一种谷氨酸发酵液中双极性膜电渗析法提取谷氨酸的方法.pdf

本发明公开了一种谷氨酸发酵液中双极性膜电渗析法提取谷氨酸的方法，该方法包括以下步骤：a.采用棒状杆菌在发酵罐中，按照原料配比：淀粉水解糖、玉米浆、硫酸镁、磷酸氢二钠、尿素、氯化钾，发酵过程中菌种接种，加水，通气搅拌发酵，一定温度和pH值，经过一定时间发酵后，得到谷氨酸发酵液；b.将步骤a得到的谷氨酸发酵液用氢氧化钠中和后，进行超滤，除去菌株和蛋白质等杂质，得到谷氨酸钠液体；c.对步骤b得到的谷氨酸钠进行双极性膜电渗析分离后的谷氨酸，经过活性炭脱色，浓缩结晶得到成品。本发明过程简单，能耗低，设备体积小，操作简单，转化率可以高达99％，其副产品氢氧化钠稀溶液可以循环利用，无环境污染，能耗比较低。

1、  一种谷氨酸发酵液中双极性膜电渗析法提取谷氨酸的方法，其步骤是：
a.采用棒状杆菌在发酵罐中，按照原料配比：淀粉水解糖、玉米浆、硫酸镁、磷酸氢二钠、尿素、氯化钾，发酵过程中菌种接种，加水，通气搅拌发酵，温度控制在30～34℃，pH为6.4～7.5，经过20～30h发酵后，得到谷氨酸发酵液；
b.将步骤(a)得到的谷氨酸发酵液用氢氧化钠中和后，进行超滤，除去菌株和蛋白质杂质，得到谷氨酸钠液体；
c.对步骤(b)得到的谷氨酸钠进行双极性膜电渗析分离后的谷氨酸，经过活性炭脱色，浓缩结晶得到成品。

一种谷氨酸发酵液中双极性膜电渗析法提取谷氨酸的方法
技术领域
本发明涉及有机酸、氨基酸的双极性膜电渗析技术领域，更具涉及一种谷氨酸发酵液中双极性膜电渗析法提取谷氨酸的方法。适用于有机酸如：葡萄糖酸、柠檬酸、酒石酸、琥珀酸及氨基酸中的丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸的分离纯化。
背景技术
发酵法是目前生产谷氨酸的主要方法。采用北京棒状杆菌(Cory nebacteriumglutamicum)和短杆菌(Brevibacterium)在发酵罐中，通气搅拌发酵，温度30～34度，pH＞6.4～7.5，经过20～30h发酵后，发酵液中谷氨酸含量为4.3％左右，由于残留菌丝体蛋白质和悬浮物，分离提纯比较困难。提取发酵液中的谷氨酸方法，主要是通过离子交换树脂吸附交换法。我国目前采用的离子交换法，存在着经常需要用酸再生树脂，设备庞大，操作复杂，耗酸量大，而且其废液大量排放造成环境污染，同时离子交换时带进的大量水分，增加浓缩时的能耗。为了克服这些不足，采用膜分离技术提取谷氨酸的新工艺应运而生。
用双极性膜电渗析法(Bipolar membrane electrodialysis，BME)来替代离子交换法，分离发酵液中的氨基酸。它是利用在直流电场的作用下，双极性膜中的水被离解成H⁺和OH^-，H⁺和谷氨酸钠的谷氨酸根结合成离解度小的谷氨酸，谷氨酸钠盐中的Na⁺在电场中通过阳离子交换膜从谷氨酸钠盐中分离出来，和双极性膜测出来的OH^-结合成氢氧化钠(NaOH)。
采用双极性膜电渗析法可以在无外加物料的条件下，将谷氨酸钠盐转化成谷氨酸，过程简单、能耗低，设备体积小，操作简单，转化率高达99％。
发明内容
本发明的目的是在于提供了一种谷氨酸发酵液中双极性膜电渗析法提取谷氨酸的方法，将谷氨酸钠盐转为谷氨酸，过程简单，能耗低，设备体积小，操作简单，转化率可以高达99％，其副产品NaOH稀溶液可以循环利用，无环境污染，能耗比较低。
为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：
所用材料为：菌种(北京棒状杆菌或短杆菌，均可从上海工业微生物菌种保藏中心购得)、磷酸锰、玉米浆、淀粉、尿素(工业级)、磷酸氢二钠、氯化钾。
一种谷氨酸发酵液中双极性膜电渗析法提取谷氨酸的方法，其步骤如下：
a.采用北京棒状杆菌(Cory nebacterium glutamicum)，或短杆菌(Brevibactrium)均可从上海工业微生物菌种保藏中心购得。在发酵罐中，按照原料配比(重量百分比)：淀粉水解糖7.5％～10.5％，玉米浆0.3％～0.6％，硫酸镁(MgSO₄·7H₂O)0.03％～0.06％，磷酸氢二钠(Na₂HPO₄)0.085％～0.17％，尿素0.85％～1.8％，氯化钾(KCl)0.01％～0.03％。发酵过程中菌种接种量为0.8％～1％，加水87.425～91.23％，通气搅拌发酵，温度控制在30～34℃，pH为6.4～7.5，经过20～30h发酵后，得到谷氨酸发酵液；
b.将步骤a得到的谷氨酸发酵液用氢氧化钠(NaOH)中和后，得到谷氨酸钠溶液，采用超滤法使菌株和大分子蛋白质留在膜内，小分子谷氨酸钠通过膜渗出；
c.对步骤b得到的谷氨酸钠溶液进行双极性膜电渗析，在直流电场的作用下，双极性膜中的水被离解成H⁺和OH^-，H⁺和谷氨酸钠的谷氨酸根结合成离解度小的谷氨酸(图1)，而谷氨酸钠得钠离子与双极性膜中的另一侧出来OH^-结合生成NaOH，分离后得到的谷氨酸，经过活性炭脱色，浓缩结晶得到谷氨酸成品。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
本方法生产谷氨酸，采用超滤和双极性膜电渗析法分离，由于无相变、节能、操作方便，而且没有环境污染等优点，同时，超滤工艺收率约98％，在超滤前后发酵液中谷氨酸钠盐含量几乎不变，此工艺用膜分离代替传统工艺中的加热除蛋白质，谷氨酸收率提高4％，整个过程通过夹套冷却的方法保持在常温下操作，能耗低，成本降低。必须要指出的是，超滤法对已染菌的谷氨酸发酵液仍可保证最终产品质量，而其他工艺却难以实现。
附图说明
图1为一种谷氨酸钠盐的双极性膜电渗析法转化为谷氨酸的工作原理示意图。
具体实施方式
根据以上生产流程，以下给出几个具体实施方式：
实施例1：
a.采用北京棒状杆菌(Cory nebacterium glutamicum)，在发酵罐中，按照原料配比(重量百分比)：淀粉水解糖7.5％，玉米浆0.3％，硫酸镁(MgSO₄·7H₂O)0.03％，磷酸氢二钠(Na₂HPO₄)0.085％，尿素0.85％，氯化钾(KCl)0.01％。发酵过程中菌种接种量为0.8％，加水90.425％，通气搅拌发酵，温度控制在30℃，pH值6.5，经过20h发酵后，得到谷氨酸发酵液；
b.将步骤a得到的谷氨酸发酵液用氢氧化钠(NaOH)中和后，得到谷氨酸钠溶液，采用超滤法使菌株和大分子蛋白质留在膜内，小分子谷氨酸钠通过膜渗出，得到含2.39％谷氨酸钠溶液。
c.对步骤b得到的谷氨酸钠溶液进行双极性膜电渗析，在直流电场的作用下，双极性膜中的水被离解成H⁺和OH^-，H⁺和谷氨酸钠的谷氨酸根结合成离解度小的谷氨酸(图1)，而谷氨酸钠得钠离子与双极性膜中的另一侧出来OH^-结合生成NaOH，分离后得到的谷氨酸，经过活性炭脱色，浓缩结晶得到谷氨酸成品。
实施例2：
生产菌是短杆菌，按照原料配比：淀粉水解糖8.5％，玉米浆0.6％，硫酸镁(MgSO₄·7H₂O)0.06％，磷酸氢二钠(Na₂HPO₄)0.17％，尿素1.7％，氯化钾(KCl)0.03％，发酵过程中菌种接种量为1％，加水87.94％，于发酵罐中，通气搅拌发酵，温度控制在34℃，pH为6.8，经过30h发酵后，用NaOH中和，通过超滤得到含4.30％谷氨酸钠溶液。用双极性膜电渗析分离，活性炭脱色，浓缩结晶，得到谷氨酸成品。
实施例3
生产菌是北京棒状杆菌，按照原料配比：淀粉水解糖8.5％，玉米浆0.45％，硫酸镁(MgSO₄·7H₂O)0.045％，磷酸氢二钠(Na₂HPO₄)0.10％，尿素1.5％，氯化钾(KCl)0.015％，发酵过程中菌种接种量为0.9％，加水88.49％，于发酵罐中，通气搅拌发酵，温度控制在34℃，pH为7.0，经过28h发酵后，用NaOH中和，通过超滤得到含4.17％谷氨酸钠的溶液。用双极性膜电渗析分离，活性炭脱色，浓缩结晶，得到谷氨酸成品。
实施例4
生产菌是短杆菌，按照原料配比：淀粉水解糖8.8％，玉米浆0.5％，硫酸镁(MgSO₄·7H₂O)0.06％，磷酸氢二钠(Na₂HPO₄)0.17％，尿素1.1％，氯化钾(KCl)0.03％。发酵过程中菌种接种量为1％，加水88.34％，于发酵罐中，通气搅拌发酵，温度控制在34℃，pH为7.2，经过24h发酵后，用NaOH中和，通过超滤得到含3.36％谷氨酸钠溶液。用双极性膜电渗析分离，活性炭脱色，浓缩结晶，得到谷氨酸成品。
本发酵法生产的产品为L-谷氨酸，含量大于98％，每吨谷氨酸需要消耗淀粉2吨，菌种25公斤。采用超滤和双极性膜电渗析法分离发酵液中谷氨酸收率98％，比离子交换分离法提高4％。
双极性膜中的水在直流电场作用下被离解成H⁺(氢离子)和OH^-(氢氧根离子)，H⁺和谷氨酸钠盐中的谷氨酸根结合成谷氨酸，谷氨酸钠盐中的钠离子在电场中通过阳离子交换膜从谷氨酸钠盐中分离出来，并和双极性膜另一侧出来的OH^-结合生成氢氧化钠