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        L-色氨酸色譜分離工藝中試研究

        2016-09-02 06:54:13哈志瑞馬文有沈春娟沈泉馬吉銀
        發(fā)酵科技通訊 2016年3期
        關(guān)鍵詞:殘液色氨酸提取液

        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(guó)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(guó)諾華賽分離技術(shù)上海有限公司,上海200000)

        在與法國(guó)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(dòng)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(duì)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(dá)到99%以上。相對(duì)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(guó)內(nèi)規(guī)?;a(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(xiàng)單耗高、設(shè)備一次性投資大,導(dǎo)致國(guó)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(yáng)離子交換樹脂對(duì)色氨酸進(jìn)行吸附、解析,從而達(dá)到提純的目的。該工藝主要缺點(diǎn)是樹脂對(duì)色氨酸吸附效率低,對(duì)無機(jī)鹽和其他雜酸基本無分離效果,且運(yùn)行過程中需要不斷進(jìn)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(jìn)行著的分配過程實(shí)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(shí),色譜技術(shù)便顯示出優(yōu)越性,可以實(shí)現(xiàn)真正的連續(xù)、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行[8]。

        眾所周知,色譜分離技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室分析,隨著色譜技術(shù)的不斷進(jìn)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(jiǎn)單、投資費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn),正被更多的行業(yè)所關(guān)注。伊品在與法國(guó)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(shí)達(dá)到對(duì)色氨酸清液中無機(jī)鹽、糖及主要雜酸的有效分離,對(duì)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(duì)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(guó)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(jì)(上海菁華科技儀器有限公司),DDSJ-308A電導(dǎo)率儀、FE20 PH計(jì)(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(jí)發(fā)酵獲得,其工藝流程如下:凍管→斜面→一級(jí)搖瓶→二級(jí)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(jí)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(cè)定

        實(shí)驗(yàn)中色氨酸濃度測(cè)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(dòng)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(cè)波長(zhǎng)為UV 278 nm。

        1.2.3其他指標(biāo)檢測(cè)

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

        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(jìn)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(gè)步驟:第一步物料循環(huán),無進(jìn)無出,間隙體積的移動(dòng),同體積的物料在各柱內(nèi)置換;第二步進(jìn)料/吸附,物料由3區(qū)進(jìn)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(jìn)入,提取液由1區(qū)收集(第二步和第三步同時(shí)進(jìn)行以提高產(chǎn)能,程序中會(huì)使2,3這兩步的生產(chǎn)時(shí)間相同,該步驟進(jìn)行時(shí)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(jìn)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(jìn)料口和出料口自動(dòng)閥切換。

        2 結(jié)果與分析

        2.1進(jìn)料數(shù)據(jù)分析

        對(duì)連續(xù)六批實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,由表1及圖2的進(jìn)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(duì)比分析色譜分離效果,取其中的連續(xù)六批次實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,進(jìn)料條件無明顯差異,對(duì)比結(jié)果可信度較高。

        表1 進(jìn)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(duì)以上六批次的進(jìn)料,對(duì)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(dá)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(dá)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(jìn)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(duì)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(duì)比

        按照色氨酸結(jié)晶控制條件,對(duì)色譜提取液與離交收集液作結(jié)晶對(duì)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(duì)比

        表5 L-色氨酸色譜提取液與離交收集液數(shù)據(jù)對(duì)比

        通過上述實(shí)驗(yàn)可知,色譜提取液直接結(jié)晶成品符合色氨酸國(guó)標(biāo)要求,且各項(xiàng)指標(biāo)都優(yōu)于傳統(tǒng)離交工藝。一次結(jié)晶收率達(dá)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(shí)驗(yàn)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(dá)到82%~93%,收率達(dá)到99%以上,比傳統(tǒng)離交工藝分別提高了近27%和5%;2)相對(duì)于IEX工藝,SSMB工藝使用更低的氨水濃度進(jìn)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(shí)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.

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        [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.

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        (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(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目(2014DFA31280)

        哈志瑞(1982—),男,寧夏銀川人,工程師,碩士,研究方向?yàn)樯锘ぃ珽-mail:hazhirui8201@163.com.通信作者:馬吉銀,高級(jí)工程師,E-mail:majiyin@eppen.com.cn.

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