谷氨酸提取技術及其廢液資源化清潔生產研究進展

王睿，王倩，林樟楠，楊鵬波，叢威*

(1.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 100190；2.中國科學院大學，北京 100049)

味精被廣泛用作調味料，我國味精的年產量在2015年達到220萬噸[1]，占全球產量的80%，且每年出口量超過40萬噸。味精生產通常包括谷氨酸發酵、谷氨酸提取和味精精制3個階段。從發酵液中提取谷氨酸一般采用等電結晶法，需在谷氨酸發酵液(pH接近中性)中添加大量硫酸調節pH至谷氨酸等電點，且發酵過程中需添加大量氨用于補充氮源，因此提取谷氨酸后的發酵廢液含高COD (10000～40000 mg/L)、高銨根(15000～25000 mg/L)、高硫酸根(15000～50000 mg/L)，且pH(2.0～3.4)低，難以用常規的生化方法處理；另外，其中仍含有豐富的可利用資源，處理方式不當也是對資源的浪費。因此，谷氨酸的提取收率和后續發酵廢液的處理決定著味精產業的制造成本、環境影響、產品質量，進而制約整個產業的發展。

面臨著環境保護和經濟效益的雙重考驗，清潔生產已成為實現工業可持續發展的最佳途徑。引入清潔生產理念、提高收率、減少酸堿消耗、降低噸產品的廢液排放量、變廢為寶實現資源循環利用是味精行業的發展趨勢[2-3]。2008年，中國環境保護部發布了《清潔生產標準味精工業》(HJ444-2008)，要求在我國味精工業中全面、綜合地實施清潔生產。經過十幾年的發展，谷氨酸發酵行業清潔生產取得了一定成果，本文通過總結文獻和行業發展，簡述了谷氨酸發酵提取和廢液資源化的技術現狀及存在的問題，總結了谷氨酸提取技術和資源化利用的研究進展，旨在為谷氨酸提取技術創新和發酵廢液綜合利用策略提供參考。

1 我國谷氨酸發酵清潔生產的現狀及問題

1.1 谷氨酸提取技術

我國谷氨酸發酵提取工藝經歷了從鋅鹽法、一步低溫等電點結晶法到低溫等電離交法和濃縮等電法的演變歷程。2010年后，產業化的谷氨酸提取工藝以濃縮連續等電工藝為主，等電離交法次之。

濃縮連續等電提取工藝源自日本味之素公司糖蜜發酵谷氨酸的提取技術，國內最早由河南蓮花味精集團將其嫁接于淀粉糖原料發酵工藝上，由圖1可知，相較于等電離交法，該工藝沒有采用“離交技術”，每噸谷氨酸消耗0.4～0.5 t硫酸，液氨消耗較少(僅發酵時添加)；發酵液濃縮后等電有利于提高谷氨酸等電收率、減少廢液量，每噸谷氨酸產生高濃度發酵廢水從8～15 m3減少至3～5 m3。但由于谷氨酸晶體雜質多，引入了“轉晶”技術，不可避免地損失部分谷氨酸產品(轉晶后谷氨酸收率下降約2個百分點)，收率不到90%，屬于清潔生產的二級水平。因此，進一步提高連續等電谷氨酸的收率和晶體純度是該工藝的主要問題。

圖1 濃縮等電結晶流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of concentration and isoelectric crystallization process

1.2 谷氨酸發酵廢液處理技術

谷氨酸發酵廢液主要指谷氨酸發酵液經過等電結晶后的上清液，即谷氨酸等電母液(簡稱等電母液)，也是味精生產中的主要高濃度廢水。發酵廢液污染治理技術有物化法、生物法。自1993年清潔生產概念引入至中國以來，逐漸形成了資源回收和綜合治理的產業化工藝路線。目前國內谷氨酸生產企業主要是將發酵廢液經過氣浮除菌后，通過噴漿造粒制備復合肥、濃縮等電后的母液通過氣浮技術回收菌體，加入堿液調節pH后進行多效蒸發濃縮，濃縮后按肥料標準加入磷、鉀等添加劑，然后送入噴漿造粒機，用高溫煙道氣(>450 ℃)干燥將等電母液中的干固物全部轉化為復合肥。每噸味精能夠制備0.8～0.9 t的肥料，解決了高濃度廢水的問題，增加了利潤。

但是，蒸發濃縮需要消耗熱能，而噴漿造粒工藝生產每噸復合肥會產生20000～25000 m3氣溶膠型揮發性/半揮發性有機廢氣，不易降解且存在時間長。高溫干燥產生的有毒成分和刺鼻的嗅味惡化了企業周邊環境，也危害居民的身體健康；另外，由于發酵廢液制備的高含量硫酸銨復合肥不適用于所有土壤，大量的復合肥的售賣和如何提高肥料的品質也是味精生產企業面臨的難題。因此，進一步發展谷氨酸發酵廢液綜合利用的清潔生產技術仍然是一個巨大的挑戰。

2 谷氨酸發酵清潔生產研究進展

2.1 發酵液中谷氨酸提取技術研究進展

谷氨酸清潔生產的研究致力于減少噸產品(谷氨酸)廢水排放量、發酵廢液的銨根、硫酸根含量和資源消耗，減輕后續廢液資源化的處理難度，提升了經濟效益。目前，針對現行谷氨酸生產中存在的問題，谷氨酸清潔生產技術的研究主要從以下兩個角度切入，即提高谷氨酸總提取回收率和從源頭上減少酸堿使用量。

2.1.1 提高谷氨酸總提取收率

谷氨酸的收率水平直接決定了工藝的清潔生產水平。谷氨酸提取收率受溶液性質、操作條件、工藝參數、分離設備等眾多因素影響，除了優化工藝參數和操作條件[4](如加酸速率、降溫速率、添加晶種量等)，的研究表明等電結晶前去除菌體[5-7]和采用細晶回收技術均有利于提高谷氨酸一次等電回收率，而且對一次等電母液中剩余谷氨酸進一步回收則可提高谷氨酸的總回收率。

菌體細胞等懸浮物對谷氨酸有明顯的增溶作用，且結晶時刺激β型晶核生成，帶菌等電是造成谷氨酸提取回收率低、晶體純度低的原因之一。將發酵液先除菌后等電結晶可以提高谷氨酸提取回收率和產品質量。研究中針對谷氨酸發酵液采用的除菌方法多為膜過濾和碟片式高速離心。研究表明，相較于不除菌的工藝，除菌后的發酵液谷氨酸一次等電回收率可提高4%～7%，且谷氨酸純度有所提高。王大春等利用中空纖維微孔濾膜(PVDF)回收谷氨酸發酵液中菌體蛋白，經膜過濾除菌后的發酵液提取谷氨酸收率可達93%～94%，母液谷氨酸含量低于2%，無需再進行離子交換。但是，由于發酵液的粘度高，且蛋白質、多糖等有機物含量高[8]，用膜法除菌易造成膜污染，導致膜通量衰減快，膜的定期清洗和維護造成單位體積發酵液處理成本較高，而且膜過濾處理水量不大。因此，開發適合于谷氨酸發酵液的高通量膜，提升膜的抗污染性能是膜法除菌等電需要解決的問題。此外，研究表明谷氨酸提取母液夾帶谷氨酸細晶質量占總量的7.63%，Zhang等開發出細晶回用技術，谷氨酸提取率比一步結晶法高約4%，而且經晶體粒徑切割分離獲得顆粒大、粒徑分布均勻的產品，提高了產品質量。

現行濃縮連續等電法提取谷氨酸回收率不到90%，一次等電結晶后等電母液中仍剩余1%～2%的谷氨酸，對其進行進一步提取可提高谷氨酸的總回收率[9]。Zhang等采用兩段結晶技術(TSC)，第一段采用細晶消除型連續等電結晶，一步回收率達80%以上，得到的麩酸質量好,無需轉晶。提取后的母液除去菌體和可溶性蛋白后濃縮，經蒸發進行二次結晶，回收到剩余母液70%的谷氨酸，總回收率達95%，不用“離子交換”步驟。添加氨水調節pH后，進一步蒸發還可回收硫酸銨制備復合肥料，但該方法的中試結果不穩定，因此企業沒有采用。

此外，電滲析技術在進一步回收等電上清液中的谷氨酸方面展現了良好的應用潛力[10]。Zhang等用兩室雙極膜電滲析和改良的傳統電滲析從等電上清液中回收谷氨酸，結果表明兩種形式都得到了較高的谷氨酸回收率70%～88%，改良的傳統電滲析形式同時得到較高的谷氨酸回收率和較低的能耗，在初始谷氨酸含量20 g/L的情況下，谷氨酸回收率達88.3%，能耗達3.67 kWh/kg GA。

2.1.2 減少酸堿使用量

從源頭上減少酸堿使用量不僅能夠減少資源的消耗，還可以降低發酵廢液中的鹽濃度，減小后續廢液處理壓力。為此研究人員開展了許多關于谷氨酸分離提取新技術的研究。

電滲析技術具有操作簡便、不污染環境、無需添加酸堿等化學試劑的優點，有望大幅度降低發酵產品生產過程的酸堿消耗，電滲析技術在發酵液處理和發酵產品回收中的應用尤其受到關注[11-12]。發酵液中谷氨酸大部分以一價陰離子形式存在，在電場作用下可跨陰離子交換膜遷移，研究人員利用這一特性同時進行產品提取和除雜[13-14]。艾社芳等利用電滲析法從谷氨酸發酵液中直接分離提取谷氨酸銨，采用谷氨酸銨模擬料液時，回收率高達99.93%，能耗達1.63 kWh/kg。采用真實谷氨酸發酵液時，通過添加氨水調節料室的pH，濃室內回收谷氨酸濃度可達到105 g/L，回收率為78.8%。采用電滲析法可將發酵液中的谷氨酸鹽進行濃縮分離，除去部分雜質，簡化后續精制提純等工藝，避免水洗過程中大量用水。Chai等利用復分解電滲析離子重組工藝制備谷氨酸鈉，可實現谷氨酸銨一步轉化至谷氨酸鈉，在優化條件下，最終產品液濃度為1.79 mol/L(約30.2%)，轉化率為91.2%，能耗為2.98 kWh/kg 谷氨酸鈉。并通過填充樹脂改善了電滲析性能，其副產物(NH4)2SO4可作為生產銨肥的原料，不存在二次污染，而且所得谷氨酸鈉產品液濃度達到了結晶工藝所需的濃度要求。

膜集成耦合生物發酵系統是利用膜技術將發酵與產物分離過程耦合，被認為是一種可降低成本且環境友好的方法[15]。將其應用于谷氨酸生產，可省去傳統谷氨酸制備中過濾、酸化、中和、結晶、離子交換等步驟，大大降低了設備和運行成本，減少了污染物的產生。Pal等[16]首次使用三段膜集成耦合生物發酵法制備谷氨酸：第一段是利用聚偏氟乙烯(PVDF)微濾膜對發酵液進行微濾，細胞被分離后進入發酵罐中循環利用；第二階段使用納濾膜(NF-20)分離蔗糖和谷氨酸；第三段通過納濾濃縮谷氨酸，濾出液包括水和離子補充到發酵罐。發酵罐由于添加了新鮮的發酵培養基和碳源并且通過連續去除谷氨酸，不需添加氨來調節pH值，減少了產物抑制，提高了谷氨酸發酵產率。經過三段膜集成處理，最終谷氨酸濃縮液得到產品含量為175 g/L，純度達97%，每噸谷氨酸耗能達404 kWh。

由上述報道可知，目前谷氨酸提取中降低酸堿消耗的方法主要是替代現行的等電結晶工藝，采用膜法分離谷氨酸，這樣可避免調節等電pH時大量的硫酸消耗；進一步將谷氨酸分離與發酵耦合，可減少氨的消耗。然而，目前膜技術應用于谷氨酸提取過程只適用于較低谷氨酸濃度的發酵液(<120 g/L)，膜的設備成本高、易產生膜污染等缺點限制了電滲析、微濾和納濾等膜技術在谷氨酸提取過程的工業應用。

2.2 谷氨酸發酵廢液資源化研究進展

谷氨酸生產過程產生的最主要、最難處理的廢液是谷氨酸等電母液，其中含有菌體蛋白、硫酸銨、殘糖、氨基酸(谷氨酸以及其他氨基酸)、有機酸以及核苷酸類降解產物等，還有K+、Na+、Ca2+、Cl-、PO43-等無機鹽離子可進一步資源化利用；高濃度COD、NH4+、SO42-給比較成熟的厭氧處理工藝帶來困難。因此，谷氨酸發酵廢液的治理必須走資源化綜合利用的道路。

本文按照利用方式將谷氨酸發酵廢液的資源化方法分為直接回收有價值資源和培養微生物兩類，并總結了發酵廢液用于微生物培養技術的應用領域和特點。

2.2.1 直接回收有價值資源

硫酸銨是谷氨酸發酵廢液中含量最高的無機鹽，廢液利用氣浮技術回收菌體蛋白后直接濃縮干燥即可制成以硫酸銨為主要成分的復合肥，此方法最為簡便，也是目前行業企業普遍采用的方法。但蒸發濃縮能耗大，廢液直接干燥制備的復合肥質量不高，為提高復合肥質量，除菌后的廢液可以先通過蒸發結晶回收硫酸銨，再進行噴漿造粒。

為進一步提高廢液中有機質的利用價值，研究人員針對回收谷氨酸發酵廢液中菌體RNA和游離氨基酸等有價值成分進行了研究。

發酵廢液中提取后的菌體蛋白可作為優質蛋白飼料添加劑，其水解產物可作為復合氨基酸調配劑等高附加值產品。分離出的菌體可以進一步提取RNA，用于工農業生產、醫療衛生以及科學研究等領域。楊小姣等[17]用提取出來的菌體蛋白為原料，比較了鹽法和超聲波法提取RNA，結果表明鹽法提取RNA更具優勢，NaCl濃度為6%時RNA得率達4.5%。

發酵廢液中游離氨基酸的含量可達1%～2.5%，可對其進行回收再利用。但發酵廢液中氨基酸濃度較低，研究人員通常利用液膜法[18]或金屬離子螯合法來分離富集氨基酸[19]。田光超等利用液膜法富集谷氨酸廢水中氨基酸，在二(2-乙基己基)磷酸(D2EHPA)、山梨醇酐單油酸酯(Span-80)、H2SO4溶液和煤油組成的膜體系中，氨基酸萃取率高達80%。在味精廢液中加入金屬離子(如鋅、銅、鑭等)螯合制備微量元素氨基酸螯合物，可應用于飼料添加劑和農田施肥。馬里娜利用味精離交尾液中的氨基酸與金屬鋅離子螯合，將離交尾液稀釋100倍，超濾后與硫酸鋅混合，得到螯合率達79.83%。該復合氨基酸螯合鋅對DPPH自由基與羥基自由基具有較高的清除能力，并且對黑麥草的萌發起到明顯的促進作用。

上述報道對谷氨酸發酵廢液中高值組分的分離回收尚處于探索階段，實際應用時需綜合考慮處理量、工藝成本和與現行企業工藝銜接等問題，提取后的廢液的后續處理也需要考慮，目前難以實際應用。

續 表

2.2.2 微生物培養

利用發酵廢液培養微生物是常用的廢液資源化的手段[20]。微生物能夠綜合利用發酵廢液的各種資源，進一步降低廢液中COD和氨氮；另一方面，對于發酵工業來說，以發酵廢液作為培養基或替代營養物質能夠降低生產成本。利用谷氨酸發酵廢液培養微生物的報道很多，主要用于培養酵母菌、細菌、真菌、微藻，生產飼料蛋白、微生物油脂、聚谷氨酸、真菌多糖等(見表1)。

表1 谷氨酸發酵廢液生物發酵技術中常用的微生物及用途Table 1 The microorganisms commonly used in the biological fermentation technology of glutamate fermentation waste liquid and its application

但谷氨酸發酵廢液培養微生物仍存在如下問題：

首先，谷氨酸發酵廢液中NH4+、SO42-濃度較高，遠遠超過微生物耐受能力,且NH4+比SO42-對微生物生長的抑制作用更強。因此，研究人員利用發酵廢液進行微生物培養前要進行預處理或篩選出對硫酸銨耐受力高的菌種。

目前谷氨酸發酵廢液脫硫酸銨預處理方法主要有蒸發濃縮結晶、生石灰沉淀SO42-、吹脫氨氣法、加水稀釋法。硫酸銨通過蒸發濃縮結晶析出和回收，但硫酸銨的溶解度過高導致剩余廢液中仍有3%～4%的硫酸銨，且蒸發結晶法能耗大，結晶出的硫酸銨品質低。氨氣吹脫法可以有效地降低廢液中的銨含量，但隨著氨氣向大氣排放，廢液中銨根的利用率將降低，而且氨氣回收成本高，直接排放會導致二次環境污染。生石灰沉淀法雖然可以去除SO42-，但產生的石膏產品利潤低，成為固體廢棄物。稀釋法在稀釋硫酸銨的同時其他營養物質也被稀釋，且需要大量的淡水，限制了該方法在工廠的應用。因此，為了尋找更加經濟且環境友好的脫鹽方法，楊文龍采用普通電滲析脫除谷氨酸發酵廢液中的無機鹽，結果表明發酵廢液經活性炭預處理后能夠有效脫出SO42-和NH4+，SO42-遷移率達85%時，能耗為3.64～4.88 kWh/kg。朱永強等先用釀酒酵母降解發酵廢液中的NH4+，再用粘紅酵母發酵培養合成油脂，粘紅酵母最終生物量為33.3 g/L、油脂產率為18.16%，發酵廢液中COD的去除率為50.6%，NH4+的去除率為93.9%，相比于單獨培養粘紅酵母均有提高。此外，通過馴化耐高濃度硫酸銨菌種可簡化預處理過程。喻軼選用一株可在含50%硫酸銨濃度的味精廢水中生長的漢遜德巴利酵母，以味精廢水作為培養基成分之一培養酵母，得到生物量干重達5.82%，將酵母自溶后發酵液噴霧干燥用作飼料添加劑。邢旭等通過馴化篩選得到一株在培養基(NH4)2SO4濃度達150 g/L時表現優良的粘紅酵母Rh8。該菌株雖然可以耐高濃度硫銨，但是不能有效地利用硫銨。

谷氨酸發酵廢液碳氮比較小，用于微生物培養仍需補充葡萄糖、玉米粉等碳源，為降低成本，可用其他碳氮比較高的工業廢水復配。例如，萬俊杰等利用味精廢水復配啤酒廢水(主要碳源)作為替代培養基培養枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)AS1-296制備含γ-聚谷氨酸的絮凝劑吸附Cu2+，該絮凝劑最大Cu2+吸附量為4.1 mg/g，最佳解吸率達81%。

大部分發酵廢液資源化研究中忽略了SO42-的評估，文獻中所用的微生物通常不利用SO42-或利用極少，而SO42-排放超過4 g/L就會抑制厭氧生化處理。因此，如何提高綜合利用率是谷氨酸發酵廢液應用于微生物培養應考慮的重要方面。

最后，谷氨酸發酵廢液性質不穩定和產品的發酵工藝不成熟會導致產品的產量和質量不穩定，這也是阻礙谷氨酸發酵廢液應用于微生物培養的因素之一。

雖然利用味精廢水培養微生物可實現資源綜合利用，研究報道也很多，但廢液缺乏高效的脫鹽手段，耐鹽微生物有限且培養后的廢液仍需進一步處理才可進入常規厭氧生化處理環節，這些問題導致將谷氨酸發酵廢液直接用于培養微生物難以推向實際應用。

3 總結與展望

味精行業經過十幾年清潔生產改造和發展，取得了一定成果，但是還存在著提取工藝中谷氨酸收率和質量不高、發酵廢液資源化生產復合肥工藝中肥料質量不好、污染環境等問題。未來清潔生產一方面應該改進谷氨酸的提取技術，提高谷氨酸的提取率和產品質量。針對現行直接加酸等電法，增強雙結晶工藝的穩定性后會有更好的應用前景。另一方面，應積極探索研究新工藝、新方法，從源頭上減少酸堿消耗，降低廢液中鹽含量，實現鹽的高效分離回收，以解除后續廢液資源化利用的高鹽限制，節約成本。電滲析、膜集成等膜技術在谷氨酸清潔生產中展現出良好的發展潛力，研究中應致力于提高谷氨酸收率，并降低膜設備和運行成本，提高工藝穩定性[21]。

對于谷氨酸發酵廢液綜合利用方面，分離回收菌體蛋白后可對其進行深加工，提高附加值；除菌廢液用于微生物培養雖然可利用其剩余營養物質，但仍需解決高鹽問題，且難利用其中SO42-，因此仍需與其他方法組合使用，尋找最合適的清潔生產方案使經濟效益和環境效益最大化。