一种从谷氨酸等电母液中回收谷氨酸、硫酸铵和焦谷氨酸的方法与流程

本发明涉及生物化工，具体涉及一种从谷氨酸等电母液中回收谷氨酸、硫酸铵和焦谷氨酸的方法。

背景技术：

1、谷氨酸等电母液是谷氨酸提取过程中经过等电结晶和离心分离提取谷氨酸后产生的废液，其中主要成分为谷氨酸、硫酸铵、焦谷氨酸、菌体蛋白、色素等，不同的谷氨酸提取工艺产生的等电母液成分略有差异。目前常用的等电结晶工艺包括常温等电点工艺(30℃)、低温等电点工艺(0～4℃)和带菌体浓缩等电点工艺，等电母液中谷氨酸含量在2～4％之间，未浓缩的等电母液中硫酸铵含量在3～6％之间，浓缩的等电母液中硫酸铵含量在8～14％之间。通常谷氨酸发酵液中的焦谷氨酸含量较低，约为谷氨酸含量的3％左右，但是随着提取工序的进行，焦谷氨酸含量逐渐增加：在谷氨酸浓缩阶段，由于缺水和长时间受热，导致谷氨酸脱水环化形成焦谷氨酸；等电阶段，由于加入大量的酸放出大量的热，进一步增加了焦谷氨酸的含量，浓缩的等电母液中焦谷氨酸含量在1～3％之间。

2、焦谷氨酸(2-pyrrolidone-5-carboxylic acid，简称pca)又名5-羧基吡咯烷酮、氧化脯氨酸、2-吡咯烷酮-5-羧酸。分子式为c5h7no3，分子量为129.11，等电点为0.94。焦谷氨酸是一个环状氨基酸，可以作为中间产物经酶促反应在氨基酸代谢和运输过程中生成，同时也是生物合成蛋白质过程中许多重要肽和蛋白质的组成物质，因此广泛应用于日化和医药工业中。谷氨酸和焦谷氨酸可以相互转化：谷氨酸在长时间受热的条件下会脱水环化形成焦谷氨酸，焦谷氨酸在酸性或碱性条件下水解又会生成谷氨酸，其反应方程式如图1所示。

3、目前味精行业对谷氨酸等电母液处理主要是采用絮凝沉淀提取菌体蛋白、浓缩结晶析出硫酸铵，之后的母液经过浓缩喷雾干燥制备生物有机肥，而对于等电母液中的谷氨酸、焦谷氨酸等未进行回收利用，导致谷氨酸提取收率较低和有价值资源的浪费。目前大多数研究仍集中在如何回收母液中的谷氨酸：专利cn110372527a和cn110437088a公开了一种从谷氨酸浓缩等电母液和谷氨酸等电母液中回收谷氨酸的方法，将谷氨酸浓缩等电母液经过超滤膜处理、活性碳脱色、电渗析处理、蒸发浓缩、冷却结晶及离心分离处理，获得谷氨酸晶体。也有研究将等电母液中的焦谷氨酸转变为谷氨酸或者将谷氨酸转变为焦谷氨酸回收利用：《硫酸水解法去除谷氨酸母液中的焦谷氨酸》对焦谷氨酸硫酸水解条件进行了研究确定了最优水解条件；cn104177269a公开了一种从l-麸酸精制母液中分离l-谷氨酸和l-焦谷氨酸的方法，主要是通过对麸酸粗品复溶、重结晶、多次套用后获得的l-麸酸精制母液进行浓缩结晶，分离获得谷氨酸，之后对二次母液通过焦化反应将其中的谷氨酸转化为焦谷氨酸，然后浓缩结晶分离获得焦谷氨酸。虽然通过相互转化能够回收利用部分谷氨酸或焦谷氨酸，但转化过程需要在高温或高压反应条件下进行，设备投资大，能源消耗高，而且由于不能实现完全转化，导致谷氨酸和焦谷氨酸并不能完全分离，获得的产品纯度较低。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种从谷氨酸等电母液中回收谷氨酸、硫酸铵和焦谷氨酸的方法。

2、本发明通过对谷氨酸等电母液中可资源化利用的产物和杂质及其特点进行大量的分析，开发了一种以谷氨酸等电母液为原料，通过分步处理从等电母液中回收谷氨酸、硫酸铵和焦谷氨酸三种物质的方法。与现有技术中单独回收谷氨酸或回收谷氨酸和硫酸铵两种物质的方法相比，本发明不仅通过一套方法系统地回收谷氨酸、硫酸铵和焦谷氨酸三种物质，而且，谷氨酸、硫酸铵和焦谷氨酸的收率和纯度均较高，具有较好的实践应用价值。

3、具体地，本发明提供以下技术方案：

4、本发明提供一种从谷氨酸等电母液中回收谷氨酸、硫酸铵和焦谷氨酸的方法，所述方法包括：将不含菌体的谷氨酸等电母液经结晶分离得到硫酸铵和二次母液，将所述二次母液经色谱分离得到含有焦谷氨酸和硫酸铵的第一洗脱液和含有谷氨酸的第二洗脱液，将所述第一洗脱液中的硫酸铵和焦谷氨酸采用有机溶剂沉淀分离，从所述第二洗脱液中分离谷氨酸。

5、在物质分离提取过程中，多步提取、纯化虽然能够更好地保证目标物的纯度，但是往往会对收率产生不利影响，在多种目标物的回收过程中，同时保证不同目标物的收率和纯度尤为困难。本发明以谷氨酸、硫酸铵和焦谷氨酸为目标回收物，对目标物的回收顺序和提取方法进行了大量的尝试，发现采用上述回收流程：即经结晶回收谷氨酸等电母液中大部分的硫酸铵，再采用色谱分离技术将其中的焦谷氨酸和硫酸铵与谷氨酸进行分离，然后再通过有机溶剂处理，分离焦谷氨酸和硫酸铵，能够在采用较为简单的分离提取步骤的情况下，同时显著提高谷氨酸、硫酸铵和焦谷氨酸的收率和纯度。

6、以上所述的方法中，所述色谱分离优选使用铵型强酸性阳离子交换树脂，以2～4％的氨水为洗脱剂。

7、优选地，所述洗脱剂为2～3％的氨水。

8、本发明发现，采用铵型强酸性阳离子交换树脂更有利于将焦谷氨酸和硫酸铵与谷氨酸进行分离。配合该树脂，使用2～4％的氨水作为洗脱剂，较其他洗脱剂对于焦谷氨酸和硫酸铵与谷氨酸的分离效果明显更优，同时能够更好地去除等电母液中的其他杂质，提高目标物的纯度。

9、优选地，所述铵型强酸性阳离子交换树脂为732铵型强酸性阳离子交换树脂、d001铵型强酸性阳离子交换树脂、jk008铵型强酸性阳离子交换树脂、wa-2铵型强酸性阳离子交换树脂或d61铵型强酸性阳离子交换树脂。

10、上述铵型强酸性阳离子交换树脂均可通过市售途径购买得到。

11、上述方法中，第一洗脱液是含有焦谷氨酸和硫酸铵的快组分a，由于焦谷氨酸在等电点附近不带电荷，硫酸铵与铵型阳离子交换树脂不发生离子交换，两者会率先从色谱柱中洗脱出来；第二洗脱液是含有谷氨酸的慢组分b，由于谷氨酸在ph 0.8～1.2时带正电荷，与铵型阳离子交换树脂发生离子交换，之后随着氨水洗脱ph升高，谷氨酸不带电荷而从树脂上洗脱下来，铵根离子重新置换吸附上树脂，完成树脂再生。

12、在上述树脂和洗脱剂条件下，优选的色谱分离的温度为25～30℃。

13、上述色谱分离优选使用模拟移动床连续色谱分离系统，该系统优选的进料流速为10～16ml/min，洗脱剂流速为22～36ml/min，树脂柱转动时间5～7min/柱。

14、模拟移动床连续色谱分离系统中的树脂柱的数量优选为15～25个。

15、优选地，在色谱分离前，先将所述二次母液进行脱色处理得到脱色液，将脱色液的ph调至0.8～1.2后再进行色谱分离。

16、对于脱色处理的方法，优选使用活性炭对所述二次母液进行脱色处理，经过滤得到脱色液。

17、优选地，使用味精专用炭(优选的添加量为2～3％)对二次母液进行脱色处理，脱色条件为50-55℃脱色处理30-60min(优选为40～50min)，然后采用板框过滤得到脱色液。

18、对上述色谱分离得到的第一洗脱液进行处理以分离其中的硫酸铵和焦谷氨酸，具体方法包括：将第一洗脱液先经蒸发干燥得到焦谷氨酸和硫酸铵的混合粗品，再将所述粗品与有机溶剂混合，经分离得到硫酸铵和清液，将所述清液经浓缩结晶得到焦谷氨酸。

19、上述分离使用的有机溶剂为能够利用焦谷氨酸和硫酸铵在有机溶剂中的溶解度不同将两者进行分离的有机溶剂。将焦谷氨酸和硫酸铵的混合粗品与有机溶剂混合后，利用焦谷氨酸和硫酸铵中的一种在有机溶剂中能够溶解，另一种在有机溶剂中不能溶解，将两者分离。

20、在满足上述要求的有机溶剂中，优选使用乙醇(无水乙醇)进行焦谷氨酸和硫酸铵的分离。因硫酸铵不溶于乙醇，经固液分离(例如：过滤等)、干燥得到硫酸铵，而焦谷氨酸存在于分离得到的清液中，将清液经浓缩结晶得到焦谷氨酸。使用乙醇进行分离能够更好地同时保证硫酸铵和焦谷氨酸的收率和纯度。

21、经上述乙醇沉淀分离，得到的硫酸铵的纯度可达94～96％，收率可达92～96％，焦谷氨酸的纯度可达96～98.5％，收率可达90～95％。

22、优选的焦谷氨酸浓缩结晶条件为：浓缩温度55～65℃，真空度-0.08～-0.09mpa，浓缩至原体积的1/6～1/8，结晶温度10～15℃。

23、上述色谱分离得到的第二洗脱液中，谷氨酸的收率可达94～98％，纯度可达90～95％。对于第二洗脱液，可采用结晶等方法分离得到谷氨酸。优选地，将第二洗脱液回用至等电结晶设备中进行谷氨酸结晶。

24、优选的结晶方法为等电拉冷结晶，以浓硫酸调节ph至3.2～3.3，降温至10～12℃(可采用冷却水降温等方式)，育晶2～6h。

25、以上所述的方法中，对于硫酸铵的结晶优选采用浓缩结晶的方法，具体条件如下：将不含菌体的谷氨酸等电母液于70～80℃、真空度-0.08～-0.09mpa条件下连续浓缩至波美45～50be’后进行降温结晶，降温速率3～5℃/h，结晶温度20～25℃，育晶时间4～6h。

26、经上述硫酸铵结晶步骤，得到的硫酸铵纯度可达82～87％，收率可达60～65％。

27、本发明中，所述不含菌体的谷氨酸等电母液中谷氨酸的浓度≥10g/l，焦谷氨酸的浓度≥5g/l，硫酸铵的浓度≥20g/l。

28、优选地，不含菌体的谷氨酸等电母液中谷氨酸的浓度≥15g/l(更优选≥20g/l，更优选为20～40g/l)，焦谷氨酸的浓度大于5g/l(更优选≥8g/l，更优选为8～20g/l)，硫酸铵的浓度大于20g/l(更优选≥30g/l，更优选≥50g/l，更优选为100～150g/l)。

29、本发明的方法可直接采用不含菌体的谷氨酸等电母液，也可采用含有菌体的等电母液经过滤去除菌体后得到不含菌体的谷氨酸等电母液。

30、对于含有菌体的等电母液原料，去除菌体的方法包括：将含有菌体的等电母液经陶瓷膜过滤去除菌体，陶瓷膜孔径为50-200nm，进口压力为0.2～0.3mpa(更优选为0.2～0.25mpa)，温度为50～60℃，循环流量为2～5m3/h(更优选为3～4m3/h)，出口压力为0.10～0.15mpa(更优选为0.13～0.15mpa)。

31、在陶瓷膜过滤过程中，当截留液的体积降至初始体积的15～20％时，开始加水透析，当透析液中谷氨酸的浓度小于2g/l时，停止透析，将得到的透析液即为不含菌体的谷氨酸等电母液。

32、本发明还提供以上所述的从谷氨酸等电母液中回收谷氨酸、硫酸铵和焦谷氨酸的方法在谷氨酸生产废液资源化处理中的应用。

33、本发明的有益效果在于：本发明提供的方法可同时获得谷氨酸、焦谷氨酸和硫酸铵三种产品，且能够同时保证谷氨酸、焦谷氨酸和硫酸铵均具有较高的收率和纯度；该方法采用色谱分离技术分离谷氨酸与焦谷氨酸和硫酸铵，分离条件温和，能耗低，而且，等电母液在色谱分离前先经过滤去除菌体和蛋白，再经浓缩盐析去除大部分硫酸铵，可减少菌体吸附对树脂的影响和降低色谱分离负荷，节省设备投资，可实现工业化生产，具有较好的实践应用价值。