一种l-亮氨酸的提取方法

一种l-亮氨酸的提取方法
【专利摘要】本发明提供一种L-亮氨酸的提取方法，该方法主要包括下列步骤：将L-亮氨酸发酵液升温灭菌后经陶瓷超滤膜过滤，陶瓷膜超滤清液主要分两部分，前部分为第一滤液，后部分为发酵液膜过滤后浓液再经洗脱得到的第二滤液。第二滤液用硫酸调节pH2～3后经离交树脂吸附，树脂吸附饱和后用pH10左右的氨水进行解吸，将解吸液与陶瓷超滤膜过滤液A共同经有机纳滤膜脱色，后将脱色液进行蒸发浓缩、降温结晶、烘干，得L-亮氨酸粗品。
【专利说明】一种L-亮氨酸的提取方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种L-亮氨酸的提取方法，尤其涉及采用膜过滤与传统工艺相结合 提取L-亮氨酸的方法。

【背景技术】
[0002] L-亮氨酸，学名为2-氨基-4-甲基戊酸，分子式为（CH3)2CHCH2CH(NH 2)C00H，相对 分子量131. 18。一种含有6个碳原子的脂肪族支链非极性的α氨基酸。L-亮氨酸是组成 蛋白质的常见20种氨基酸之一，是哺乳动物的必需氨基酸和生酮生糖氨基酸。它和异亮氨 酸互为同分异构体。在营养学上，亮氨酸是在蛋白质内最常出现的氨基酸，而且对于婴儿与 孩童时期的正常发育和成年人身体内的氮平衡起到重要的作用。据推测，亮氨酸可能在以 平衡蛋白质的生化和分解的方法来维持肌肉上起重要作用。
[0003] 目前，L-亮氨酸生产工艺落后，产品收率低、纯度低。现有技术中，有一种工艺是将 L-亮氨酸发酵液的陶瓷膜过滤液混合后经离交树脂吸附，解吸后将解吸液直接经行蒸发浓 缩，后将浓缩液进行两次活性炭脱色，脱色液进行降温结晶。该生产工艺中将发酵液的陶瓷 超滤膜过滤液全部经离交树脂吸附，离交树脂工作负荷大，树脂柱的清洗及再生使用的酸、 碱、水量大。将离交解吸液浓缩后需进行两次活性炭脱色，活性炭用量大且产品收率较低。 树脂柱吸附、解吸以及活性炭脱色工序造成L-亮氨酸收率较低，结晶后得粗品中杂质含量 高。专利申请201210260546. 1中介绍了利用膜分离与电渗析组合技术从发酵液中除盐的 提取分离L-亮氨酸的方法，该方法中将L-亮氨酸发酵液膜过滤液直接经电渗析除盐，因 L-亮氨酸膜过滤液中仍含有大量蛋白等杂质，导致电渗析脱盐速率低，且电渗析工艺对膜 过滤液无脱色效果。


【发明内容】

[0004] 本发明的目的是克服现有技术中工艺复杂、能耗高、L-亮氨酸收率低等问题，提供 一种工艺简单、操作简便、可明显降低生产成本又可提高产品质量和收率的L-亮氨酸提取 方法。
[0005] 技术方案：
[0006] L-亮氨酸的提取方法，包括如下步骤：将L-亮氨酸发酵液用超滤膜过滤，得到第 一滤液；然后将第一滤液送入分离工序；所述的分离工序是指用先纳滤膜进行过滤，再将 纳滤膜透过液通过浓缩、结晶后得到L-亮氨酸。
[0007] 根据本发明的一个实施方式，在超滤膜过滤之后，用水对超滤膜的滤饼进行渗析， 得到第二滤液，再将第二滤液送入所述的分离工序。
[0008] 根据本发明的一个实施方式，第二滤液是需要经过离子交换树脂进行吸附、解吸 处理后，再送入所述的分离工序。
[0009] 根据本发明的一个实施方式，所述的纳滤膜的截留分子量是500?lOOODa。
[0010] 有益效果： toon] 本发明中将陶瓷超滤膜过滤液经有机纳滤膜过滤脱色，明显减少了离交树脂用 量，减少了酸、碱、水用量，生产工艺更加简单，产品收率明显提高，投资量更少。另外，通过 对超滤膜的滤饼进行渗析、离交树脂纯化，可以提高产率，减轻纳滤膜的工作负荷。

【具体实施方式】
[0012] 下面通过【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。但本领域技术人员将会理 解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技 术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件（例如参考徐南平等著的《无机膜 分离技术与应用》，化学工业出版社，2003)或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注 明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
[0013] 本文使用的近似语在整个说明书和权利要求书中可用于修饰任何数量表述，其可 在不导致其相关的基本功能发生变化的条件下准许进行改变。因此，由诸如"约"的术语修 饰的值并不局限于所指定的精确值。在至少一些情况下，近似语可与用于测量该值的仪器 的精度相对应。除非上下文或语句中另有指出，否则范围界限可以进行组合和/或互换，并 且这种范围被确定为且包括本文中所包括的所有子范围。除了在操作实施例中或其他地方 中指明之外，说明书和权利要求书中所使用的所有表示成分的量、反应条件等等的数字或 表达在所有情况下都应被理解为受到词语"约"的修饰。
[0014] 本发明首先对L-亮氨酸发酵液先用超滤膜进行过滤，去除其中的杂质、蛋白、胶 体、菌体等，再用纳滤膜进行超滤的滤液进行纯化处理，纳滤膜可以去除掉超滤透过液中的 一些色素、杂质以及一部分的无机盐，使L-亮氨酸透过，可以起到对产物分离提纯的作用， 接下来，通过对纳滤膜浓缩、再结晶的步骤可以获得L-亮氨酸。
[0015] 用于本发明的超滤膜，只要能够实现除去发酵液中水溶性高分子、菌体、颗粒、胶 体等成分这样的本发明目的即可，没有特别限定，可以举出：纤维素、纤维素酯、聚砜、聚醚 砜、聚氯乙烯、氯丙烯、聚烯烃、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯等 有机材料，或者不锈钢等金属、或者陶瓷等无机材料。优选陶瓷材料。
[0016] 对于超滤膜过滤的步骤，超滤膜的孔径的选择直接影响到发酵液过滤除菌的效 果，孔径过大，会使得过滤精度变低，发酵液中的杂质透过陶瓷膜，增大脱色膜（纳滤膜）的 处理负荷，也影响后续产品的纯度；孔径过小，会使得过滤阻力过大，膜通量过低，导致陶瓷 膜过滤设备投资过大、能耗增加，此外，还会截留部分有效成分，导致最终收率降低。本发明 中陶瓷超滤膜孔径范围为0. 02?0. 05 μ m，优选地，陶瓷膜孔径为0. 05 μ m。操作压力也直 接影响到过滤过程的稳定运行，操作压力过高，会导致膜污染加剧，导致膜通量急剧衰减； 操作压力过低，则会使得过滤过程的驱动力太小，导致膜通量过低。本发明中陶瓷膜操作压 力为0· 1?0· 3MPa，优选地，陶瓷膜操作压力为0· 2MPa。如果超滤过程中的膜面流速过大， 会导致膜面无法形成较好的滤饼层，这些滤饼层能够起到进一步地截留发酵液中杂质的作 用，则会导致细小杂质透过超滤膜；如果膜面流速过小，则会导致超滤的通量过小，使浓缩 倍数无法进一步地提高，导致最终收率变低。本发明的技术方案中，陶瓷膜过滤的膜面流速 为2?5m/s，优选地，陶瓷膜过滤的膜面流速为4m/s。在陶瓷膜浓缩中，浓缩倍数较优是 5?20倍，最优10倍。
[0017] 本文中纳滤膜是定义为"阻止小于2nm的粒子和溶解的大分子的压力驱动膜"的 膜。适用于本发明的有效纳滤膜优选是这样的膜：在该膜表面上有电荷，因而通过细孔分离 (粒度分离）和得益于该膜表面上的电荷的静电分离的结合而表现出提高的分离效率。因 此，必需采用这样的纳滤膜，该纳滤膜能够在将作为分离目标产物与具有不同电荷特性的 其他离子借助电荷进行分离的同时、通过分离来去除高分子类物质。作为本发明中使用的 纳滤膜的材料，可以使用乙酸纤维素系聚合物、聚酰胺、磺化聚砜、聚醚砜、聚砜、聚丙烯腈、 聚酯、聚酰亚胺和乙烯基聚合物等高分子材料，在本发明所涉及的具体的应用体系中，最优 是采用聚醚砜（PES)或聚砜（PS)，膜截留分子量为500?lOOODa，更优是800Da，膜过滤压 力为0. 5?1. 5MPa，更优是1. OMPa，过滤温度为30?45°C ;采用这种类型的纳滤时，可以 最大限度的使L-亮氨酸透过，并且截留住无机盐和其它杂质。所述不限于仅由一种材料 构成的膜，可以是包含多种所述材料的膜。关于膜结构，所述膜可以是非对称膜，其在膜的 至少一面上具有致密层，并且具有从致密层向膜内部或者另一面孔径逐渐变大的微孔；或 者是复合膜，其在非对称膜的致密层上具有由其它材料所形成的非常薄的功能层。本发明 中，采用纳滤膜对超滤膜渗透液进行脱色和脱盐处理，明显优于传统的利用活性炭脱色的 作用；由于脱色液不需再经行活性炭脱色，避免了活性炭脱色带来的活性炭用量大、活性炭 吸附产品导致产品收率较低、活性炭脱色过程中极易漏碳导致产品纯度偏低以及使用活性 炭成本高且会对环境造成污染等问题，而且将脱色和脱盐放在同一步中进行，具有步骤简 单的优点。纳滤膜脱色液透光度可达70%以上，L-亮氨酸含量20?30mg/L。
[0018] 在得到纳滤透过液之后，对其进行浓缩时较优选采用蒸发浓缩，直至有大量结晶 出现后进行降温结晶，结晶温度为15?20°C ;由于L-亮氨酸在高温下溶解度较高，采用蒸 发浓缩，与其他浓缩方法相比，可明显提高料液的浓缩倍数，后续结晶过程也只需通过降温 结晶即可可显著提高浓缩倍数，提高效率。该工艺可将产品收率由80%左右提高至95%以 上，同时还降低了生产成本。在本发明中，L-亮氨酸的收率是这样计算的：收率=(L-亮氨 酸产品重量/发酵液中L-亮氨酸的重量）X 100%。
[0019] 由于在超滤膜过滤之后，在浓缩液或者滤饼中仍然存在有一定量的L-亮氨酸， 为了提高收率，根据本发明的一个改进的实施方式，在浓缩液中进行加水渗析，得到渗析 液（本发明中称为第二滤液），可以更多地把滤饼中的有效物质洗脱出来，可以更多的提高 L-亮氨酸的收率，较优的条件下，加水量是浓缩液量的5?15倍，更优是10倍。优选的情 况下，将渗析时加入的水的pH调节为8?9,可以进一步地使滤饼中的L-亮氨酸析出，使收 率提高。
[0020] 渗析液中L-亮氨酸的含量较低，直接进入纳滤膜过滤时，会导致工作负荷较大， 根据本发明的一个改进的实施方式，需要对渗析液用离子交换树脂进行吸附和洗脱，一方 面能够产生浓缩料液的作用，另一个方面是可以对渗析液进一步地纯化。可以采用稀硫酸 调节渗析液pH至2?3,再经离子交换树脂柱进行吸附，树脂柱连续进料可吸附饱和，吸附 饱和后用pHIO左右的氨水对L-亮氨酸进行解吸，从而提高滤液中的亮氨酸含量，离子交换 树脂解吸液中有效成分可提高2?3倍，达到25?30mg/L，进一步缩小料液体积，减少料 液中的杂质含量（吸附和解吸过程中也能除掉一部分杂质），从而减轻后续纳滤膜脱色的 负荷。离子交换树脂可以是其本身公知的离子交换树脂，例如阳离子交换树脂、阴离子交 换树脂，这些离子交换树脂所具备的功能基团分别磺酸基、羧酸基以及季铵基等。离子交换 树脂的厚度可以为l〇ym?ΙΟΟμπι，优选ΙΟμπι?30μπι.离子交换树脂的孔尺寸可以为 1 μ m?10 μ m，优选为4 μ m?7 μ m。例如离子交换树脂或者被粉碎了的离子交换树脂优 选以0. 1 μ m?100 μ m的厚度配置。离子交换树脂的粉碎例如可以通过利用研钵粉碎来进 行。另外，粉碎了的离子交换树脂的大小可以为〇. 01 μ m?10 μ m。离子交换树脂的类型优 选为强酸性阳离子交换树脂，例如732、14-2、册-8、1008、取014，更优选的是732。离子交 换树脂的解吸液与超滤膜的滤液可以混合后用纳滤膜进行过滤，也可以分别送入纳滤膜进 行过滤。大部分陶瓷超滤膜过滤液直接经有机纳滤膜脱色，离交树脂柱工序只处理少量的 渗析液，明显减少了离交树脂用量，减少了酸、碱、水用量。生产工艺更加简单，产品收率明 显提高，投资量更少。
[0021] 实施例1
[0022] 取60°C高温灭菌后发酵液150kg，混合均匀后经陶瓷超滤膜过滤浓缩，陶瓷超滤 膜的平均孔径是20nm，过滤压力0. 3MPa，膜面流速2m/s，发酵液浓缩7倍后得超滤渗透液， 渗透液经过有机纳滤膜脱色除盐，纳滤膜的材质是聚醚砜，膜截留分子量为500Da，压力 0. 6MPa，温度40°C，脱色后期向脱色浓液中加纯水对浓液中产品进行洗脱得有机膜脱色液 共170kg。脱色液中L-亮氨酸含量26mg/L，透光度72. 3%。将脱色液经蒸发浓缩一定倍 数后将浓缩液降温至18°C进行降温结晶，晶体经烘干后得L-亮氨酸粗品，L-亮氨酸纯度 82. 3%，收率 75. 9%。
[0023] 实施例2
[0024] 取60°C高温灭菌后发酵液150kg，混合均匀后经陶瓷超滤膜过滤浓缩，陶瓷超滤 膜的平均孔径是20nm，过滤压力0. 3MPa，膜面流速2m/s，发酵液浓缩7倍后得超滤渗透液， 再向超滤浓液中流加洗水对浓液和滤饼中L-亮氨酸进行洗脱，加水量是浓缩液体积的13 倍，得渗析液，将超滤渗透液和渗析液混合后经过有机纳滤膜脱色除盐，纳滤膜的材质是 聚醚砜，膜截留分子量为500Da，压力0. 6MPa，温度40°C，脱色后期向脱色浓液中加纯水对 浓液中产品进行洗脱得有机膜脱色液共190kg。脱色液中L-亮氨酸含量30mg/L，透光度 74. 8%，将脱色液经蒸发浓缩一定倍数后将浓缩液降温至18°C进行降温结晶，晶体经烘干 后得L-亮氨酸粗品，L-亮氨酸纯度83. 8 %，收率80. 2 %。可以看出，通过进行浓液的渗析 操作之后，可以使收率提高。
[0025] 实施例3
[0026] 取60°C高温灭菌后发酵液150kg，混合均匀后经陶瓷超滤膜过滤浓缩，陶瓷超滤 膜的平均孔径是20nm，过滤压力0. 3MPa，膜面流速2m/s，发酵液浓缩7倍后得超滤渗透液， 再向超滤浓液中流加洗水对浓液和滤饼中L-亮氨酸进行洗脱，加水量是浓缩液体积的13 倍，得渗析液，将渗析液用稀硫酸调节pH至3,后经离强酸性阳离子交换树脂WA-2柱进行 吸附，吸附饱和后用PH10的氨水对树脂柱上的L-亮氨酸进行解吸，得解吸液共18kg。将 超滤渗透液和解吸液混合后经过有机纳滤膜脱色除盐，纳滤膜的材质是聚醚砜，膜截留分 子量为500Da，压力0. 6MPa，温度40°C，脱色后期向脱色浓液中加纯水对浓液中产品进行洗 脱得有机膜脱色液共170kg。脱色液中L-亮氨酸含量40mg/L，透光度80. 3%，将脱色液经 蒸发浓缩一定倍数后将浓缩液降温至18°C进行降温结晶，晶体经烘干后得L-亮氨酸粗品， L-亮氨酸纯度88. 7%，收率89. 5%。可以看出，对渗析液进行树脂吸附、洗脱之后，可以显 著地提高产品液的透光度，也可以提高收率和纯度。
[0027] 实施例4
[0028] 取60°C高温灭菌后发酵液150kg，混合均匀后经陶瓷超滤膜过滤浓缩，陶瓷超滤 膜的平均孔径是50nm，过滤压力0. IMPa，膜面流速4m/s，发酵液浓缩7倍后得超滤渗透液， 再向超滤浓液中流加洗水对浓液和滤饼中L-亮氨酸进行洗脱，加水量是浓缩液体积的8 倍，得渗析液，将渗析液用稀硫酸调节pH至2,后经离强酸性阳离子交换树脂732柱进行吸 附，吸附饱和后用PH10的氨水对树脂柱上的L-亮氨酸进行解吸，得解吸液共10kg。将超滤 渗透液和解吸液混合后经过有机纳滤膜脱色除盐，分别采用不同材质的纳滤膜，膜截留分 子量为lOOODa，压力1. 2MPa，温度30°C，脱色后期向脱色浓液中加纯水对浓液中产品进行 洗脱得有机膜脱色液共150kg，将脱色液经蒸发浓缩一定倍数后将浓缩液降温至18°C进行 降温结晶，晶体经烘干后得L-亮氨酸粗品。
[0029] 不同的纳滤膜的试验条件下的产品指标如下表：
[0030]

【权利要求】
1. L-亮氨酸的提取方法，其特征在于，包括如下步骤：将L-亮氨酸发酵液用超滤膜过 滤，得到第一滤液；然后将第一滤液送入分离工序；所述的分离工序是指用先纳滤膜进行 过滤，再将纳滤膜透过液通过浓缩、结晶后得到L-亮氨酸。
2. 根据权利要求1所述的L-亮氨酸的提取方法，其特征在于：在超滤膜过滤之后，用 水对超滤膜的滤饼进行渗析，得到第二滤液，再将第二滤液送入所述的分离工序。
3. 根据权利要求2所述的L-亮氨酸的提取方法，其特征在于：所述的渗析操作中，力口 水量是浓缩液量的5?15倍。
4. 根据权利要求3所述的L-亮氨酸的提取方法，其特征在于：渗析时加入的水的pH调 节为8?9。
5. 根据权利要求2所述的L-亮氨酸的提取方法，其特征在于：第二滤液是需要经过离 子交换树脂进行吸附、解吸处理后，再送入所述的分离工序；所述的离子交换树脂是指强酸 性阳离子交换树脂。
6. 据权利要求5所述的L-亮氨酸的提取方法，其特征在于：所述的强酸性阳离子交换 树脂是指 732、WA-2、HD-8、JK008 或 HZ014。
7. 根据权利要求1所述的L-亮氨酸的提取方法，其特征在于：所述的纳滤膜的截留分 子量是500?lOOODa。
8. 根据权利要求1所述的L-亮氨酸的提取方法，其特征在于：所述的纳滤膜的材质是 乙酸纤维素系聚合物、聚酰胺、磺化聚砜、聚醚砜、聚砜、聚丙烯腈、聚酯、聚酰亚胺和乙烯基 聚合物；优选聚醚砜或聚砜。
9. 根据权利要求1所述的L-亮氨酸的提取方法，其特征在于：超滤膜过滤过程中，操 作压力为〇· 1?〇· 3MPa ;膜面流速为2?5m/s ;浓缩倍数是5?20倍。
10. 根据权利要求1所述的L-亮氨酸的提取方法，其特征在于：纳滤膜过滤中，过滤压 力为0· 5?1. 5MPa，过滤温度为30?45°C。
【文档编号】C07C227/40GK104119241SQ201410353272
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月23日 优先权日:2014年7月23日
【发明者】彭文博, 秦泗光, 熊福军, 张全华, 杨积衡, 张宏 申请人:江苏久吾高科技股份有限公司