稀氨水注入弱堿性陰離子交換樹脂，洗脫回收a-酮戊二酸、乳酸等有機(jī)酸，再用4L2M氨水再生，速度5BV/HR,8L水洗至PH＜8，供下一循環(huán)使用。
權(quán)利要求
1.一種從谷氨酸發(fā)酵液中回收谷氨酸及相關(guān)物質(zhì)的方法，其特征在于1)使發(fā)酵液通過(guò)H型弱酸性陽(yáng)離子交換樹脂，除掉大部分銨離子，降低發(fā)酵液pH值，使部分谷氨酸結(jié)晶沉淀析出；2)再使發(fā)酵液通過(guò)被谷氨酸飽和的強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂進(jìn)一步除去發(fā)酵液中的銨離子，并置換出谷氨酸，使發(fā)酵液pH值達(dá)到3.2，于等電點(diǎn)進(jìn)一步結(jié)晶析出，發(fā)酵液中剩余的少量谷氨酸通過(guò)H型強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂進(jìn)一步回收并，用于下一循環(huán)除銨；3)用稀強(qiáng)堿洗脫吸附有銨離子和少量谷氨酸的強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂、進(jìn)一步回收谷氨酸；同時(shí)，隨著PH值的升高，可直接回收該樹脂上的氨基酸如丙氨酸，精氨基酸，腺嘌呤和尿密啶；4)從強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂排出的廢液，用OH型弱堿性陰離子交換樹脂處理，然后再用稀堿液洗脫回收a-酮戊二酸和乳酸；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的回收谷氨酸的方法，弱酸性陽(yáng)離子交換樹脂再生后首先用于處理已被處理過(guò)的pH和銨離子濃度均較低的發(fā)酵液，再用來(lái)處理pH和銨離子濃度均較高的發(fā)酵液，以達(dá)到最大可能利用樹脂的交換能力的目的；
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的回收谷氨酸的方法，弱酸性陽(yáng)離子交換樹脂上殘留的谷氨酸用水洗脫回收，銨離子濃度較高部分用于洗脫強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換柱上的谷氨酸，低濃度部分用于下次洗脫；
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的回收谷氨酸方法，用2-3M強(qiáng)酸再生強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂而流出的廢酸液，經(jīng)補(bǔ)加濃強(qiáng)酸后，直接用于再生吸附有銨離子等陽(yáng)離子的弱酸性陽(yáng)離子交換樹脂，并采用多分部法，使回收的廢鹽液的濃度達(dá)2-5M；
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的回收谷氨酸的方法，等電點(diǎn)液銨離子濃度控制在0.1-0.01M，最好在0.04-0.01M，以盡量提高強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂對(duì)谷氨酸的吸附率；
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的回收谷氨酸的方法，等電點(diǎn)發(fā)酵液經(jīng)強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂吸附后的廢液，經(jīng)弱堿性陰離子交換樹脂吸附無(wú)機(jī)陰離子和a-酮戊二酸和乳酸，并經(jīng)沉淀過(guò)濾后，直接回用于清洗弱酸性陽(yáng)離子交換樹脂
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的回收谷氨酸的方法，谷氨酸結(jié)晶大體分為兩個(gè)階段，第一階段是發(fā)酵液經(jīng)弱酸性陽(yáng)離子交換樹脂處理，逐步降低pH，直至pH4.3-4.0，排入結(jié)晶罐中結(jié)晶回收谷氨酸；第二階段，前段結(jié)晶后的上清液逆上柱，通過(guò)吸附有谷氨酸的強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂，得pH值為3.2的等電液，在結(jié)晶罐中結(jié)晶回收谷氨酸。
全文摘要
本發(fā)明給出了用弱酸性陽(yáng)離子交換樹脂除去大部分發(fā)酵液中的銨離子、使部分谷氨酸結(jié)晶析出,用吸附有谷氨酸的強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂進(jìn)一步除銨,至發(fā)酵液達(dá)到等電點(diǎn)結(jié)晶回收谷氨酸,上清液中少量谷氨酸用強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂吸附,使總回收率達(dá)96%的方法。在整個(gè)工序中無(wú)冷凍與加熱工序,節(jié)約了能量,廢水回收使用,解決了污染問(wèn)題。由于除掉了發(fā)酵液中的銨離子,使回收發(fā)酵液中的其它氨基酸,堿基,a－酮戊二酸,乳酸等成為可能。工藝彈性較大,可解決各種不良發(fā)酵谷氨酸回收困難的問(wèn)題。
文檔編號(hào)C07C227/40GK1211621SQ97117269
公開日1999年3月24日 申請(qǐng)日期1997年9月17日 優(yōu)先權(quán)日1997年9月17日
發(fā)明者吳健, 戴桂馥 申請(qǐng)人:鄭州大學(xué)