CN101560261B

CN101560261B - 一种结冷胶的清洁生产方法

Info

Publication number: CN101560261B
Application number: CN2009100275268A
Authority: CN
Inventors: 詹晓北; 郑志永
Original assignee: Jiangnan University
Current assignee: Jiangnan University
Priority date: 2009-05-11
Filing date: 2009-05-11
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2029-05-11
Also published as: CN101560261A

Abstract

一种结冷胶的清洁生产方法，属于生物工程技术领域。本发明用产结冷胶微生物经通风发酵，在所得发酵缪液中加入异丙醇或乙醇进行沉淀，再离心分离，沉淀物经真空干燥和粉碎后得结冷胶产品。离心分离所得上清液经精馏后回收异丙醇或乙醇用于下一轮沉淀操作时循环使用。精馏后的余馏水进行成分分析后纳入循环发酵培养基中，添加玉米淀粉、黄豆粕等原料后再进行通风发酵生产结冷胶发酵醪液，构建一个闭路循环的清洁生产方法。本发明通过调整结冷胶的生产工艺结构，在不增加设备和场地投资的条件下，实现对余馏水的循环利用，一方面节约原料成本，减少工艺用水使用量，另一方面大大减少了生产过程中的废水处理量，特别是显著地降低了磷和氮的处理量和排放量。

Description

一种结冷胶的清洁生产方法

技术领域

一种结冷胶的清洁生产方法，属于生物工程技术领域。

背景技术

结冷胶(CAS编号：71010-52-1)由伊乐假单胞菌(Pseudomonas elodea)或少动鞘脂单胞菌(Sphingomonas paucimobilis)经好氧发酵产生的微生物杂多糖，其主链结构是由一个线性四糖重复单元组成，每个四糖重复单元包括2个β-D-葡萄糖、1个β-D-葡萄糖醛酸和1个α-L-鼠李糖。天然的结冷胶分子结构单元中葡萄糖分子的2和6位羟基常被乙酰基和甘油酰基取代而形成酯，这些酰基可以在碱性条件下水解而得到低酰基结冷胶。结冷胶的分子量约为50万Da，属鞘脂类多糖。结冷胶已由美国FDA、日本、德国、澳大利来、韩国和中国等国家批准为食品添加剂。结冷胶经加热后即溶解成透明的溶胶，冷却后，形成透明且坚实的凝胶。质量浓度0.05％的结冷胶即可形成凝胶，一般用量仅为琼脂和卡拉胶用量的1/2～1/3，富含汁水，具有良好的风味释放性，有入口即化的口感。结冷胶具有良好的稳定性，耐酸、耐酶解作用。因此作为增稠剂、胶凝剂和稳定剂广泛应用于饮料、面包、乳制品、肉制品、面条、蛋糕、饼干、起酥油、速溶咖啡、鱼制品、雪糕、冰激凌、果冻、软糖等食品中；在医药上可用于软、硬胶囊，包衣剂以及眼药水和新型制剂用药原料；在化工上可应用于涂膜、胶粘剂、牙膏；在农业上可用作缓释肥料等；在微生物实验中还可应用于常规细胞培养和植物组织培养。

结冷胶的生产工艺过程主要由通风发酵、脱乙酰基、溶剂絮凝沉淀、真空干燥、溶剂回收和废水处理等单元操作组成。在生产过程中由于使用了大量的乙醇或异丙醇，为满足成本经济和环保要求，必须对溶剂进行回收。如回收1吨乙醇约产生0.5～0.8吨余馏水，回收1吨异丙醇约产生1～1.5吨余馏水。余馏水中富含高浓度的总磷(＞10mg/L)、总氮高达200～500mg/L，COD高达7000～20000mg/L，BOD为5000～15000mg/L，给后继工序的废水处理带来较重的处理负荷和经济成本，再者富含高浓度的磷元素，也不利于有机废水的高效处理。若能在生产过程中有效循环利用余馏水，一方面将会提高原料的利用率，另一方面也可减少生产废水的处理成本和排放量，促进结冷胶的绿色制造，产生良好的环境效益和社会效益。

发明内容

本发明的目的是提供一种微生物多糖结冷胶的清洁生产方法，以减少结冷胶生产过程中的污水处理量和排放量，同时节约生产原料，降低微生物多糖的生产成本，使其市场竞争力更强。

本发明的技术方案：一种结冷胶的清洁生产方法，利用产结冷胶微生物通风发酵所得的发酵液，经过或不经过脱除结冷胶分子中的乙酰基处理；加入发酵醪液0.5～2.5倍体积的异丙醇或乙醇沉淀，沉淀操作温度为10～40℃，3000～8000rpm离心分离10～30min，沉淀离心分离后所得的上清液纳入精馏系统回收使用，所得沉淀再用异丙醇或乙醇洗涤1～2次，然后离心或压榨脱水，经温度不超过70℃真空干燥和粉碎后得到结冷胶产品；

所述经过脱除结冷胶分子中的乙酰基处理为：利用产结冷胶微生物通风发酵所得的发酵液，加入0.2～0.5mol/L NaOH溶液混合搅拌调pH 8.5～11，并加温至70～90℃处理10～30min以脱除结冷胶分子中的乙酰基，再加入盐酸中和；最终所得产品为低乙酰结冷胶产品；

沉淀离心分离后所得的上清液经精馏操作回收得到的有机溶剂异丙醇或乙醇循环使用，精馏操作产生的余馏水纳入循环发酵培养基中，添加玉米淀粉、黄豆粕、少量磷酸盐，补足工艺用水至要求的体积，调整pH值至中性，经连续灭菌后进入发酵罐用于循环发酵生产结冷胶，余馏水循环使用次数为3～5次，构建成一个闭路循环的清洁生产方法。

所述的清洁生产方法，异丙醇或乙醇沉淀后的结冷胶再用少量异丙醇或乙醇洗涤，所用醇量为发酵液离心沉淀物体积的0.3～1倍，洗涤操作温度为10～40℃，洗涤后所得的上清液纳入精馏系统回收使用。

所述的清洁生产方法，对余馏水的总糖、总氮、总磷、COD和电导率指标进行分析后，补充适量的玉米淀粉、黄豆粕、磷酸盐和水，使循环发酵培养基的主要成分与初始发酵培养基成分含量和指标相当或相等，补充的玉米淀粉量为初始发酵培养基中玉米淀粉量的50％～90％，黄豆粕量为初始发酵培养基中黄豆粕量的65％～90％、磷酸盐量为初始发酵培养基中磷酸盐量的5％～40％。

所述的清洁生产方法，循环发酵培养基的灭菌工艺条件为115～130℃、20～40分钟间歇分批灭菌，或120～140℃、200～400秒连续灭菌；灭菌后续管道设置有过滤装置。

所述的清洁生产工艺，采用循环发酵培养基进行好氧发酵时，发酵条件为：接种量为5％～15％(v/v)，发酵温度为30～38℃，通风量为0.5～2.0vvm，搅拌转速为150～450r/min，发酵过程中的pH调节剂为盐酸或氢氧化钠。

本发明的有益效果：本发明的结冷胶产品为食品级，提取采用溶剂絮凝沉淀、溶剂洗涤和真空干燥的方法。提取过程使用大量的有机溶剂，在回收溶剂的过程中产生大量的余馏水，即浪费了大量的热量和水，又给废水处理带来压力，使结冷胶的生产成本居高不下。本发明通过比较余馏水的成分组成和发酵培养基的营养需求，将余馏水整合入发酵培养基的配方中，构建了结冷胶提取废水的循环利用工艺，循环次数为3～5次，余馏水排放量减少为原工艺的20％～30％，发酵过程培养基配制的用水量减少为原工艺的50％～70％，同时回收余馏水的热量，减少主要原料玉米淀粉、黄豆粕和磷酸盐的使用量。本发明不同于原有结冷胶的生产工艺，可以减少生产过程中的用水量、蒸汽用量、培养基原料使用量和废水处理成本，可以降低生产成本10％～20％，对于新建工厂，则可以减少废水处理的建设投资和运行成本。本发明的实施将产生明显的环境效益和社会效益。所得的产品级结冷胶可作为果冻、冷冻食品、乳制品等的添加剂，以改善这些食品的特性，在食品工业中具有广泛的用途。

附图说明

图1结冷胶的生产工艺流程示意图。

具体实施方式

实施例1：结冷胶发酵液的制备

产结冷胶菌株为伊乐假单胞菌(P.elodea)或少动鞘脂单胞菌(Sphingomonaspaucimobilis)ATCC 31461。

种子培养基(kg/m³)：蔗糖20；蛋白胨5.0；牛肉膏3.0；酵母膏1.0；pH 7.0。

初始发酵培养基(kg/m³)：玉米淀粉30；黄豆粕3.0；K₂HPO₄1.0；KH₂PO₄3.0；MgSO₄·7H₂01.0；pH 7.0。

发酵条件：发酵过程在5立方米的发酵罐实施，接种量5％(v/v)，搅拌转速300r/min，通风量为1.0vvm，罐压0.05MPa，发酵温度30℃。发酵过程中用NaOH溶液调节发酵液的pH值，在18h后将pH值恒定在5.6左右，发酵培养72小时下罐，测定结冷胶产量和质量控制参数。

实施例2：结冷胶的产品制备

计量1000升结冷胶发酵液，缓慢加入2000升乙醇溶剂，搅拌混匀后静置30分钟，在6000r/min条件下连续离心，得到约250kg固形物，上清液为乙醇溶液，输送至废乙醇贮罐。所得固形物输送至洗涤罐中，加入400升乙醇溶剂，搅拌混匀后静置30分钟，在6000r/min条件下连续离心，得到150kg固形物输送至真空干燥器中，上清液为乙醇废液，输送至废乙醇贮罐集中回收处理。上述所得的固形物在低于42℃条件下真空干燥6小时，真空冷凝所得的溶液输送至废乙醇贮罐，干燥后所得的固形物经粉碎和筛分后即得结冷胶产品。

实施例3：低酰度结冷胶的产品制备

将实施例1中所得的发酵醪液用0.3mol/L的NaOH溶液调节pH至10.0，升温至80℃保温25分钟，冷却后同实施例2所述方法进行处理，得低酰度的结冷胶产品。

实施例4：余馏水的循环利用和循环工艺发酵培养基的配制

实施例2中所得的废乙醇集中收纳至废乙醇贮罐，经精馏后所得的乙醇可回用于下一轮循环结冷胶的溶剂沉淀和分离。所得的余馏水为800升，经成分分析后可应用于发酵工段的培养基配制。

经化学分析得到余馏水的成分如下表：

表1余馏水中主要成分含量

样品	总糖(g/L)	总氮(g/L)	总磷(g/L)	镁离子(g/L)
					余馏水	2.9	0.1	1.6	0.013

清洁生产工艺发酵培养基配制：用热的余馏水(70℃)代替工艺用水配制发酵培养基(kg/m³)，玉米淀粉27；黄豆粕2.4；K₂HPO₄0.8；KH₂PO₄1.0；MgSO₄·7H₂00.5；余馏水与工艺用水配比为4∶1。

按发酵培养基用量为1000升计，按实施例2所述的处理工艺，得到800升余馏水，清洁生产工艺发酵培养基配制时用工艺用水补充。循环利用次数为5次时，基本不影响结冷胶的产品质量。

Claims

1.一种结冷胶的清洁生产方法，其特征是利用产结冷胶微生物通风发酵所得的发酵液，经过或不经过脱除结冷胶分子中的乙酰基处理；加入发酵醪液0.5～2.5倍体积的异丙醇或乙醇沉淀，沉淀操作温度为10～40℃，3000～8000rpm离心分离10～30min，沉淀离心分离后所得的上清液纳入精馏系统回收使用，所得沉淀再用异丙醇或乙醇洗涤1～2次，然后离心或压榨脱水，经温度不超过70℃真空干燥和粉碎后得到结冷胶产品；

沉淀离心分离后所得的上清液经精馏操作回收得到的有机溶剂异丙醇或乙醇循环使用，精馏操作产生的余馏水纳入循环发酵培养基中，对余馏水的总糖、总氮、总磷、COD和电导率指标进行分析后，补充适量的玉米淀粉、黄豆粕、磷酸盐和水，使循环发酵培养基的所述成分与初始发酵培养基成分含量和指标相当或相等，补充的玉米淀粉量为初始发酵培养基中玉米淀粉量的50％～90％，黄豆粕量为初始发酵培养基中黄豆粕量的65％～90％、磷酸盐量为初始发酵培养基中磷酸盐量的5％～40％，调整pH值至中性，经连续灭菌后进入发酵罐用于循环发酵生产结冷胶，余馏水循环使用次数为3～5次，构建成一个闭路循环的清洁生产方法。

2.根据权利要求1所述的清洁生产方法，其特征是异丙醇或乙醇沉淀后的结冷胶再用少量异丙醇或乙醇洗涤，所用醇量为发酵液离心沉淀物体积的0.3～1倍，洗涤操作温度为10～40℃，洗涤后所得的上清液纳入精馏系统回收使用。

3.根据权利要求1所述的清洁生产方法，其特征是循环发酵培养基的灭菌工艺条件为115～130℃、20～40分钟间歇分批灭菌，或120～140℃、200～400秒连续灭菌；灭菌后续管道设置有过滤装置。