一种改进的微生物发酵缬氨酸提取工艺并制备叶面肥的方法.pdf

本发明公开了一种改进的微生物发酵缬氨酸提取工艺并制备叶面肥的方法，其通过如下步骤实现：（1）缬氨酸发酵液调节p H后利用陶瓷膜进行过滤，得到澄清滤液；（2）将滤液进行减压浓缩结晶；（3）结晶液分离，洗涤，得到缬氨酸粗品和母液1；（4）缬氨酸粗品加去离子水溶解，活性炭脱色，再次减压浓缩结晶，分离，洗涤，得到缬氨酸产品和母液2；（5）母液1和母液2作为原料生产氨基酸叶面肥料。本发明省略了微生物发酵生产缬氨酸提取工艺中的离子交换步骤，简便了缬氨酸生产操作，产生的蒸发冷凝水可以直接回用发酵生产，最大限度的实现了缬氨酸发酵产物的综合利用，提高了缬氨酸产品的经济效益，尤其是综合效益。

权利要求书
1.  一种改进的微生物发酵缬氨酸提取工艺并制备叶面肥的方法，特征在于其通过如下步骤实现：
1）缬氨酸发酵液酸化后利用陶瓷膜进行过滤，得到澄清滤液；
2）将滤液进行减压浓缩结晶；
3）结晶液分离，去离子水洗涤得到缬氨酸粗品和母液1；
4）缬氨酸粗品加去离子水溶解，活性炭脱色，再次减压浓缩结晶、分离、去离子水洗涤，得到缬氨酸产品和母液2；
5）收集母液1和母液2，减压浓缩，螯合微量元素，生产氨基酸叶面肥料；
6）步骤（2）和（4）减压浓缩产生的凝水，不经处理，直接回用发酵生产。

2.   一种改进的微生物发酵缬氨酸提取工艺并制备叶面肥的方法，其特征在于缬氨酸提取工艺中不涉及复杂的离子交换或膜分离步骤，而是通过简单温和的蒸发浓缩步骤，实现缬氨酸与杂酸以及其它杂质的分离，分离后的杂酸作为原料制备氨基酸叶面肥。

3.  根据权利要求1所述的一种改进的微生物发酵缬氨酸提取工艺并制备叶面肥的方法，其特征在于，所述步骤（1）提到的酸化发酵液所用的酸为磷酸，发酵液酸化后p H值为3.0-7.0之间，优选4.0-6.0之间，更优选4.5-5.5之间。

4.  根据权利要求1所述的一种改进的微生物发酵缬氨酸提取工艺并制备叶面肥的方法，其特征在于，所述步骤（2）减压浓缩结晶过程控制温度60℃-100℃，控制浓缩倍数10-20倍浓缩完毕。

5.  根据权利要求1所述的一种改进的微生物发酵缬氨酸提取工艺并制备叶面肥的方法，其特征在于，所述步骤（3）缬氨酸粗品洗涤所用的去离子水为0℃-25℃的低温水，去离子水的用量为缬氨酸粗品体积的0.5倍-2.0倍，优选0.8倍-1.2倍。

6.  根据权利要求1所述的一种改进的微生物发酵缬氨酸提取工艺并制备叶面肥的方法，其特征在于，所述步骤（4）缬氨酸粗品去离子水溶解，温度控制在60-100℃之间，优选75-85℃之间，控制溶解后缬氨酸浓度60 -80g/l，优选70 -75 g/l。

7.  根据权利要求1所述的一种改进的微生物发酵缬氨酸提取工艺并制备叶面肥的方法，其特征在于，所述步骤（4）脱色用活性炭按照粗品溶液的1.0‰-2.0‰（W/V）进行投加。

8.  根据权利要求1所述的一种改进的微生物发酵缬氨酸提取工艺并制备叶面肥的方法，其特征在于，所述步骤（4）减压浓缩结晶过程控制温度60℃-100℃，控制浓缩倍数5-10倍浓缩完毕。

9.  根据权利要求1所述的一种改进的微生物发酵缬氨酸提取工艺并制备叶面肥的方法，其特征在于，所述步骤（4）缬氨酸产品洗涤所用的去离子水为0℃-25℃的低温水，去离子水的用量为缬氨酸产品1.0-3.0倍（V/V）。

10.  根据权利要求1所述的一种改进的微生物发酵缬氨酸提取工艺并制备叶面肥的方法，其特征在于，所述步骤（5）母液减压浓缩至总氨基酸浓度100g/l以上，氨基酸与微量元素的螯合温度控制为30℃-80℃。

11.  根据权利要求1所述的一种改进的微生物发酵缬氨酸提取工艺并制备叶面肥的方法，其特征在于所述叶面肥料中的主要氨基酸营养成分是缬氨酸，及少量的丙氨酸、异亮氨酸、亮氨酸或其它氨基酸，其中缬氨酸占总氨基酸含量的50%以上。

12.  根据权利要求1所述的一种改进的微生物发酵缬氨酸提取工艺并制备叶面肥的方法，其特征在于工艺过程产生的凝水，符合缬氨酸生产工艺用水的要求，可不经任何处理直接回用发酵生产。

说明书 一种改进的微生物发酵缬氨酸提取工艺并制备叶面肥的方法
技术领域
本发明属于缬氨酸生产技术领域，特别是涉及一种改进的微生物发酵缬氨酸提取工艺并制备叶面肥的方法。
背景技术
目前，缬氨酸大规模生产均采用微生物发酵法，生产过程缬氨酸发酵液中除主要代谢产物缬氨酸外，还有少量的副产物（杂酸）丙氨酸、异亮氨酸等，需要在后序的提取工艺中除去。传统的缬氨酸提取工艺采用的是离子交换法，杂酸在离子交换过程中被分离，随废水排放到污水站。然而，现代农业生产中被广泛应用的叶面肥需要大量氨基酸的原料，这种原料一般并没有特殊要求，许多采用人体或动物毛发、豆粕、玉米蛋白粉等动、植物蛋白水解液作为原料制备叶面肥的方法在文献和专利报导中均有出现。因此，分离并收集杂酸制备氨基酸叶面肥不仅可以减少资源的浪费和消耗，也可以减轻污水站的废水治理负荷，一举两得。
另外，传统的离子交换法缬氨酸提取工艺的树脂再生步骤，需要消耗酸和碱，并使用大量的冲洗水，成为生产缬氨酸高氨氮含盐废水的主要主要来源。专利CN200810159687虽然提供了一种能够避免离子交换分离缬氨酸的全膜法提取方法，但是膜分离一方面是基于被分离物分子量的显著差异，这意味着针对分子量非常接近的缬氨酸与杂酸，几乎没有分离效果；另一方面分离膜组件运行和维护费用高，操作复杂，且膜的再生不可避免也要排放废水。
发明内容
本发明提供了一种简便、温和的缬氨酸提取工艺，其简便在于省略了传统工艺的离子交换步骤（或其他步骤，如膜），仅通过蒸发浓缩，结晶精制，即可得到缬氨酸主产品，杂酸因与主产品的溶解度差异被留存于母液中，用于制备叶面肥；其温和在于发明人惊奇的发现，整个过程发酵产生的全部氨基酸破坏非常少，整体回收率在97%以上，这样基本上保留了缬氨酸发酵生产的全部氨基酸营养成分。同时，省略离子交换步骤后，离交酸、碱和水的消耗被根本解决，其它废水如蒸发过程的冷凝水，可以全部回用于发酵工艺用水，实现了缬氨酸生产废水零排放，克服了现有技术中产品回收率低，废水排放量大，环保负荷高等一系列问题，不但经济效益明显，环保和资源等综合效益也非常明显。
本发明通过如下步骤得以实现：
1）缬氨酸发酵液酸化后利用陶瓷膜进行过滤，得到澄清滤液。其中：发酵液酸化能够将发酵液中的水溶性蛋白絮凝变性，菌体和大部分蛋白在膜过滤过程中被除去，有助于提高产品质量并提升膜过滤的滤速；发酵液酸化的p H控制在3.0-7.0之间，优选4.0-6.0之间，更优选4.5-5.5之间，适宜的有助于缬氨酸与杂质氨基酸的分离；发酵液酸化采用的较为温和的磷酸，避免盐酸、硫酸等强酸的破坏作用，同时为叶面肥添加磷元素。
2）将滤液进行减压浓缩结晶。发酵液澄清后的滤液进行减压浓缩，控制过程温度60℃-100℃，随着浓缩过程的进行不断有沉淀析出，控制浓缩倍数10-20倍浓缩完毕，得到缬氨酸粗品结晶液。
3）结晶液分离和洗涤。过滤分离缬氨酸粗品，滤饼用0-25℃的低温去离子水洗涤，去离子水的用量为缬氨酸粗品的0.5 -2.0倍（V/V），优选0.8 -1.2倍（V/V），得到缬氨酸粗品，同时收集合并母液和洗液得到母液1。
4）缬氨酸粗品精制。将缬氨酸粗品溶解于60-100℃，优选75-85℃的去离子水中，溶解控制缬氨酸浓度60 -80g/l，优选70 -75 g/l。向粗品溶液中投加1.0‰-2.0‰（W/V）活性炭进行搅拌脱色、过滤，得到无色澄清的脱色液。脱色液控制温度60℃-100℃再次进行减压浓缩结晶，随着浓缩的进行不断有沉淀析出，控制浓缩倍数5-10倍浓缩完毕。，降温至环境温度。分离沉淀并用1-3倍（V/V），0℃-25℃的低温去离子水洗涤，干燥得到缬氨酸成品。同时收集合并母液和洗液得到母液2。
5）收集合并母液1和母液2，减压浓缩至总氨基酸浓度100g/l以上，在搅拌状态下加入铜、锰、铁、锌、硼，进行微量元素与氨基酸的螯合，螯合温度控制为30-80℃，制备氨基酸叶面肥料。检验氨基酸叶面肥的营养成分是缬氨酸及少量的丙氨酸、异亮氨酸、亮氨酸或其它氨基酸，其中缬氨酸占总氨基酸含量的50%以上。
6）步骤（2）和（4）减压浓缩产生的凝水，可不经处理，直接回用发酵生产。
通过实施本发明，可以得到高品质缬氨酸产品和富含缬氨酸的氨基酸叶面肥两个产品，同时可以通过控制不同的蒸发结晶浓度调整两个产品的产量。
本发明的优点在于：
1、本发明采用减压蒸发浓缩为主要手段提取缬氨酸，省略了传统工艺的离子交换步骤（或其他步骤，如膜），操作更加简单，易于工业化实现。
2、通过实施本发明可以成功实现主产品缬氨酸与杂质氨基酸的有效分离，并最大程度保留了杂质氨基酸产物，同时，利用充分杂质氨基酸的营养成分制备了氨基酸叶面肥，实现了产品的综合利用。
3、离子交换步骤的省略，避免了树脂再生酸和碱的消耗，以及大量冲洗水的使用，从根本上杜绝了缬氨酸生产高氨氮废水的产生。同时，通过实施本发明产生的蒸发凝结水，完全可以回用发酵生产，基本做到了废水零排放。
4、实施本发明，可以得到高品质缬氨酸产品和富含缬氨酸的氨基酸叶面肥两个产品，同时可以通过控制不同的蒸发结晶浓度调整两个产品的产量，灵活地应对市场变化。
附图说明
图1是本发明的工艺流程示意图。
具体实施方式
以下对对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
实施例 1 ：缬氨酸提取过程及结果
发酵结束取缬氨酸发酵液，含缬氨酸950g、杂酸（丙氨酸、异亮氨酸、亮氨酸等，下同）143g，搅拌状态下加入磷酸调整pH 4.63然后进行陶瓷膜过滤，得缬氨酸澄清滤液25L。在温度75℃下，利用旋转蒸发仪对滤液进行减压浓缩，浓缩过程中不断有沉淀析出，蒸发结束剩余含有沉淀的浓缩液2.2L，浓缩倍数约11倍。用标有刻度的漏斗分离得到0.75L滤饼沉淀和1.45L母液。用0.75L淋洗滤饼并分离得到缬氨酸粗品0.69L和洗液0.81L。
将上述所得粗品用10L 80℃的去离子水溶解，检测缬氨酸浓度为73g/L，投加15g活性炭进行搅拌脱色、过滤，得到无色澄清的脱色液。在温度75℃下，利用旋转蒸发仪对脱色液进行减压浓缩，浓缩过程中不断有沉淀析出，蒸发结束剩余含有沉淀的浓缩液1.6L，浓缩倍数约6倍。浓缩液自然降温至常温，用标有刻度的漏斗分离得到0.65L滤饼沉淀和0.95L母液。用0.65L淋洗滤饼并分离、干燥得缬氨酸成品710g和洗液0.7L。
收集上述各步操作产生的母液和洗液共3.91L，在温度75℃下，利用旋转蒸发仪减压浓缩至3L，然后在搅拌状态下加入铜、锰、铁、锌、硼，进行微量元素与氨基酸的螯合，螯合过程保持温度75℃，最终氨基酸叶面肥料3.3L，检验叶面肥的缬氨酸浓度和杂酸浓度分别为64.8g/L和39.5g/L，缬氨酸占总氨基酸含量的62.1%。
计算缬氨酸和总酸得率分别为97.2%和96.4%。
实施例 2 ：缬氨酸提取过程及结果
发酵结束取缬氨酸发酵液，含缬氨酸950g、杂酸（丙氨酸、异亮氨酸、亮氨酸等）143g，搅拌状态下加入磷酸调整pH 4.63然后进行陶瓷膜过滤，得缬氨酸澄清滤液25.5L。在温度75℃下，利用旋转蒸发仪对滤液进行减压浓缩，浓缩过程中不断有沉淀析出，蒸发结束剩余含有沉淀的浓缩液1.5L，浓缩倍数17倍。用标有刻度的漏斗分离得到0.9L滤饼沉淀和0.6L母液。用0.9L淋洗滤饼并分离得到缬氨酸粗品0.85L和洗液0.95L。
将上述所得粗品用11L 80℃的去离子水溶解，检测缬氨酸浓度为73.4g/L，投加16.5g活性炭进行搅拌脱色、过滤，得到无色澄清的脱色液。在温度75℃下，利用旋转蒸发仪对脱色液进行减压浓缩，浓缩过程中不断有沉淀析出，蒸发结束剩余含有沉淀的浓缩液1.2L，浓缩倍数约9倍。浓缩液自然降温至常温，用标有刻度的漏斗分离得到0.74L滤饼沉淀和0.46L母液。用0.74L淋洗滤饼并分离、干燥得缬氨酸成品780g和洗液0.8L。
收集上述各步操作产生的母液和洗液共2.81L，在温度75℃下，利用旋转蒸发仪减压浓缩至2.2L，然后在搅拌状态下加入铜、锰、铁、锌、硼，进行微量元素与氨基酸的螯合，螯合过程保持温度75℃，最终氨基酸叶面肥料2.5L，检验叶面肥的缬氨酸浓度和杂酸浓度分别为56.6g/L和49.3g/L，缬氨酸占总氨基酸含量的53.4%。
计算缬氨酸和总酸得率分别为97%和95.6%。
实施例 3 ：蒸发凝水回用发酵缬氨酸结果
分别取用新鲜水和本发明所述蒸发凝水进行30L规模缬氨酸发酵对比试验，过程简述如下：分别取用新鲜水和本发明所述蒸发凝水配置发酵培养基，蒸汽灭菌，将培养好的种子液接入培养基，进行通气搅拌培养，过程中按照工艺要求控制pH、温度和营养等工艺参数，发酵周期60h放罐，检测各项指标。
表1缬氨酸发酵对比试验结果

上表结果表明取用本发明所述蒸发凝水进行缬氨酸发酵，与新鲜水进行缬氨酸发酵，发酵的结果无明显差异，说明蒸发凝水不经任何处理可直接回用发酵生产。