氨基酸生產(chǎn)工藝的上下游技術(shù)

1、氨基酸生產(chǎn)工藝的上下游技術(shù) 學(xué)院：國(guó)際學(xué)院 專業(yè)：生物工程 姓名：李尚義 學(xué)號(hào)：201048970115 摘要： 論述了氨基酸國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)現(xiàn)狀、生物技術(shù)在氨基酸開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用以及氨基酸 發(fā)展前景，并提出我國(guó)氨基酸發(fā)展建議和了氨基酸廢水主要組成特點(diǎn)及治理方 法，重點(diǎn)對(duì)氨基酸廢水處理工藝進(jìn)行了詳細(xì)分析和探討，以及 處理氨基酸生產(chǎn) 廢水的方法，必須把廢水治理和綜合利用相結(jié)合，才能實(shí)現(xiàn)活潔生產(chǎn)。 關(guān)鍵詞： 氨基酸；生產(chǎn)技術(shù)；發(fā)展；廢水；處理；工業(yè)化；氨基酸廢水處理；水處理 技術(shù)。 正文： 氨基酸是含氨基和毯基的有機(jī)化合物的統(tǒng)稱，是構(gòu)成生物體蛋白質(zhì)的基本單 位。蛋白質(zhì)氨基酸有20種，非蛋白質(zhì)氨基酸有400多

2、種，其衍生物和合成的短肽品 種達(dá)數(shù)千種之多。氨基酸廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、保健、飼料、化妝品、農(nóng)藥、 肥料、制革、科學(xué)研究等領(lǐng)域。 氨基酸生產(chǎn)方法分為四種：生物資源提取法(蛋白質(zhì)水解法)、化學(xué)合成法、 發(fā)酵法(分直接發(fā)酵法和前體添加發(fā)酵法)、酶法。 其上游技術(shù)主要分為： (1) 氨基酸生物合成途徑研究要想培育出某種氨基酸的產(chǎn)生菌 ，首先要了解 此氨基酸的生物合成途徑，關(guān)鍵酶的反饋調(diào)控機(jī)制，考慮解除方法，從而設(shè)計(jì)育種 Zu o (2) 載體-受體系統(tǒng)及克隆表達(dá)獲得受體。氨基酸工程菌受體主要是大腸 桿菌和棒狀桿菌家族，通常是通過(guò)誘變選育出的基礎(chǔ)產(chǎn)率高的菌株；載體構(gòu) 建。有效的載體需要有在受體菌中可啟

3、動(dòng)的復(fù)制起始位點(diǎn) ，可從棒狀桿菌家族內(nèi) 源小質(zhì)粒中獲得；載體所需的篩選標(biāo)記及外源基因插入的多克隆位點(diǎn) ，可從常用 的克隆載體中獲得；基因轉(zhuǎn)移。通常采用的方法有：原生質(zhì)體轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)、電 轉(zhuǎn)化、接合轉(zhuǎn)移；外源基因克隆。通常使用營(yíng)養(yǎng)缺陷型互補(bǔ)法；基因表達(dá)。 (3) 酶調(diào)控 酶量的調(diào)控。也可視為酶基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控，在氨基酸途徑上關(guān)鍵酶的表達(dá)， 受到調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物和代謝終產(chǎn)物的共同影響，誘導(dǎo)物利用酶的濃度較高時(shí)的合成 而阻遏物抑制酶的合成；酶活性調(diào)節(jié)。酶的活性可受到代謝物的抑制，在達(dá)到 一定濃度時(shí)，代謝產(chǎn)物可結(jié)合于酶上，酶由活性態(tài)聚合為無(wú)活性的復(fù)合物。 (4) 構(gòu)建高效氨基酸產(chǎn)生菌 獲得大量的前體物質(zhì)。切斷

4、除目的氨基酸外的其它控制共用酶的終產(chǎn)物分 枝合成途徑，增加目的氨基酸前體物質(zhì)的合成，可使氨基酸產(chǎn)量增加或減少其分 解；酶量的提高。用高拷貝的克隆載體將目的基因在宿主菌中大量擴(kuò)增 ，將得 到的關(guān)鍵酶基因與高拷貝的表達(dá)載體相連 ，將重組質(zhì)粒導(dǎo)回原始菌株，使酶產(chǎn)量 高；通過(guò)去除衰減子結(jié)構(gòu)，消除對(duì)基因轉(zhuǎn)錄的抑制作用；用突變篩選出抗反饋抑制 的突變株，或用定點(diǎn)突變的方法獲得失活的調(diào)節(jié)基因，使它的產(chǎn)物不能與代謝產(chǎn) 物結(jié)合來(lái)抑制轉(zhuǎn)錄的進(jìn)行；改變細(xì)胞膜的滲透性，把屆于反饋抑制因子的終產(chǎn)物 氨基酸迅速排出細(xì)胞外，使終產(chǎn)物積累達(dá)不到引起抑制的濃度，從而不會(huì)抑制轉(zhuǎn) 錄的進(jìn)行；酶活性的提高。一些反應(yīng)產(chǎn)物可與酶結(jié)合，使

5、其活性喪失，利用酶基 因突變,使產(chǎn)物不與酶結(jié)合,從而達(dá)到保持酶活性的目的。 （5） 基因工程菌的高密度培養(yǎng)工程菌工業(yè)化生產(chǎn)的基本要求之一是細(xì)菌的 高密度培養(yǎng)以及重組質(zhì)粒的傳代穩(wěn)定性。 在構(gòu)建質(zhì)粒的同時(shí)插入一個(gè)穩(wěn)定性基因 可以增加工程菌的傳代穩(wěn)定性；設(shè)計(jì)一種高濃度的合成培養(yǎng)基可以增加單位體積 內(nèi)細(xì)菌生長(zhǎng)密度，提高工作效率。 在氨基酸生產(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)排放大量的生產(chǎn)廢水，帶來(lái)許多嚴(yán)重的環(huán)境污 染問(wèn)題，氨基酸生產(chǎn)行業(yè)廢水治理日益得到人們的重視。 本文通過(guò)工程實(shí)踐總結(jié)， 闡述了一種有效的氨基酸廢水治理方法。 其下游技術(shù)主要有： 根據(jù)氨基酸廢水組成特點(diǎn)，該廢水組成共分濃水和洗液兩部分，廢水中主要 污染物

6、為氨氮和 COD。本著節(jié)能減排資源化再生利用的原則， 根據(jù)母液和洗水 兩種廢水的組成特點(diǎn)，通過(guò)工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，可采取分別收集處理然后再綜 合治理的措施。氨基酸母液水量相對(duì)較小，廢水中鉉鹽（一般為硫酸鉉或氯化鉉） 是氨基酸生產(chǎn)工藝過(guò)程合成的副產(chǎn)物， 無(wú)重金屆或其他有蠹有害物質(zhì)。母液中鉉 鹽濃度一般可以達(dá)到白分之十幾， 鉉鹽濃度較高，具有一定的回收利用價(jià)值，回 收的硫酸鉉或氯化鉉一般可以作為化工原料或鉉肥再利用。 氨基酸母液的處理需 要采取合理的回收處理工藝。氨基酸洗水廢水中氨氮和 C O D 相對(duì)較低， 水量是 母液的幾倍，水量相對(duì)較大，廢水中鉉鹽濃度較低，而且廢水中的氨氮和 COD 受生產(chǎn)

7、過(guò)程和操作系統(tǒng)等原因影響， 水質(zhì)水量變化較大，廢水采用直接回收利用 工藝，一般回收成本較高，設(shè)備投資巨大，廢水中的有價(jià)值成分不利于回收再利 用，一般采取物化或生物法等水處理工藝去除。 氨氮廢水可供選擇的處理方法通常有物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)法及生化法 等。物理法有反滲透、土壤灌溉等；化學(xué)法有離子交換、折點(diǎn)加氯、含氨副產(chǎn)品 生產(chǎn)、焚燒、催化裂解、電化學(xué)處理等；物理化學(xué)法有蒸僻法（即蒸汽汽提） 、 吹脫法等；生物法有藻類養(yǎng)殖、生物硝化等。雖然許多方法都能有效地去除氨氮， 但目前只有幾種方法能在工程上真正用于含氨氮廢水的處理。 處理技術(shù)的選擇主 要取決于廢水的成分組成、要求達(dá)到的處理效果及經(jīng)濟(jì)性。根

8、據(jù)國(guó)內(nèi)外工程實(shí)例 及資料介紹，目前處理氨氮廢水的實(shí)用方法主要有生物處理法、 蒸僻法、折點(diǎn)加 氯法、離子交換法及吹脫法、膜濃縮法等。 月昊法濃縮工藝 自從膜分離技術(shù)問(wèn)世以來(lái)，人們很快就發(fā)現(xiàn)它在環(huán)境工程中的作用。在目前 能源緊張、水資源缺乏和環(huán)境污染日益嚴(yán)重的年代， 膜分離技術(shù)得到世界各國(guó)的 重視，并已發(fā)展成為重要的產(chǎn)業(yè)，被認(rèn)為是 2 0 世紀(jì)末到 2 1 世紀(jì)中期最具發(fā)展 前途的高技術(shù)之一。因膜分離技術(shù)分離的對(duì)象是流體，因此主要適用于廢水、廢 液、廢氣的處理，即利用膜能截留廢水、廢氣中某些污染物而讓水或空氣透過(guò)， 從而達(dá)到將污染物從水中脫除的目的。 乂例如在節(jié)流方面，膜法是凈水技術(shù)的前 沿，膜法

9、處理工業(yè)廢水具有低能耗、可實(shí)行閉路循環(huán)、無(wú)二次污染等特點(diǎn)。由于 膜分離技術(shù)在水處理方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)， 經(jīng)過(guò)近 3 0 年的開(kāi)發(fā)，目前已廣泛用 于工業(yè)廢水和生活污水的處理和凈化， 成為世界各國(guó)競(jìng)相研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的熱 點(diǎn)。 生化處理工藝 該工藝?yán)蒙锞鷮⒂袡C(jī)氮轉(zhuǎn)化為氨氮，再通過(guò)硝化與反硝化將硝態(tài)氮還原 成氣態(tài)氮從水中逸出，從而達(dá)到脫氮的目的。但由于生物菌所能承受氨氮的濃度 較低，一般不能超過(guò) 2 0 0 m g/L ,當(dāng)氨氮高于 2 0 0 3 0 Omg/L 時(shí)， 會(huì)抑制細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖。因此該工藝適用于氨氮含量低于 2 0 0 m g/L 左右具備 可生化性處理的低濃度氨氮廢水。 傳統(tǒng)填料式

10、的吹脫工藝 該工藝是利用廢水中所含的氨氮等揮發(fā)性物質(zhì)的實(shí)際濃度與平衡濃度之間存 在的差異，在堿性條件下用空氣吹脫，使廢水中的氨氮等揮發(fā)性物質(zhì)不斷地由液 相轉(zhuǎn)移到氣相中，從而達(dá)到從廢水中去除氨氮的目的。 但由于氨氮在水中存在溶 解平衡關(guān)系，當(dāng)氣液兩相的氨處于平衡狀態(tài)時(shí)，水中的氨氮將不能被吹脫逸出， 因此該工藝不適用于高濃度氨氮廢水。且傳統(tǒng)填料式吹脫工藝還存在吹脫效率 低、時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)溫度要求高、填料易結(jié)垢等缺點(diǎn)。 離子交換法 沸石是含水的鈣、鈉以及徹、鉀的鋁硅酸鹽礦物，因其含有一價(jià)和二價(jià)陽(yáng)離 子，具有離子交換性，因此沸石具有離子交換的能力，可將廢水中的 NH+ 4 交 換出來(lái)。該工藝的缺點(diǎn)是只適用

11、于氨氮含量在 5 0 m g/L 以下的廢水， 且交換 劑用量大需再生，再生頻繁，并且再生液需要再次脫氨氮。采用該工藝還要求對(duì) 廢水作預(yù)處理以除去懸浮物，因此該法的成本較高，同等濃度下，處理費(fèi)用為其 他工藝的 1 . 5 2 倍。 折點(diǎn)加氯工藝 折點(diǎn)加氯工藝是利用氯氣通入水中所發(fā)生的水解反應(yīng)生成次氯酸和次氯酸 鹽，通過(guò)次氯酸與水中氨氮發(fā)生化學(xué)反應(yīng)， 將氨氮氧化成氮?dú)舛コＴ摲椒ǖ?缺點(diǎn)是加氯量大、費(fèi)用高、操作安全性差，設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，容易發(fā)生危險(xiǎn)，工藝 過(guò)程中每氧化 1 m g/L 的氨氮要消耗 14. 3 m g/L 的堿度，從而增加了總 溶解固體的含量，比較適合低濃度氨氮廢水的處理。 污水

12、處理工藝的確定 母液和洗水中的主要污染物為氨氮和 COD,母液中鉉濃度和 C OD 很高， 應(yīng)對(duì)其進(jìn)行脫鹽預(yù)處理，回收硫酸鉉；脫鹽后的濃水帶有少量的氨氮和 COD （約 每升幾白毫克濃度），可以并入洗水處理工藝系統(tǒng)混合處理。洗水中的主要污染 物為 C O D 和氨氮，廢水中 COD 可以采用生化法去除， 廢水中的氨氮高達(dá)每升 幾千毫克，會(huì)對(duì)生化處理生物菌產(chǎn)生抑制作用，需要對(duì)廢水中氨氮進(jìn)行脫氮預(yù)處 理。根據(jù)洗水水質(zhì)情況，采用吹脫氨氮技術(shù)，降低廢水中的氨氮，使廢水具備可 生化處理工藝標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)氨基酸廢水水質(zhì)和生產(chǎn)工藝情況， 對(duì)生產(chǎn)中的濃水和洗 水?dāng)M采用分別收集預(yù)處理+厭氧+二級(jí) A/O 生化工藝。

13、 結(jié)語(yǔ)： 氨基酸廢水因?yàn)樯a(chǎn)工藝、生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)管理水平、生產(chǎn)線工人操作水平 等因素的影響，會(huì)出現(xiàn)廢水水量、水質(zhì)的波動(dòng)變化，給污水處理工藝選擇帶來(lái)困 難，增加污水處理設(shè)備系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，提高了污水處理運(yùn)行成本，導(dǎo)致企業(yè)生產(chǎn)成本 上升。想要處理好氨基酸廢水，需要企業(yè)不斷地提高自身的管理水平， 減少?gòu)U水 排放量和降低廢水中污染物含量。 我國(guó)氨基酸產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議 我國(guó)氨基酸產(chǎn)業(yè)近幾年雖然發(fā)展較快，但在生產(chǎn)規(guī)模、生產(chǎn)水平、生產(chǎn)設(shè)備、 產(chǎn)品品種以及科研力量等方面均落后于日本等國(guó)家 ，對(duì)如何發(fā)展我國(guó)氨基酸產(chǎn)業(yè) 特別是藥用氨基酸提出以下建議： 1 :加快新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)氨基酸國(guó)產(chǎn)化在尚未國(guó)產(chǎn)化的三個(gè)品種中，精氨酸、

14、 組氨酸要加 快形成規(guī)模生產(chǎn)，絲氨酸需加快開(kāi)發(fā)力度，爭(zhēng)取在近2 3年內(nèi)全面實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。 同時(shí)還要適應(yīng)氨基酸輸液的發(fā)展要求，應(yīng)著手谷氨酰胺、門冬酰胺、鳥(niǎo)氨酸、瓜 氨酸以及谷胱甘肽等短肽 2 :提高產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)品質(zhì)量是國(guó)產(chǎn)化的關(guān)鍵，通過(guò) 多年來(lái)的努力，國(guó)產(chǎn)氨基酸原料從無(wú)到有，產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高，達(dá)到國(guó)家和國(guó)際規(guī) 定標(biāo)準(zhǔn)。但在雜質(zhì)、透光率、晶形、熱原等各項(xiàng)內(nèi)控指標(biāo)仍與進(jìn)口產(chǎn)品有差距 ， 需要進(jìn)一步提高。 3 :大力培養(yǎng)人才發(fā)展氨基酸產(chǎn)業(yè)，人才是關(guān)鍵。除技術(shù)人才外，要培養(yǎng)多方面 人才，如管理、財(cái)務(wù)、營(yíng)銷、證券、策劃等，面向21世紀(jì)知識(shí)經(jīng)濟(jì)的來(lái)臨，更要積 極培養(yǎng)人才，善于使用人才，還要尊重和愛(ài)護(hù)人才。 參考

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