一种从反应液中提取半胱氨酸或其盐的方法及其应用与流程

1.本发明属于氨基酸生产领域，具体涉及一种从反应液中提取半胱氨酸或其盐的方法及其应用。


背景技术：

2.l-半胱氨酸是一种水溶性好且含有巯基(-sh)的氨基酸，市场上一般以l-半胱氨酸盐酸盐一水化合物的形式出售，主要用作食品或化妆品添加剂，以及用于药物原料。目前，l-半胱氨酸主要通过毛发水解法、生物发酵法和酶法制取，酶法因其产率高而具有更大的工业应用价值。无论是采用上述哪种方法，由于反应液(如无特别说明，本发明提到的反应液指代毛发水解液、发酵液或酶促液)中成分复杂，包括有害臭味物质(如水解、发酵或酶法过程产生的臭味物质，如硫化氢等)、大量杂蛋白(或水解多肽)、无机盐、杂氨基酸(如丝氨酸等)以及其他副产物，加上l-半胱氨酸含有的巯基官能团易氧化的特性造成收率降低，因此如何将l-半胱氨酸从反应液中高效地分离出来是非常困难的。
3.cn87103766a和cn101054597a都公开了一种提取l-半胱氨酸的方法，首先将反应液中的l-半胱氨酸氧化为l-胱氨酸，再调节溶液ph等电结晶分离出l-胱氨酸，然后将l-胱氨酸进行电解还原而得到l-半胱氨酸，所用氧化剂优选为二甲基亚砜。该方法以l-胱氨酸为中间产物间接地得到l-半胱氨酸，但还是存在一些较大的缺点：(1)l-半胱氨酸的氧化反应是一个气液固三相反应或固液两相反应，氧化过程在强酸性环境(ph《4，最好ph《1)和高氯离子浓度下进行，对设备的耐酸和防腐蚀要求高；(2)氧化过程需额外加入至少等同于l-半胱氨酸摩尔量的氧化剂且氧化时间较长，其中空气的氧化效果差、收率低，二甲基亚砜和双氧水成本高，且二甲基亚砜氧化产生的副产物二甲基硫醚是一种恶臭物质，会提高后续污水的处理难度，双氧水则容易氧化过度生成磺基丙氨酸等杂质；(3)以等电结晶的方式分离提取l-胱氨酸，中和过程采用氨水或氢氧化钠溶液，不可避免地会产生大量无机盐(氯化铵或氯化钠)，增加了结晶母液的处理难度；(4)在实际生产中，以等电结晶方式提取得到的l-胱氨酸的纯度不足以直接用于后续电解还原工序，仍需重结晶进一步提纯来满足电解要求。
4.cn101363035a公开了一种在酶法生产l-半胱氨酸过程中使用金属膜和三氯化铁氧化剂的方法，该方法采用三氯化铁为氧化剂且其使用量较大(l-半胱氨酸与三氯化铁的摩尔比为1：1～2.5)。由于l-胱氨酸和l-半胱氨酸均容易与铁离子发生络合反应，且铁离子对l-胱氨酸和l-半胱氨酸具有破坏作用，市售l-半胱氨酸产品对铁离子的含量具有较高要求(gb1886.75-2016半胱氨酸盐酸盐(食品级)规定铁含量需低于10ppm)，因此采用大量三氯化铁作氧化剂大大增加了产品中铁离子的去除难度。此外，该方法同样存在前述cn87103766a和cn101054597a中的一些缺点。
5.专利cn101245042b和cn103476748b描述了一种采用离子交换树脂对发酵液中l-半胱氨酸进行交换提纯的方法，该法通过两次离子交换过程可直接得到较高纯度的l-半胱氨酸溶液，避免了如前述专利中描述的间接提取方法的一些缺点。但是，该方法存在废水处
理量大(具体为树脂的活化过程、树脂的再生过程和产品的洗脱过程等产生的废水)的不足，且整个提取过程对氧含量要求较高，需避免氧气的存在。
6.专利cn111670178a公开了一种采用连续色谱法从发酵液中提取l-半胱氨酸的方法，该方法采用填充了强酸性阳离子树脂的模拟移动床为提取设备，实现了l-半胱氨酸提取的连续生产过程，并减少了废水的产生。尽管如此，该方法仍然会产生大量的废水(例如：树脂的活化过程、树脂的再生过程的废水)。另外，当前模拟移动床设备造价昂贵，而且对相应的配套设备具有较高的加工制造和自动化控制要求，这不可避免地会造成l-半胱氨酸提取成本的增加。
7.综上所述，半胱氨酸的提取方法主要有间接提取法(利用l-胱氨酸作为中间产物)和直接提取法(色谱法)两种提取方法。其中，间接提取法是目前工业上应用最多的方法，主要存在反应环境对设备腐蚀性大、废水和废盐产生多、母液处理困难、胱氨酸需多次结晶提纯来满足电解要求等缺点；直接提取法则存在着设备造价昂贵、树脂成本高、废水量大等缺点，目前还不适合于工业化生产。


技术实现要素：

8.本发明所要解决的技术问题是提供一种从反应液中提取半胱氨酸或其盐的方法，该提取方法操作工序简单，能够大幅减少废水和废盐的排放，对设备和管道的腐蚀性小，整个工艺过程更加绿色、环保、高效。
9.一种从反应液中提取半胱氨酸或其盐的方法，包括以下步骤：
10.(1)将含半胱氨酸的反应液进行预处理，得到预处理液；
11.(2)预处理液中的半胱氨酸与含醛基或者酮基官能团的化合物进行环合反应，反应结束后经过分离处理得到噻唑烷酸类中间体；
12.(3)步骤(2)的噻唑烷酸类中间体在酸性环境下进行水解反应，反应结束后经过后处理得到所述的半胱氨酸或其盐。
13.含醛基或者酮基官能团的化合物以环己酮作为示例，反应式表示如下：
[0014][0015]
本发明的方法基于半胱氨酸能够与含醛基或酮基官能团的化合物反应并生成在水中溶解度较低的噻唑烷酸类化合物的这一特性，利用环合反应将半胱氨酸转化为噻唑烷酸类化合物进行分离，再将噻唑烷酸类化合物水解生成半胱氨酸。该反应选择性高、反应条
件温和、操作简单，噻唑烷酸类化合物在水中溶解度低，在反应过程中便可析出，产物容易分离，整个工艺过程更加绿色、环保、高效。
[0016]
作为优选，所述的半胱氨酸为l-半胱氨酸、d-半胱氨酸或dl-半胱氨酸。上述半胱氨酸都可采用本发明的方法进行分离，由于l-半胱氨酸具有更大的商业应用价值，作为进一步的优选，所述的半胱氨酸为l-半胱氨酸。
[0017]
本发明中，所采用的反应液可以通过各种现有技术途径获得，只要其中含有半胱氨酸作为主要溶质即可，作为优选，步骤(1)中，所述的含半胱氨酸的反应液为合成半胱氨酸的毛发水解液、发酵液、酶促液或者其他主要溶质为半胱氨酸的反应液。
[0018]
作为优选，步骤(1)中，所述的预处理包括加酸调节ph、减压蒸馏和过滤中一种或者多种操作；通过上述操作，可以将反应液中比较容易除去的杂质先行除去，提高后续操作的效率；
[0019]
其中，过滤的目的是除去菌渣及其他不溶性杂质；减压蒸馏的目的是除去硫化氢等有害或臭味物质；加酸调节ph值是便于后续减压蒸馏除去硫化氢等有害或臭味物质；
[0020]
作为优选，当反应液为发酵液或酶促液时候，所述的预处理包括加酸调节ph至6以下、减压蒸馏和过滤操作；作为进一步的优选，用酸调ph至5或5以下。
[0021]
步骤(2)中，所述的含醛基或者酮基官能团的化合物的结构式为r1c(o)r2，所述r1或r2独立地选自h、c1～c8烷基、取代或者未取代的芳基或者杂芳基。其中，所述的r1和r2可以形成c5～c8元环；所述芳基或者杂芳基上的取代基为c1～c4烷基、c1～c4烷氧基或者卤素。作为优选，所述r1或r2独立地选自h、甲基、乙基、丙基、丁基、取代或者未取代的苯基、噻吩基或呋喃基，所述苯基、噻吩基或呋喃基上的取代基为甲基、甲氧基、f、cl或者br；所述的r1和r2可以形成五元环、六元环或者七元环。作为进一步的优选，所述的含醛基或者酮基官能团的化合物为苯甲醛、糠醛、环己酮、环戊酮、丙酮、丁醛或丁酮(即2-丁酮)。
[0022]
同现有的氧化反应相比，步骤(2)中，所述的环合反应的条件比较温和，作为优选，所述环合反应的温度为20～50℃，反应ph值为5.0～6.0，此时，可有效减少对设备的腐蚀，并且反应效率高。
[0023]
作为优选，步骤(2)中，半胱氨酸与含醛基或者酮基官能团的化合物中羰基的摩尔比为1：1～1.5。
[0024]
由于中间产物噻唑烷酸类中间体在反应体系中比较容易析出，可以通过简单的过滤进行分离，作为优选，步骤(2)中，所述的分离处理为过滤和洗涤。进一步地，所述洗涤采用水和醇的混合溶剂进行洗涤、或者水和醇溶剂进行交替洗涤，所述的醇溶剂可以为甲醇或者乙醇等低级醇。
[0025]
反应生成的噻唑烷酸类化合物在酸性环境下容易水解重新生成半胱氨酸和相应的含醛基或酮基官能团的化合物，而后者可通过蒸馏进行分离并回收套用，进而可以得到高纯度的酸性半胱氨酸水溶液。作为优选，步骤(3)中，所述的酸性环境由盐酸或者硫酸提供。其中，调节酸性环境所用的酸为稀盐酸或稀硫酸，浓度为3～10wt％，水解时直接将噻唑烷酸类中间体溶解在稀盐酸或稀硫酸中进行反应。所述盐酸或者硫酸中氢离子与半胱氨酸的摩尔比为1.1～1.4：1。
[0026]
作为优选，步骤(3)中，所述的水解反应过程中同时进行减压蒸馏操作，回收水解得到的含醛基或者酮基官能团的化合物并套用。
[0027]
步骤(3)中，所述的后处理为结晶分离，得到的产物为半胱氨酸或其盐，作为一种优选方式，后处理为加酸后进行冷却结晶或蒸发结晶，得到的产物为半胱氨酸的盐，进一步地，所述的酸为盐酸，通过结晶可以得到高纯度的半胱氨酸盐酸盐一水合物。作为另一种优选方式，所述的后处理亦可以调节ph进行等电结晶，得到产物为半胱氨酸。
[0028]
本发明还提供了一种半胱氨酸或其盐的生产方法，以上述提取方法为关键步骤，具体包括：
[0029]
(1)采用毛发水解法、生物发酵法和酶法得到含半胱氨酸的反应液；
[0030]
(2)按照所述的提取方法得到半胱氨酸或其盐。
[0031]
其中，毛发水解法、生物发酵法和酶法为本领域的现有技术。
[0032]
同现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
[0033]
(1)本发明的环合反应同现有提取技术相比，条件更加温和，大幅减少了酸碱用量及相应的废水和无机废盐的排放；
[0034]
(2)相较于传统提取技术中将半胱氨酸转化为胱氨酸的氧化反应，环合反应为液液反应，反应速率快、反应选择性高，不会引入或产生额外大量的废气、有机或无机物杂质；
[0035]
(3)噻唑烷酸类化合物在酸性环境下加热即可水解，水解生成的相应的含醛基、酮基官能团的化合物可通过蒸馏的方式分离，也即噻唑烷酸类化合物可通过水汽蒸馏或减压蒸馏的方式进行水解，相应的含醛基、酮基官能团的化合物可以回收并套用，并得到高纯度的酸性半胱氨酸水溶液。更进一步地，得到的高纯度的酸性半胱氨酸水溶液可通过结晶手段得到半胱氨酸、半胱氨酸盐酸盐一水合物或半胱氨酸盐酸盐无水物等产品。
附图说明
[0036]
图1为本发明提取半胱氨酸或其盐的工艺流程图。
具体实施方式
[0037]
下面结合具体实施例对本发明做进一步的描述。需要说明的是，实施例中的具体参数仅仅是示例性的描述，并不必然构成对本发明保护范围的限制，例如，实施例1中给出了含半胱氨酸的反应液的具体来源，但本发明的方法不仅仅适用于按照实施例1的方法的得到的酶促液，按照其他方法得到的酶促液以及按照其他方法得到的含半胱氨酸的溶液，只要其主要成分为半胱氨酸并且有提纯的需要，本发明的方法都可以适用。
[0038]
实施例1
[0039]
图1为本发明提取半胱氨酸或其盐的工艺流程图。如图1所示，采用自制的基因工程菌e.coli bl21(de3)/cas9 bab的粗酶液(具体来源可参考cn 112813012 a)，将其按比例8g l-丝氨酸：3.4g湿菌体投入，40％硫氢化钠加入量为12g，定容体积为100ml，催化反应过程维持37℃，放入摇床反应，时间4.5h，反应结束以丝氨酸转化率99％为指标，得到含半胱氨酸浓度为95.47mg/g的反应液。
[0040]
将反应液82g转入真空脱硫罐中，用10％盐酸溶液调ph＝5，温度小于60℃，减压蒸馏除去硫化氢。经检测酶促液中不存在硫化氢后，离心过滤除去菌渣，滤液中加入活性炭脱色，抽滤除去活性炭，脱色液中加入环己酮7.6g进行反应，反应温度50℃，ph＝5.0，反应时间3h，反应结束后抽滤出固体，用纯水甲醇混合溶剂(体积比为50:50)洗涤2次，烘干得到白
色固体10.8g。经检测，白色固体为目标产物环己酮噻唑烷酸，纯度为96.7％，收率为80.3％。
[0041]
该步反应式如下：
[0042][0043]
将得到的环己酮噻唑烷酸溶解于盐酸溶液中，盐酸浓度为3wt％，用量为95ml，加热至80℃左右进行减压蒸馏水解，馏分经冷凝分相可分别得到环己酮和水，水解液为含盐酸和l-半胱氨酸的水溶液，经检测，水解收率为93.9％。
[0044]
水解液中补加浓度为30％盐酸(使盐酸摩尔量为l-半胱氨酸的1.1倍)，浓缩至产品含量50～60％，降温至25℃保温结晶，得到l-半胱氨酸盐酸盐一水合物，经检测，l-半胱氨酸盐酸盐一水合物纯度为99.1％，结晶母液进行套用。
[0045]
同现有工艺相比，本发明的工艺得到的中间产物容易结晶和水解，避免了强酸、强碱和昂贵的氧化剂的大量使用，更适合工业化生产。
[0046]
实施例2
[0047]
按实施例1类似的方法得到含半胱氨酸浓度为122.0mg/g的反应液。将反应液82g转入真空脱硫罐中，用10％盐酸溶液调ph＝5，温度小于60℃，减压蒸馏除去硫化氢。经检测发酵液中不存在硫化氢后，离心过滤除去菌渣，滤液中加入活性炭脱色，抽滤除去活性炭，脱色液中加入环己酮12.1g进行反应，反应温度30℃，ph＝5.0，反应时间3h，反应结束后抽滤出固体，用纯水甲醇混合溶剂(体积比为50:50)洗涤2次，烘干得到白色固体15.4g。经检测，白色固体为目标产物环己酮噻唑烷酸，纯度为97.1％，收率为90.0％。
[0048]
将得到的环己酮噻唑烷酸溶解于盐酸溶液中，盐酸浓度为3wt％，用量为111ml，加热至80℃左右进行减压蒸馏水解，馏分经冷凝分相可分别得到环己酮和水，水解液为含盐酸和l-半胱氨酸的水溶液，经检测，水解收率为94.6％。
[0049]
水解液中补加浓度为30％盐酸，使盐酸摩尔量为l-半胱氨酸的1.1倍，浓缩至产品含量50-60％，降温至25℃保温结晶，得到l-半胱氨酸盐酸盐一水合物，经检测，l-半胱氨酸盐酸盐一水合物纯度为99.3％，结晶母液进行套用。
[0050]
实施例3
[0051]
按实施例1类似的方法得到含半胱氨酸浓度为126.2mg/g的反应液。将反应液82g转入真空脱硫罐中，用10％盐酸溶液调ph＝5，温度小于60℃，减压蒸馏除去硫化氢。经检测发酵液中不存在硫化氢后，离心过滤除去菌渣，滤液中加入活性炭脱色，抽滤除去活性炭，脱色液中加入丁醛7.4g进行反应，反应温度30℃，ph＝5.0，反应时间3h，反应结束后抽滤出固体，用纯水甲醇混合溶剂(体积比为50:50)洗涤2次，烘干得到白色固体13.9g。经检测，白色固体为目标产物丁醛噻唑烷酸，纯度为93.3％，收率86.6％。
[0052]
将得到的丁醛噻唑烷酸溶解于盐酸溶液中，盐酸浓度为3wt％，用量为145ml，加热至80℃左右进行减压蒸馏水解，馏分经冷凝分相可分别得到丁醛和水，水解液为含盐酸和
l-半胱氨酸的水溶液，经检测，水解收率为94.2％。
[0053]
水解液中补加浓度为30％盐酸，使盐酸摩尔量为l-半胱氨酸的1.1倍，浓缩至产品含量50-60％，降温至25℃保温结晶，得到l-半胱氨酸盐酸盐一水合物，经检测，l-半胱氨酸盐酸盐一水合物纯度为99.1％，结晶母液进行套用。
[0054]
实施例4
[0055]
按实施例1类似的方法得到含半胱氨酸浓度为120.1mg/g的反应液。将反应液82g转入真空脱硫罐中，用10％盐酸溶液调ph＝5，温度小于60℃，减压蒸馏除去硫化氢。经检测发酵液中不存在硫化氢后，离心过滤除去菌渣，滤液中加入活性炭脱色，抽滤除去活性炭，脱色液中加入丁酮7.1g进行反应，反应温度30℃，ph＝5.0，反应时间3h，反应结束后抽滤出固体，用纯水甲醇混合溶剂(体积比为50:50)洗涤2次，烘干得到白色固体11.8g。经检测，白色固体为目标产物丁酮噻唑烷酸，纯度为91.9％，收率76.1％。
[0056]
将得到的丁酮噻唑烷酸溶解于盐酸溶液中，盐酸浓度为3wt％，用量为119ml，加热至80℃左右进行减压蒸馏水解，馏分经冷凝分相可分别得到丁酮和水，水解液为含盐酸和l-半胱氨酸的水溶液，经检测，水解收率为94.5％。
[0057]
水解液中补加浓度为30％盐酸，使盐酸摩尔量为l-半胱氨酸的1.1倍，浓缩至产品含量50-60％，降温至25℃保温结晶，得到l-半胱氨酸盐酸盐一水合物，经检测，l-半胱氨酸盐酸盐一水合物纯度为99.3％，结晶母液进行套用。
[0058]
实施例5
[0059]
按实施例1类似的方法得到含半胱氨酸浓度为122.1mg/g的反应液。将反应液82g转入真空脱硫罐中，用10％盐酸溶液调ph＝5，温度小于60℃，减压蒸馏除去硫化氢。经检测发酵液中不存在硫化氢后，离心过滤除去菌渣，滤液中加入活性炭脱色，抽滤除去活性炭，脱色液中加入苯甲醛10.5g进行反应，反应温度30℃，ph＝5.0，反应时间3h，反应结束后抽滤出固体，用纯水甲醇混合溶剂(体积比为50:50)洗涤2次，烘干得到白色固体17.1g。经检测，白色固体为目标产物苯甲醛噻唑烷酸，纯度为96.9％，收率95.8％。
[0060]
将得到的苯甲醛噻唑烷酸溶解于硫酸溶液中，硫酸浓度为5wt％，用量为105ml，加热至80℃左右进行减压蒸馏水解，馏分经冷凝分相可分别得到苯甲醛和水，水解液为含硫酸和l-半胱氨酸的水溶液，经检测，水解收率为93.6％。

技术特征：
1.一种从反应液中提取半胱氨酸或其盐的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将含半胱氨酸的反应液进行预处理，得到预处理液；(2)预处理液中的半胱氨酸与含醛基或者酮基官能团的化合物进行环合反应，反应结束后经过分离处理得到噻唑烷酸类中间体；(3)步骤(2)的噻唑烷酸类中间体在酸性环境下进行水解反应，反应结束后经过后处理得到所述的半胱氨酸或其盐。2.根据权利要求1所述的从反应液中提取半胱氨酸或其盐的方法，其特征在于，所述的半胱氨酸为l-半胱氨酸、d-半胱氨酸或dl-半胱氨酸。3.根据权利要求1所述的从反应液中提取半胱氨酸或其盐的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的含半胱氨酸的反应液为合成半胱氨酸的毛发水解液、发酵液或者酶促液。4.根据权利要求3所述的从反应液中提取半胱氨酸或其盐的方法，其特征在于，所述的预处理包括加酸调节ph、减压蒸馏和过滤中一种或者多种操作。5.根据权利要求1所述的从反应液中提取半胱氨酸或其盐的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的含醛基或者酮基官能团的化合物的结构式为r1c(o)r2，所述r1或r2独立地选自h、c1～c8烷基、取代或者未取代的芳基或者杂芳基，所述的r1和r2可以形成c5～c8元环；所述芳基或者杂芳基上的取代基为c1～c4烷基、c1～c4烷氧基或者卤素。6.根据权利要求5所述的从反应液中提取半胱氨酸或其盐的方法，其特征在于，所述r1或r2独立地选自h、甲基、乙基、丙基、丁基、取代或者未取代的苯基、噻吩基或呋喃基，所述苯基、噻吩基或呋喃基上的取代基为甲基、甲氧基、f、cl或者br；所述的r1和r2可以形成五元环、六元环或者七元环。7.根据权利要求5所述的从反应液中提取半胱氨酸或其盐的方法，其特征在于，所述的含醛基或者酮基官能团的化合物为苯甲醛、糠醛、环己酮、环戊酮、丙酮、丁醛或丁酮。8.根据权利要求1所述的从反应液中提取半胱氨酸或其盐的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述环合反应的温度为20～50℃，反应ph值为5.0～6.0。9.根据权利要求1所述的从反应液中提取半胱氨酸或其盐的方法，其特征在于，步骤(2)中，半胱氨酸与含醛基或者酮基官能团的化合物中羰基的摩尔比为1：1～1.5。10.根据权利要求1所述的从反应液中提取半胱氨酸或其盐的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的分离处理为过滤和洗涤。11.根据权利要求1所述的从反应液中提取半胱氨酸或其盐的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的酸性环境由质量分数为3％～10％盐酸或硫酸形成。12.根据权利要求1或11所述的从反应液中提取半胱氨酸或其盐的方法，其特征在于，所述的水解反应过程中同时进行蒸馏操作，回收水解得到的含醛基或者酮基官能团的化合物并套用。13.根据权利要求1所述的从反应液中提取半胱氨酸或其盐的方法，其特征在于，所述的后处理为结晶分离，得到的产物为半胱氨酸或其盐。14.一种半胱氨酸或其盐的生产方法，其特征在于，包括：(1)采用毛发水解法、生物发酵法或酶法得到含半胱氨酸的反应液；(2)按照权利要求1～13任一项所述的提取方法得到半胱氨酸或其盐。

技术总结
本发明公开了一种从反应液中提取半胱氨酸或其盐的方法，包括以下步骤：(1)将含半胱氨酸的反应液进行预处理，得到预处理液；(2)预处理液中的半胱氨酸与含醛基或者酮基官能团的化合物进行环合反应，反应结束后经过分离处理得到噻唑烷酸类中间体；(3)步骤(2)的噻唑烷酸类中间体在酸性环境下进行水解反应，反应结束后经过后处理得到所述的半胱氨酸或其盐。该提取方法操作工序简单，大幅度减少了废水和无机废盐的排放，对设备和管道的腐蚀性小，整个工艺过程更加绿色、环保、高效。本发明还提供了一种半胱氨酸或其盐的制备方法，包含了上述提取方法。方法。


技术研发人员：盛淼蓬 曾庆宇 朱永强 温俊婷 池相宇 赵丹 罗超群 池圣锋
受保护的技术使用者：浙江新和成股份有限公司 黑龙江新和成生物科技有限公司
技术研发日：2021.12.15
技术公布日：2022/3/8