電滲析法從谷氨酸發(fā)酵液中提取谷氨酸銨的研究

艾社芳，石紹淵，王金梅，張勝琴，李 春，3，叢 威，*

（1.石河子大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院/新疆兵團(tuán)化工綠色過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆石河子832003；2.中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所，生化工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100080；3.北京理工大學(xué)生命學(xué)院，北京100081）

電滲析法從谷氨酸發(fā)酵液中提取谷氨酸銨的研究

艾社芳1，石紹淵2，王金梅1，張勝琴1，李 春1，3，叢 威2，*

（1.石河子大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院/新疆兵團(tuán)化工綠色過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆石河子832003；2.中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所，生化工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100080；3.北京理工大學(xué)生命學(xué)院，北京100081）

探討了利用電滲析法從谷氨酸發(fā)酵液中直接分離提取谷氨酸銨。通過(guò)模擬谷氨酸發(fā)酵液對(duì)提取工藝進(jìn)行了單因素優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，獲得了如電流密度、料液與濃縮液體積比、循環(huán)流量等優(yōu)化操作條件。采用優(yōu)化條件對(duì)真實(shí)谷氨酸發(fā)酵液進(jìn)行電滲析分離提取谷氨酸銨，當(dāng)料室pH4.7左右可觀察到結(jié)晶現(xiàn)象。通過(guò)補(bǔ)加氨水調(diào)節(jié)料室pH，可明顯改善電滲析的整體效果，其中濃室谷氨酸濃度達(dá)到120g/L，回收率為78.8%。

電滲析，谷氨酸銨，谷氨酸發(fā)酵液，氨水

電滲析［1］是在直流電場(chǎng)的作用下，離子透過(guò)選擇性離子交換膜而發(fā)生遷移，使帶電離子從水溶液和其他不帶電組分中分離出來(lái)的一種電膜分離過(guò)程，已在各種天然水淡化［2］、海水濃縮制鹽、廢水處理［3］等行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。由于電滲析技術(shù)具有操作簡(jiǎn)便、不污染環(huán)境，可不添加酸堿等化學(xué)試劑［4］，有望大幅度降低發(fā)酵產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的酸堿消耗，可實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，將電滲析技術(shù)用于發(fā)酵液處理和發(fā)酵產(chǎn)品回收中尤其受到關(guān)注。如電滲析技術(shù)在氨基酸和蛋白質(zhì)生產(chǎn)中的應(yīng)用，主要用于氨基酸脫鹽以及分離氨基酸和糖類物質(zhì)［5-6］。王輝等［7］利用電滲析進(jìn)行了氨基酸的分離，避免了雜質(zhì)離子的引入，提高了氨基酸的純度。目前味精生產(chǎn)廠家普遍采用發(fā)酵法生產(chǎn)谷氨酸，然后采用一次低溫等電點(diǎn)法提取工藝來(lái)分離谷氨酸。離心分離后的母液中還含有1.5%～2%谷氨酸，2.0%～2.5%氯化銨及葡萄糖、菌體等，采用離子交換法提取等電母液中的谷氨酸會(huì)產(chǎn)生大量的高鹽有機(jī)廢水［8-9］。廣州奧桑味精食品有限公司［10］對(duì)谷氨酸發(fā)酵液進(jìn)行了新工藝的研究，運(yùn)用膜分離技術(shù)將谷氨酸發(fā)酵液的菌體與超濾清液分離、多效蒸發(fā)濃縮、連續(xù)等點(diǎn)結(jié)晶、晶體轉(zhuǎn)型等工序相結(jié)合，雖然得到高濃度飼料蛋白，但是仍存在投資成本大、循環(huán)周期長(zhǎng)、用水量大等問(wèn)題。采用電滲析法將發(fā)酵液中的谷氨酸鹽進(jìn)行濃縮分離，除去部分雜質(zhì)［11］，可簡(jiǎn)化后續(xù)精制提純等工藝，避免水洗過(guò)程大量用水的問(wèn)題。文中利用模擬谷氨酸發(fā)酵液，對(duì)提取工藝進(jìn)行了單因素優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得優(yōu)化條件用于對(duì)真實(shí)谷氨酸發(fā)酵液進(jìn)行電滲析分離提取谷氨酸銨，并通過(guò)補(bǔ)加氨水調(diào)節(jié)料室內(nèi)pH來(lái)改善分離提取效果。

表1 不同電流密度的電滲析實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

L-谷氨酸分析純 北京欣經(jīng)科生物技術(shù)有限公司提供；谷氨酸發(fā)酵液 本課題組劉輝提供；硫酸鈉、氫氧化鈉 北京化學(xué)試劑公司；氨水 天津化學(xué)試劑公司。

電滲析器 北京三元八達(dá)科技股份有限公司提供；電導(dǎo)儀DDS-307A 上海雷磁儀器廠；低溫恒溫儀DS-1015 寧波市海曙天恒儀器；pH計(jì)DELTA-320梅特勒托利多（上海）儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 電滲析法提取谷氨酸銨的實(shí)驗(yàn)原理 谷氨酸是兩性電解質(zhì)，如在pH大于3.22時(shí)，谷氨酸大多以陰離子狀態(tài)存在，在直流電場(chǎng)作用下，透過(guò)陰膜而被陽(yáng)膜阻留在濃縮室中，銨根離子帶正電荷，透過(guò)陽(yáng)膜而被陰膜阻留在濃縮室中，但殘?zhí)恰⒌鞍踪|(zhì)等非電解質(zhì)卻仍留在發(fā)酵液中，由此可以達(dá)到把發(fā)酵液中的谷氨酸銨與其他非電解質(zhì)組分分離而提純的目的［12］。實(shí)驗(yàn)中所用離子交換膜均為均相膜，JAM-15、JCM-15分別表示交聯(lián)度為15%的陰離子交換膜和陽(yáng)離子交換膜，陰陽(yáng)膜交替共由四對(duì)組成，單張膜的面積為22cm×6.8cm。

圖1 電滲析法提取谷氨酸銨的膜堆結(jié)構(gòu)（aem：陰離子交換膜；cem：陽(yáng)離子交換膜）

1.2.2 谷氨酸的測(cè)定 谷氨酸采用離子色譜法測(cè)定，離子色譜儀為瑞士萬(wàn)通公司生產(chǎn)的761型離子色譜儀。所用色譜柱的測(cè)試條件為：MetrosepC4-150陽(yáng)離子色譜柱，柱長(zhǎng)150mm。測(cè)定條件為：洗脫液為1mmol/L吡啶二羧酸及4mmol/L酒石酸，流速為0.9mL/min，最大壓力為15MPa，進(jìn)樣體積20μL。谷氨酸回收率R按下式計(jì)算：

式中：W1表示實(shí)驗(yàn)結(jié)束后濃室內(nèi)谷氨酸的質(zhì)量，g；W2表示實(shí)驗(yàn)開始時(shí)濃室內(nèi)谷氨酸的質(zhì)量，g；W3表示實(shí)驗(yàn)開始時(shí)料室內(nèi)谷氨酸的質(zhì)量，g。

1.2.3 實(shí)驗(yàn)操作 準(zhǔn)確稱取100.00g L-谷氨酸溶入1000mL的純凈水中，并用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的氨水調(diào)節(jié)pH在6～7之間，即為配制好的模擬谷氨酸銨溶液，用作電滲析的進(jìn)料液；稱取3.68g L-谷氨酸溶入500mL純凈水中，即為0.05mol/L的谷氨酸溶液，用作濃室的循環(huán)溶液；稱取30.00g硫酸鈉充分溶入1000mL水中，用作電滲析極室的循環(huán)溶液。其中，極室、料室和濃室的溶液循環(huán)流速根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求來(lái)定。電滲析提取谷氨酸銨實(shí)驗(yàn)在恒電壓條件下操作，其能耗計(jì)算如下：

式中：EC-能耗，kWh·kg-1；U-操作電壓，V；I-電流，A；t-操作時(shí)間，min；M-鹽的摩爾質(zhì)量，g· mol-1；n1-料室初始摩爾濃度，mol；n2-料室t時(shí)刻摩爾濃度，mol。

在電滲析運(yùn)行過(guò)程中，每20min對(duì)濃室、料室溶液進(jìn)行取樣分析，并記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程中電壓、各溶液的體積、pH以及電導(dǎo)率的變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 電流密度 電流密度的大小直接關(guān)系到離子遷移推動(dòng)力的大小。電流密度較小，工作電壓較低，離子的遷移推動(dòng)力較小，不能充分發(fā)揮電滲析器的效能；但當(dāng)電流密度增加到某一數(shù)值時(shí)，由于發(fā)生極化現(xiàn)象而可能導(dǎo)致膜的面電阻增加，部分電能消耗在水的電離及其他離子的遷移上，所以選擇合適的電流密度對(duì)電滲析過(guò)程非常重要。實(shí)驗(yàn)選擇了三個(gè)不同電流密度，結(jié)果如表1所示。

不同的電流密度對(duì)谷氨酸收率及料室濃度的影響見表1。當(dāng)電流密度由10mA/cm2上升到20mA/ cm2時(shí)，谷氨酸銨回收率由74%上升到94%，料室中剩余的谷氨酸濃度由3.4g/L降低到1.0g/L。結(jié)果表明，增加電流密度，操作時(shí)間相對(duì)縮短，仍可提高谷氨酸銨的回收率，且濃室回收谷氨酸的濃度有所升高，有利于提高電滲析器的效能。但當(dāng)電流密度由20mA/cm2上升到30mA/cm2時(shí)，谷氨酸回收率僅為61%，且其單位能耗也明顯增加，這可能是由于高電流密度下體系發(fā)生極化現(xiàn)象所致。表1結(jié)果表明，當(dāng)電流密度為20mA/cm2時(shí)，谷氨酸銨的回收率最高，因此在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中都選擇電流密度為20mA/cm2。

2.1.2 料液與濃縮液的體積比 料液與濃液的體積比可影響谷氨酸銨的回收率和濃室中的谷氨酸濃度等。實(shí)驗(yàn)選擇了三個(gè)不同的體積比進(jìn)行比較，料液與濃液的體積比分別采用1∶1、2∶1、3∶1，考察不同體積比對(duì)濃室和料室中谷氨酸銨濃度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 體積比對(duì)濃室中谷氨酸銨濃度的影響

由圖2和圖3可見，增大體積比，谷氨酸的回收濃度有所提高。當(dāng)體積比為1∶1時(shí)，谷氨酸最終回收的濃度60g/L左右，回收率74%。當(dāng)料室與濃室的體積比為2∶1、3∶1時(shí)，其能耗分別為0.46、0.61kWh/kg，谷氨酸回收濃度分別迅速升高至115、110g/L，但谷氨酸的回收率分別為89%和76%。在體積比1∶1、2∶1時(shí)，料室內(nèi)剩余谷氨酸濃度均在1g/L左右，但體積比3∶1時(shí)料室剩余谷氨酸濃度較高。

由此可見，料液與濃液體積比2∶1和3∶1時(shí)，濃室回收的谷氨酸濃度較高，但當(dāng)體積比3∶1時(shí)的能耗較高，體積比是1∶1時(shí)谷氨酸銨回收濃度較低，不利于谷氨酸提取及后續(xù)工序的進(jìn)行。

2.1.3 溶液循環(huán)流速 電滲析操作過(guò)程中，當(dāng)溶液循環(huán)線速度較大時(shí)，會(huì)對(duì)膜的沖擊力較大，可能會(huì)引起膜堆滲漏和能耗增加；當(dāng)線速度較低時(shí)，則會(huì)降低液流的紊流程度，導(dǎo)致擴(kuò)散滯留層加厚，不利于離子的跨膜遷移。實(shí)驗(yàn)采用溶液的循環(huán)流量分別為12、17L/h，考察不同流速對(duì)濃縮液中谷氨酸濃度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 流速對(duì)濃縮液中谷氨酸濃度的影響

兩種不同的線速度條件下最終濃室谷氨酸的濃度基本相當(dāng)。在實(shí)驗(yàn)初始階段，線速度為17L/h時(shí)濃室谷氨酸濃度的增加較快，線速度為12L/h時(shí)谷氨酸濃度增加相對(duì)較慢。這可能是由于溶液線速度增大，使單位時(shí)間內(nèi)的循環(huán)流量增加和湍流程度加大，促進(jìn)了氨基酸及無(wú)機(jī)離子的遷移，使得實(shí)驗(yàn)開始時(shí)濃室谷氨酸濃度迅速升高。

綜合單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選用優(yōu)化操作條件：電流密度為20mA/cm2、流量12L/h、濃室與料室的體積比2∶1，連續(xù)操作140min。結(jié)果顯示，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后電滲析整體效果如濃室回收谷氨酸濃度、料室殘余濃度、回收率和能耗等有了明顯的改善。其中濃室谷氨酸濃度達(dá)到104g/L，料室谷氨酸剩余濃度為0.1g/L，回收率高達(dá)99.93%，能耗為0.43kWh/kg。

2.2 采用優(yōu)化的條件從谷氨酸發(fā)酵液分離提取谷氨酸銨實(shí)驗(yàn)

采用優(yōu)化操作條件，進(jìn)行真實(shí)谷氨酸發(fā)酵液的電滲析分離谷氨酸銨。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 谷氨酸發(fā)酵液電滲析分離谷氨酸銨實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到370min時(shí)，由于料室出現(xiàn)嚴(yán)重結(jié)晶現(xiàn)象，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行。這是由于谷氨酸發(fā)酵液pH一般低于7，在進(jìn)行谷氨酸銨分離過(guò)程中，一方面由于氨基酸根離子較銨根離子遷移較慢，這種不對(duì)等的遷移會(huì)導(dǎo)致料室內(nèi)pH不斷下降；另一方面，由于谷氨酸等電點(diǎn)為3.22，隨著料室內(nèi)的pH逐漸降低，當(dāng)下降到4.5～3.2之間時(shí)就會(huì)出現(xiàn)結(jié)晶，致使電滲析過(guò)程無(wú)法進(jìn)行。為了避免由于pH下降所導(dǎo)致的沉淀現(xiàn)象，通過(guò)向料室內(nèi)補(bǔ)加氨水，使得pH在6～7范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 補(bǔ)加氨水實(shí)驗(yàn)

通過(guò)補(bǔ)加氨水調(diào)節(jié)pH時(shí)，濃室內(nèi)的谷氨酸濃度可達(dá)到120g/L，回收率由46.47%升高到78.8%，但此時(shí)料液中的谷氨酸仍剩余較多，有35g/L未能分離。從真實(shí)谷氨酸發(fā)酵液中提取谷氨酸銨的收率未能達(dá)到如模擬料中的高回收率，有很多因素導(dǎo)致，一方面是由于發(fā)酵液中含有的殘?zhí)?、膠體物質(zhì)等各種雜質(zhì)，可能會(huì)將一部分谷氨酸包裹其中；另一方面，發(fā)酵液中的其他氨基酸如丙氨酸等與谷氨酸存在競(jìng)爭(zhēng)性遷移所致。另外，當(dāng)料液中的谷氨酸銨脫除到一定程度時(shí)，如果繼續(xù)在較高的恒電流密度下操作會(huì)導(dǎo)致極化現(xiàn)象發(fā)生，因此會(huì)影響到谷氨酸的進(jìn)一步遷移分離和降低電流效率。

3 結(jié)論

單因素實(shí)驗(yàn)顯示，當(dāng)選擇電流密度20mA/cm2、料液與濃液體積比2∶1、循環(huán)流量12L/h時(shí)，電滲析分離谷氨酸的效果最佳。采用優(yōu)化條件實(shí)驗(yàn)，如濃室回收谷氨酸濃度、料室殘余濃度、回收率和能耗等都有顯著改善，其中濃縮谷氨酸濃度達(dá)到104g/L，料室谷氨酸剩余濃度為0.1g/L，回收率高達(dá)99.93%，能耗也有明顯的降低。

采用經(jīng)單因素優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件，用于從谷氨酸發(fā)酵液中電滲析濃縮分離谷氨酸銨，當(dāng)料液pH4.7左右時(shí)會(huì)出現(xiàn)結(jié)晶現(xiàn)象，此時(shí)料室谷氨酸濃度為70g/L，濃室濃度92g/L。由于谷氨酸根與銨根離子在溶液中的遷移速度及其跨膜遷移的難易程度不同，這種離子遷移的不對(duì)等性會(huì)造成料液中銨根離子減少和谷氨酸增多，使料液pH下降而導(dǎo)致谷氨酸等出現(xiàn)結(jié)晶現(xiàn)象。通過(guò)添加氨水調(diào)節(jié)料室pH，濃室內(nèi)谷氨酸濃度可達(dá)到120g/L，回收率為78.8%。

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Study on the separation of monoammonium L-glutamate from glutamic acid broth using electrodialysis

AI She-fang1，SHI Shao-yuan2，WANG Jin-mei1，ZHANG Sheng-qin1，LI Chun1，3，CONG Wei2，*
（1.Chemistry and Chemical Engineering，Shihezi University，Shihezi 832003，China；2.State Key Lab of Biochemical Engineering，Institute of Process Engineering，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100080，China；3.School of Life Science and Technology，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）

The feasibility of monoammonium L-glutamate separation directly from the glutamic acid broth using electrodialysis was investigated.The electrodialysis experiments have been performed with the simulated glumatic broth by the way of single factor test to optimize the operation conditions including current density，volume ratio of feed solution and concentrated solution and flow rate.Under the optimized conditions the monoammonium L-glutamate was separated directly from the glutamic acid broth and the crystallization phenomenon occurred at pH4.70 in the feed solution.The separation performance of electrodialysis was obviously improved by adding ammonia to adjust the pH of feed solution，the concentration of glutamate in the concentrated solution could attain to 120g/L and the recovery of monoammonium L-glutamate was 78.8%.

electrodialysis；monoammonium L-glutamate；glutamic acid broth；ammonia

TS201.1

B

1002-0306（2011）01-0195-04

2010-01-18 *通訊聯(lián)系人

艾社芳（1984-），女，碩士研究生，研究方向：生物化工。

863重點(diǎn)項(xiàng)目（2006AA020301）；973項(xiàng)目子課題（2007CB714306）資助。