基本信息
- 項目名稱：
- 發(fā)酵法L-精氨酸的提取及其α-酮戊二酸鹽的制備
- 小類：
- 生命科學
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 在發(fā)酵法L-精氨酸的研究基礎上，重點開展產(chǎn)物的高效提取和制備工藝研究，開發(fā)具有增強肌肉力量、排毒護肝和調(diào)節(jié)免疫等功能的L-精氨酸α-酮戊二酸鹽的新型制備工藝。
- 詳細介紹：
- L-精氨酸是重要的藥用氨基酸，具有重要的生理生化意義，在食品、醫(yī)藥工業(yè)中應用廣泛；L-精氨酸是尿素循環(huán)中的重要物質(zhì)，補充精氨酸能夠增加肝臟中精氨酸酶活性而有助于氨排放，另外其作為前體物質(zhì)參與重要信使物質(zhì)NO的生物合成而具有重要的生理功能；L-精氨酸α-酮戊二酸鹽(AKG)是一種重要的L-精氨酸功能性衍生物，其作為功能性營養(yǎng)強化劑和護肝藥物，能促進肌肉的快速增長和恢復，促進和維持肝臟的正常功能。 L-精氨酸是發(fā)酵法氨基酸生產(chǎn)中的瓶頸品種，高產(chǎn)L-精氨酸基因工程菌在發(fā)酵過程中氧需求量大?；诖x代謝流量分析，提出兩步供養(yǎng)策略，應用新的供養(yǎng)方式L-精氨酸產(chǎn)量提高16%，發(fā)酵周期縮短6h；通過增加攪拌器數(shù)量和攪拌器組合方式，改變了無菌空氣在發(fā)酵培養(yǎng)基中的路徑和分布，從而改善了氣液傳質(zhì)和減少了發(fā)酵過程中泡沫的產(chǎn)生，使得精氨酸產(chǎn)量提高了5%；控制發(fā)酵培養(yǎng)基中基質(zhì)的初始濃度和最佳流加方式，初始糖濃度為100 g/L時，在發(fā)酵至24h時以2.5g/h的恒速流加葡萄糖至88h結(jié)束，最終產(chǎn)酸較對照組提高了27.5%。pH控制在偏酸性的條件下也有利于產(chǎn)酸。 使用氨基酸通用提取工藝L-精氨酸的發(fā)酵后提取率一般小于70%。課題研究了不同絮凝劑對菌體絮凝的作用，結(jié)果表明調(diào)節(jié)體系pH在4時，400mg/L殼聚糖作為絮凝劑，絮凝率Rf= 99.3%； L-精氨酸目前主要采用離子交換方式進行純化，項目通過組合不同的膜分離過程實現(xiàn)對其進行純化。L-精氨酸屬于兩性電解質(zhì)，其等電點為10.76，當調(diào)節(jié)發(fā)酵液體系pH大于10.76時，溶液中L-精氨酸呈負電荷，利用合適孔徑的納濾膜可以實現(xiàn)L-精氨酸的高效截留達到濃縮目的；發(fā)酵液用殼聚糖絮凝、過濾除菌體后再超濾，濾液用MWCO 400-800Da的納濾膜進行脫色，透過液用MWCO 100-200 Da納濾膜納濾除鹽和濃縮，體積濃縮一半時L-精氨酸表觀截留率>81.0%。利用反滲透膜分離濃縮，L-精氨酸表觀截留率>97%。 利用L-精氨酸和α-酮戊二酸發(fā)酵液制備AKG的研究中，分別研究了不同比例對產(chǎn)物成分的影響，實驗結(jié)果表明L-精氨酸：α-酮戊二酸以5:4的摩爾比反應后結(jié)晶產(chǎn)物中兩種化合物的比例接近1:1，產(chǎn)率達到94%。研究溶媒體系對結(jié)晶的影響，結(jié)果表明4倍體積甲醇有利于結(jié)晶。 項目提出利用膜分離技術(shù)對發(fā)酵產(chǎn)物L-精氨酸和L-精氨酸α-酮戊二酸鹽進行濃縮，濃縮液直接結(jié)晶同步制備產(chǎn)物精酮合劑?；旌螸-精氨酸和α-酮戊二酸的發(fā)酵液，采用MWCO小于α-酮戊二酸分子量的納濾膜對混合過濾液進行納濾，基于分子篩效應而截留α-酮戊二酸，濃縮液中同時含有L-精氨酸和α-酮戊二酸，節(jié)省了生產(chǎn)成本，且濃縮液可以直接用于結(jié)晶制備產(chǎn)物精酮合劑，實現(xiàn)L-精氨酸提取和精酮合劑的同步制備。 項目目前正在進行精酮合劑AKG的生理功能性評價實驗。主要以小鼠為研究對象，研究其對肝臟損傷和體能改善的影響。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關鍵和主要技術(shù)指標
- 目的： 在發(fā)酵法L-精氨酸的研究基礎上，重點開展產(chǎn)物的高效提取和制備工藝研究，開發(fā)具有增強肌肉力量、排毒護肝和調(diào)節(jié)免疫等功能的L-精氨酸α-酮戊二酸鹽的新型制備工藝。 基本思路： (1) 通過對L-精氨酸的中試發(fā)酵工藝研究，熟化L-精氨酸的高產(chǎn)發(fā)酵工藝； (2) 重點開展L-精氨酸的后提取技術(shù)研究，并開展L-精氨酸α-酮戊二酸鹽（AKG）的同步制備工藝研究。 技術(shù)關鍵： (1) 面向中試的L-精氨酸高產(chǎn)發(fā)酵工藝。擬通過培養(yǎng)基營養(yǎng)成分的調(diào)整或限制性供應，使菌株在良好的生理狀況下維持較高的產(chǎn)酸水平； (2) 節(jié)能減排型L-精氨酸的提取分離過程。充分利用產(chǎn)物L-精氨酸的特點，應用先進的分離裝備、分離介質(zhì)以及分離理念，減少提取過程的物耗、能耗和污染物排放；利用先進的膜分離技術(shù)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的離子交換方法； (3) 組成可控的AKG同步制備技術(shù)。如何選擇合適的生產(chǎn)工藝用于控制L-精氨酸和α-酮戊二酸的合成比例，這也是項目擬解決的難點之一。 技術(shù)指標： (1) 面向中試的L-精氨酸高產(chǎn)發(fā)酵工藝。完成50L規(guī)模的發(fā)酵產(chǎn)酸試驗，預期產(chǎn)酸水平能夠達到5%以上，達到國內(nèi)先進水平; (2) 節(jié)能減排型L-精氨酸的提取分離過程，總收率達到85%，達到國內(nèi)先進水平; (3) 組成可控的AKG同步制備技術(shù)，產(chǎn)品純度>99.0%，達到國際原料藥標準。
科學性、先進性
- 作品科學性先進性如下： (1) L-精氨酸高產(chǎn)發(fā)酵工藝。不同供氧條件下的L-精氨酸發(fā)酵特性的研究結(jié)果表明，發(fā)酵生產(chǎn)L-精氨酸對供氧有較高的要求。提出了兩步法供氧控制策略，該策略先在發(fā)酵的初始階段維持高供氧條件，然后控制攪拌轉(zhuǎn)速穩(wěn)步下降，以維持一個穩(wěn)定的溶氧改變。 (2) 節(jié)能減排型L-精氨酸的提取分離過程。L-精氨酸是一種堿性氨基酸，根據(jù)其理化性質(zhì)，系統(tǒng)研究高效絮凝、離子交換和洗脫方式對產(chǎn)物提取效率的影響。 (3) 組成可控的AKG同步制備技術(shù)。由于L-精氨酸和α-酮戊二酸的不同組成比例具有不同的生理功能，所以提出發(fā)酵產(chǎn)物L-精氨酸提取與α-酮戊二酸鹽同步制備工藝，并能實現(xiàn)組成比例的精確控制。 (4) 膜分離提取L-精氨酸和 L-精氨酸α-酮戊二酸鹽。針對產(chǎn)物濃縮工藝，應用膜法分離提取產(chǎn)物L-精氨酸和 L-精氨酸α-酮戊二酸鹽，高度濃縮的樣品能直接進行結(jié)晶獲得產(chǎn)物。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 無
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 技術(shù)轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品；圖片；樣品
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 氨基酸產(chǎn)業(yè)是生物產(chǎn)業(yè)的支柱之一，也是生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)中最具活力的領域之一，圍繞氨基酸的生物制造進行選題符合宏觀的產(chǎn)業(yè)導向。我國政府非常重視生物產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》已明確把生物產(chǎn)業(yè)作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)予以發(fā)展和支持。 精氨酸是我國發(fā)酵氨基酸的瓶頸品種，其產(chǎn)業(yè)技術(shù)一直是生物技術(shù)領域的難題。項目技術(shù)面向發(fā)酵法氨基酸制造的下游產(chǎn)業(yè)，旨在促進技術(shù)向生產(chǎn)力的轉(zhuǎn)化。相關研究內(nèi)容直接來源于氨基酸制造行業(yè)的需求，其突破將顯著提高我國L-精氨酸的生產(chǎn)水平和能力。 Ｌ-精氨酸是合成或配制醫(yī)藥、保健品、化妝品、食品、香料的重要原料，存在較大的市場供給缺口，產(chǎn)品市場前景廣闊。采用發(fā)酵法制備的L-精氨酸及其α-酮戊二酸鹽，可以進一步促進精氨酸在相關行業(yè)的應用。 本項目研究以精氨酸酮戊二酸鹽單一制劑為研究對象，每粒膠囊含復合物250mg、每瓶100粒（即每瓶25g）。10噸/年發(fā)酵法復合物（10,000,000g）可生產(chǎn)0.4億粒，即40萬瓶。
同類課題研究水平概述
- 1. 產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀 L-精氨酸具有重要的生理生化意義，在食品、醫(yī)藥工業(yè)中有廣泛的應用。目前，采用發(fā)酵法生產(chǎn)L-精氨酸，例如日本味之素、日本協(xié)和發(fā)酵、韓國大象是產(chǎn)量較大的企業(yè)，占據(jù)了全球藥用級精氨酸的主要市場。L-精氨酸的市場需求呈快速增長狀況，國內(nèi)外年需求量已達到1.3萬噸以上，產(chǎn)品的消費主要集中在歐美日等發(fā)達國家。我國的需求量從本世紀初的200噸已增加到現(xiàn)在的2500噸，而產(chǎn)量不到1200噸。與此同時，國際市場上L-精氨酸延伸產(chǎn)品，在食品、醫(yī)藥產(chǎn)品中應用也逐漸升溫，N.O.-XPLODE在美國成為銷量第一的氮氧類產(chǎn)品。 2. 技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 L-精氨酸是世界上公認的發(fā)酵法中的瓶頸氨基酸，其原因主要在于代謝路線復雜，路徑長，細胞積累困難。目前很多構(gòu)建好的工程菌往往在實驗室階段具有較好的產(chǎn)酸水平，但達不到產(chǎn)業(yè)化要求，產(chǎn)業(yè)化實施的并不多。 我國開展發(fā)酵法精氨酸的生產(chǎn)時間較短產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗較少，而在精氨酸的發(fā)酵后提取方面，很多工藝依然沿用的是氨基酸通用提取工藝，提取率一般在70%以下。圍繞著提高提取收率和產(chǎn)物純度方面，我國學者也提出了眾多解決思路。如ZL03132309提供了一種沉淀法提取精氨酸的工藝，收率達到了80%以上，但過程使用了大量的十二烷基苯磺酸鹽。 在精氨酸衍生物的開發(fā)方面，近年不斷涌現(xiàn)出不同衍生物及其新型制備工藝，主要集中在如下幾個方面：一是與酮戊二酸配位成鹽，強化對TCA循環(huán)及精鳥循環(huán)的推動，發(fā)揮一氧化氮的信號載體作用和肝臟解毒功能。二是與多糖、維生素、有機酸或天然活性產(chǎn)物形成精氨酸綴合物，既發(fā)揮精氨酸的一氧化氮的載體作用，又強化配位物質(zhì)的活性。三是作為乙?；揎棶a(chǎn)物，主要作為激素類藥物的載體，如JP2002-004666所述的各類精氨酸衍生物，主要提供對促黑激素（MC4）受體具有親和性及特異性的肽型配體；CN1390832A提出的創(chuàng)新構(gòu)型化合物N，N’-二乙酰胱氨酸精氨酸主要用于對肝病、慢性感染病以及自身免疫疾病的治療。 因此，精氨酸衍生物的開發(fā)是國內(nèi)外競相開發(fā)的熱點，而AKG則是藥理作用相對明確、國外市場相對成熟的產(chǎn)品之一。我國對其制備工藝研究不多，目前僅有一片專利相關（一種α-酮戊二酸-精氨酸鹽制劑的制備方法及在治療肝病中的應用, 中國專利, 200710063479。）
