電滲析法從谷氨酸發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.石河子大學化學化工學院/新疆兵團化工綠色過程重點實驗室，新疆石河子832003；2.中國科學院過程工程研究所，生化工程國家重點實驗室，北京100080；3.北京理工大學生命學院，北京100081）

電滲析法從谷氨酸發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.石河子大學化學化工學院/新疆兵團化工綠色過程重點實驗室，新疆石河子832003；2.中國科學院過程工程研究所，生化工程國家重點實驗室，北京100080；3.北京理工大學生命學院，北京100081）

探討了利用電滲析法從谷氨酸發酵液中直接分離提取谷氨酸銨。通過模擬谷氨酸發酵液對提取工藝進行了單因素優化實驗，獲得了如電流密度、料液與濃縮液體積比、循環流量等優化操作條件。采用優化條件對真實谷氨酸發酵液進行電滲析分離提取谷氨酸銨，當料室pH4.7左右可觀察到結晶現象。通過補加氨水調節料室pH，可明顯改善電滲析的整體效果，其中濃室谷氨酸濃度達到120g/L，回收率為78.8%。

電滲析，谷氨酸銨，谷氨酸發酵液，氨水

電滲析［1］是在直流電場的作用下，離子透過選擇性離子交換膜而發生遷移，使帶電離子從水溶液和其他不帶電組分中分離出來的一種電膜分離過程，已在各種天然水淡化［2］、海水濃縮制鹽、廢水處理［3］等行業中得到廣泛應用。由于電滲析技術具有操作簡便、不污染環境，可不添加酸堿等化學試劑［4］，有望大幅度降低發酵產品生產過程的酸堿消耗，可實現清潔生產等優點，將電滲析技術用于發酵液處理和發酵產品回收中尤其受到關注。如電滲析技術在氨基酸和蛋白質生產中的應用，主要用于氨基酸脫鹽以及分離氨基酸和糖類物質［5-6］。王輝等［7］利用電滲析進行了氨基酸的分離，避免了雜質離子的引入，提高了氨基酸的純度。目前味精生產廠家普遍采用發酵法生產谷氨酸，然后采用一次低溫等電點法提取工藝來分離谷氨酸。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產生大量的高鹽有機廢水［8-9］。廣州奧桑味精食品有限公司［10］對谷氨酸發酵液進行了新工藝的研究，運用膜分離技術將谷氨酸發酵液的菌體與超濾清液分離、多效蒸發濃縮、連續等點結晶、晶體轉型等工序相結合，雖然得到高濃度飼料蛋白，但是仍存在投資成本大、循環周期長、用水量大等問題。采用電滲析法將發酵液中的谷氨酸鹽進行濃縮分離，除去部分雜質［11］，可簡化后續精制提純等工藝，避免水洗過程大量用水的問題。文中利用模擬谷氨酸發酵液，對提取工藝進行了單因素優化實驗，根據實驗所得優化條件用于對真實谷氨酸發酵液進行電滲析分離提取谷氨酸銨，并通過補加氨水調節料室內pH來改善分離提取效果。

表1 不同電流密度的電滲析實驗結果

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

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

電滲析器 北京三元八達科技股份有限公司提供；電導儀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DELTA-320梅特勒托利多（上海）儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 電滲析法提取谷氨酸銨的實驗原理 谷氨酸是兩性電解質，如在pH大于3.22時，谷氨酸大多以陰離子狀態存在，在直流電場作用下，透過陰膜而被陽膜阻留在濃縮室中，銨根離子帶正電荷，透過陽膜而被陰膜阻留在濃縮室中，但殘糖、蛋白質等非電解質卻仍留在發酵液中，由此可以達到把發酵液中的谷氨酸銨與其他非電解質組分分離而提純的目的［12］。實驗中所用離子交換膜均為均相膜，JAM-15、JCM-15分別表示交聯度為15%的陰離子交換膜和陽離子交換膜，陰陽膜交替共由四對組成，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構（aem：陰離子交換膜；cem：陽離子交換膜）

1.2.2 谷氨酸的測定 谷氨酸采用離子色譜法測定，離子色譜儀為瑞士萬通公司生產的761型離子色譜儀。所用色譜柱的測試條件為：MetrosepC4-150陽離子色譜柱，柱長150mm。測定條件為：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，進樣體積20μL。谷氨酸回收率R按下式計算：

式中：W1表示實驗結束后濃室內谷氨酸的質量，g；W2表示實驗開始時濃室內谷氨酸的質量，g；W3表示實驗開始時料室內谷氨酸的質量，g。

1.2.3 實驗操作 準確稱取100.00g L-谷氨酸溶入1000mL的純凈水中，并用質量分數為25%的氨水調節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溶液。其中，極室、料室和濃室的溶液循環流速根據實驗要求來定。電滲析提取谷氨酸銨實驗在恒電壓條件下操作，其能耗計算如下：

式中：EC-能耗，kWh·kg-1；U-操作電壓，V；I-電流，A；t-操作時間，min；M-鹽的摩爾質量，g· mol-1；n1-料室初始摩爾濃度，mol；n2-料室t時刻摩爾濃度，mol。

在電滲析運行過程中，每20min對濃室、料室溶液進行取樣分析，并記錄實驗過程中電壓、各溶液的體積、pH以及電導率的變化。

2 結果與討論

2.1 單因素實驗

2.1.1 電流密度 電流密度的大小直接關系到離子遷移推動力的大小。電流密度較小，工作電壓較低，離子的遷移推動力較小，不能充分發揮電滲析器的效能；但當電流密度增加到某一數值時，由于發生極化現象而可能導致膜的面電阻增加，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電滲析過程非常重要。實驗選擇了三個不同電流密度，結果如表1所示。

不同的電流密度對谷氨酸收率及料室濃度的影響見表1。當電流密度由10mA/cm2上升到20mA/ cm2時，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。結果表明，增加電流密度，操作時間相對縮短，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。但當電流密度由20mA/cm2上升到30mA/cm2時，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生極化現象所致。表1結果表明，當電流密度為20mA/cm2時，谷氨酸銨的回收率最高，因此在后續實驗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。實驗選擇了三個不同的體積比進行比較，料液與濃液的體積比分別采用1∶1、2∶1、3∶1，考察不同體積比對濃室和料室中谷氨酸銨濃度的影響，實驗結果如圖2和圖3所示。

圖2 體積比對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。當體積比為1∶1時，谷氨酸最終回收的濃度60g/L左右，回收率74%。當料室與濃室的體積比為2∶1、3∶1時，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，料室內剩余谷氨酸濃度均在1g/L左右，但體積比3∶1時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，濃室回收的谷氨酸濃度較高，但當體積比3∶1時的能耗較高，體積比是1∶1時谷氨酸銨回收濃度較低，不利于谷氨酸提取及后續工序的進行。

2.1.3 溶液循環流速 電滲析操作過程中，當溶液循環線速度較大時，會對膜的沖擊力較大，可能會引起膜堆滲漏和能耗增加；當線速度較低時，則會降低液流的紊流程度，導致擴散滯留層加厚，不利于離子的跨膜遷移。實驗采用溶液的循環流量分別為12、17L/h，考察不同流速對濃縮液中谷氨酸濃度的影響，實驗結果如圖4所示。

圖4 流速對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。在實驗初始階段，線速度為17L/h時濃室谷氨酸濃度的增加較快，線速度為12L/h時谷氨酸濃度增加相對較慢。這可能是由于溶液線速度增大，使單位時間內的循環流量增加和湍流程度加大，促進了氨基酸及無機離子的遷移，使得實驗開始時濃室谷氨酸濃度迅速升高。

綜合單因素實驗結果，選用優化操作條件：電流密度為20mA/cm2、流量12L/h、濃室與料室的體積比2∶1，連續操作140min。結果顯示，經過優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到104g/L，料室谷氨酸剩余濃度為0.1g/L，回收率高達99.93%，能耗為0.43kWh/kg。

2.2 采用優化的條件從谷氨酸發酵液分離提取谷氨酸銨實驗

采用優化操作條件，進行真實谷氨酸發酵液的電滲析分離谷氨酸銨。實驗結果如表2所示。

表2 谷氨酸發酵液電滲析分離谷氨酸銨實驗結果

實驗過程中發現，當實驗進行到370min時，由于料室出現嚴重結晶現象，導致實驗無法繼續進行。這是由于谷氨酸發酵液pH一般低于7，在進行谷氨酸銨分離過程中，一方面由于氨基酸根離子較銨根離子遷移較慢，這種不對等的遷移會導致料室內pH不斷下降；另一方面，由于谷氨酸等電點為3.22，隨著料室內的pH逐漸降低，當下降到4.5～3.2之間時就會出現結晶，致使電滲析過程無法進行。為了避免由于pH下降所導致的沉淀現象，通過向料室內補加氨水，使得pH在6～7范圍內，實驗結果如表3所示。

表3 補加氨水實驗

通過補加氨水調節pH時，濃室內的谷氨酸濃度可達到120g/L，回收率由46.47%升高到78.8%，但此時料液中的谷氨酸仍剩余較多，有35g/L未能分離。從真實谷氨酸發酵液中提取谷氨酸銨的收率未能達到如模擬料中的高回收率，有很多因素導致，一方面是由于發酵液中含有的殘糖、膠體物質等各種雜質，可能會將一部分谷氨酸包裹其中；另一方面，發酵液中的其他氨基酸如丙氨酸等與谷氨酸存在競爭性遷移所致。另外，當料液中的谷氨酸銨脫除到一定程度時，如果繼續在較高的恒電流密度下操作會導致極化現象發生，因此會影響到谷氨酸的進一步遷移分離和降低電流效率。

3 結論

單因素實驗顯示，當選擇電流密度20mA/cm2、料液與濃液體積比2∶1、循環流量12L/h時，電滲析分離谷氨酸的效果最佳。采用優化條件實驗，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到104g/L，料室谷氨酸剩余濃度為0.1g/L，回收率高達99.93%，能耗也有明顯的降低。

采用經單因素優化的實驗條件，用于從谷氨酸發酵液中電滲析濃縮分離谷氨酸銨，當料液pH4.7左右時會出現結晶現象，此時料室谷氨酸濃度為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等性會造成料液中銨根離子減少和谷氨酸增多，使料液pH下降而導致谷氨酸等出現結晶現象。通過添加氨水調節料室pH，濃室內谷氨酸濃度可達到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 *通訊聯系人

艾社芳（1984-），女，碩士研究生，研究方向：生物化工。

863重點項目（2006AA020301）；973項目子課題（2007CB714306）資助。