专利名称：通过电渗析提纯含氨基酸溶液的方法
技术领域：
本发明涉及一种通过电渗析提纯含氨基酸溶液的方法，其中使用来自发酵的含氨基酸溶液。
氨基酸可以从碳源如糖蜜和粗糖通过发酵生产。通常聚集在发酵中的溶液除了约10％重量的氨基酸外还含有大量污染物如生物质。
根据迄今为止现有技术所使用的方法，必需许多工艺步骤来提纯由发酵得到的该溶液以生产常规市售形式的氨基酸，例如以赖氨酸盐酸盐形式。通常而言，聚集大量盐如硫酸铵，约1千克硫酸铵/千克氨基酸以有价值的产物产生。另外，大量废水聚集且必须处理和废弃。优选商业使用的处理来自氨基酸发酵的排出液的方法基本上基于离子交换处理。来自发酵的排出液与酸混合并随后加载到阳离子交换柱或阴离子交换柱上。离子形式的氨基酸置换了该阳离子或阴离子交换柱的对应离子并因此被该柱保留。生物质可以在离子交换处理之前或之后被过滤掉。在通过之后得到的母液仍含有约0.1％重量的氨基酸且每公吨氨基酸含有约1公吨盐，例如硫酸铵。该溶液可以通过倒入海洋中而废弃，但这是有害的，尤其在生态上看，因为待倒入海洋中的该溶液的盐含量高。
作为其替换方案，基本含有硫酸铵和生物质的母液可以在许多蒸发和过滤工段中处理，由此可以回收硫酸铵。然而，聚集的母液仍然必须废弃。此外，该程序非常费力且能耗高。
保留在离子交换树脂上的氨基酸例如用氨水洗脱。氨从聚集的洗脱液中除去，必须蒸发大量氨水。洗脱的氨基酸然后与酸，例如盐酸，混合，结晶并干燥。以此方式得到的氨基酸的纯度大于98.5％且称为“原料级(Feed-grade)”氨基酸。为了得到甚至更低污染的所谓“食品级”或“药物级”氨基酸，必须将原料级产物进行进一步提纯工序，例如活性炭处理和/或重复的结晶。有关上述现有技术的提纯方法的其他详情可以在PERP报告5357中发现。这里所用的食品级和药物级规格是指根据US FDA的相关纯度要求，其中赖氨酸HCl的合适标准应作相应的或类似的理解。据此，这里使用的术语“高纯度”还指根据US FDA的赖氨酸食品级或药物级标准且在上下文中也被相应地或类似地使用。
电渗析是非常优异的提纯或分离方法，其尤其可以分级氨基酸的混合物。这类方法例如由Sandeaux等描述于J.Chem.Technol.Biotechnol.71(1998)，pp.267ff.中。根据该科学出版物，通过酸解动物残余物或人类残余物如羽毛或毛发得到的蛋白水解物首先被中和并通过活性炭脱色，然后进行多级电渗析，得到各种级分的单个氨基酸。
WO91/02584描述了一种通过具有双极膜的3循环电渗析从水溶液中除去两性化合物的方法。
US5,002,881描述了一种通过微量过滤、反渗透和电渗析的组合生产乳酸的发酵方法。US4,882,277公开了另一种通过阴离子交换膜从发酵液除去有机酸并通过双极膜生产游离酸的方法。
上述现有技术的总结揭示了从发酵的排出液中提纯氨基酸迄今为止仅能通过生态上不利的和/或昂贵的方法进行。
本发明的目的是提供一种从发酵的排出液中提纯氨基酸的改进方法。该目的通过使用电渗析来解决该问题而达到。
因此，本发明涉及一种通过电渗析(d)提纯含氨基酸溶液的方法，其中使用得自发酵生产至少一种氨基酸的含氨基酸溶液。
使用该方法，可以避免根据现有技术的方法必不可少的许多工艺步骤。此时不会不可避免地产生大量硫酸铵或其他外来盐。以合适方式进行的电渗析使得进一步可能以游离碱或游离酸生产氨基酸。还可以在高电流密度下得到优选大于90％，更优选大于95％的高氨基酸产率，基于氨基酸的用量，且因此相应地得到高电渗析能力。因此，本发明还涉及电渗析在将得自发酵的含氨基酸溶液提纯至氨基酸含量大于98.5％重量中的用途。
如上所述，本发明方法涉及得自发酵的含氨基酸溶液的提纯。这里通常还可以使用可以由各种发酵方法得到的所有含氨基酸溶液。其他工段如离子交换处理和/或结晶可以在实际的发酵方法和电渗析之间进行，仅所得的母液随后借助电渗析处理。
因此本发明还涉及一种包括如下额外工段(a)-(c)的方法(a)通过离子交换剂处理得自发酵生产至少一种氨基酸的含氨基酸溶液，(b)结晶在(a)中得到的含氨基酸溶液，其中得到含氨基酸母液，和(c)将在(b)中得到的含氨基酸母液引入电渗析设备中。
除了上述工段外，可以进行其他工段如在工段(a)之前的过滤。
图1描述了本发明的实施方案，其使用具有双极膜的3循环电渗析。
图2也描述了本发明的另一实施方案，其使用3循环电渗析。
图3描述了本发明的实施方案，其使用常规的2循环电渗析。
通常而言，可以将所有氨基酸在本发明方法范围内用作氨基酸。这包括例如具有带正电(碱性)侧基的氨基酸如赖氨酸、精氨酸、组氨酸；具有带负电(酸性)侧基的氨基酸如天冬氨酸或谷氨酸；以及具有不带电的、极性或非极性侧基的氨基酸如丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、脯氨酸、苯基丙氨酸、色氨酸、甲硫氨酸、甘氨酸、丝氨酸、苏氨酸、半胱氨酸、酪氨酸、天冬酰胺和谷氨酰胺。
在本发明范围内，或者将具有双极膜的3循环电渗析用于提纯含氨基酸溶液，因此可以以游离碱或游离酸生产氨基酸，或者使用常规的双循环电渗析，其中氨基酸以盐形式聚集，优选以氨基酸盐酸盐如赖氨酸盐酸盐形式聚集。
下面段落对这两种电渗析方法进行简要描述。
用于本发明目的的常规双循环电渗析本身是已知的且描述于EP-B-0381 134中，其有关常规双循环电渗析的内容整体引入本申请中。
该电渗析排列的原理示意图示于图3中。
在该电渗析方法中使用的设备具有大面积的正极(阳极(+))和负极(阴极(-))。这些电极之间的空间由大量交替排列的阳离子(C)和阴离子(A)交换膜分隔成大量狭窄的室，这些室由这些膜相互分开并也被称为稀释物循环(Diluatkreis)(II)和浓缩物循环(IV)。在这种排列中，在阴极侧具有阴离子交换膜和在阳极侧具有阳离子交换膜的室被称为浓缩物室或浓缩物循环，而在阳极侧具有阴离子交换膜和在阴极侧具有阳离子交换膜的室形成稀释物室或稀释物循环。
为了进行本发明方法，用待提纯的含氨基酸溶液(2)填充稀释物循环，而浓缩物循环用含水电解质(4)填充且在其中放置电极的室以及合适的话，还有与其紧邻的室中加入电极漂洗溶液，通常是硫酸钠溶液。
在对电极施加的电压的影响下，离子通过可以透过它们的膜从稀释物循环迁移进入浓缩物循环。通过不可透过相关类型离子的后面膜的进一步迁移是不可能的，且因此离子保留在浓缩物循环中。在稀释物、浓缩物和电极循环中的液体分别由泵循环，合适的话插入储存槽。在这种排列中，所需的氨基酸(5)以高纯度盐如高纯度赖氨酸盐酸盐聚集在浓缩物循环中。无赖氨酸的母液(3)聚集在加入待提纯溶液(2)，例如赖氨酸盐酸盐溶液的稀释物循环中。
通常而言，可以将任何常用于电渗析方法的膜用于进行本发明方法。优选将市售的离子交换膜用于为本发明方法进行的电渗析中。这些膜优选由具有离子性侧链的有机聚合物组成。阳离子交换膜在聚合物基质中含有磺酸根或羧基，而阴离子交换膜具有叔或季氨基作为聚合物基础材料的取代基。苯乙烯和二乙烯基苯的共聚物特别适合作为离子交换膜的聚合物基础材料。优选使用具有0.8-5，优选1.2-3.2毫当量/克(meq/g)容量的离子交换膜。可以使用的阴离子交换膜的实例是Tokuyama AM1、AM2、AM3、AMX、AMH、AFN、Asahi Glass AMV。可以提到的阳离子交换膜的实例是Tokuyama CM1、CM2、CMX、CMH和Asahi Glass CMV。
作为EP-B-0 381 134所公开的常规2循环电渗析的改性，还可以使用利用双极膜的膜排列。双极膜是阴离子和阳离子交换膜的层压物。它们与单极阴离子和阳离子交换膜的不同在于能在电渗析的电场中有效催化水裂解，并因此还用于提供H+和OH-等价物。
使用由稀释物(II)、酸(III)和碱(I)循环组成的3循环(室)排列(3循环双极电渗析)。该3循环排列通过特定离子交换膜的交替顺序达到(参见图1)…… CA I C II A III ……C＝阳离子交换膜；CA＝双极膜；M＝阴离子交换膜；I＝碱循环；II＝稀释物循环；III＝酸循环该电渗析优选在约10-80℃，特别是约20-60℃下进行。常规2循环电渗析的电流密度的变化范围为约1-1000安/米2，优选约100-800安/米2。在3循环双极电渗析中，电流密度的变化范围为约1-1500安/米2，优选约200-1000安/米2。
在本发明方法内，电渗析进行到稀释物的最终导电率为约2mS/cm，尤其是约1mS/cm和更低，例如约0.8或0.5mS/cm。原则上讲，若通过加入酸而使等电点通过较低pH的方向且因此氨基酸收到过量正电荷或若通过加入碱使氨基酸的等电点通过较高pH的方向且氨基酸以此方式收到负总电荷，可以以该方式除去所有氨基酸。在第一种情况下，氨基酸通过阳离子交换膜沿其以游离碱形式聚集的阴极方向进入碱循环中。在后一种情况下，氨基酸通过阴离子交换膜沿其以游离酸形式聚集的阳极方向以阴离子形式迁移进入酸循环中。
当使用常规的电渗析时，氨基酸的对应盐总是在浓缩物室中得到。
在下文中参照附图通过以赖氨酸—一种具有带正电(碱性)侧基的氨基酸—为例更详细说明借助电渗析的提纯。然而，所述程序可以类似地用于所有其余的上述氨基酸。
当使用具有双极膜的3循环电渗析时，将含阳离子形式(H-赖氨酸+)，例如赖氨酸*HCl形式的赖氨酸的溶液引入电渗析的稀释物循环中，然后通过阳离子交换膜转移到所谓的碱循环中。赖氨酸碱从现在存在于碱循环中的质子化赖氨酸由在双极膜处形成的氢氧根离子释放。该阴离子，例如氯离子或硫酸根离子通过阴离子交换膜转移进入所谓的酸循环室中并与在双极膜处释放的质子一起形成对应的酸。稀释物室保留未带电的颗粒，如生物质，从而同时发生赖氨酸的提纯。为了避免溶液组分发生不希望的反应，在单独的循环中用电解质溶液漂洗电极。
图1解释该方法的原理。应注意的是所示排列仅代表所用电渗析设备的一个单元。该单元可以根据本发明用于具有1-1000个单元的电渗析设备中。AC表示双极膜，C表示阳离子交换膜和A表示阴离子交换膜。虚线表示所示单元可以在电渗析设备中存在一次以上，“n”为重复次数。对应于聚集的含赖氨酸溶液的酸，例如盐酸或硫酸(3)，以酸循环进料引入酸循环(III)中。选择最大稀释度，仅必须确保在电渗析开始时溶液具有足够的离子导电性。通常而言，使用0.5％重量的浓度。将可以例如源于已提纯的物料的游离赖氨酸稀溶液(1)在碱循环(I)中用作进料。引入酸循环和碱循环二者中的溶液可以在电渗析内提纯。因此，例如可以用0.5％强度的H2SO4填充酸循环(III)，H2SO4的浓度在电渗析过程中可以增加到约10％。在碱循环(I)中，以例如0.5％的浓度含有赖氨酸作为游离碱的所用溶液通常被浓缩到作为游离碱的赖氨酸的浓度为10-30％(1’)。在酸循环室中形成的酸又可以用于由在电渗析过程中释放的赖氨酸一水合物制备该酸的赖氨酸盐或用于酸化用于电渗析中的发酵排出液。该酸化的发酵排出液，例如赖氨酸*H2SO4(2)使用所述3循环电渗析经由稀释物循环(II)引入，发酵的无赖氨酸母液(4)在稀释物循环(II)中得到。如上所述阳离子性赖氨酸在电渗析过程中通过阳离子交换膜迁移进入碱循环(I)中，而抗衡离子经由阴离子交换膜达到酸循环(III)。也存在的双极膜为酸循环提供H+离子且为碱循环提供OH-离子。
为了从以游离碱聚集在碱循环中的赖氨酸得到例如固体赖氨酸一水合物，仅需将来自碱循环的排出液蒸发，这里优选喷雾干燥的方法。为了得到相应的盐如氨基酸盐酸盐或硫酸盐，含氨基酸水合物的溶液必须与相应的酸或碱混合。如此得到的赖氨酸的纯度大于98.5％，对应于原料级规格，且可以例如通过简单的活性炭处理或重结晶进一步提纯，从而也可得到食品级或药物级的赖氨酸。作为该方法的替换方法，也可以摒弃从稀释物循环中近乎完全除去赖氨酸或进行分级电渗析并因此得到食品级或药物级的赖氨酸而无需进一步的处理。此时，从稀释物中除去氨基酸到一定程度的降低并以高现时产量转移；污染物基本被保留。
本发明的另一实施方案示于图2中。此时来自发酵的含赖氨酸溶液被以非酸化形式(3’)引入酸循环(III)中，其中赖氨酸以一水合物形式存在。因此以阳离子形式得到赖氨酸，例如赖氨酸*H2SO4(2’)，且因此得到来自发酵的酸化排出液。然后可以将其在下一批料中以稀释物(2”)引入稀释物循环(II)中并如上所述进行提纯；图2中的其他参考号对应于图1中的那些。该替换方案的优点是仅在第一批料中必须将稀释物进料，即来自发酵的排出液酸化一次，且可以在电渗析的其他过程中摒弃进一步加入酸。
因此，本发明还涉及一种如上所述的方法，其包括(d1)将得自发酵的含氨基酸溶液引入具有双极膜(A)的3循环电渗析的酸循环或碱循环中，在酸循环中以阳离子形式或在碱循环中以碱性形式得到氨基酸；和(d2)将在(d1)中以阳离子或阴离子形式得到的氨基酸引入具有双极膜(B)的另一3循环电渗析的稀释物循环中，在碱循环或酸循环中以游离碱生产氨基酸。
如上所述，使用具有双极膜的3循环电渗析最初产生可以通过干燥直接从固体赖氨酸一水合物得到且可以销售的游离赖氨酸碱，或者将其首先与盐酸混合并随后干燥，此时得到赖氨酸盐酸盐。
若要得到有价值的产品是阳离子形式的赖氨酸，例如赖氨酸盐酸盐，也可使用不含双极膜的所谓常规电渗析。该程序图示于图3中。常规电渗析包括阳离子交换膜(C)和阴离子交换膜(A)的交替排列。在这种排列中，以盐形式(例如赖氨酸盐酸盐)含有赖氨酸的含赖氨酸溶液(2)可以引入所谓的稀释物室(II)中。在电渗析过程中，阳离子形式的赖氨酸经由阳离子交换膜(C)到达浓缩物循环(IV)。对应的抗衡离子如氯离子经由阴离子交换膜(A)从稀释物循环(II)迁移到浓缩物循环。在该方法中，在浓缩物室中得到提纯的赖氨酸盐(5)，例如赖氨酸盐酸盐，而未带电的污染物(3)仍保留在稀释物室中。
因此，本发明涉及一种生产游离氨基酸的联合方法，包括(I)通过由合适的碳源，优选糖蜜、粗糖或这二者的混合物发酵生产含氨基酸溶液，和(II)通过上述方法处理在(I)中得到的含氨基酸溶液。
本发明使用电渗析提纯含赖氨酸溶液的方法与现有技术的方法相比提供了特别的优点1.设备消耗明显更低；2.没有必须进行昂贵处置的外来盐聚集；3.氨基酸可以直接以其游离碱或酸生产；4.废水聚集量较小；5.不需要使用氨且根据图2不需要使用酸来处理发酵的排出液。
下面借助实施例说明本发明。
实施例实施例1(通过具有双极膜的3循环电渗析从被污染溶液中除去赖氨酸以生产游离赖氨酸碱)在一个根据图1包括阳离子交换膜(Tokuyama CMX)、阴离子交换膜(Tokuyama AM3)和双极膜(Aqualytics聚砜)的交替排列且具有10个室的电渗析池中将2千克40％重量的赖氨酸盐酸盐溶液(原料级质量)用作稀释物循环进料。
在施加35伏的池电压和50℃下以80毫安/厘米2的最大电流密度进行电渗析。在25Ah的电流输入后，从碱循环得到含有32％重量赖氨酸碱(具有的残留氯离子含量低于0.2％重量)的排出液，赖氨酸产率为初始进料的96％。被调节到对应于稀释物进料的10％重量赖氨酸盐酸盐溶液的碘色数值为14，来自碱循环的被相应地调节的含赖氨酸碱的排出液的碘色数值为1.85。因此，在释放赖氨酸碱的同时发生明显的提纯。实施例2(通过常规电渗析从被污染的溶液中除去赖氨酸盐酸盐)在一个根据图3包括阳离子交换膜(Tokuyama CMX)和阴离子交换膜(Tokuyama AM3)的交替排列且具有5个室的电渗析池中将1千克40％重量的赖氨酸盐酸盐溶液(原料级质量)用作稀释物循环进料。将0.5千克0.5％重量赖氨酸盐酸盐溶液用作浓缩物循环进料。
在施加20伏的池电压和50℃下以80毫安/厘米2的最大电流密度进行电渗析。在电渗析8小时后，从碱循环得到含有29％重量赖氨酸盐酸盐的排出液，赖氨酸产率大于初始进料的98％。来自电渗析的浓缩物循环的排出液的被调节到10％重量的赖氨酸盐酸盐溶液的碘色数值为1.1。也发生赖氨酸盐酸盐的明显提纯。
参考号目录I 碱循环 AC 双极膜II 稀释物循环 C 阳离子交换膜III 酸循环 A 阴离子交换膜IV 浓缩物循环 n 其他单元图1(1)赖氨酸游离碱(0.5％)(1’) 赖氨酸游离碱(10-30％)(2)赖氨酸×H2SO4(来自发酵器的酸化排出液)(4)来自发酵器的无赖氨酸排出液(3) H2SO4(0.5％)(3”) H2SO4(5-10％)图2(1)赖氨酸游离碱(1’) 赖氨酸游离碱(较高浓度)(2’) 赖氨酸×H2SO4(来自发酵器的酸化排出液)(2”) 赖氨酸×H2SO4(来自前一批料的外(ex)酸循环)(3’) 赖氨酸(来自发酵器的排出液)(4)来自发酵器的无赖氨酸排出液图3(4)阳离子形式的赖氨酸(经由C达到IV)(5)赖氨酸×HCl(纯净)(2)赖氨酸*HCl(被污染)(3)无赖氨酸母液
权利要求
1.一种通过电渗析(d)提纯含氨基酸溶液的方法，其中使用得自发酵生产至少一种氨基酸的含氨基酸溶液。
2.如权利要求1所要求的方法，其中含氨基酸溶液通过具有双极膜的3循环电渗析提纯，且氨基酸以游离氨基酸得到。
3.如权利要求1所要求的方法，其中含氨基酸溶液通过常规的电渗析处理且氨基酸以氨基酸盐得到。
4.如权利要求1-3中之一所要求的方法，其中含氨基酸溶液具有至少一种选自如下的氨基酸赖氨酸、精氨酸、组氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、脯氨酸、苯基丙氨酸、色氨酸、甲硫氨酸、甘氨酸、丝氨酸、苏氨酸、半胱氨酸、酪氨酸、天冬酰胺和谷氨酰胺。
5.如权利要求4所要求的方法，其中含氨基酸溶液含有阳离子形式的赖氨酸作为氨基酸。
6.如权利要求1-5中之一所要求的方法，包括(d1)将得自发酵的含氨基酸溶液引入具有双极膜(A)的3循环电渗析的酸循环或碱循环中，在酸循环中以阳离子形式或在碱循环中以碱性形式得到氨基酸；和(d2)将在(d1)中以阳离子或阴离子形式得到的氨基酸引入具有双极膜(B)的另一3循环电渗析的稀释物循环中，在碱循环或酸循环中以游离碱生产氨基酸。
7.如权利要求1-6中之一所要求的方法，其额外包括在发酵和借助电渗析提纯之间进行的下列其他步骤(a)通过离子交换剂处理得自发酵生产至少一种氨基酸的含氨基酸溶液，(b)结晶在(a)中得到的含氨基酸溶液，其中得到含氨基酸母液，和(c)将在(b)中得到的含氨基酸母液引入电渗析设备中。
8.如权利要求1-7中之一所要求的方法，其中氨基酸以大于98.5％重量的纯度得到。
9.一种生产游离氨基酸的联合方法，包括(I)通过由合适的碳源，优选糖蜜、粗糖或这二者的混合物发酵生产含氨基酸溶液，和(II)通过如权利要求1-8中所要求的方法处理在(I)中得到的含氨基酸溶液。
10.电渗析在将得自发酵的含氨基酸溶液提纯至氨基酸含量大于98.5％重量中的应用。
全文摘要
本发明涉及一种通过电渗析提纯含氨基酸溶液的方法,其中使用来自发酵生产至少一种氨基酸的含氨基酸溶液。
文档编号C01D1/00GK1387458SQ00815389
公开日2002年12月25日 申请日期2000年11月3日 优先权日1999年11月3日
发明者A·费歇尔, C·马丁, J·穆勒尔 申请人:巴斯福股份公司