魏明輝,李朝波,孟范義,翟秀超

1.中信建設有限責任公司 (北京 100027) 2. 中糧工科(無錫)國際生化技術有限公司 (無錫 214035) 3.無錫中糧工程科技有限公司 (無錫 214035)

L-色氨酸(L-Tryptophan)是人體必需8種氨基酸之一,是人類最早開始研究的色氨酸之一[1],L-色氨酸的生產(chǎn)最早主要是依靠化學合成法和蛋白質水解法制造。微生物發(fā)酵法具有原料價格低廉、工藝控制簡單、產(chǎn)品質量可靠等優(yōu)點[2]。隨著生物技術的發(fā)展,利用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)色氨酸得到了全面推廣,發(fā)酵水平顯著提高。通過不斷改進和優(yōu)化工業(yè)菌種,工業(yè)化生產(chǎn)色氨酸發(fā)酵產(chǎn)酸指標達到40 g/L以上,發(fā)酵成本大大降低。L-色氨酸發(fā)酵液的分離純化是決定L-色氮酸生產(chǎn)成本和產(chǎn)品質量的重要因素,目前,從發(fā)酵液中分離純化L-色氨酸的方法有連續(xù)離交法[3]、結晶法和色譜法等。在發(fā)酵水平不高的情況下,如果采用連續(xù)離交法分離純化色氨酸,存在產(chǎn)品收率低、酸堿消耗高、廢水排放量大等缺點。因而,隨著發(fā)酵水平的不斷提高,分離純化工藝的改進與創(chuàng)新將成為解決企業(yè)生產(chǎn)瓶頸問題的有效方法。隨著色譜技術的出現(xiàn)及在生產(chǎn)應用中出色的表現(xiàn),讓人們對工藝的改進和優(yōu)化充滿了信心與希望。色譜技術尤其在對提高產(chǎn)品收率和廢液處理上展現(xiàn)了特有的優(yōu)勢。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)所關注。使得大規(guī)模的色譜分離技術被廣泛應用于石油化工、淀粉糖、氨基酸、糖類、有機酸等產(chǎn)品的分離純化。

1 色氨酸提取純化工藝

1.1 連續(xù)離交工藝

目前國內(nèi)規(guī)?；a(chǎn)L-色氨酸的企業(yè)主要采用陶瓷膜+連續(xù)離交的傳統(tǒng)工藝提取色氨酸。利用樹脂中的功能基因與膜濾液中的色氨酸離子進行交換將色氨酸吸附在樹脂上,再利用氨水的NH4+將樹脂上的色氨酸離子置換下來,進料前期,色氨酸膜濾液初始濃度高,首次進入吸附區(qū),一價色氨酸陽離子具有較大的離子交換推動力,就可以達到與雜質分離的目的。但是當液相中濃度很低時,此時則需要濃硫酸調 pH值,來增強色氨酸在低濃度下的吸附推動力,則需要消耗大量濃硫酸。該工藝的主要缺點是樹脂對色氨酸吸附效率低,對無機鹽和其它雜酸(谷氨酸)的分離效果差,從而影響洗脫液的純度。在離交過程中需要不斷使用硫酸和氨水,同時增加了廢水量。在洗脫過程中需要大量的氨水,后續(xù)工段需要脫氨設備,增加設備投資成本。連續(xù)離交工藝流程見圖1。

圖1 連續(xù)離交工藝流程圖

1.2 色譜工藝

色譜分離技術是基于不同物質在由固定相和流動相構成的體系中具有不同分配系數(shù),采用流動相洗脫過程中呈現(xiàn)不同保留時間,從而實現(xiàn)產(chǎn)品分離。

色譜分離技術是將若干根色譜柱串聯(lián)在一起,每根色譜柱均設有物料進出口,并通過操作開關閥組沿著流動相的循環(huán)流動方向定時切換,從而周期性改變物料進出口位置,以此來模擬固定相與流動相之間的逆流移動,實現(xiàn)組分之間的連續(xù)分離。連續(xù)色譜工藝以稀氨水作為洗提液,減少傳統(tǒng)工藝過程中的酸堿消耗和水耗,尋求更加綠色環(huán)保的工藝路線,降低工業(yè)化L-色氨酸生產(chǎn)成本,取代傳統(tǒng)離子交換工藝,推動我國L-色氨酸生產(chǎn)技術的進步。

本套裝置工藝改進的亮點是不使用連續(xù)離交工藝,根據(jù)L-色氨酸低濃度結晶的特性,發(fā)酵液經(jīng)過陶瓷膜過濾去除菌體等雜質后,膜濾清液通過脫色后進入濃縮結晶設備。結晶后的晶漿液經(jīng)過離心機分離后,大部分晶體直接干燥做L-色氨酸成品。少量母液的處理上引入色譜分離技術,將此部分回收的色氨酸提取液返回到脫色工序,與膜清液進行混合脫色處理。極大的提高了產(chǎn)品的收率,同時也解決了廢液的處理問題。色譜樹脂本身具有一定的吸附色素的能力,這樣就可以降低后續(xù)工段粉碳的使用量。經(jīng)優(yōu)化調整后工藝路線簡化,廢棄物排放少,有利于企業(yè)降本增效。提高產(chǎn)品的核心競爭力。色譜工藝流程見圖2。

圖2 色譜工藝流程圖(色譜工藝)

通過圖1和圖2的兩種不同工藝對比,采用色譜工藝可以減少連續(xù)離交和脫氨塔兩套設備,縮短了提取的工藝路線。不僅降低了設備的一次性投資成本和生產(chǎn)運行費用,而且工藝改進后色氨酸提取的收率也從75%提高到80%以上。

1.3 色氨酸色譜和離交工藝對比

由表1可知,色氨酸母液色譜純化工藝與傳統(tǒng)的連續(xù)離交工藝對比,提取收率提高了5個點以上;與傳統(tǒng)的連續(xù)離交工藝相比,色譜只需要低濃度的氨水洗脫,就能得到低鹽分、純度高的提取液、排廢少,而傳統(tǒng)的連續(xù)離交需要大量的酸堿再生,增大了廢水排放和環(huán)保處理的壓力;色譜工藝對處理色氨酸母液效果明顯,能大大去除色素,提純色氨酸;色譜工藝無需脫氨塔設備,降低設備一次成本投資;色譜工藝只采用一種洗提液進行 L-色氨酸吸附解析,和傳統(tǒng)離子交換繁瑣的工藝步驟相比,工藝操作更為簡單;色譜工藝不需要用濃硫酸,可以降低運行成本以及濃硫酸儲存成本。

表1 L-色氨酸色譜和連續(xù)離交工藝數(shù)據(jù)對比

2 結束語

隨著色氨酸市場競爭日漸激烈,以及日趨嚴格的環(huán)保政策,色氨酸生產(chǎn)企業(yè)必須把企業(yè)發(fā)展與循環(huán)經(jīng)濟融合起來。為提高其整體收率,需要加深對發(fā)酵液分離純化工藝的研究,掌握各項影響因素,對生產(chǎn)過程進行有效控制,提高生產(chǎn)效率,降低能耗和廢棄物排放,不斷優(yōu)化生產(chǎn)工序將會成為氨基酸企業(yè)未來重要的突破點。本文通過工藝改進,引入色譜分離技術。不僅可提高產(chǎn)品的質量和收率。同時降低一次性投資和生產(chǎn)運行成本。使得色氨酸生產(chǎn)企業(yè)在同行業(yè)中占有優(yōu)勢地位。當然色譜分離技術屬于新型技術,還需要在工廠運行中不斷的優(yōu)化和探索,確保生產(chǎn)的穩(wěn)定性以及運行成本的節(jié)約性。