哈志瑞，馬文有，沈春娟，沈泉，馬吉銀

（1.寧夏伊品生物科技股份有限公司，寧夏銀川750000；2.法國諾華賽分離技術(shù)上海有限公司，上海200000）

L-色氨酸色譜分離工藝中試研究

哈志瑞1，馬文有1，沈春娟2，沈泉2，馬吉銀1

（1.寧夏伊品生物科技股份有限公司，寧夏銀川750000；2.法國諾華賽分離技術(shù)上海有限公司，上海200000）

在與法國諾華賽聯(lián)合開發(fā)的L-色氨酸耦合分離工藝基礎(chǔ)上，通過中試放大研究，考察了L-色氨酸色譜分離工藝（順序式模擬移動床色譜分離工藝（SSMB））參數(shù)，并與傳統(tǒng)離子交換工藝（IEX）做了對比分析。結(jié)果表明：采用SSMB優(yōu)化后工藝可以得到純度為82%～93%的色氨酸，且色氨酸收率達到99%以上。相對于IEX離交工藝，SSMB工藝得到的提取液色氨酸純度更高，NH4+含量更少，電導(dǎo)更低。

L-色氨酸；色譜分離；SSMB

目前國內(nèi)規(guī)模化生產(chǎn)L-色氨酸的企業(yè)主要采用三膜法+離交工藝提取色氨酸，有的廠家仍使用傳統(tǒng)的活性炭脫色工藝［1-5］，此提取工藝最大的問題是產(chǎn)品收率低、廢水排放量大、各項單耗高、設(shè)備一次性投資大，導(dǎo)致國內(nèi)L-色氨酸的生產(chǎn)成本高。色氨酸提取過程中常選用傳統(tǒng)離交工藝（IEX），使用001×7系列陽離子交換樹脂對色氨酸進行吸附、解析，從而達到提純的目的。該工藝主要缺點是樹脂對色氨酸吸附效率低，對無機鹽和其他雜酸基本無分離效果，且運行過程中需要不斷進行酸堿再生，增加了廢水排放量［6-7］。色譜分離技術(shù)（SSMB）通過混合物中各組分在色譜分離柱兩相間不斷進行著的分配過程實現(xiàn)分離，是目前最有效的混合物分離分析方法。主要選用的樹脂有吸附樹脂，色譜分離技術(shù)能夠分離物化性能差別很小的化合物，當(dāng)混合物各組成部分的化學(xué)或物理性質(zhì)十分接近，其他分離技術(shù)很難或根本無法應(yīng)用時，色譜技術(shù)便顯示出優(yōu)越性，可以實現(xiàn)真正的連續(xù)、穩(wěn)態(tài)運行［8］。

眾所周知，色譜分離技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于實驗室分析，隨著色譜技術(shù)的不斷進步以及行業(yè)發(fā)展，使得大規(guī)模的色譜分離技術(shù)被廣泛應(yīng)用于石油化工、淀粉糖等產(chǎn)品的分離純化。通過不斷的探索和工藝革新，色譜工藝已經(jīng)具備節(jié)省樹脂用量、節(jié)省再生劑和洗滌水用量、工藝靈活性高、操作簡單、投資費用低等優(yōu)點，正被更多的行業(yè)所關(guān)注。伊品在與法國諾華賽聯(lián)合開發(fā)的L-色氨酸耦合分離工藝基礎(chǔ)上，采用新一代的SSMB色譜分離技術(shù)，配合篩選的最優(yōu)色譜樹脂YP-004，同時達到對色氨酸清液中無機鹽、糖及主要雜酸的有效分離，對后段色氨酸結(jié)晶工藝更為有利。本文通過中試放大研究，考察了L-色氨酸色譜分離工藝（SSMB）參數(shù)，并與傳統(tǒng)離交工藝（IEX）做了對比分析，確定L-色氨酸色譜分離工藝的工業(yè)化可行性。

1　材料與方法

1.1主要儀器與試劑

法國諾華賽SSMB 10-3 chromatography pilot plant中試系統(tǒng)（包含9根8 cm×120 cm色譜柱、樹脂裝填量730 mL及PLC自控系統(tǒng)），Agilent LC-1260 HPLC（安捷倫科技有限公司），Atago PAL-3糖度儀（日本愛拓），754紫外可見分光光度計（上海菁華科技儀器有限公司），DDSJ-308A電導(dǎo)率儀、FE20 PH計（上海精密科學(xué)儀器有限公司），pH 6.00顯色液、1%色氨酸標(biāo)準(zhǔn)液（天津科密歐化學(xué)試劑有限公司）。

1.2方法

1.2.1色氨酸發(fā)酵液的制備

色氨酸發(fā)酵液通過三級發(fā)酵獲得，其工藝流程如下：凍管→斜面→一級搖瓶→二級種子罐→發(fā)酵罐發(fā)酵→色氨酸發(fā)酵液。

斜面培養(yǎng)基：葡萄糖10 g/L，酵母粉5 g/L，蛋白胨10 g/L，NaCl 5 g/L，瓊脂粉20 g/L。

種子培養(yǎng)基：葡萄糖20 g/L，酵母粉7.5 g/L，KH2PO41.5 g/L，（NH4）2SO44 g/L，MgSO4·7H2O 3.15 g/L，F(xiàn)eSO4·7H2O 75.6mg/L。

發(fā)酵培養(yǎng)基：葡萄糖10 g/L，酵母浸粉1 g/L，KH2PO41.5 g/L，（NH4）2SO44 g/L，MgSO4·7H2O 3.15 g/L，F(xiàn)eSO4·7H2O 75.6mg/L。

發(fā)酵條件為：37℃，250～550 r/min，通風(fēng)比為1～1.5 vvm，二級種子罐培養(yǎng)14 h左右，發(fā)酵罐培養(yǎng)32 h。

1.2.2色氨酸濃度測定

實驗中色氨酸濃度測定基于HPLC分析后的外標(biāo)法所得。

HPLC條件：分析柱為YMC-Pack Pro C18S-5 μm，12 nm，4.6 mm×250 mm；流動相A為1%乙酸溶液，10%甲醇，B為甲醇；洗脫速度為1 mL/ min；溫度為40℃；檢測波長為UV 278 nm。

1.2.3其他指標(biāo)檢測

pH值：FE20 pH計；電導(dǎo)率：DDSJ-308A電導(dǎo)率儀在室溫下檢測；T430：754紫外分光光度計在波長430 nm處的透光值；色氨酸成品各項指標(biāo)按GB/T 25735-2010要求進行檢測。

1.2.4色氨酸色譜分離流程

色氨酸發(fā)酵液經(jīng)陶瓷膜過濾后進入色譜分離系統(tǒng)，色譜分離膜過濾流程如圖1所示。流程中所用色譜分離設(shè)備為NOVASEP公司提供。

如圖1所示：L-色氨酸色譜分離流程分為以下幾個步驟：第一步物料循環(huán)，無進無出，間隙體積的移動，同體積的物料在各柱內(nèi)置換；第二步進料/吸附，物料由3區(qū)進入柱內(nèi)，殘液由3區(qū)出料；第三步提取液收集/解吸，洗提液由1區(qū)進入，提取液由1區(qū)收集（第二步和第三步同時進行以提高產(chǎn)能，程序中會使2，3這兩步的生產(chǎn)時間相同，該步驟進行時2區(qū)和4區(qū)無任何操作）；第四步殘液收集，洗提液由1區(qū)進入，殘液由3區(qū)排出并收集（該步驟下，4區(qū)無任何操作），不同的區(qū)帶中色譜柱通過進料口和出料口自動閥切換。

2　結(jié)果與分析

2.1進料數(shù)據(jù)分析

對連續(xù)六批實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，由表1及圖2的進料分析可知：在經(jīng)過色譜分離系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化后，對比分析色譜分離效果，取其中的連續(xù)六批次實驗結(jié)果進行分析，進料條件無明顯差異，對比結(jié)果可信度較高。

表1　進料L-色氨酸數(shù)據(jù)分析

2.2提取液及殘液數(shù)據(jù)分析

針對以上六批次的進料，對應(yīng)分析了經(jīng)色譜分離處理后的提取液及殘液數(shù)據(jù)，結(jié)果見表2、表3及圖3。由表2、表3及圖3可以看出：L-色氨酸膜濾清液經(jīng)色譜分離工藝處理后，提取液純度由39.68%提升至88.68%，電導(dǎo)率由10.89 ms/ cm下降到1.50 ms/cm，雜質(zhì)去除率達到90%以上。殘液中酸含量不到1%，主要富集大量鹽份和色素。色譜分離整體收率達到99%以上，相比傳統(tǒng)離交工藝提高5%以上。因色譜工藝使用更低濃度的氨水進行洗脫，液氨消耗量比傳統(tǒng)離交工藝降低近一倍。此外，提取液pH更低可以減少后續(xù)脫氨能耗及HCL消耗，有利于提高一次結(jié)晶收率。

表2　L-色氨酸色譜提取液數(shù)據(jù)分析

2.3色譜提取液與離交收集液對比

由表4可知：SSMB色譜提取液與傳統(tǒng)的IEX離交收集液相比，具有更高的色氨酸純度及更低的鹽分和色度值。色氨酸含量略低于離交收集液，主要是為了避免產(chǎn)品在色譜柱中結(jié)晶析出。

2.4色譜提取液與離交收集液結(jié)晶對比

按照色氨酸結(jié)晶控制條件，對色譜提取液與離交收集液作結(jié)晶對比。其中，色譜提取液直接結(jié)晶，離交收集液經(jīng)脫色、調(diào)pH處理后結(jié)晶，結(jié)果如表5所示。

表3　L-色氨酸色譜殘液數(shù)據(jù)分析

表4　L-色氨酸色譜提取液與離交收集液數(shù)據(jù)對比

表5　L-色氨酸色譜提取液與離交收集液數(shù)據(jù)對比

通過上述實驗可知，色譜提取液直接結(jié)晶成品符合色氨酸國標(biāo)要求，且各項指標(biāo)都優(yōu)于傳統(tǒng)離交工藝。一次結(jié)晶收率達到80.1%～82.6%，比傳統(tǒng)工藝的68.9%提升了近20%。

3　結(jié)論

根據(jù)SSMB中試實驗研究，可以得到以下結(jié)論：1）通過SSMB色譜分離工藝，色氨酸提取液純度可以達到82%～93%，收率達到99%以上，比傳統(tǒng)離交工藝分別提高了近27%和5%；2）相對于IEX工藝，SSMB工藝使用更低的氨水濃度進行洗脫，得到鹽分低、純度高的提取液，且色譜樹脂不用酸堿再生，減少了廢水的排放；3）SSMB色譜提取液無需調(diào)pH即可結(jié)晶，減少了HCl消耗，同時一次結(jié)晶收率比IEX離交工藝提高了近20%。

［1］蘇毅.發(fā)酵法生產(chǎn)L-色氨酸工藝優(yōu)化［D］.天津：天津科技大學(xué)，2013.

［2］梅叢笑.L-色氨酸提取工藝的研究［D］.天津：天津輕工業(yè)學(xué)院，2000.

［3］劉旭紅，賴新生.膜技術(shù)在色氨酸提取工藝的應(yīng)用［J］.發(fā)酵科技通訊，2010，39（1）：28-29.

［4］周廷保.膜技術(shù)在色氨酸提取工藝中的應(yīng)用探討［J］.生物技術(shù)世界，2014（2）：163-163.

［5］葛方昕.L-色氨酸提取工藝的研究［D］.天津：天津輕工業(yè)學(xué)院，1999.

［6］項靈芝，陳炳稔.732型陽離子交換樹脂吸附L-色氨酸的性能研究［J］.廣東化工，2005，32（3）：8-9.

［7］武彩蓮.發(fā)酵液中L-色氨酸分離純化工藝的研究［D］.北京：中國人民解放軍軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院，2007.

［8］劉宗利，王乃強，王明珠，等.模擬移動床色譜分離技術(shù)在功能糖生產(chǎn)中的應(yīng)用［J］.農(nóng)產(chǎn)品加工（創(chuàng)新版），2012（3）：70-73.

（責(zé)任編輯：朱小惠）

The application of L-tryptophan separation by SSMB technology

HA Zhirui1，MAWenyou1，ZHAO Chunguang1，SHEN Chunjuan2，SHEN Quan2，MA Jiyin1
（1.Ningxia Eppen Biotech Co.，Ltd.，Yinchuan 750000，China；2.Novasep Separation Technology Co.，Ltd.，Shanghai200000，China）

Based on the L-tryptophan chromatographic separation process which was jointly developed by France Novasep，the process parameters of L-tryptophan chromatographic separation in pilot scale were investigated，and a comparison with the traditional ion exchange process was alsomade.The results showed that L-tryptophan with a purity of 82%～93%was obtained by using the SSMB optimized process，and the yield reached 99%.Compared to IEX process，SSMB process resulted in higher L-tryptophan purity，less NH4+content and lower conductivity of extract.

L-tryptophan；chromatogram separate；SSMB

TQ92

A

1674-2214（2016）03-0165-05

2016-03-11

國家國際科技合作專項項目（2014DFA31280）

哈志瑞（1982—），男，寧夏銀川人，工程師，碩士，研究方向為生物化工，E-mail：hazhirui8201@163.com.通信作者：馬吉銀，高級工程師，E-mail：majiyin@eppen.com.cn.