专利名称：全膜提取缬氨酸的方法
技术领域：
本发明属于缬氨酸生产技术领域，具体涉及一种全膜提取缬氨酸的方法，即 一种采用全膜技术来分离纯化缬氨酸发酵液的新工艺。
背景技术：
L-缬氨酸作为支链氨基酸之一，系人与动物自身不能合成而必须依赖外源供给 的八大必需氨基酸之一，具有多种生理功能。L-缬氨酸是合成蛋白质的素材，也可以作为生 物体的能源以及作为生物体成分的前体，主要用以配制复合氨基酸输液、合成多肽药物和食 品抗氧化剂等，尤其是在医学研究和治疗中的作用而日益受到重视，随着对缬氨酸研究的不 断深入，其在食品和饲料工业中的应用范围也将进一步扩大。因此，L-缬氨酸在医药、食品 和饲料工业中有着巨大的潜在巿场。
据报导，世界氨基酸年总产量约为200万吨，药用输液氨基酸年需求大约6000呻，其中 L-缬氨酸为400P屯。目前L-缬氨酸的生产主要以日本为主，国内尚无大批量生产厂家。我国L-缬氨酸的年产总量不到2000吨，而医药级L-缬氨酸绝大部分依靠进口，每年消耗大量外汇。 目前，L-缬氨酸的生产方法有提取法、合成法、发酵法。
1) 提取法主要是将蛋白质例如大豆蛋白等进行水解，然后将盐酸加入含有缬氨酸的 水溶液中以生成并沉淀出缬氨酸-盐酸盐晶体，重复该操作，该方法分离效率较高，提取操作 简单，生产周期短，但是成本很高，而且缬氨酸-盐酸盐晶体在水中的溶解度非常高，使缬氨 酸的收率降低[Japanese Laid-Open Patent Application(Kokai) No. 16,450/1981]，该方法很难以在 工业化生产中得到大的推广。
2) 合成法目前有很多种合成法，但是生产成本高，反应复杂，步骤多，副产物多， 因此，也很难嫁接于工业化大生产。
3) 发酵法利用微生物发酵法生产L-纈氨酸具有原料成本低、反应条件温和及实现大 规模生产等优点，是一种非常经济的生产方法，因此，目前发酵法生产L-缬氨酸得到了国内 外学者的广泛关注。1999年中囯药科大学微生物教研室的徐旭东，以乳糖发酵短杆菌 (Brevibacteriumlactofermentum)XT-4为出发菌株，釆用NTG诱变处理，获得一株积累L-缬氨酸 的突变菌株A15(a-TAr+a-ABr),该菌株摇瓶产酸26.42g/L,条件优化后，可以达到33.1g/L。 国外曾对发酵法所用L-缬氨酸优良生产菌的诱变育种和代谢调控作了一些研究，而国内尚处 于研究与小规模生产阶段，生产水平和产量远不能满足巿场需求。
全膜法(Complete Membrane Technology, CMT)，是围绕先进的膜科技而提出的全新的工艺设计理念，主要是将不同的膜工艺有机地组合在一起。目前，国内外主要将全膜法应用于 废水处理， 一般以常规水源或经生化、过滤等常规处理后的生物发酵液为进水，采用"微滤、 超滤、纳滤、反渗透"四种膜分离的技术的组合工艺，分别作为除菌体、除蛋白、除色素、 脱盐等目的，以达到高效去除污染物以及深度脱盐目的。
全膜法高效提取缬氨酸绿色新工艺即在整个缬氨酸的提取工艺过程中，全部采用膜组件 来完成的一种新技术新工艺，将全膜法应用于氨基酸提取的概念为国内外首创。
随着近年来膜技术在国内外得到广泛的推广，并且膜成本在不断的下降，膜分离纯化技 术应用到缬氨酸提取过程中将产生良好的经济效益。应用膜技术不仅能提高产品质量，还能 减少废水的排放，保护环境，实现自动化控制和清洁生产，降低生产成本，还能改善工人的 工作环境，提高工作效率。目前国内外膜技术的应用多釆用单一膜运行，解决某一具体问题, 并没有形成一种全膜法提取缬氨酸的工艺
发明内容
本发明目的是解决现有技术存在生产成高、废水排放多、工作效率等技术问题, 提供一种全膜提取缬氨酸的方法，以克服现有技术的不足。 为了实现本发明的目的，本发明按下述工艺步骤进行
1) 微滤膜过滤将缬氨酸发酵液通过微滤膜，得到发酵液的微滤透析液和菌体蛋白，菌 体蛋白经烘干后作为优质菌体蛋白出售，附加值高，微滤搡作温度40-9(TC，工作压力 进压为3 - 8bar,出压为2-7bar,压力差为2.5 - 7.5 bar;
2) 超滤膜过滤将步骤l)中的微滤透析液通过超滤膜，得到超滤透析液和浓缩液，浓 缩液经烘干后用来生产饲料蛋白，价格不菲，可实现副产物的高值化利用，超滤操作温度 30- 50°C,工作压力进压为5-32bar，出压为4-30bar,压力差为4.5 - 31 bar;
3) 反渗透膜浓縮将步骤2)中的超滤透析液通过反渗透膜，得到反渗透浓缩液和纯净 水，纯净水直接回用于生产，反渗透膜浓缩温度30-5(TC,工作压力进压为11-50bar, 出压为10-49bar,压力差为10.5-49bar;
4) 浓缩结晶将步骤3)中的反渗透浓縮液通过真空浓缩至缬氨酸含量为2545%,然 后降至室温，离心得到缬氨酸粗品；将粗品配制成浓度为5_8%的溶液，用针剂活性炭脱色， 加炭量为0.5-3.0%;然后再次浓缩至缬氨酸含量25-40%,然后降至室温，离心得到缬氨酸 粗品；将粗品配制成浓度为5-8%的溶液，用针剂活性炭脱色，加炭量为0.1-1.0%;然后浓 缩至缬氨酸含量20-35%,然后降至室温，离心、干燥得到缬氨酸产品；以上脱色条件为 pH5.5-7.5,温度50-80°C,时间0.5-3h,脱色后料液透光>99%;
5) 膜的再生微滤膜再生用的酸为1-2%硝酸，碱为1-2%液碱；超滤膜和反渗透膜再生用的酸为0.5-1%盐酸，碱为0.5-1%液碱；将碱洗水和酸洗水中和后合并中间的洗膜 软水进入反滲透，得到浓縮盐和纯净水，浓缩盐经烘干制成粗盐回用生产，纯净水回用于生
产。 ，
所述步骤l)中的微滤膜，为陶瓷材质微滤膜，其截留分子量为8000-500000MWCO，
孔径0.05-10nm;步骤2 )中的超滤膜为PAN、 PVDF、 PC、 PES、 PP、 PE复合膜中的一
种，其截留分子量为300 - 5000MWCO,孔径5 - 100nm;步骤3 )中的反渗透膜为PAN、PVDF、
PC、 PES、 PP、 PE复合膜中的一种，最优选的是对NaCl截留率为95。/。以上的PVDF复合膜。
本发明中的"全膜法，，主要由三种膜分离技术组成，即微滤膜MF (Micro-Filtration)、 超滤膜UF (Ultre filtratioan )和反渗透膜RO (Reverse Osmosis),主要通过整合多级膜的优势 将缬氨酸发酵液制备成满足要求的优质缬氨酸结晶母液。
本发明主要得到了下述三种产品'.
高纯度优质菌体蛋白、饲料蛋白和高品质缬氨酸。
本发明可以将缬氨酸生产过程中产生的副产物进行资源化利用，而且节能减排，因此为 缬氨酸产品的高效提取提供了一种新的绿色工艺。 该发明工艺具有以下几个突出的优点
1、 实现了料液冷浓缩，大量节省成本，无需板框、真空等装置，配套成本低，浓縮过程 减少蒸汽消耗，操作方便，劳动强度小；
2、 膜设备占地面积小，可以实现连续化生产，大幅提高生产效率，操作及维护简单，同 时工艺简化，可以提高产品收率；
3、 采用微滤除菌体，菌体蛋白可实现98%@收，比传统工艺中气浮法提取蛋白高20%, 无需加入助滤剂或絮凝剂，符合环保要求的同时提高了菌体蛋白副产物的品质，增加了副产 物的价值，高值化明显；
4、 采用超滤去除色素、胶体和大分子物质，膜的过滤精度高，提升后序缬氨酸滤液质量， 利于缬氨酸提取，提高产品品质；通过控制洗水量，膜过滤后收率提高且得到质量较好的滤 液，滤液透光达90%以上；
5、 釆用反渗透法浓缩超滤透析液，实现冷浓缩，对后序的浓缩节约了大量蒸汽，而且过 程中产生纯净水可直接回用于生产作为配料用水，节能减排效果显著，同时可提高产品浓度；
6、 膜过滤后料液透光较高，操作不受温度的影响，对热敏性物质没破坏，收率高、质量 好，不发生相变，可以较好地保存产品性质，同时具有快速、经济的特点；7、 整个膜再生阶段各种膜洗水综合处理，几乎无废水的排放，真正实现绿色制造，达到
闭路循环；
8、 与传统工艺相比，本发明彻底淘汰了离子交换工序，节省大量酸碱，避免高浓度废水 的产生。
本发明大幅度提高了产品质量，降低了生产成本，减少了废水的排放，提高了工作效率， 在整个缬氨酸的提取工艺过程中实现了自动化控制和清洁生产，是一种全部采用膜组件来完 成的一种新技术新工艺。同时，在膜的再生整个过程中综合利用酸、碱洗水，实现了节能降 耗的目的。
总之，采用"全膜法"可将澄清与除菌一步完成，所得滤液清澈透亮，为后提取工序创 造良好条件，同时大幅节约酸、碱及水的用量，而且提高了产品收率，还可以高效回收菌体， 减轻环保压力，与传统的工艺相比，全膜法提取工艺的经济效益主要体现在两个方面， 一是 成本的降低和产品质量的提高，因此，本发明具有显著的经济效益、社会效益和环保效益。
附图是本发明工艺流程示意图。
具体实施例方式
实施例本发明是一种基于全膜技术的缬氨酸提取方法，是在现有技术的基础上改进实 现的，按下述工艺步骤进行
1、 微滤过滤将1350kg缬氨酸发酵液通过微滤过滤，得到120kg浓缩液和微滤透析液 1530kg，其中包括300kg洗脱液，发酵液滤前透光为4.8%，微滤后液为90.7%,洗脱液透光 为88%，将滤后液和洗脱液合并即为微滤透析液，透光率为89.8%，微滤后的料液澄清透明， 无可见悬浮物，透光度在89%以上，对蛋白质及大颗粒悬浮物截留效果较好，对有效物质缬 氨酸基本没有截留作用，滤后蛋白直接烘干就是优质蛋白饲料，而且菌体蛋白可实现98.2% 回收，比传统工艺中气浮法提取蛋白高20%,无须加入助滤剂或絮凝剂，符合环保要求的同 时提高了菌体蛋白副产物的品质，经干燥后可直接作为优质菌体蛋白伺料，高值化明显，微 滤过滤所用的膜材料是孔径为50nm的陶瓷膜，具体工艺条件是操作温度为50-6(TC,流 速为20-30m3/h,进压为3陽4bar,出压为lbar,压力差为2-2.5bar;
2、 超滤过滤将步骤l中所得微滤透析液1530kg，通过超滤过滤得140kg超滤浓缩液 和超滤透析液1790kg (其中包括洗脱液400kg),滤前透光为88%,滤后液为90.7%,洗脱液 透光为91%，将滤后液和洗脱液合并即为超滤透析液，透光为91%,超滤所用的膜材料是截 留分子量为3000MWCO的PVDF的超滤膜，其工艺条件是操作温度为WC，进压为7-8bar, 出压为6-7bar,压力差为6.5-7.5bar流速30-40m3/h,滤后料液澄清透明，透光在90%以上，滤后浓缩液可以烘干后作为蛋白饲料出售，蛋白回收率可达99.1%，价值高；
3、 反渗透浓缩将步骤2中所得超滤透析液1790kg，通过反渗透过滤得反滲透浓缩液 470Kg和1320Kg的纯净水，纯净水可直接回用生产，反渗透所用的膜材料是截留NaCl为97 %的PVDF反渗透膜，工作条件是搡作温度为操作温度为4(TC,进压为22bar，出压为 20-21bar,压力差为20.5-21.5bar，，流速30-40m3/h，采用反渗透浓缩超滤透析液，实现了冷 浓縮，对后序的浓缩节约了大量蒸汽，而且过程中产生纯净水可直接回用于生产作为配料用 水，节能减排效果显著；
4、 浓缩结晶将步骤3反渗透所得的反渗透浓缩液360kg通过真空浓缩至缬氨酸含量为 35%,然后降至室温，离心得到缬氨酸粗品；将粗品配制成浓度为7%的溶液，采用767型 针剂活性炭脱色，加炭量为2.0%,脱色条件为pH5.5-7.5，温度50-8(TC,时间0.5-3h， 脱色后料液透光>99%,然后再次浓缩至缬氨酸含量30%,然后降至室温，离心得到缬氨酸 粗品；将粗品配制成浓度为7%的溶液，采用767型针剂活性炭脱色，加炭量为0.5%，脱色 条件为pH5.5-7.5,温度50-80°C,时间0.5-3h,脱色后料液透光> 99.5 %然后浓缩至缬氨 酸含量25%,然后降至室温，离心、干燥得到符合医药级要求缬氨酸产品；
4、膜再生将微滤和超滤再生所用的酸洗水、碱洗水和定量的软水混合进入反渗透得 10 %反渗透浓缩液和90 %纯水回用生产，最后再用定量的软水循环运行30min冲洗反渗透膜 即可，所得的纯水回用生产。
权利要求
1、一种全膜提取缬氨酸的方法，其特征是按下述工艺步骤进行1)微滤膜过滤将缬氨酸发酵液通过微滤膜，得到发酵液的微滤透析液和菌体蛋白，微滤操作温度40-90℃，工作压力进压为3-8bar，出压为2-7bar，压力差为2.5-7.5bar；2)超滤膜过滤将步骤1)中的微滤透析液通过超滤膜，得到超滤透析液和浓缩液，超滤操作温度30-50℃，工作压力进压为5-32bar，出压为4-30bar，压力差为4.5-31bar；3)反渗透膜浓缩将步骤2)中的超滤透析液通过反渗透膜，得到反渗透浓缩液和纯净水，纯净水直接回用于生产，反渗透膜浓缩温度30-50℃，工作压力进压为11-50bar，出压为10-49bar，压力差为10.5-49bar；4)浓缩结晶将步骤3)中的反渗透浓缩液通过真空浓缩至缬氨酸含量为25-45％，然后降至室温，离心得到缬氨酸粗品；将粗品配制成浓度为5-8％的溶液，用针剂活性炭脱色，加炭量为0.5-3.0％；然后再次浓缩至缬氨酸含量25-40％，然后降至室温，离心得到缬氨酸粗品；将粗品配制成浓度为5-8％的溶液，用针剂活性炭脱色，加炭量为0.1-1.0％；然后浓缩至缬氨酸含量20-35％，然后降至室温，离心、干燥得到缬氨酸产品；以上脱色条件为pH5.5-7.5，温度50-80℃，时间0.5-3h，脱色后料液透光≥99％；5)膜的再生微滤膜再生用的酸为1-2％硝酸，碱为1-2％液碱；超滤膜和反渗透膜再生用的酸为0.5-1％盐酸，碱为0.5-1％液碱；将碱洗水和酸洗水中和后合并中间的洗膜软水进入反渗透，得到浓缩盐和纯净水，浓缩盐经烘干制成粗盐回用生产，纯净水回用于生产。
2、 根据权利要求l所述的全膜提取缬氨酸的方法，其特征是所述步骤l)中的微滤膜， 为陶瓷材质微滤膜，其截留分子量为8000-500000MWCO，孔径0.05 - lO(am;步骤2 )中的 超滤膜为PAN、PVDF、PC、PES、 PP、PE复合膜中的一种，其截留分子量为300- 5000MWCO， 孔径5-100nm;步骤3 )中的反渗透膜为PAN、 PVDF、 PC、 PES、 PP、 PE复合膜中的一 种，最优选的是对NaCl截留率为95%以上的PVDF复合膜。
全文摘要
本发明公开了一种全膜提取缬氨酸的方法，属于缬氨酸生产技术领域，其要点是缬氨酸发酵液通过微滤膜过滤，得到发酵液的微滤透析液和菌体蛋白；再经超滤膜顾虑，得到超滤透析液和浓缩液，浓缩液经烘干后用来生产饲料蛋白；然后再经反渗透膜浓缩，得到反渗透浓缩液和纯净水，纯净水直接回用于生产；最后经浓缩结晶得到缬氨酸产品。本发明大幅度提高了产品质量，降低了生产成本，减少了废水的排放，提高了工作效率，在整个缬氨酸的提取工艺过程中实现了自动化控制和清洁生产，是一种全部采用膜组件来完成的一种新技术新工艺。同时，在膜的再生整个过程中综合利用酸、碱洗水，实现了节能降耗的目的。
文档编号C07C227/00GK101434553SQ20081015968
公开日2009年5月20日 申请日期2008年11月12日 优先权日2008年11月12日
发明者鑫 包, 丽 周, 徐国华, 林永贤, 王文风, 白红兵 申请人:山东阜丰生物科技开发有限公司