L-色氨酸色谱分离工艺中试研究

哈志瑞，马文有，沈春娟，沈泉，马吉银

（1.宁夏伊品生物科技股份有限公司，宁夏银川750000；2.法国诺华赛分离技术上海有限公司，上海200000）

L-色氨酸色谱分离工艺中试研究

哈志瑞1，马文有1，沈春娟2，沈泉2，马吉银1

（1.宁夏伊品生物科技股份有限公司，宁夏银川750000；2.法国诺华赛分离技术上海有限公司，上海200000）

在与法国诺华赛联合开发的L-色氨酸耦合分离工艺基础上，通过中试放大研究，考察了L-色氨酸色谱分离工艺（顺序式模拟移动床色谱分离工艺（SSMB））参数，并与传统离子交换工艺（IEX）做了对比分析。结果表明：采用SSMB优化后工艺可以得到纯度为82%～93%的色氨酸，且色氨酸收率达到99%以上。相对于IEX离交工艺，SSMB工艺得到的提取液色氨酸纯度更高，NH4+含量更少，电导更低。

L-色氨酸；色谱分离；SSMB

目前国内规模化生产L-色氨酸的企业主要采用三膜法+离交工艺提取色氨酸，有的厂家仍使用传统的活性炭脱色工艺［1-5］，此提取工艺最大的问题是产品收率低、废水排放量大、各项单耗高、设备一次性投资大，导致国内L-色氨酸的生产成本高。色氨酸提取过程中常选用传统离交工艺（IEX），使用001×7系列阳离子交换树脂对色氨酸进行吸附、解析，从而达到提纯的目的。该工艺主要缺点是树脂对色氨酸吸附效率低，对无机盐和其他杂酸基本无分离效果，且运行过程中需要不断进行酸碱再生，增加了废水排放量［6-7］。色谱分离技术（SSMB）通过混合物中各组分在色谱分离柱两相间不断进行着的分配过程实现分离，是目前最有效的混合物分离分析方法。主要选用的树脂有吸附树脂，色谱分离技术能够分离物化性能差别很小的化合物，当混合物各组成部分的化学或物理性质十分接近，其他分离技术很难或根本无法应用时，色谱技术便显示出优越性，可以实现真正的连续、稳态运行［8］。

众所周知，色谱分离技术已被广泛应用于实验室分析，随着色谱技术的不断进步以及行业发展，使得大规模的色谱分离技术被广泛应用于石油化工、淀粉糖等产品的分离纯化。通过不断的探索和工艺革新，色谱工艺已经具备节省树脂用量、节省再生剂和洗涤水用量、工艺灵活性高、操作简单、投资费用低等优点，正被更多的行业所关注。伊品在与法国诺华赛联合开发的L-色氨酸耦合分离工艺基础上，采用新一代的SSMB色谱分离技术，配合筛选的最优色谱树脂YP-004，同时达到对色氨酸清液中无机盐、糖及主要杂酸的有效分离，对后段色氨酸结晶工艺更为有利。本文通过中试放大研究，考察了L-色氨酸色谱分离工艺（SSMB）参数，并与传统离交工艺（IEX）做了对比分析，确定L-色氨酸色谱分离工艺的工业化可行性。

1　材料与方法

1.1主要仪器与试剂

法国诺华赛SSMB 10-3 chromatography pilot plant中试系统（包含9根8 cm×120 cm色谱柱、树脂装填量730 mL及PLC自控系统），Agilent LC-1260 HPLC（安捷伦科技有限公司），Atago PAL-3糖度仪（日本爱拓），754紫外可见分光光度计（上海菁华科技仪器有限公司），DDSJ-308A电导率仪、FE20 PH计（上海精密科学仪器有限公司），pH 6.00显色液、1%色氨酸标准液（天津科密欧化学试剂有限公司）。

1.2方法

1.2.1色氨酸发酵液的制备

色氨酸发酵液通过三级发酵获得，其工艺流程如下：冻管→斜面→一级摇瓶→二级种子罐→发酵罐发酵→色氨酸发酵液。

斜面培养基：葡萄糖10 g/L，酵母粉5 g/L，蛋白胨10 g/L，NaCl 5 g/L，琼脂粉20 g/L。

种子培养基：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，FeSO4·7H2O 75.6mg/L。

发酵培养基：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，FeSO4·7H2O 75.6mg/L。

发酵条件为：37℃，250～550 r/min，通风比为1～1.5 vvm，二级种子罐培养14 h左右，发酵罐培养32 h。

1.2.2色氨酸浓度测定

实验中色氨酸浓度测定基于HPLC分析后的外标法所得。

HPLC条件：分析柱为YMC-Pack Pro C18S-5 μm，12 nm，4.6 mm×250 mm；流动相A为1%乙酸溶液，10%甲醇，B为甲醇；洗脱速度为1 mL/ min；温度为40℃；检测波长为UV 278 nm。

1.2.3其他指标检测

pH值：FE20 pH计；电导率：DDSJ-308A电导率仪在室温下检测；T430：754紫外分光光度计在波长430 nm处的透光值；色氨酸成品各项指标按GB/T 25735-2010要求进行检测。

1.2.4色氨酸色谱分离流程

色氨酸发酵液经陶瓷膜过滤后进入色谱分离系统，色谱分离膜过滤流程如图1所示。流程中所用色谱分离设备为NOVASEP公司提供。

如图1所示：L-色氨酸色谱分离流程分为以下几个步骤：第一步物料循环，无进无出，间隙体积的移动，同体积的物料在各柱内置换；第二步进料/吸附，物料由3区进入柱内，残液由3区出料；第三步提取液收集/解吸，洗提液由1区进入，提取液由1区收集（第二步和第三步同时进行以提高产能，程序中会使2，3这两步的生产时间相同，该步骤进行时2区和4区无任何操作）；第四步残液收集，洗提液由1区进入，残液由3区排出并收集（该步骤下，4区无任何操作），不同的区带中色谱柱通过进料口和出料口自动阀切换。

2　结果与分析

2.1进料数据分析

对连续六批实验数据进行统计分析，由表1及图2的进料分析可知：在经过色谱分离系统的参数优化后，对比分析色谱分离效果，取其中的连续六批次实验结果进行分析，进料条件无明显差异，对比结果可信度较高。

表1　进料L-色氨酸数据分析

2.2提取液及残液数据分析

针对以上六批次的进料，对应分析了经色谱分离处理后的提取液及残液数据，结果见表2、表3及图3。由表2、表3及图3可以看出：L-色氨酸膜滤清液经色谱分离工艺处理后，提取液纯度由39.68%提升至88.68%，电导率由10.89 ms/ cm下降到1.50 ms/cm，杂质去除率达到90%以上。残液中酸含量不到1%，主要富集大量盐份和色素。色谱分离整体收率达到99%以上，相比传统离交工艺提高5%以上。因色谱工艺使用更低浓度的氨水进行洗脱，液氨消耗量比传统离交工艺降低近一倍。此外，提取液pH更低可以减少后续脱氨能耗及HCL消耗，有利于提高一次结晶收率。

表2　L-色氨酸色谱提取液数据分析

2.3色谱提取液与离交收集液对比

由表4可知：SSMB色谱提取液与传统的IEX离交收集液相比，具有更高的色氨酸纯度及更低的盐分和色度值。色氨酸含量略低于离交收集液，主要是为了避免产品在色谱柱中结晶析出。

2.4色谱提取液与离交收集液结晶对比

按照色氨酸结晶控制条件，对色谱提取液与离交收集液作结晶对比。其中，色谱提取液直接结晶，离交收集液经脱色、调pH处理后结晶，结果如表5所示。

表3　L-色氨酸色谱残液数据分析

表4　L-色氨酸色谱提取液与离交收集液数据对比

表5　L-色氨酸色谱提取液与离交收集液数据对比

通过上述实验可知，色谱提取液直接结晶成品符合色氨酸国标要求，且各项指标都优于传统离交工艺。一次结晶收率达到80.1%～82.6%，比传统工艺的68.9%提升了近20%。

3　结论

根据SSMB中试实验研究，可以得到以下结论：1）通过SSMB色谱分离工艺，色氨酸提取液纯度可以达到82%～93%，收率达到99%以上，比传统离交工艺分别提高了近27%和5%；2）相对于IEX工艺，SSMB工艺使用更低的氨水浓度进行洗脱，得到盐分低、纯度高的提取液，且色谱树脂不用酸碱再生，减少了废水的排放；3）SSMB色谱提取液无需调pH即可结晶，减少了HCl消耗，同时一次结晶收率比IEX离交工艺提高了近20%。

［1］苏毅.发酵法生产L-色氨酸工艺优化［D］.天津：天津科技大学，2013.

［2］梅丛笑.L-色氨酸提取工艺的研究［D］.天津：天津轻工业学院，2000.

［3］刘旭红，赖新生.膜技术在色氨酸提取工艺的应用［J］.发酵科技通讯，2010，39（1）：28-29.

［4］周廷保.膜技术在色氨酸提取工艺中的应用探讨［J］.生物技术世界，2014（2）：163-163.

［5］葛方昕.L-色氨酸提取工艺的研究［D］.天津：天津轻工业学院，1999.

［6］项灵芝，陈炳稔.732型阳离子交换树脂吸附L-色氨酸的性能研究［J］.广东化工，2005，32（3）：8-9.

［7］武彩莲.发酵液中L-色氨酸分离纯化工艺的研究［D］.北京：中国人民解放军军事医学科学院，2007.

［8］刘宗利，王乃强，王明珠，等.模拟移动床色谱分离技术在功能糖生产中的应用［J］.农产品加工（创新版），2012（3）：70-73.

（责任编辑：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

国家国际科技合作专项项目（2014DFA31280）

哈志瑞（1982—），男，宁夏银川人，工程师，硕士，研究方向为生物化工，E-mail：hazhirui8201@163.com.通信作者：马吉银，高级工程师，E-mail：majiyin@eppen.com.cn.