发酵科技通讯
第38卷
氨基酸发酵工业中的提取、精制技术
赵伟刚高年发李丽
（天津市工业微生物重点实验室天津科技大学生物工程学院
天津300457）
摘要：本文利用氨基酸与微生物菌体、培养基成分以及副产物之间的物理、化学性质的差异，以提
取单元操作如膜分离、离子交换树脂和结晶技术的实例，进行基础理论方面的综述，同时对提取、精制技术的新进展的实例进行介绍和概述。
关键词：氨基酸提取精制膜离子交换结晶
生物技术生产的有用物质的提取、精制技术在美国称为生物分离（bioseparation ），已发展成化学工程学的一个领域。相对于采用微生物在发酵液中积累目的产物的发酵过程即上游过程（up -
酸、蛋白质）以及由这些成分反应生成的色素。微生物代谢生成的副产物有氨基酸、核酸、肽、蛋白质、有机酸等。利用这些不纯物与目的氨基酸在物理、化学性质的差异进行提取精制。例如作为不溶性不纯物的代表———菌体，采用重力或压力等力学的力量进行离心或过滤将其分离。另外，在发酵液中对可溶解的不纯物的分离时，是利用目的氨基酸和不纯物的分子大小、溶解度、固液或气液之间的平衡状态的差异，最后采用组合提取、精制的单元操作，精制成最终的产品。
下边以提取、精制的三个代表性的基本操作为例子，即膜、离子交换、结晶的基本原理进行概括论述之后，对它们的最近的观察发现进行介绍。
stream processing ）来说，将发酵液中目的产物制
成产品的过程，通常称为下游过程（downstream processing ）。在氨基酸发酵工业中的提取、精制技
术，不仅涉及微生物的育种、发酵过程技术等核心技术，还和它们之间联系的重要基础技术有关，同时也是组合有效利用副产物作为肥料、饲料技术，谋求和环境协调等的综合性工程学。尽管提取、精制技术是组合了现有的化学、生物学、工程学、环境工程学等知识为智能网络技术，但是现在尚未有一个统一技术体系的定义。
本文对氨基酸发酵工业中所用的提取、精制过程的关键技术作论述并就近几年研究新发现，以及对今后的发展趋势进行论述。
2采用膜技术的提取、精制
用于氨基酸的提取、精制的主要膜分离技术为
微滤、超滤、反渗透和电渗析法。除电渗析法外，所有膜分离法的驱动力为压力梯度。微滤膜和超滤膜的分离原理是筛孔机械装置，由于膜的细孔小，溶质和溶剂透过，而大的悬浮物、高分子物质不能透过而被浓缩。
[1]
1氨基酸发酵液的成分以及提取、精制方法
从发酵液中提取、精制的氨基酸应达到标准的纯度，纯度要求较低的饲料用的氨基酸为
用微滤膜过滤菌体要需用性能高的膜。
98.5％；而医药用的氨基酸达99．8％以上，实质达到100％。相对于纯氨基酸来说，氨基酸的发酵液
中除含有目的氨基酸以外，还含有微生物菌体、培养基成分以及微生物代谢副产物等多种不纯物。以来源于培养基成分的不纯物为例，就有多种无机盐类、微生物没利用的残糖、氮源（氨离子、氨基—16—
膜的性能指标是决定透过通量的因子系数。透过的驱动力包括压力和透过膜时的透过阻力。透过阻力可细分为膜的阻力（Rm ）和膜表面的污染阻力（Rc ）。膜阻力是指透过纯水时的透过阻力即膜自身的阻力。一般来说氨基酸发酵液的膜阻力很小，污染阻力较大，膜阻力可以忽略不计。因此为确保高
第38卷第2期2009年4月
发酵科技通讯
图2表示采用水溶性高分子聚乙烯亚胺（PEI ）时，氨基酸发酵液进行错流微滤时的透过速度。图3表示加热处理对氨基酸发酵液的微滤透过速度的影响效果。从这些图中可以看出通过添加PEI 和加热处理可使微滤透过速度大幅度地提高。
透过通量，降低污染阻力是关键。造成污染阻力的主要原因之一是菌体粘结所造成的阻力，进而有必要论述有关降低或减少污染阻力的方法。为了降低菌体粘结的阻力，大致有两个方法即防止菌体饼的附着和降低附着了的菌体饼的每单位量的透过阻力。作为防止菌体饼附着的对策有：（1）选择难发生菌体饼附着的膜材料和孔径；（2）膜的运转方法的革新来防止菌体饼附着；（3）附着菌体饼的清洗。为了降低每单位量的附着菌体饼的透过阻力，提取、精制过程中对发酵液进行特殊的前处理是必要的。
2．1新的膜分离技术
如上所述，菌体的粘结阻力是支配膜分离菌体的生产性能的主要因子。若除去膜设备和运转方法外，提取、精制过程的控制是为数不多的要因中的一个。菌体饼阻力实质主要是菌体孔隙间透过过滤液时的阻力。假定形成的菌体饼为球形的粒子，饼阻力与粒子粒径相关。若粒径大，流路也大，则饼阻力就会减小。发酵液的菌体饼形成菌体的凝聚体，观察到菌体饼形成的粒子的粒径要比一个菌体的粒径大。因此，为了降低发酵液的粘结阻力，则使菌体凝聚为较大的表观粒径的凝集体为好，在此介绍两个使菌体粒子的粒径变大的方法。
图1为通过菌体粒子的凝聚使其表观粒径增大方法的概念图。一般来说，菌体表面具有离子解离而有亲水性的性质，这样原封不动地几乎没有疏水性相互作用在上面；由于电荷的排斥作用而不形成凝聚体，因此高分子凝聚法是将具有阴离子性的菌体表面添加水溶性的阳离子聚合物，中和负电荷，促进菌体凝聚成外观粒径增大的菌体被凝聚是可能的。另外的方法是加热凝聚法，将菌体进行高温处理，菌体表面的细胞膜结构被破坏，菌体表面形成了疏水化而形成凝聚体。
图3加热处理对氨基酸发酵液的微滤透过速度
的影响
图2PEI 对氨基酸发酵液的微滤透过速度的
影响效果
3采用离子交换技术的提取、精制
离子交换树脂是具有三维交联的网状结构，
[2]
它的高分子骨架结合着离子交换基团的物质。
在氨基酸提取、精制中，作为全pH 范围内具有交换解离离子能力并具有物理、化学强度的强酸性离子交换树脂被广泛使用。离子交换树脂是根据高分子骨架的交联密度进行分类的。交联密度高的树脂耐磨性提高
，每单位体积交换基团的密度也会变大。一方面伴随树脂网孔变细，
氨基酸的树脂内扩散被限制，生产性能降低
。考虑与其相反的情况，即氨基酸的提取、精制中所用的强酸性离子交换树脂采用6~10％左右范围的交联度的树脂，
图1凝聚体表观粒子增大的概念图
8％为最多。
表1是表示强酸性离子交换树脂和Lys 、无机离子之间对H +的离子交换反应的选择系数。
—17—
发酵科技通讯
表1离子交换树脂选择系数
离子种类
对H +的选择系数g/cm3
第38卷
Lys ++Lys +NH 4+k +
5.00.751.51.9
选择系数K b a 以以下式子定义：
b
K a 其数值越大，表示离子b 比离子a 的树脂吸附的选择性越高。
上式中[]表示平衡状态下的摩尔浓度，Z 分别表示离子的价数，下线一表示树脂相。
[3]
L-Lys 是碱性氨基酸，在强酸性时，以二价型Lys ++时的选择系数高，会有高的分离性；例如K +作为不纯物，假定的Lys 2+和作为不纯物的K +相
比，持有2．5倍左右的选择系数。这将会把Lys 2+容易地从K +中尽可能多的提取、精制出来。另外，
图4氨基酸导入树脂扩散相内的结果流出曲线；（b ）相当于Lvs 2+的吸附情况，表示锐利的流出曲线。
[4]
Lys 2+和Lys +相比，离子交换树脂中被占有2倍的
交换基团，结果平均每单位树脂量的生产能力下降1／2，这样的分离效果和效率的相互影响的情况是很多的。因此，最佳操作条件的确定是非常必要的。
对于前面所述的离子选择系数预
测一价的漏出吸附量大来说，二价的漏出吸附量小，在模拟中再现的结果和实验结果非常一致。用此模型扩展到多塔系统，进行有关正确控制氨基酸的漏出点的研究是很有水平的。
3．1新离子交换分离技术
在离子交换树脂工程中，为了提高树脂的生产性能，吸附塔的接续为复数塔，将1塔的吸附漏出液，用2塔以下的柱使其分离。l 塔吸附氨基酸大体达到交换容量，将这个柱水洗之后，使用溶离、水洗等循环供给的多塔系统。
[4]
4采用结晶技术的提取、精制
析出晶体的操作称为结晶过程。氨基酸的最
终产品是高纯度的粉体，所有的场合为了获得结晶而进行晶析操作。从发酵液中分离氨基酸的最初的粗制阶段，也以结晶操作作为分离手段而被广泛使用。结晶操作作为提取、精制的手段处于很重要的地位。
要分离较大的晶体，需要经过晶核生成和结晶生长两个过程。结晶所得的晶体的大小、粒度分布是通过控制晶核生成和结晶生长来调节的。这时候结晶的主要控制因子是过饱和度。若过饱和度过于高，生产大量的晶核，制品的粒径细，分离性能下降。相反，过饱和度过低时，生产能力将不能提高。工业结晶要设计与它们相反的最优化要素。
结晶是被包围着的结晶生长面，因为各面的
为了此系统标
准化，将切换时间、各步骤使用树脂等的数量、柱的长度、流速等多种参数的标准化是必要的，通过实验界定试验错误。
着眼于氨基酸的离子交换现象是决定离子在树脂相内的扩散。导入树脂相内扩散模型，氨基酸被树脂吸附中断而漏出的点，即很好的预测透过点的精度。为此开发了模型程序，使用此程序单塔系统的实验结果和模型的比较如图4所示。
图中（a ）相当于Lys +的吸附情况，表示平缓的—18—
第38卷第2期2009年4月
发
酵科技通讯
目的时，几乎所有研究是以形成分离性好且大结晶晶析为课题的，在此举出两个使氨基酸结晶变大方法的例子。
图5表示氨基酸结晶颗粒增大概念图。氨基酸结晶从水溶液中被结晶的情况下，由于结晶表面处于比较疏水状态，利用此性质可以使其结晶粒径增大，在添加表面活性剂方法中，添加表面活性剂于养晶、育晶过程中，表面活性剂的疏水部分吸附在成长结晶表面上，形成亲水部分覆盖着的成长面，促进结晶生长。另外，水溶性高分子添加法，疏水性的高分子吸附成长中的微细结晶而形成凝聚体，其结果可以形成外观上颗粒较大的结晶。
[5]
生长速度不同，结晶的外形是由结晶面的成长速度之比来决定的。生长快的面，随着时间（即结晶的进行）而减少或消灭，结晶最终包围生长速度慢的面。当有特定的不纯物存在时，结晶生长不均匀，结晶的外形变化称为结晶习性。此结晶习性在特定的生成面上吸附着不纯物，结果是抑制其生长速度，因为在发酵液中存在无数的这样的不纯物。
[5]
在实验室中确立的结晶条件不适用于从发
酵液中的结晶过程，这是日常的经验。为此不纯物对晶核生成和结晶生长的影响在提取、精制技术开发中是一个中心课题。
4．1新的结晶分离技术
制品结晶析出若不拘于必要的大型结晶，就会有细小结晶析出。但是以发酵液中提取、精制为
表2所示添加多种表面活性剂的结晶过程所
图5氨基酸结晶颗粒增大概念图
从表2可知，不添加表面活性剂是微细的集获得的氨基酸结晶的形状和纯度添加剂
添加剂月桂荃硫酸钠单月桂酸甘油脂肪酸蔗糖酯
丙二醇对照（无添加）
结晶纯度
附着水分
结晶颗粒大小
单结晶数个的集合体(40～80μm) 微细的集合晶体（部分单结晶）（20～80μm ）
同上（20～50μm ）
菱形的单结晶集合晶体（70～140μm ）
微细的集合晶体（10～20μm ）
97.2%87.8%82.6%80.8%70.9%
1.9%8.9%10.8%14.8%21.2%
获得的晶体，而添加表面活性剂由于结晶大型化附着的水分减少而使纯度提高。
图6所示添加水溶性高分子所获得的氨基酸结晶的显微镜照相的结果，添加水溶性高分子凝聚微细的结晶在外观上粒径变大了。
5膜、离子交换树脂、结晶技术在谷氨酸提取中的应用
目前，国内从谷氨酸发酵液提取谷氨酸的方法较多，有等电点法、离子交换法、溶剂萃取法、电
—19—
发
酵科技通
讯
第38卷
COD 可下降20~30%。[7]当然，膜技术也有其缺点，
在膜过滤中，会发现在谷氨酸发酵液中被膜截留的蛋白质和胶体物质在膜表面上形成一胶层，而阻碍溶液通过，同时溶质在膜表面上沉淀，堵塞膜孔，降低了膜的亲水性，这样在应用上就受到了限制，所以有些技术问题尚需解决。另外膜的使用必会带来成本的提高。
离子交换法提取谷氨酸，即利用离子交换树脂从谷氨酸发酵液中单离谷氨酸是选择性吸附。将发酵液中残糖及其聚合物、色素、蛋白质等非离子杂质得以分离，经洗脱浓缩，在等电点条件下获取谷氨酸。
[6]
等电—离交母液中谷氨酸回收的工
艺条件与离子交换法工艺条件基本相同，经母液回收后。二次总收率可达到95％左右，但酸、碱、水消耗量大，基建投资和维护管理费用高，废水处理也得不到彻底解决。成本也随之增大。
常见的浓缩方法有两种即减压浓缩法和冷冻
图6
添加水溶性高分子氨基酸结晶析出的影响效果
浓缩法。这是两个相反的操作过程，减压浓缩是通过加热蒸发的方法，通过降低液面压力使液体沸点降低，减压的真空度愈高，液体沸点降得愈低，蒸发愈快。多数采用双效或多效蒸发，但能耗较大。冷冻浓缩是在低温、常压的条件下进行的，是将水溶液中的一部分以冰的形式析出，并将其从液相中分离出去而使溶液浓缩的方法。具有可在低温下操作，气液界面小，防止微生物增殖、溶质的劣化及挥发性芳香成分的损失可控制在极低的水平等优点。
[8]
[7]
随着硫酸等价格的提高，
渗析法等[6]。以上方法中一般都采用浓缩、冷却、调pH 、离子交换树脂、有机膜的使用等的适当搭配的方法。膜技术一般用于对谷氨酸发酵液的前处理中，如超滤法去菌体。离子交换树脂技术被大多数厂家用于谷氨酸的回收利用上，如等点离交法提取谷氨酸，通过常温等电、一次低温等电、除菌体一次等电等先提取谷氨酸，再利用离子交换树脂回收母液中的谷氨酸以提高谷氨酸的收率。谷氨酸是有规则的化学均一晶体，谷氨酸在
冷冻浓缩谷氨酸时不起泡，所以没
有必要使用消泡剂，而且产品不因受热而着色，所以脱色处理很容易，也不会因pH3．2在较高温度（60~70℃）下浓缩易生成焦谷氨酸或。冷冻浓缩的问题在于冷冻冰结晶时会夹带出少量的谷氨酸，如何回收含谷氨酸的冷冻冰水问题有待进一步解决。
pH3.2时溶解度最小，因此无论选择哪种方法提
取谷氨酸，一般都是通过等电点法将谷氨酸结晶析出。而且为了提高谷氨酸收率，一般都添置了发酵液或其中间处理液的浓缩工序，并且作为浓缩方法。
在谷氨酸的提取中，对谷氨酸发酵液的前处理是至关重要的。在谷氨酸发酵液中以菌体为主的胶体物质是影响谷氨酸提取的主要因素，因此现在国内的大多数厂家对谷氨酸发酵液进行去菌体前处理。通常除菌体的方法有机械离心分离、絮凝法、加热沉淀法。随着科学技术的发展，膜技术逐渐被引入到谷氨酸提取中。通过膜处理的发酵液质量高，对后提取非常有利。以超滤来说，谷氨酸收率比对照的未经超滤者提高15％，母液中—20—
6与提取、精制相关的技术
氨基酸的提取、精制技术还包括制品的品质
管理技术。作为发酵法的特征，氨基酸的制品和同规模产生的副产物的最适比是必要的。例如通过副产物的用途，限制能使酸、碱等副产物的产出关注也是必要的。因为使用NaOH 作碱时，副产物———Na +是植物抑制生长。还有使用硫酸作为酸时，废水的厌气处理会产生硫化氢等。因此预想今
第38卷第2期2009年4月
发酵科技通讯
提高使用的便利性，液体状态的氨基酸市场也存在。另外，随着氨基酸生产全球化的加速，各地域用不同农产物的不同纯度的碳源作为发酵原料已成为普遍性。
随着技术的进步，发酵液的品质和组成，多样化增加，这样作为一个统一的工业，确立提取、精制技术的地位将越来越重要。
参考文献
[1]孙彦．生物分离工程．北京：化学工业出版社，2005．2[2]俞俊棠等．生物工艺学下册．北京：化学工业出版社，2003．6[3]Nagai,H. et al.:Lysine adsorption cation exchange resin1, ion exchange equilibrion and kinetics,Separation Science and Tech -nology,2004.39（16）,3691~3710
[4]永井秀忠．赖氨酸精制中塔数在离子交换树脂多塔体系中的影响，化学工学论文集，2008．34（1）．85~94
后环保安全费用占整个生产成本的比率将越来越大，设计排水处理简单的提取、精制过程越发重要。
在提取、精制过程中，不能缺失工程学的知识。例如医药用的氨基酸的精制，为防止微生物污染和异物混入，设计具备密闭性和分解物易被洗净的设备已成为必要的。使用耐pH 、温度、液态腐蚀性的高价材质设备，设备成本和过程条件的合理经济选择也是必要的。这样的生产设备、制品的安全性、品质、成本和分离性能等运行管理等，多面性的评价后的选择是必要的，这就要求有多种技术的背景。
7小结
提取、精制过程位于发酵过程和发酵制品的
中间，它和环境保护技术以及工程学技术有着密切关系。它决定最终的产品品质的同时，还处于决定包含环境的负荷和设备投资的成本的重要地位。
氨基酸制品的形态随着用途的扩大而不只是单一的结晶形态，同一结晶谋求大小不同的粉体，也有和其它氨基酸混合状态制成饼状，进而为了
[5]Chikamori．T ．et a1．：International Symposium on Industrial CrystallizationPreprints ，2005．9
[6]张克旭．氨基酸发酵工艺学．北京：中国轻工业出版社，1992．4
[7]于信令等．味精工业手册．北京：中国轻工业出版社，1995．3[8]刘凌，薛毅．冷冻浓缩技术的应用与研究简介[J].化学工业与工程，1996，16（3）：151～156．
! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! "
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! "
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"
菌种保藏的原理是什么？
菌种保藏主要是根据微生物生理生化特点，人工地制造环境条件，使微生物代谢处于不活泼，生长繁殖受抑制的休眠状态，即采取低温、干燥、缺氧三个条件，使菌种暂时处于休眠状态。
———《味精生产问答》题126———
! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! "
—21—
发酵科技通讯
第38卷
氨基酸发酵工业中的提取、精制技术
赵伟刚高年发李丽
（天津市工业微生物重点实验室天津科技大学生物工程学院
天津300457）
摘要：本文利用氨基酸与微生物菌体、培养基成分以及副产物之间的物理、化学性质的差异，以提
取单元操作如膜分离、离子交换树脂和结晶技术的实例，进行基础理论方面的综述，同时对提取、精制技术的新进展的实例进行介绍和概述。
关键词：氨基酸提取精制膜离子交换结晶
生物技术生产的有用物质的提取、精制技术在美国称为生物分离（bioseparation ），已发展成化学工程学的一个领域。相对于采用微生物在发酵液中积累目的产物的发酵过程即上游过程（up -
酸、蛋白质）以及由这些成分反应生成的色素。微生物代谢生成的副产物有氨基酸、核酸、肽、蛋白质、有机酸等。利用这些不纯物与目的氨基酸在物理、化学性质的差异进行提取精制。例如作为不溶性不纯物的代表———菌体，采用重力或压力等力学的力量进行离心或过滤将其分离。另外，在发酵液中对可溶解的不纯物的分离时，是利用目的氨基酸和不纯物的分子大小、溶解度、固液或气液之间的平衡状态的差异，最后采用组合提取、精制的单元操作，精制成最终的产品。
下边以提取、精制的三个代表性的基本操作为例子，即膜、离子交换、结晶的基本原理进行概括论述之后，对它们的最近的观察发现进行介绍。
stream processing ）来说，将发酵液中目的产物制
成产品的过程，通常称为下游过程（downstream processing ）。在氨基酸发酵工业中的提取、精制技
术，不仅涉及微生物的育种、发酵过程技术等核心技术，还和它们之间联系的重要基础技术有关，同时也是组合有效利用副产物作为肥料、饲料技术，谋求和环境协调等的综合性工程学。尽管提取、精制技术是组合了现有的化学、生物学、工程学、环境工程学等知识为智能网络技术，但是现在尚未有一个统一技术体系的定义。
本文对氨基酸发酵工业中所用的提取、精制过程的关键技术作论述并就近几年研究新发现，以及对今后的发展趋势进行论述。
2采用膜技术的提取、精制
用于氨基酸的提取、精制的主要膜分离技术为
微滤、超滤、反渗透和电渗析法。除电渗析法外，所有膜分离法的驱动力为压力梯度。微滤膜和超滤膜的分离原理是筛孔机械装置，由于膜的细孔小，溶质和溶剂透过，而大的悬浮物、高分子物质不能透过而被浓缩。
[1]
1氨基酸发酵液的成分以及提取、精制方法
从发酵液中提取、精制的氨基酸应达到标准的纯度，纯度要求较低的饲料用的氨基酸为
用微滤膜过滤菌体要需用性能高的膜。
98.5％；而医药用的氨基酸达99．8％以上，实质达到100％。相对于纯氨基酸来说，氨基酸的发酵液
中除含有目的氨基酸以外，还含有微生物菌体、培养基成分以及微生物代谢副产物等多种不纯物。以来源于培养基成分的不纯物为例，就有多种无机盐类、微生物没利用的残糖、氮源（氨离子、氨基—16—
膜的性能指标是决定透过通量的因子系数。透过的驱动力包括压力和透过膜时的透过阻力。透过阻力可细分为膜的阻力（Rm ）和膜表面的污染阻力（Rc ）。膜阻力是指透过纯水时的透过阻力即膜自身的阻力。一般来说氨基酸发酵液的膜阻力很小，污染阻力较大，膜阻力可以忽略不计。因此为确保高
第38卷第2期2009年4月
发酵科技通讯
图2表示采用水溶性高分子聚乙烯亚胺（PEI ）时，氨基酸发酵液进行错流微滤时的透过速度。图3表示加热处理对氨基酸发酵液的微滤透过速度的影响效果。从这些图中可以看出通过添加PEI 和加热处理可使微滤透过速度大幅度地提高。
透过通量，降低污染阻力是关键。造成污染阻力的主要原因之一是菌体粘结所造成的阻力，进而有必要论述有关降低或减少污染阻力的方法。为了降低菌体粘结的阻力，大致有两个方法即防止菌体饼的附着和降低附着了的菌体饼的每单位量的透过阻力。作为防止菌体饼附着的对策有：（1）选择难发生菌体饼附着的膜材料和孔径；（2）膜的运转方法的革新来防止菌体饼附着；（3）附着菌体饼的清洗。为了降低每单位量的附着菌体饼的透过阻力，提取、精制过程中对发酵液进行特殊的前处理是必要的。
2．1新的膜分离技术
如上所述，菌体的粘结阻力是支配膜分离菌体的生产性能的主要因子。若除去膜设备和运转方法外，提取、精制过程的控制是为数不多的要因中的一个。菌体饼阻力实质主要是菌体孔隙间透过过滤液时的阻力。假定形成的菌体饼为球形的粒子，饼阻力与粒子粒径相关。若粒径大，流路也大，则饼阻力就会减小。发酵液的菌体饼形成菌体的凝聚体，观察到菌体饼形成的粒子的粒径要比一个菌体的粒径大。因此，为了降低发酵液的粘结阻力，则使菌体凝聚为较大的表观粒径的凝集体为好，在此介绍两个使菌体粒子的粒径变大的方法。
图1为通过菌体粒子的凝聚使其表观粒径增大方法的概念图。一般来说，菌体表面具有离子解离而有亲水性的性质，这样原封不动地几乎没有疏水性相互作用在上面；由于电荷的排斥作用而不形成凝聚体，因此高分子凝聚法是将具有阴离子性的菌体表面添加水溶性的阳离子聚合物，中和负电荷，促进菌体凝聚成外观粒径增大的菌体被凝聚是可能的。另外的方法是加热凝聚法，将菌体进行高温处理，菌体表面的细胞膜结构被破坏，菌体表面形成了疏水化而形成凝聚体。
图3加热处理对氨基酸发酵液的微滤透过速度
的影响
图2PEI 对氨基酸发酵液的微滤透过速度的
影响效果
3采用离子交换技术的提取、精制
离子交换树脂是具有三维交联的网状结构，
[2]
它的高分子骨架结合着离子交换基团的物质。
在氨基酸提取、精制中，作为全pH 范围内具有交换解离离子能力并具有物理、化学强度的强酸性离子交换树脂被广泛使用。离子交换树脂是根据高分子骨架的交联密度进行分类的。交联密度高的树脂耐磨性提高
，每单位体积交换基团的密度也会变大。一方面伴随树脂网孔变细，
氨基酸的树脂内扩散被限制，生产性能降低
。考虑与其相反的情况，即氨基酸的提取、精制中所用的强酸性离子交换树脂采用6~10％左右范围的交联度的树脂，
图1凝聚体表观粒子增大的概念图
8％为最多。
表1是表示强酸性离子交换树脂和Lys 、无机离子之间对H +的离子交换反应的选择系数。
—17—
发酵科技通讯
表1离子交换树脂选择系数
离子种类
对H +的选择系数g/cm3
第38卷
Lys ++Lys +NH 4+k +
5.00.751.51.9
选择系数K b a 以以下式子定义：
b
K a 其数值越大，表示离子b 比离子a 的树脂吸附的选择性越高。
上式中[]表示平衡状态下的摩尔浓度，Z 分别表示离子的价数，下线一表示树脂相。
[3]
L-Lys 是碱性氨基酸，在强酸性时，以二价型Lys ++时的选择系数高，会有高的分离性；例如K +作为不纯物，假定的Lys 2+和作为不纯物的K +相
比，持有2．5倍左右的选择系数。这将会把Lys 2+容易地从K +中尽可能多的提取、精制出来。另外，
图4氨基酸导入树脂扩散相内的结果流出曲线；（b ）相当于Lvs 2+的吸附情况，表示锐利的流出曲线。
[4]
Lys 2+和Lys +相比，离子交换树脂中被占有2倍的
交换基团，结果平均每单位树脂量的生产能力下降1／2，这样的分离效果和效率的相互影响的情况是很多的。因此，最佳操作条件的确定是非常必要的。
对于前面所述的离子选择系数预
测一价的漏出吸附量大来说，二价的漏出吸附量小，在模拟中再现的结果和实验结果非常一致。用此模型扩展到多塔系统，进行有关正确控制氨基酸的漏出点的研究是很有水平的。
3．1新离子交换分离技术
在离子交换树脂工程中，为了提高树脂的生产性能，吸附塔的接续为复数塔，将1塔的吸附漏出液，用2塔以下的柱使其分离。l 塔吸附氨基酸大体达到交换容量，将这个柱水洗之后，使用溶离、水洗等循环供给的多塔系统。
[4]
4采用结晶技术的提取、精制
析出晶体的操作称为结晶过程。氨基酸的最
终产品是高纯度的粉体，所有的场合为了获得结晶而进行晶析操作。从发酵液中分离氨基酸的最初的粗制阶段，也以结晶操作作为分离手段而被广泛使用。结晶操作作为提取、精制的手段处于很重要的地位。
要分离较大的晶体，需要经过晶核生成和结晶生长两个过程。结晶所得的晶体的大小、粒度分布是通过控制晶核生成和结晶生长来调节的。这时候结晶的主要控制因子是过饱和度。若过饱和度过于高，生产大量的晶核，制品的粒径细，分离性能下降。相反，过饱和度过低时，生产能力将不能提高。工业结晶要设计与它们相反的最优化要素。
结晶是被包围着的结晶生长面，因为各面的
为了此系统标
准化，将切换时间、各步骤使用树脂等的数量、柱的长度、流速等多种参数的标准化是必要的，通过实验界定试验错误。
着眼于氨基酸的离子交换现象是决定离子在树脂相内的扩散。导入树脂相内扩散模型，氨基酸被树脂吸附中断而漏出的点，即很好的预测透过点的精度。为此开发了模型程序，使用此程序单塔系统的实验结果和模型的比较如图4所示。
图中（a ）相当于Lys +的吸附情况，表示平缓的—18—
第38卷第2期2009年4月
发
酵科技通讯
目的时，几乎所有研究是以形成分离性好且大结晶晶析为课题的，在此举出两个使氨基酸结晶变大方法的例子。
图5表示氨基酸结晶颗粒增大概念图。氨基酸结晶从水溶液中被结晶的情况下，由于结晶表面处于比较疏水状态，利用此性质可以使其结晶粒径增大，在添加表面活性剂方法中，添加表面活性剂于养晶、育晶过程中，表面活性剂的疏水部分吸附在成长结晶表面上，形成亲水部分覆盖着的成长面，促进结晶生长。另外，水溶性高分子添加法，疏水性的高分子吸附成长中的微细结晶而形成凝聚体，其结果可以形成外观上颗粒较大的结晶。
[5]
生长速度不同，结晶的外形是由结晶面的成长速度之比来决定的。生长快的面，随着时间（即结晶的进行）而减少或消灭，结晶最终包围生长速度慢的面。当有特定的不纯物存在时，结晶生长不均匀，结晶的外形变化称为结晶习性。此结晶习性在特定的生成面上吸附着不纯物，结果是抑制其生长速度，因为在发酵液中存在无数的这样的不纯物。
[5]
在实验室中确立的结晶条件不适用于从发
酵液中的结晶过程，这是日常的经验。为此不纯物对晶核生成和结晶生长的影响在提取、精制技术开发中是一个中心课题。
4．1新的结晶分离技术
制品结晶析出若不拘于必要的大型结晶，就会有细小结晶析出。但是以发酵液中提取、精制为
表2所示添加多种表面活性剂的结晶过程所
图5氨基酸结晶颗粒增大概念图
从表2可知，不添加表面活性剂是微细的集获得的氨基酸结晶的形状和纯度添加剂
添加剂月桂荃硫酸钠单月桂酸甘油脂肪酸蔗糖酯
丙二醇对照（无添加）
结晶纯度
附着水分
结晶颗粒大小
单结晶数个的集合体(40～80μm) 微细的集合晶体（部分单结晶）（20～80μm ）
同上（20～50μm ）
菱形的单结晶集合晶体（70～140μm ）
微细的集合晶体（10～20μm ）
97.2%87.8%82.6%80.8%70.9%
1.9%8.9%10.8%14.8%21.2%
获得的晶体，而添加表面活性剂由于结晶大型化附着的水分减少而使纯度提高。
图6所示添加水溶性高分子所获得的氨基酸结晶的显微镜照相的结果，添加水溶性高分子凝聚微细的结晶在外观上粒径变大了。
5膜、离子交换树脂、结晶技术在谷氨酸提取中的应用
目前，国内从谷氨酸发酵液提取谷氨酸的方法较多，有等电点法、离子交换法、溶剂萃取法、电
—19—
发
酵科技通
讯
第38卷
COD 可下降20~30%。[7]当然，膜技术也有其缺点，
在膜过滤中，会发现在谷氨酸发酵液中被膜截留的蛋白质和胶体物质在膜表面上形成一胶层，而阻碍溶液通过，同时溶质在膜表面上沉淀，堵塞膜孔，降低了膜的亲水性，这样在应用上就受到了限制，所以有些技术问题尚需解决。另外膜的使用必会带来成本的提高。
离子交换法提取谷氨酸，即利用离子交换树脂从谷氨酸发酵液中单离谷氨酸是选择性吸附。将发酵液中残糖及其聚合物、色素、蛋白质等非离子杂质得以分离，经洗脱浓缩，在等电点条件下获取谷氨酸。
[6]
等电—离交母液中谷氨酸回收的工
艺条件与离子交换法工艺条件基本相同，经母液回收后。二次总收率可达到95％左右，但酸、碱、水消耗量大，基建投资和维护管理费用高，废水处理也得不到彻底解决。成本也随之增大。
常见的浓缩方法有两种即减压浓缩法和冷冻
图6
添加水溶性高分子氨基酸结晶析出的影响效果
浓缩法。这是两个相反的操作过程，减压浓缩是通过加热蒸发的方法，通过降低液面压力使液体沸点降低，减压的真空度愈高，液体沸点降得愈低，蒸发愈快。多数采用双效或多效蒸发，但能耗较大。冷冻浓缩是在低温、常压的条件下进行的，是将水溶液中的一部分以冰的形式析出，并将其从液相中分离出去而使溶液浓缩的方法。具有可在低温下操作，气液界面小，防止微生物增殖、溶质的劣化及挥发性芳香成分的损失可控制在极低的水平等优点。
[8]
[7]
随着硫酸等价格的提高，
渗析法等[6]。以上方法中一般都采用浓缩、冷却、调pH 、离子交换树脂、有机膜的使用等的适当搭配的方法。膜技术一般用于对谷氨酸发酵液的前处理中，如超滤法去菌体。离子交换树脂技术被大多数厂家用于谷氨酸的回收利用上，如等点离交法提取谷氨酸，通过常温等电、一次低温等电、除菌体一次等电等先提取谷氨酸，再利用离子交换树脂回收母液中的谷氨酸以提高谷氨酸的收率。谷氨酸是有规则的化学均一晶体，谷氨酸在
冷冻浓缩谷氨酸时不起泡，所以没
有必要使用消泡剂，而且产品不因受热而着色，所以脱色处理很容易，也不会因pH3．2在较高温度（60~70℃）下浓缩易生成焦谷氨酸或。冷冻浓缩的问题在于冷冻冰结晶时会夹带出少量的谷氨酸，如何回收含谷氨酸的冷冻冰水问题有待进一步解决。
pH3.2时溶解度最小，因此无论选择哪种方法提
取谷氨酸，一般都是通过等电点法将谷氨酸结晶析出。而且为了提高谷氨酸收率，一般都添置了发酵液或其中间处理液的浓缩工序，并且作为浓缩方法。
在谷氨酸的提取中，对谷氨酸发酵液的前处理是至关重要的。在谷氨酸发酵液中以菌体为主的胶体物质是影响谷氨酸提取的主要因素，因此现在国内的大多数厂家对谷氨酸发酵液进行去菌体前处理。通常除菌体的方法有机械离心分离、絮凝法、加热沉淀法。随着科学技术的发展，膜技术逐渐被引入到谷氨酸提取中。通过膜处理的发酵液质量高，对后提取非常有利。以超滤来说，谷氨酸收率比对照的未经超滤者提高15％，母液中—20—
6与提取、精制相关的技术
氨基酸的提取、精制技术还包括制品的品质
管理技术。作为发酵法的特征，氨基酸的制品和同规模产生的副产物的最适比是必要的。例如通过副产物的用途，限制能使酸、碱等副产物的产出关注也是必要的。因为使用NaOH 作碱时，副产物———Na +是植物抑制生长。还有使用硫酸作为酸时，废水的厌气处理会产生硫化氢等。因此预想今
第38卷第2期2009年4月
发酵科技通讯
提高使用的便利性，液体状态的氨基酸市场也存在。另外，随着氨基酸生产全球化的加速，各地域用不同农产物的不同纯度的碳源作为发酵原料已成为普遍性。
随着技术的进步，发酵液的品质和组成，多样化增加，这样作为一个统一的工业，确立提取、精制技术的地位将越来越重要。
参考文献
[1]孙彦．生物分离工程．北京：化学工业出版社，2005．2[2]俞俊棠等．生物工艺学下册．北京：化学工业出版社，2003．6[3]Nagai,H. et al.:Lysine adsorption cation exchange resin1, ion exchange equilibrion and kinetics,Separation Science and Tech -nology,2004.39（16）,3691~3710
[4]永井秀忠．赖氨酸精制中塔数在离子交换树脂多塔体系中的影响，化学工学论文集，2008．34（1）．85~94
后环保安全费用占整个生产成本的比率将越来越大，设计排水处理简单的提取、精制过程越发重要。
在提取、精制过程中，不能缺失工程学的知识。例如医药用的氨基酸的精制，为防止微生物污染和异物混入，设计具备密闭性和分解物易被洗净的设备已成为必要的。使用耐pH 、温度、液态腐蚀性的高价材质设备，设备成本和过程条件的合理经济选择也是必要的。这样的生产设备、制品的安全性、品质、成本和分离性能等运行管理等，多面性的评价后的选择是必要的，这就要求有多种技术的背景。
7小结
提取、精制过程位于发酵过程和发酵制品的
中间，它和环境保护技术以及工程学技术有着密切关系。它决定最终的产品品质的同时，还处于决定包含环境的负荷和设备投资的成本的重要地位。
氨基酸制品的形态随着用途的扩大而不只是单一的结晶形态，同一结晶谋求大小不同的粉体，也有和其它氨基酸混合状态制成饼状，进而为了
[5]Chikamori．T ．et a1．：International Symposium on Industrial CrystallizationPreprints ，2005．9
[6]张克旭．氨基酸发酵工艺学．北京：中国轻工业出版社，1992．4
[7]于信令等．味精工业手册．北京：中国轻工业出版社，1995．3[8]刘凌，薛毅．冷冻浓缩技术的应用与研究简介[J].化学工业与工程，1996，16（3）：151～156．
! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! "
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! "
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"
菌种保藏的原理是什么？
菌种保藏主要是根据微生物生理生化特点，人工地制造环境条件，使微生物代谢处于不活泼，生长繁殖受抑制的休眠状态，即采取低温、干燥、缺氧三个条件，使菌种暂时处于休眠状态。
———《味精生产问答》题126———
! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! "
—21—