[发明专利]一种利用超滤纳滤技术精制生物发酵液中聚谷氨酸的方法

说明书

技术领域:

本发明属于生物法合成及提纯技术领域，特别涉及一种分离提纯生物发酵液中不同分子量生物可降解高分子材料——聚谷氨酸的方法。

背景技术:

在环境日益恶劣、资源日益匮乏的今天，寻找一种用途广泛且可以降解的生物高分子材料就显得尤为重要。γ-聚谷酸(γ-Polyglutamicacid)简写γ-PGA是某些芽孢杆菌（Bacillus）合成的一种细胞外高分子聚合化合物，它以谷氨酸为唯一单体，是由L一谷氨酸(L—Glu)、D一谷氨酸(D—Glu)通过酰胺键结合形成的一种多肽分子,γ-PGA在体内被酶分解为谷氨酸,进入三羧酸循环,无毒副作用,在自然环境中,γ-PGA彻底分解或燃烧后,生成二氧化碳和水，对环境没有任何污染。因此，γ-PGA是一种极具潜力的高分子材料，利用γ-PGA制成的水凝胶不仅保留了普通水凝胶材料的基本特性，还具有结构可控性、高吸水性、较高机械强度、生物可降解性等特性。特别是通过芽孢杆菌发酵生产获得的γ-PGA，其分子链上有大量活性较高的侧链羧基，具有良好的高吸水性（1：3500，m/v）、生物相容性、生物降解性、无毒无害等优点，可作为化妆品添加剂、保水剂、高吸水树脂、重金属吸附剂、食品添加剂、医药载体、组织工程材料等广泛应用于化妆品、食品、农业、医药、合成纤维和涂膜等领域。

20世纪90年代以来，日本、美国等一些发达国家对γ-PGA的制备和应用的研究十分活跃，微生物发酵法生产γ-PGA的技术也处在世界的前列，以味之素株式会社、明治制果公司和广崎大学为代表的国外单位对γ-PGA的性能，合成和应用做了较深入地研究，γ-PGA已有商业产品，我国在这方面研究的相对较少，中国台湾在γ-PGA发酵生产研究也有很大进展，中国大陆对γ-PGA大量投产生产的研究还欠缺，尤其是在黏稠的发酵液中，对分子量在一定范围内的γ-PGA来说，提取γ-PGA的效率只有40～50%，造成大量γ-PGA浪费和损失。

γ-PGA作为一种全天然、多功能性、生物可分解性的生物高分子产品，相对分子质量(Mw)在10⁴-l0⁶的范围内，可以制成不同相对分子质量的产品应用于各种不同领域。如化妆品级、食品级的γ-PGA分子量为70万；药品级的分子量是100万；污水处理级的分子量是100万；土壤、植物调节剂级的分子量20万以下等。

采用酸碱滴定法测定游离型γ-PGA的pKa值，得到γ-PGA的pKa=2.23，该值与谷氨酸的α-羧基的pKa值大体一致。利用TGA和DSC进行热性质的分析，得出其热分解温度为235.9℃，熔点为223.5℃。γ-PGA酸水解后用GITC做衍生化试剂，HPLC测得γ-PGA中D-谷氨酸和L-谷氨酸的比值稳定在D:L=3:2。一般而言，由芽孢杆菌产生的γ-PGA的平均分子量(Mw)在10⁴-l0⁶之间，本专利中，用实验室生物发酵法产出γ-PGA的分子量(Mw)分布在5×10⁴-10⁶之间。

膜分离技术利用膜对混合物中各组分的选择透过性来分离、提取、和浓缩目的产物，膜分离过程在常温下进行，无相变，能耗低，设备简单，操作控制方便，已在化工、医药、轻工、食品、纺织、电子、冶金等多个领域得到应用。适用于发酵液处理的膜分离技术有微滤、超滤、纳滤和反渗透。微滤截留0.01～10um以上的粒子，如菌体、细胞、不溶物等，常用超滤预处理过程；超滤膜截留分子量5000～500000，膜孔径1～20nm，可以截留病毒、蛋白质、酶、多糖等大分子物质；反渗透只允许溶剂分子通过，盐、氨基酸等小分子物质也被截留；纳滤膜平均孔径2nm，截留组分可小到抗生素、合成药、染料、二糖等，允许水、无机盐、有机物等小分子物质通过，截留性能介于超滤和反渗透之间。膜材料可分为高分子膜、无机膜和液体膜，常用的是高分子膜，其次是无机膜。膜结构可分为对称膜和非对称膜，超滤通常为非对称膜，非对称膜中起截留作用的是致密的表面皮层，其厚度仅0.1～15um，在皮下有多孔网状结构和支撑层，支撑层厚度在50～250um，这样既保证对大分子物质的有效截留，又降低分离操作时膜对阻力。提高了膜通量，也具有了一定的机械强度。