L-天冬氨酸的生產與應用進展

（天津渤化中河化工有限公司，天津300300）

L-天門冬氨酸在醫藥，食品和化工等方面有著廣泛的用途。在醫藥方面，可以用于治療心臟病、肝臟病、高血壓癥，具有防止和恢復疲勞的作用，和多種氨基酸一起，制成氨基酸輸液，用作氨解毒劑、肝功能促進劑和疲勞恢復劑[1，2]。在食品工業方面，是一種良好的營養增補劑，添加于各種清涼飲料，也是甜味素（阿斯巴甜）-天冬酰苯丙氨酸甲酯的主要原料。在化工方面，可以作為制造合成樹脂的原料，亦可作為化妝品的營養性添加劑等[3，4]。目前，L-天門冬氨酸作為最主要的氨基酸之一，國內生產規模已經達到20000t/a[5]。

1 L-天冬氨酸的技術現狀

生產L-天冬氨酸的現有工藝是以順丁烯二酸為原料，在無機催化劑作用下，在強酸性條件（pH=1左右）轉化成富馬酸；分離純化后的富馬酸在天冬氨酸酶和過量氨的作用下轉化生成天冬氨酸，反應液用硫酸中和過量的氨后，分離純化得到產品天冬氨酸[6，7]。目前主要的技術方法工藝流程可以如圖1所示。

圖1 L-天冬氨酸工藝流程框圖

目前，國內的企業基本上均采用上述流程，其流程簡單，設備投資小，同時不容易染菌，主要步驟為化學處理，操作簡單，容易控制。但是，順丁烯二酸的異構化需要在強酸性條件下進行，對設備的腐蝕性大；工藝中還使用大量的硫酸，并有大量的副產物外排，造成環境污染。

2 L-天冬氨酸的技術進展

由于現存工藝會對環境產生污染，且存在著產品收率相對較低，產品附加值低的缺點，研究者進行了許多技術研究，主要著眼于現有工藝改造，設備研究，新工藝技術等方面，促進了L-天冬氨酸的技術進步。

2.1 現有工藝清潔化

目前已有一些專利報道采用將富馬酸加入到酶轉化液中提取L-天冬氨酸的方法，晶體分離后的母液補加富馬酸和氨水后，可以繼續作為底物進行下一次的酶反應，該方法得到的晶體純度高，相比單獨利用硫酸提取L-天冬氨酸工藝，該方案大幅度地減少了硫酸的用量、銨鹽的生成量及廢水的排放量，很好地解決了現有提取工藝存在的問題，但由于富馬酸的酸度低，循環量非常大，導致收率大幅度的降低，技術得不到大范圍的推廣[8～11]。有研究者[12]提出了利用富馬酸發酵廢液培養L-天冬氨酸轉化菌的策略，該策略不僅為實現富馬酸發酵廢液的循環利用，同時也為探索更加經濟有效的L-天冬氨酸的生產工藝提供了理論基礎。

2.2 反應設備研究進展

現有L-天冬氨酸的發酵設備主要采用連續攪拌釜式反應器或液升式流化床的反應器，它可以較好地排出反應熱，但是固定化細胞磨損嚴重，且易破裂，縮短了固定化細胞的酶活半衰。研究人員對反應結晶等問題進行了理論研究，為反應器的設計提供了理論基礎[13]。目前，包括自組裝膜等表面修飾技術，因其穩定和有序結構獲得了廣泛的關注，在調控有機晶體和生物礦化無機晶體的生長研究方面取得了許多有意義的成果[14]，將諸如此類技術與特定反應器結合，可以大幅度提高產品品質。有研究人員提出采用接近活塞式流動特性的固定床列管反應器，不但能夠較好地排除反應放熱、減少催化劑磨損，同時還可以獲得較高的反應轉化率，更適于固定化大腸桿菌生產L-天冬氨酸的過程[15,16]。而隨著近年來膜技術的發展而產生的膜生物反應器，可以利用膜將游離細胞阻擋于反應器內，同樣達到固定化目的而又不損傷細胞(酶)的目的[17]。

2.3 L-天冬氨酸生產的新技術

1973年日本用聚丙烯酰胺凝膠為載體，將具有高活力天門冬氨酸酶的大腸桿菌菌體包埋固定化天門冬氨酸酶，用于工業化生產，將延胡索酸轉化生產天門冬氨酸。1978年以后，改用角叉菜膠為載體制備固定化酶，也可將門冬氨酸酶從大腸桿菌細胞中提取分離出來，再用離子鍵結合法制成固定化酶，用于工業化生產[18-20]。國內也有使用聚乙烯醇包埋等諸多方式生產具有高活力大腸桿菌的報道，它可以固定細胞活性，達到能夠循環使用的目的[21-23]。游離整體細胞法(FWC)由于其簡潔的工藝流程、較少的設備投資引起了研究和生產者的關注。進一步研究發現，游離整體細胞法在生產過程中有著較高的生產效率和生產能力，L-天冬氨酸的生產成本得以進一步降低，產品的質量又有了新的提高[24,25]。有研究者也從培養基的角度闡述用較為便宜的氮源水解棉籽蛋白替代蛋白胨和碳源葡萄糖部分替代富馬酸的研究，思路比較新穎[26]。

3 技術發展建議

經過生產人員與研究人員的努力，國內L-天冬氨酸生產及研究得到了很大的提高，生產規模在國際上處于領先水平，但也存在著產品質量低，穩定性差的缺點，以及生產裝置自動化不高的問題，需要在如下幾個方面進行提高：1.目前以富馬酸為原料生產工藝技術還是主流技術，有必要在富馬酸的原料精制方面加強研究及進行過程控制，保證原料的品質是生產出穩定、高品質L-天冬氨酸的最重要的保證。2.有必要加強生產系統優化控制的研究，提高生產裝置的穩定性。3.主流技術排出大量的含硫酸銨的廢水無法治理，需要借鑒其他生產工藝氨氮廢水處理成熟經驗，真正形成L-天冬氨酸的清潔工藝。

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