专利名称：从发酵液中提取谷氨酸的方法
技术领域：
本发明涉及从发酵液中提取谷氨酸的方法，更具体地说，涉及通过反调等电点从发酵液中提取谷氨酸的方法。
发酵法制造谷氨酸是国内外使用最广泛的一种方法，其制造过程基本分为淀粉水解、种子培养、发酵、提取、精制等几个工序。国内厂家从发酵液中提取谷氨酸时，一般受目前已有设备和工艺的限制，并不先分离菌体，而是直接从含有菌体和蛋白质的发酵液中提取谷氨酸。
等电点法是谷氨酸提取方法中最简单的一种方法。此法操作简便，设备简单，投资少。用此法提取谷氨酸一次收率可达60-70％。在常温下，等电点母液中还含有大约1.8％的谷氨酸。目前国内大部分工厂均采用此方法。此方法的原理是，谷氨酸在等电点时，正负电荷相等，即，总静电荷等于零。形成的偶极离子在直流电场中即不会向阳极移动，也不会向阴极移动，这时，由于谷氨酸分子间的相互碰撞，并通过静电吸引力的作用，谷氨酸分子会结合成较大的聚合体而易于沉淀析出。因此，在等电点时，谷氨酸的溶解度最小。等电点法就是利用了这一性质。
谷氨酸发酵完毕、放罐后，发酵液的pH一般在6.5-7.0左右，这时，在该发酵液中，谷氨酸以谷氨酸铵的形式存在，该铵盐是由谷氨酸与培养基中的NH3反应而形成的。谷氨酸铵的溶解度很大，因此，必须将pH调节至等电点，才能使谷氨酸在发酵液中的溶解度降到最低。在等电点法提取谷氨酸的操作中，随着加酸调节pH值与温度的降低，在谷氨酸逐渐接近等电点时，溶液中的谷氨酸会从不饱和状态过渡到过饱和状态，过量的溶质(即谷氨酸)便会结晶析出。
但发酵液中会含有残糖、其他氨基酸、多肽类、菌体及胶体物质等各种各样的杂质，其中，用作发酵原料的玉米、大米中所含蛋白质的等电点均在pH4.2-4.8之间。许多胶体物质和菌体蛋白等杂质也会在加酸将发酵液从pH6.5-7.0调整至pH谷氨酸的等电点3.22左右的过程中沉淀，从而产生中和难、过滤难、谷氨酸与菌体分离难、收率低等问题，甚至可能引起料液发糊，无法分离。而且，生产出的谷氨酸结晶往往夹有杂质与胶体物质，成为“轻麸酸”或“浆子”。此外，用现有的方法将谷氨酸溶液从pH6.5-7.0左右降低至谷氨酸等电点附近时，还容易形成β-型结晶，而β-型结晶是针状或鳞片状的细微结晶，其质量轻、颗粒小、纯度低，结晶后常悬浮在发酵液中，难沉降，不易沉淀析出。另外，1995年以来，谷氨酸发酵法的产酸率有了进一步的提高，从以往的约8-10％提高到约12-15％。但随着产酸率的提高，现有的方法所采用的加酸中和操作存在着过饱和度过高、起晶点难以控制的问题。
鉴于目前等电点提取谷氨酸的方法中存在的下调发酵液pH的过程中蛋白质、胶体等杂质沉淀和β-谷氨酸生成等问题，本发明者进行了深入的研究，结果发现，反调等电点可以解决现有技术中存在的上述问题。
本发明的目的在于提供一种通过反调等电点从发酵液中提取谷氨酸的方法。用这种方法可以避免发酵液中的蛋白质和胶体物质等在pH下调过程中沉淀，而且，在中和过程中不会产生谷氨酸负离子，从而可抑制β-谷氨酸生成。
本发明的目的还在于提供一种适合从高产酸率的发酵液中提取谷氨酸的方法。
本发明提供一种等电点提取谷氨酸的方法，其特征在于，将谷氨酸发酵液加入到pH低于谷氨酸等电点的谷氨酸高流分中，直至终pH达到谷氨酸的等电点。
在本发明的方法中，上述谷氨酸高流分是经过离子交换法处理的谷氨酸发酵液的母液。
在本发明的方法中，预先用酸降低上述谷氨酸高流分的pH值。
在本发明的方法中，预先用酸将上述谷氨酸高流分的pH值降低至1.0以下。
在本发明的方法中，预先用酸将上述谷氨酸高流分的pH值降低至0.8-1.0。
图1是显示现有的等电点提取谷氨酸的方法的主要步骤的流程示意图。
图2是显示本发明的反调等电点提取谷氨酸的方法的主要步骤的流程示意图。
如图1所示，在现有的等电点提取谷氨酸的方法中，谷氨酸发酵完毕后，通过离心先行除去菌体等(也可不经过此步骤)，然后将发酵液排入等电点罐(池)中，取样测量其温度、pH值及谷氨酸含量。然后搅拌和冷却，加入适量的谷氨酸高流分。待温度降至30℃以下时，用酸调节pH值。当醪液处于饱和状态(根据产酸多少而定，一般产酸6％以上时，pH在4.0-4.5之间)时，投入晶种(投种量为谷氨酸含量的2％左右)。然后停酸育晶1-2小时，令晶核壮大。接着缓慢加酸，直至pH调节到谷氨酸的等电点(约3.0-3.2之间)不变为止。继续搅拌20小时左右，然后停止搅拌，静置4-6小时，使谷氨酸结晶沉降。取出谷氨酸结晶后，将母液送往离子交换树脂柱上柱，让谷氨酸吸附，然后用碱液将谷氨酸洗脱。根据洗脱过程pH和波美度的变化，了解流出液中的谷氨酸量，分段收集。当流出液的pH达到2.5左右、波美度为1°Bé时，谷氨酸含量较高，此时开始收集高峰液(高流分)。高流分的平均谷氨酸含量在5-7％左右。将收集到的一定量的高流分掺入到另一批发酵液中，用于下一次等电点提取谷氨酸。在掺入到发酵液中去之前，通常加酸将高流分调整至pH1.5以使高流分同时能起到稀酸液的作用，从而能控制发酵液的pH缓慢下降并准确地达到等电点。
如前所述，在现有的等电点提取谷氨酸的方法中，在将一定量的由离子交换法得到的高流分(pH1.5)掺入到发酵液(pH6.5-7.0)中后需要用酸将所得料液pH值降低至谷氨酸的等电点(3.2左右)，当料液的pH值在4.2-4.8之间时，会出现蛋白质和胶体物质等杂质沉淀，易于生成β型谷氨酸，而且，当料液中的谷氨酸浓度达到10％以上时，用现有的等电点提取方法无法正常操作。
本发明的方法是，通过反调等电点提取谷氨酸。即，将谷氨酸发酵液(其pH值通常在6.5-7.0之间)逐渐加入到pH值低于谷氨酸等电点的谷氨酸高流分中，直至混合液的pH值达到谷氨酸等电点。较好的是，在掺入发酵液之前，预先用酸将高流分的pH值降低至1.0以下，更好的是，预先降低至pH0.8-1.0。
在本发明的方法中，由于是将谷氨酸发酵液(pH6.5-7.0)逐渐加入到pH值低于谷氨酸等电点的谷氨酸高流分(最好预先调整至pH0.8-1.0以下)中去，在等电点提取谷氨酸的操作过程中，谷氨酸溶液的pH值是从pH0.8-1.0逐渐上升的，最后达到谷氨酸的等电点(pH3.0-3.2左右)，从而巧妙地避开了发酵液中的蛋白质、胶体物质等杂质容易沉淀的pH4.2-4.8的范围，克服了现有方法中存在的上述问题。
在本发明中，对上述谷氨酸发酵液无任何特别限定，例如，可以是玉米淀粉、薯类淀粉、大米淀粉和野生植物淀粉等淀粉原料经过微生物发酵而得到的发酵液，也可以是糖蜜、赤砂糖等含糖原料的发酵液。
上述“谷氨酸高流分”一词是本领域通用的术语，具有本领域的普通技术人员周知的含义，是指含有高浓度谷氨酸的流分，更具体地说，是指用等电点法提取发酵液中的谷氨酸后将母液经过离子交换法处理而得到的含有高浓度谷氨酸的流分。根据本发明的构思和目的，所收集的谷氨酸高流分的总pH值应低于谷氨酸的等电点，通常应在pH4.0以下，可视需要进行调整，最好预先用酸将该高流分调整至pH0.8-1.0。在本发明中，所述谷氨酸高流分也可以是任何含有高浓度谷氨酸的、pH值低于谷氨酸等电点(或至少在pH4.0以下)的其他溶液。所述高浓度通常为5-7％之间，但也可以略高于或低于此范围。
在本发明中，用于调节溶液pH值的酸可以是发酵工业中常用的任何酸，例如，可以是盐酸、硫酸、磷酸等无机酸，也可以是乙酸、丙酸等有机酸。但由于酸性强度和价格等因素，通常使用盐酸、硫酸等无机酸，其中，硫酸由于其价格低廉且容易购得而最常用。酸的用量根据发酵液的产酸率而定，用硫酸中和发酵液时，其使用量通常相当于发酵液的约1.35-1.54％(体积)。
在本发明中，用于调节溶液pH值的碱可以是无机碱，也可以是有机碱，但由于碱性强度和价格等因素，通常使用液氨、氨水、氢氧化钠、氢氧化钾等无机碱，其中，最常用的是液氨、氨水和氢氧化钠。
发酵液与高流分之体积比可由本领域的技术人员根据发酵液和高流分之pH值和各自的谷氨酸浓度而定，但通常在2∶1至3∶2之间。
在本发明的反调等电点的方法中，由于只是将目前常用的将pH值已预先调整至1.5的谷氨酸高流分掺入到pH6.5-7.0的发酵液中并加酸使所得料液的pH值逐渐降低至谷氨酸等电点的方法改为将pH6.5-7.0的发酵液掺入到pH值已预先调整至0.8-1.0的谷氨酸高流分中反调料液的pH值至谷氨酸的等电点，而其余操作与现有的方法完全相同，因此，在本发明中，调整pH时的加酸速度、降温速度、终pH值、终温、搅拌情况、育晶情况以及晶种的起晶形式等影响谷氨酸结晶和收得率的操作条件与现有的方法完全相同或者是本领域的普通技术人员根据本发明的目的而能够容易地作出相应的选择或者加以确定的。
本发明的最大优点是，提高了谷氨酸结晶的纯度和避免了β-谷氨酸结晶的生成。在本发明中，由于是将发酵液掺入到pH值在等电点以下(尤其是在pH1.0以下)的谷氨酸高流分中反调等电点，因此，巧妙地避开了发酵液中的蛋白质、胶体物质等杂质容易沉淀的pH4.2-4.8的范围，消除了上述杂质对谷氨酸结晶的影响。此外，本领域的技术人员都知道，β-谷氨酸结晶的生成与谷氨酸负离子浓度有关，而谷氨酸负离子的浓度取决于溶液的pH值。在下面的表1中，列出了各种pH值溶液中的β-谷氨酸负离子浓度。在现有的方法中，由于是将谷氨酸的溶液从pH6.5-7.0降低至谷氨酸的等电点(pH3.22左右)，在调低pH值的过程中，溶液中的谷氨酸会从不饱和状态过渡到过饱和状态，从pH5.0左右开始，过量的溶质(即，谷氨酸)便会起晶析出，但在pH4.0-5.0时，溶液中的谷氨酸大部分以负离子的形式存在，从而导致β-谷氨酸结晶的生成，而如前所述，β-型结晶是针状或鳞片状的细微结晶，其质量轻、颗粒小、纯度低，结晶后常悬浮在发酵液中，难沉降，不易沉淀析出。本发明的方法是反调等电点，将料液的pH值从pH0.8-1.0逐渐调整至谷氨酸的等电点(pH3.0-3.2)。如表1所示，在pH3.0以下，溶液中不存在或仅有微量的β-型谷氨酸存在。
表1
此外，本发明方法的另一个优点是适合于产酸率高的发酵液。以往，在用离子交换法回收母液中的谷氨酸时，洗脱液中的谷氨酸含量在5％左右，体积约为发酵液的50％。将上述洗脱液作为高流分用酸(如H2SO4)调至pH1.5后，以1∶2之体积比将高流分加入到谷氨酸含量为10％的发酵液中进行等电中和时，所得料液的谷氨酸浓度相应地下降至(10×2+5×1)/3=8.33％。此时，用现有的方法可以进行操作。而目前谷氨酸的发酵产酸率已从以往的8-10％提高到12-14％，用现有的方法等电中和时，料液的谷氨酸浓度相应地增加至(12×2+5×1)/3=9.67％至(14×2+5×1)/3=11％，加酸中和时存在着过饱和度过高、起晶点难以控制的问题。因此，用现有的方法无法正常操作。本发明采用反调等电点的方法，从酸性的pH1.0调整至谷氨酸等电点的pH3.0左右，从而不存在现有方法所存在的问题，可以顺利地进行操作。
在室温自然冷却条件下，随着谷氨酸含量的升高，β-型结晶增多，谷氨酸含水分也会增大，造成晶体与料液难以分离，并且，谷氨酸的纯度也会下降。如下面的表2所示，使用现有的等电点提取方法时，当谷氨酸浓度逐渐增大时，β-结晶也相应地增多，而使用本发明的反调等电点的方法，则即使在含有高浓度的谷氨酸的情况下，也没有或仅有痕量的β-谷氨酸存在。
表2
此外，本发明的方法适用于现有方法所使用的设备，不需要更新改造，而且操作时间缩短1/3以上，从而提高了设备生产能力。
权利要求
1．提取谷氨酸的方法，其特征在于，将谷氨酸发酵液加入到pH值低于谷氨酸等电点的谷氨酸高流分中，直至终pH达到谷氨酸的等电点。
2．如权利要求1所述的方法，其特征在于，上述谷氨酸高流分是经过离子交换法处理的谷氨酸发酵液的母液。
3．如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，预先用酸降低上述谷氨酸高流分的pH值。
4．如权利要求3所述的方法，其特征在于，预先用酸将上述谷氨酸高流分的pH值降低至1.0以下。
5．如权利要求4所述的方法，其特征在于，预先用酸将上述谷氨酸高流分的pH值降低至0.8-1.0。
全文摘要
本发明提供一种通过反调等电点从发酵液中提取谷氨酸的方法。即,将谷氨酸发酵液加入到pH低于谷氨酸等电点的谷氨酸高流分中,直至终pH达到谷氨酸的等电点。用这种方法可以避免发酵液中的蛋白质和胶体物质等在pH下调过程中沉淀,而且,在中和过程中不会产生谷氨酸负离子,从而可抑制β－谷氨酸生成。本发明的方法还可适合从高产酸率的发酵液中提取谷氨酸。
文档编号C07C229/00GK1312245SQ0110532
公开日2001年9月12日 申请日期2001年2月13日 优先权日2001年2月13日
发明者盛自华 申请人:盛自华