谷氨酸提取技术及其废液资源化清洁生产研究进展

王睿，王倩，林樟楠，杨鹏波，丛威*

(1.中国科学院过程工程研究所 生化工程国家重点实验室，北京 100190；2.中国科学院大学，北京 100049)

味精被广泛用作调味料，我国味精的年产量在2015年达到220万吨[1]，占全球产量的80%，且每年出口量超过40万吨。味精生产通常包括谷氨酸发酵、谷氨酸提取和味精精制3个阶段。从发酵液中提取谷氨酸一般采用等电结晶法，需在谷氨酸发酵液(pH接近中性)中添加大量硫酸调节pH至谷氨酸等电点，且发酵过程中需添加大量氨用于补充氮源，因此提取谷氨酸后的发酵废液含高COD (10000～40000 mg/L)、高铵根(15000～25000 mg/L)、高硫酸根(15000～50000 mg/L)，且pH(2.0～3.4)低，难以用常规的生化方法处理；另外，其中仍含有丰富的可利用资源，处理方式不当也是对资源的浪费。因此，谷氨酸的提取收率和后续发酵废液的处理决定着味精产业的制造成本、环境影响、产品质量，进而制约整个产业的发展。

面临着环境保护和经济效益的双重考验，清洁生产已成为实现工业可持续发展的最佳途径。引入清洁生产理念、提高收率、减少酸碱消耗、降低吨产品的废液排放量、变废为宝实现资源循环利用是味精行业的发展趋势[2-3]。2008年，中国环境保护部发布了《清洁生产标准味精工业》(HJ444-2008)，要求在我国味精工业中全面、综合地实施清洁生产。经过十几年的发展，谷氨酸发酵行业清洁生产取得了一定成果，本文通过总结文献和行业发展，简述了谷氨酸发酵提取和废液资源化的技术现状及存在的问题，总结了谷氨酸提取技术和资源化利用的研究进展，旨在为谷氨酸提取技术创新和发酵废液综合利用策略提供参考。

1 我国谷氨酸发酵清洁生产的现状及问题

1.1 谷氨酸提取技术

我国谷氨酸发酵提取工艺经历了从锌盐法、一步低温等电点结晶法到低温等电离交法和浓缩等电法的演变历程。2010年后，产业化的谷氨酸提取工艺以浓缩连续等电工艺为主，等电离交法次之。

浓缩连续等电提取工艺源自日本味之素公司糖蜜发酵谷氨酸的提取技术，国内最早由河南莲花味精集团将其嫁接于淀粉糖原料发酵工艺上，由图1可知，相较于等电离交法，该工艺没有采用“离交技术”，每吨谷氨酸消耗0.4～0.5 t硫酸，液氨消耗较少(仅发酵时添加)；发酵液浓缩后等电有利于提高谷氨酸等电收率、减少废液量，每吨谷氨酸产生高浓度发酵废水从8～15 m3减少至3～5 m3。但由于谷氨酸晶体杂质多，引入了“转晶”技术，不可避免地损失部分谷氨酸产品(转晶后谷氨酸收率下降约2个百分点)，收率不到90%，属于清洁生产的二级水平。因此，进一步提高连续等电谷氨酸的收率和晶体纯度是该工艺的主要问题。

图1 浓缩等电结晶流程示意图Fig.1 Schematic diagram of concentration and isoelectric crystallization process

1.2 谷氨酸发酵废液处理技术

谷氨酸发酵废液主要指谷氨酸发酵液经过等电结晶后的上清液，即谷氨酸等电母液(简称等电母液)，也是味精生产中的主要高浓度废水。发酵废液污染治理技术有物化法、生物法。自1993年清洁生产概念引入至中国以来，逐渐形成了资源回收和综合治理的产业化工艺路线。目前国内谷氨酸生产企业主要是将发酵废液经过气浮除菌后，通过喷浆造粒制备复合肥、浓缩等电后的母液通过气浮技术回收菌体，加入碱液调节pH后进行多效蒸发浓缩，浓缩后按肥料标准加入磷、钾等添加剂，然后送入喷浆造粒机，用高温烟道气(>450 ℃)干燥将等电母液中的干固物全部转化为复合肥。每吨味精能够制备0.8～0.9 t的肥料，解决了高浓度废水的问题，增加了利润。

但是，蒸发浓缩需要消耗热能，而喷浆造粒工艺生产每吨复合肥会产生20000～25000 m3气溶胶型挥发性/半挥发性有机废气，不易降解且存在时间长。高温干燥产生的有毒成分和刺鼻的嗅味恶化了企业周边环境，也危害居民的身体健康；另外，由于发酵废液制备的高含量硫酸铵复合肥不适用于所有土壤，大量的复合肥的售卖和如何提高肥料的品质也是味精生产企业面临的难题。因此，进一步发展谷氨酸发酵废液综合利用的清洁生产技术仍然是一个巨大的挑战。

2 谷氨酸发酵清洁生产研究进展

2.1 发酵液中谷氨酸提取技术研究进展

谷氨酸清洁生产的研究致力于减少吨产品(谷氨酸)废水排放量、发酵废液的铵根、硫酸根含量和资源消耗，减轻后续废液资源化的处理难度，提升了经济效益。目前，针对现行谷氨酸生产中存在的问题，谷氨酸清洁生产技术的研究主要从以下两个角度切入，即提高谷氨酸总提取回收率和从源头上减少酸碱使用量。

2.1.1 提高谷氨酸总提取收率

谷氨酸的收率水平直接决定了工艺的清洁生产水平。谷氨酸提取收率受溶液性质、操作条件、工艺参数、分离设备等众多因素影响，除了优化工艺参数和操作条件[4](如加酸速率、降温速率、添加晶种量等)，的研究表明等电结晶前去除菌体[5-7]和采用细晶回收技术均有利于提高谷氨酸一次等电回收率，而且对一次等电母液中剩余谷氨酸进一步回收则可提高谷氨酸的总回收率。

菌体细胞等悬浮物对谷氨酸有明显的增溶作用，且结晶时刺激β型晶核生成，带菌等电是造成谷氨酸提取回收率低、晶体纯度低的原因之一。将发酵液先除菌后等电结晶可以提高谷氨酸提取回收率和产品质量。研究中针对谷氨酸发酵液采用的除菌方法多为膜过滤和碟片式高速离心。研究表明，相较于不除菌的工艺，除菌后的发酵液谷氨酸一次等电回收率可提高4%～7%，且谷氨酸纯度有所提高。王大春等利用中空纤维微孔滤膜(PVDF)回收谷氨酸发酵液中菌体蛋白，经膜过滤除菌后的发酵液提取谷氨酸收率可达93%～94%，母液谷氨酸含量低于2%，无需再进行离子交换。但是，由于发酵液的粘度高，且蛋白质、多糖等有机物含量高[8]，用膜法除菌易造成膜污染，导致膜通量衰减快，膜的定期清洗和维护造成单位体积发酵液处理成本较高，而且膜过滤处理水量不大。因此，开发适合于谷氨酸发酵液的高通量膜，提升膜的抗污染性能是膜法除菌等电需要解决的问题。此外，研究表明谷氨酸提取母液夹带谷氨酸细晶质量占总量的7.63%，Zhang等开发出细晶回用技术，谷氨酸提取率比一步结晶法高约4%，而且经晶体粒径切割分离获得颗粒大、粒径分布均匀的产品，提高了产品质量。

现行浓缩连续等电法提取谷氨酸回收率不到90%，一次等电结晶后等电母液中仍剩余1%～2%的谷氨酸，对其进行进一步提取可提高谷氨酸的总回收率[9]。Zhang等采用两段结晶技术(TSC)，第一段采用细晶消除型连续等电结晶，一步回收率达80%以上，得到的麸酸质量好,无需转晶。提取后的母液除去菌体和可溶性蛋白后浓缩，经蒸发进行二次结晶，回收到剩余母液70%的谷氨酸，总回收率达95%，不用“离子交换”步骤。添加氨水调节pH后，进一步蒸发还可回收硫酸铵制备复合肥料，但该方法的中试结果不稳定，因此企业没有采用。

此外，电渗析技术在进一步回收等电上清液中的谷氨酸方面展现了良好的应用潜力[10]。Zhang等用两室双极膜电渗析和改良的传统电渗析从等电上清液中回收谷氨酸，结果表明两种形式都得到了较高的谷氨酸回收率70%～88%，改良的传统电渗析形式同时得到较高的谷氨酸回收率和较低的能耗，在初始谷氨酸含量20 g/L的情况下，谷氨酸回收率达88.3%，能耗达3.67 kWh/kg GA。

2.1.2 减少酸碱使用量

从源头上减少酸碱使用量不仅能够减少资源的消耗，还可以降低发酵废液中的盐浓度，减小后续废液处理压力。为此研究人员开展了许多关于谷氨酸分离提取新技术的研究。

电渗析技术具有操作简便、不污染环境、无需添加酸碱等化学试剂的优点，有望大幅度降低发酵产品生产过程的酸碱消耗，电渗析技术在发酵液处理和发酵产品回收中的应用尤其受到关注[11-12]。发酵液中谷氨酸大部分以一价阴离子形式存在，在电场作用下可跨阴离子交换膜迁移，研究人员利用这一特性同时进行产品提取和除杂[13-14]。艾社芳等利用电渗析法从谷氨酸发酵液中直接分离提取谷氨酸铵，采用谷氨酸铵模拟料液时，回收率高达99.93%，能耗达1.63 kWh/kg。采用真实谷氨酸发酵液时，通过添加氨水调节料室的pH，浓室内回收谷氨酸浓度可达到105 g/L，回收率为78.8%。采用电渗析法可将发酵液中的谷氨酸盐进行浓缩分离，除去部分杂质，简化后续精制提纯等工艺，避免水洗过程中大量用水。Chai等利用复分解电渗析离子重组工艺制备谷氨酸钠，可实现谷氨酸铵一步转化至谷氨酸钠，在优化条件下，最终产品液浓度为1.79 mol/L(约30.2%)，转化率为91.2%，能耗为2.98 kWh/kg 谷氨酸钠。并通过填充树脂改善了电渗析性能，其副产物(NH4)2SO4可作为生产铵肥的原料，不存在二次污染，而且所得谷氨酸钠产品液浓度达到了结晶工艺所需的浓度要求。

膜集成耦合生物发酵系统是利用膜技术将发酵与产物分离过程耦合，被认为是一种可降低成本且环境友好的方法[15]。将其应用于谷氨酸生产，可省去传统谷氨酸制备中过滤、酸化、中和、结晶、离子交换等步骤，大大降低了设备和运行成本，减少了污染物的产生。Pal等[16]首次使用三段膜集成耦合生物发酵法制备谷氨酸：第一段是利用聚偏氟乙烯(PVDF)微滤膜对发酵液进行微滤，细胞被分离后进入发酵罐中循环利用；第二阶段使用纳滤膜(NF-20)分离蔗糖和谷氨酸；第三段通过纳滤浓缩谷氨酸，滤出液包括水和离子补充到发酵罐。发酵罐由于添加了新鲜的发酵培养基和碳源并且通过连续去除谷氨酸，不需添加氨来调节pH值，减少了产物抑制，提高了谷氨酸发酵产率。经过三段膜集成处理，最终谷氨酸浓缩液得到产品含量为175 g/L，纯度达97%，每吨谷氨酸耗能达404 kWh。

由上述报道可知，目前谷氨酸提取中降低酸碱消耗的方法主要是替代现行的等电结晶工艺，采用膜法分离谷氨酸，这样可避免调节等电pH时大量的硫酸消耗；进一步将谷氨酸分离与发酵耦合，可减少氨的消耗。然而，目前膜技术应用于谷氨酸提取过程只适用于较低谷氨酸浓度的发酵液(<120 g/L)，膜的设备成本高、易产生膜污染等缺点限制了电渗析、微滤和纳滤等膜技术在谷氨酸提取过程的工业应用。

2.2 谷氨酸发酵废液资源化研究进展

谷氨酸生产过程产生的最主要、最难处理的废液是谷氨酸等电母液，其中含有菌体蛋白、硫酸铵、残糖、氨基酸(谷氨酸以及其他氨基酸)、有机酸以及核苷酸类降解产物等，还有K+、Na+、Ca2+、Cl-、PO43-等无机盐离子可进一步资源化利用；高浓度COD、NH4+、SO42-给比较成熟的厌氧处理工艺带来困难。因此，谷氨酸发酵废液的治理必须走资源化综合利用的道路。

本文按照利用方式将谷氨酸发酵废液的资源化方法分为直接回收有价值资源和培养微生物两类，并总结了发酵废液用于微生物培养技术的应用领域和特点。

2.2.1 直接回收有价值资源

硫酸铵是谷氨酸发酵废液中含量最高的无机盐，废液利用气浮技术回收菌体蛋白后直接浓缩干燥即可制成以硫酸铵为主要成分的复合肥，此方法最为简便，也是目前行业企业普遍采用的方法。但蒸发浓缩能耗大，废液直接干燥制备的复合肥质量不高，为提高复合肥质量，除菌后的废液可以先通过蒸发结晶回收硫酸铵，再进行喷浆造粒。

为进一步提高废液中有机质的利用价值，研究人员针对回收谷氨酸发酵废液中菌体RNA和游离氨基酸等有价值成分进行了研究。

发酵废液中提取后的菌体蛋白可作为优质蛋白饲料添加剂，其水解产物可作为复合氨基酸调配剂等高附加值产品。分离出的菌体可以进一步提取RNA，用于工农业生产、医疗卫生以及科学研究等领域。杨小姣等[17]用提取出来的菌体蛋白为原料，比较了盐法和超声波法提取RNA，结果表明盐法提取RNA更具优势，NaCl浓度为6%时RNA得率达4.5%。

发酵废液中游离氨基酸的含量可达1%～2.5%，可对其进行回收再利用。但发酵废液中氨基酸浓度较低，研究人员通常利用液膜法[18]或金属离子螯合法来分离富集氨基酸[19]。田光超等利用液膜法富集谷氨酸废水中氨基酸，在二(2-乙基己基)磷酸(D2EHPA)、山梨醇酐单油酸酯(Span-80)、H2SO4溶液和煤油组成的膜体系中，氨基酸萃取率高达80%。在味精废液中加入金属离子(如锌、铜、镧等)螯合制备微量元素氨基酸螯合物，可应用于饲料添加剂和农田施肥。马里娜利用味精离交尾液中的氨基酸与金属锌离子螯合，将离交尾液稀释100倍，超滤后与硫酸锌混合，得到螯合率达79.83%。该复合氨基酸螯合锌对DPPH自由基与羟基自由基具有较高的清除能力，并且对黑麦草的萌发起到明显的促进作用。

上述报道对谷氨酸发酵废液中高值组分的分离回收尚处于探索阶段，实际应用时需综合考虑处理量、工艺成本和与现行企业工艺衔接等问题，提取后的废液的后续处理也需要考虑，目前难以实际应用。

续 表

2.2.2 微生物培养

利用发酵废液培养微生物是常用的废液资源化的手段[20]。微生物能够综合利用发酵废液的各种资源，进一步降低废液中COD和氨氮；另一方面，对于发酵工业来说，以发酵废液作为培养基或替代营养物质能够降低生产成本。利用谷氨酸发酵废液培养微生物的报道很多，主要用于培养酵母菌、细菌、真菌、微藻，生产饲料蛋白、微生物油脂、聚谷氨酸、真菌多糖等(见表1)。

表1 谷氨酸发酵废液生物发酵技术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

但谷氨酸发酵废液培养微生物仍存在如下问题：

首先，谷氨酸发酵废液中NH4+、SO42-浓度较高，远远超过微生物耐受能力,且NH4+比SO42-对微生物生长的抑制作用更强。因此，研究人员利用发酵废液进行微生物培养前要进行预处理或筛选出对硫酸铵耐受力高的菌种。

目前谷氨酸发酵废液脱硫酸铵预处理方法主要有蒸发浓缩结晶、生石灰沉淀SO42-、吹脱氨气法、加水稀释法。硫酸铵通过蒸发浓缩结晶析出和回收，但硫酸铵的溶解度过高导致剩余废液中仍有3%～4%的硫酸铵，且蒸发结晶法能耗大，结晶出的硫酸铵品质低。氨气吹脱法可以有效地降低废液中的铵含量，但随着氨气向大气排放，废液中铵根的利用率将降低，而且氨气回收成本高，直接排放会导致二次环境污染。生石灰沉淀法虽然可以去除SO42-，但产生的石膏产品利润低，成为固体废弃物。稀释法在稀释硫酸铵的同时其他营养物质也被稀释，且需要大量的淡水，限制了该方法在工厂的应用。因此，为了寻找更加经济且环境友好的脱盐方法，杨文龙采用普通电渗析脱除谷氨酸发酵废液中的无机盐，结果表明发酵废液经活性炭预处理后能够有效脱出SO42-和NH4+，SO42-迁移率达85%时，能耗为3.64～4.88 kWh/kg。朱永强等先用酿酒酵母降解发酵废液中的NH4+，再用粘红酵母发酵培养合成油脂，粘红酵母最终生物量为33.3 g/L、油脂产率为18.16%，发酵废液中COD的去除率为50.6%，NH4+的去除率为93.9%，相比于单独培养粘红酵母均有提高。此外，通过驯化耐高浓度硫酸铵菌种可简化预处理过程。喻轶选用一株可在含50%硫酸铵浓度的味精废水中生长的汉逊德巴利酵母，以味精废水作为培养基成分之一培养酵母，得到生物量干重达5.82%，将酵母自溶后发酵液喷雾干燥用作饲料添加剂。邢旭等通过驯化筛选得到一株在培养基(NH4)2SO4浓度达150 g/L时表现优良的粘红酵母Rh8。该菌株虽然可以耐高浓度硫铵，但是不能有效地利用硫铵。

谷氨酸发酵废液碳氮比较小，用于微生物培养仍需补充葡萄糖、玉米粉等碳源，为降低成本，可用其他碳氮比较高的工业废水复配。例如，万俊杰等利用味精废水复配啤酒废水(主要碳源)作为替代培养基培养枯草芽孢杆菌(Bacillussubtilis)AS1-296制备含γ-聚谷氨酸的絮凝剂吸附Cu2+，该絮凝剂最大Cu2+吸附量为4.1 mg/g，最佳解吸率达81%。

大部分发酵废液资源化研究中忽略了SO42-的评估，文献中所用的微生物通常不利用SO42-或利用极少，而SO42-排放超过4 g/L就会抑制厌氧生化处理。因此，如何提高综合利用率是谷氨酸发酵废液应用于微生物培养应考虑的重要方面。

最后，谷氨酸发酵废液性质不稳定和产品的发酵工艺不成熟会导致产品的产量和质量不稳定，这也是阻碍谷氨酸发酵废液应用于微生物培养的因素之一。

虽然利用味精废水培养微生物可实现资源综合利用，研究报道也很多，但废液缺乏高效的脱盐手段，耐盐微生物有限且培养后的废液仍需进一步处理才可进入常规厌氧生化处理环节，这些问题导致将谷氨酸发酵废液直接用于培养微生物难以推向实际应用。

3 总结与展望

味精行业经过十几年清洁生产改造和发展，取得了一定成果，但是还存在着提取工艺中谷氨酸收率和质量不高、发酵废液资源化生产复合肥工艺中肥料质量不好、污染环境等问题。未来清洁生产一方面应该改进谷氨酸的提取技术，提高谷氨酸的提取率和产品质量。针对现行直接加酸等电法，增强双结晶工艺的稳定性后会有更好的应用前景。另一方面，应积极探索研究新工艺、新方法，从源头上减少酸碱消耗，降低废液中盐含量，实现盐的高效分离回收，以解除后续废液资源化利用的高盐限制，节约成本。电渗析、膜集成等膜技术在谷氨酸清洁生产中展现出良好的发展潜力，研究中应致力于提高谷氨酸收率，并降低膜设备和运行成本，提高工艺稳定性[21]。

对于谷氨酸发酵废液综合利用方面，分离回收菌体蛋白后可对其进行深加工，提高附加值；除菌废液用于微生物培养虽然可利用其剩余营养物质，但仍需解决高盐问题，且难利用其中SO42-，因此仍需与其他方法组合使用，寻找最合适的清洁生产方案使经济效益和环境效益最大化。