CN101638362A - 综合利用乳酸链球菌素发酵废液的方法 - Google Patents
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Abstract
综合利用乳酸链球菌素发酵废液的方法，乳酸链球菌素是一种多肽。它能有效地抑制许多引起食品腐烂的革兰氏阳性菌的生长、繁殖，特别对耐热芽孢杆菌、肉毒梭菌以及李斯特氏菌有强烈的抑制作用，系一种高效、无毒、安全、无副作用的天然食品防腐剂，并具有良好的溶解性和稳定性。本发明组成包括：收集乳酸链球菌素的发酵废液，首先回收乳酸链球菌素的发酵废液无机酸及无机盐，通过调节pH，回收废液中残留蛋白，分离废液中乳酸盐和残留糖，然后将回收的乳酸盐进一步纯化、脱色、浓缩，所述的回收废液中的无机酸及无机盐、所述的分离废液中乳酸盐和残留糖的处理过程是采用离子交换膜电渗析设备分步进行。本发明属于生物化工领域。
Description
技术领域：
本发明涉及一种利用离子交换膜电渗析技术综合利用乳酸链球菌素发酵废液的方法。
背景技术：
乳酸链球菌素是一种多肽。它能有效地抑制许多引起食品腐烂的革兰氏阳性菌的生长、繁殖，特别对耐热芽孢杆菌、肉毒梭菌以及李斯特氏菌有强烈的抑制作用，系一种高效、无毒、安全、无副作用的天然食品防腐剂，并具有良好的溶解性和稳定性。
乳酸钠可用作食品添加剂，进一步精制可作药用原料，乳酸铵、乳酸钾在食品、医药领域也有广泛用途。乳酸钠、乳酸铵、乳酸钾等乳酸盐还可以通过双极膜电渗析技术或改造后的离子交换膜电渗析技术生产乳酸，乳酸的用途十分广泛，是一种基本的生物化工产品，可用作食品添加剂、药用辅料、生产农药、除草剂的原料、生产环保型高分子材料聚乳酸的原料等。
发明内容：
本发明的目的是提供一种废物利用，达到零排放综合利用乳酸链球菌素发酵废液的方法。
上述的目的通过以下的技术方案实现：
综合利用乳酸链球菌素发酵废液的方法，包括：收集乳酸链球菌素的发酵废液，首先回收乳酸链球菌素的发酵废液无机酸及无机盐，通过调节pH，回收废液中残留蛋白，分离废液中乳酸盐和残留糖，然后将回收的乳酸盐进一步纯化、脱色、浓缩，所述的回收废液中的无机酸及无机盐、所述的分离废液中乳酸盐和残留糖的处理过程是采用离子交换膜电渗析设备分步进行。
所述的综合利用乳酸链球菌素发酵废液的方法，所述的离子交换膜电渗析设备是由阴离子交换膜和阳离子交换膜交替排列并重复叠放，两端配置阴、阳电极，淡室、浓室和极室均配有料液循环泵和储罐，工作时两极连接直流电源，采用稀硫酸为极室中的导电液体，电导率达到35ms以上的发酵废液进入淡室，浓室中先加入少量电解质溶液，通电后可以将溶液中的离子性物质从淡室中分离进入浓室，糖等非离子性物质继续留在淡室；
所述的回收废液中的无机酸及无机盐时，淡室和浓室中的最终电导率比较接近，淡室设置在25-30ms，浓室设置在35-55ms，脱去无机盐后的发酵废液进行第二次电渗析，所述分离乳酸盐和残留糖时，淡室和浓室中的最终电导率设置差别比较大，淡室设置在10-15ms左右，浓室设置在45-65ms。
所述的综合利用乳酸链球菌素发酵废液的方法，所述的调节pH是用氢氧化钠、氨水或氢氧化钾调节发酵废液的pH到6.5-7.0，所用碱液与乳酸链球菌素发酵过程中用于调节酸碱度所用的碱液相同，所述的去除蛋白是采用截留分子量在5000道尔顿以上的超滤膜去除发酵废液中的蛋白或采用酸碱调节蛋白质等电点的方法沉淀析出蛋白或采用离子交换树脂去除带电荷的蛋白。
所述的综合利用乳酸链球菌素发酵废液的方法，所述的纯化是采用阴、阳离子交换树脂，所述的脱色是经活性碳脱色后得到无色的水溶性乳酸盐溶液，所述的浓缩是采用负压0.08-0.1Mpa，温度低于70℃蒸发去除水分。
这个技术方案有以下有益效果：
1.本发明主要采用离子交换膜电渗析技术综合利用乳酸链球菌素发酵废液，既做到废物利用，生产出乳酸盐，无机酸(如盐酸)及无机盐(如氯化钠)，蛋白饲料等副产品；又大大减轻环境污染，基本达到污水零排放，实现可循环经济，可持续发展。既大大降低乳酸链球菌素的生产成本，产生经济效益，又具有很大的社会效益，意义重大。
2.本发明回收的乳酸钠可用作食品添加剂具有防腐、保鲜、保湿、增香等功效，进一步精制可作药用原料与其他药物复配，具有调节体内电解质平衡，缓解酸中毒等疗效。乳酸铵、乳酸钾在食品、医药领域也有广泛用途。乳酸钠、乳酸铵、乳酸钾还可以通过双极膜电渗析技术或改造后的离子交换膜电渗析技术生产乳酸，乳酸的用途十分广泛，是一种基本的生物化工产品，可用作食品添加剂、药用辅料、生产农药、除草剂的原料、生产环保型高分子材料聚乳酸的原料等。
3.本发明回收的无机酸及无机盐可用于阳离子交换树脂的再生溶液，回收的残留糖溶液主要含有糖和乳酸盐，可用于生产乳酸配制发酵用培养基，回收的蛋白可用做饲料。
4.本发明采用离子交换膜电渗析技术可快速有选择性地去除、浓缩、精制、回收离子性物质。在无需加热、加压的条件下可实现非离子性物质和离子性物质的分离，很少发生成分的变质。与传统的离子交换树脂比较，具有无需用酸碱再生、避免产生大量污水并可长期连续使用的优点，是环保型、资源节省型的新技术。
目前国内乳酸链球菌素生产企业的生产技术路线是通过乳酸菌发酵生产，在发酵过程中，伴随有乳酸产生，而且通常是L-乳酸，浓度能达到4％-5％。发酵液在酸性条件下通过物理或化学方法提取分离得到乳酸链球菌素产品，含有无机酸、无机盐、乳酸、乳酸盐、残留蛋白、残留糖的发酵废液通常被作为污水排放，不但污染环境，而且浪费了可利用的副产品。未有文献报导利用离子交换膜电渗析技术综合利用乳酸链球菌素发酵废液的方法。
据估计，全国乳酸链球菌素年产量已达350吨左右，由此产生的废液每年约7万吨以上，浪费的L-乳酸在3000吨以上，而且给环境造成污染。该项专利利用无污染的膜技术不但可以生产出乳酸盐等多个副产品，而且基本达到生产乳酸链球菌素污水零排放，大大减轻了环境污染。
附图说明：
附图1是本发明中离子交换膜电渗析器的基本结构示意图。
本发明的具体实施方式：
实施例1：
综合利用乳酸链球菌素发酵废液的方法，其组成包括：收集乳酸链球菌素的发酵废液，首先回收废液中的无机酸及无机盐，调节pH，回收废液中残留蛋白，分离废液中乳酸盐和残留糖，回收的乳酸盐进一步纯化、脱色、浓缩，所述的回收废液中的无机酸及无机盐、所述的分离废液中乳酸盐和残留糖是采用离子交换膜电渗析设备分步进行。
所述的综合利用乳酸链球菌素发酵废液的方法，实验室中，可首先制备乳酸链球菌素的发酵废液，方法是以蔗糖为碳源，用蛋白胨、酵母膏、玉米浆为混合氮源，加入磷酸二氢钾、硫酸镁、氯化钠微量元素作为发酵培养基，乳酸链球菌为发酵菌株，用氢氧化钠溶液或氨水调节发酵过程中的pH为5.5-6.0，发酵13-16小时，乳酸链球菌素浓度5000--7000IU/ml，乳酸浓度38-45g/L，用盐酸调节发酵液pH为2.5-3.0，用微滤除去菌体，用吹泡法提取出乳酸链球菌素产品，得到含有乳酸钠或乳酸铵、氯化钠、残留糖、残留蛋白、色素的乳酸链球菌素的发酵废液。
所述的综合利用乳酸链球菌素发酵废液的方法，所述的离子交换膜电渗析设备是由阴离子交换膜和阳离子交换膜交替排列并重复叠放，两端配置阴、阳电极，淡室、浓室和极室均配有料液循环泵和储罐，工作时两极连接直流电源，采用稀硫酸为极室中的导电液体，电导率达到35ms以上的发酵废液进入淡室，浓室中先加入少量电解质溶液，通电后可以将溶液中的离子性物质从淡室中分离进入浓室，糖等非离子性物质继续留在淡室。
所述的回收废液中的无机酸及无机盐时，淡室和浓室中的最终电导率比较接近，淡室设置在25-30ms，浓室设置在35-55ms，脱去无机盐后的发酵废液进行第二次电渗析，所述分离乳酸盐和残留糖时，淡室和浓室中的最终电导率设置差别比较大，淡室设置在10-15ms左右，浓室设置在45-65ms。
所述的综合利用乳酸链球菌素发酵废液的方法，所述的调节pH是用氢氧化钠、氨水或氢氧化钾调节发酵废液的pH到6.5-7.0，所用碱液与乳酸链球菌素发酵过程中用于调节酸碱度所用的碱液相同，所述的去除蛋白是采用截留分子量在5000道尔顿以上的超滤膜去除发酵废液中的蛋白或采用酸碱调节蛋白质等电点的方法沉淀析出蛋白或采用离子交换树脂去除带电荷的蛋白。
所述的综合利用乳酸链球菌素发酵废液的方法，所述的纯化是采用阴、阳离子交换树脂，所述的脱色是经活性碳脱色后得到无色的水溶性乳酸盐溶液，所述的浓缩是采用负压0.08-0.1Mpa，温度低于70℃蒸发去除水分。
回收的无机酸及无机盐可用于阳离子交换树脂的再生溶液，回收的乳酸盐经进一步纯化后可生产食品添加剂或用于生产乳酸，回收的残留糖溶液中主要含有糖和乳酸盐可用于生产乳酸配制发酵用培养基，回收的蛋白可用做饲料。该方法使乳酸链球菌素的发酵废液得到综合利用，基本达到零排放，同时可生产出副产品。
实施例2：
1.制备乳酸链球菌素的发酵废液，用蔗糖为碳源，用蛋白胨、酵母膏、玉米浆为混合氮源，加入磷酸二氢钾、硫酸镁、氯化钠等微量元素作为发酵培养基，以本实验室保存的乳酸链球菌为发酵菌株，用氢氧化钠溶液调节发酵过程中的pH为5.5-6.0，发酵14小时，乳酸链球菌素浓度5500IU/ml，乳酸浓度41g/L，用盐酸调节发酵液pH为2.6-2.8，用微滤除去菌体，用吹泡法提取出乳酸链球菌素产品，得到主要含有乳酸、乳酸钠、盐酸、氯化钠、残留糖、少量残留蛋白、色素等成分的乳酸链球菌素的发酵废液。
2.离子交换膜电渗析器回收盐酸和氯化钠。检测废液中的氯离子浓度为18g/L，电导率为42ms，用泵将发酵废液送入离子交换膜电渗析器的淡室，并使其循环；同时在电渗析器的浓室用泵输入含有少量氢氧化钠的溶液，并使溶液循环；在电渗析器的极室用泵输入0.05mol/L的稀硫酸并使其循环。在淡室、浓室和极室均充满溶液并各自构成独立的循环系统后，在电渗析器的两极通入直流电，调节电压，使电渗析过程中电流密度维持在1.8A/dm2，电渗析过程中每隔一定时间分别取样测定浓室和淡室中的乳酸根和氯离子浓度，当淡室中氯离子浓度低于1g/L，浓室中乳酸根浓度小于5g/L时结束电渗析。浓室中的盐酸和氯化钠溶液加入一定的氢氧化钠调节pH，得到氯化钠溶液用于再生阳离子交换树脂，淡室中的乳酸、糖和其他有机物溶液进入下道工序。
3.调节pH，去除蛋白，用氢氧化钠调节溶液pH到9.0-9.5，析出蛋白或多肽沉淀，过滤，滤饼用于加工饲料，滤液中主要含有乳酸钠、残留糖、色素等成分，滤液用乳酸回调pH到6.5-7.0后进入下道工序。
4.离子交换膜电渗析器分离乳酸钠和残留糖，取滤液，检测溶液电导率为38ms，乳酸根浓度为48g/L，还原糖浓度为5.5g/L，用泵将溶液送入离子交换膜电渗析器的淡室，并使其循环；同时在电渗析器的浓室用泵输入含有少量乳酸钠的溶液，并使溶液循环；在电渗析器的极室用泵输入0.05mol/L的稀硫酸并使其循环。在淡室、浓室和极室均充满溶液并各自构成独立的循环系统后，在电渗析器的两极通入直流电，调节电压，使电渗析过程中电流密度维持在2.0A/dm2，电渗析过程中每隔一定时间分别取样测定浓室和淡室中的乳酸根和还原糖浓度，当淡室中乳酸根浓度低于10g/L，浓室中还原糖浓度小于0.1g/L时结束电渗析。淡室中的溶液主要含有糖和乳酸钠可作为配制生产乳酸用发酵培养基，浓室中的乳酸钠溶液进一步纯化、浓缩生产乳酸钠成品或作为中间产物生产乳酸。
5.乳酸钠进一步纯化，脱色，浓缩，经过离子交换膜电渗析器分离得到的乳酸钠溶液为淡黄色，检测乳酸根浓度为61g/L，还原糖浓度小于0.1g/L。使用钠型强酸性阳离子交换树脂和弱碱性阴离子交换树脂先后除去乳酸钠溶液中的其他阳离子和阴离子，所得到的溶液用2％的活性碳脱色得到无色澄清溶液，用负压0.08-0.1Mpa，温度低于70℃的旋转蒸发去除水分，得到浓度60％的乳酸钠溶液，其他各项指标经检测达到食品添加剂要求，乳酸钠提取总收率达到72％。
实施例3：
1.制备乳酸链球菌素的发酵废液，基本过程同实施例2，不同的是，乳酸链球菌素发酵过程中用氨水调节pH为5.5-6.0。发酵16小时，乳酸链球菌素浓度6300IU/ml，乳酸浓度43g/L，用盐酸调节发酵液pH为2.5-2.7，用微滤除去菌体，用吹泡法提取出乳酸链球菌素产品，得到含有乳酸、乳酸铵、盐酸、氯化铵、残留糖、少量残留蛋白、色素等成分的乳酸链球菌素的发酵废液。
2.离子交换膜电渗析器回收盐酸和氯化钠基本过程同实施例2。不同的是浓室中的盐酸和氯化铵溶液不能用于再生阳离子交换树脂。
3.调节pH，去除蛋白，基本过程同实施例2，不同的是，用氨水调节溶液pH到9.0-9.5，所得滤液中主要含有乳酸铵、残留糖、色素等成分，滤液用乳酸回调pH到6.5-7.0后进入下道工序。
4.离子交换膜电渗析器分离乳酸铵和残留糖，基本过程同实施例2，不同的是，淡室中的溶液主要含有糖和乳酸铵可作为配制生产乳酸用发酵培养基，浓室中的乳酸铵溶液可进一步处理用双极膜电渗析技术生产乳酸。
回收的无机酸及无机盐可用于阳离子交换树脂的再生溶液，回收的乳酸盐经进一步纯化后可生产食品添加剂或用于生产乳酸，回收的残留糖溶液中主要含有糖和乳酸盐可用于生产乳酸配制发酵用培养基，回收的蛋白可用做饲料。该方法使乳酸链球菌素的发酵废液得到综合利用，基本达到零排放，同时可生产出副产品。
Claims (5)
1.一种综合利用乳酸链球菌素发酵废液的方法，包括：收集乳酸链球菌素的发酵废液，其特征是：首先回收乳酸链球菌素的发酵废液无机酸及无机盐，通过调节pH，回收废液中残留蛋白，分离废液中乳酸盐和残留糖，然后将回收的乳酸盐进一步纯化、脱色、浓缩，所述的回收废液中的无机酸及无机盐、所述的分离废液中乳酸盐和残留糖的处理过程是采用离子交换膜电渗析设备分步进行。
2.根据权利要求1所述的综合利用乳酸链球菌素发酵废液的方法，其特征是：所述的离子交换膜电渗析设备是由阴离子交换膜和阳离子交换膜交替排列并重复叠放，两端配置阴、阳电极，淡室、浓室和极室均配有料液循环泵和储罐，工作时两极连接直流电源，采用稀硫酸为极室中的导电液体，电导率达到35ms以上的发酵废液进入淡室，浓室中先加入少量电解质溶液，通电后可以将溶液中的离子性物质从淡室中分离进入浓室，糖等非离子性物质继续留在淡室；
所述的回收废液中的无机酸及无机盐时，淡室和浓室中的最终电导率比较接近，淡室设置在25-30ms，浓室设置在35-55ms，脱去无机盐后的发酵废液进行第二次电渗析，所述分离乳酸盐和残留糖时，淡室和浓室中的最终电导率设置差别比较大，淡室设置在10-15ms左右，浓室设置在45-65ms。
3.根据权利要求1或2所述的综合利用乳酸链球菌素发酵废液的方法，其特征是：所述的调节pH是用氢氧化钠、氨水或氢氧化钾调节发酵废液的pH到6.5-7.0，所用碱液与乳酸链球菌素发酵过程中用于调节酸碱度所用的碱液相同，所述的去除蛋白是采用截留分子量在5000道尔顿以上的超滤膜去除发酵废液中的蛋白或采用酸碱调节蛋白质等电点的方法沉淀析出蛋白或采用离子交换树脂去除带电荷的蛋白。
4.根据权利要求1或2所述的综合利用乳酸链球菌素发酵废液的方法，其特征是：所述的纯化是采用阴、阳离子交换树脂，所述的脱色是经活性碳脱色后得到无色的水溶性乳酸盐溶液，所述的浓缩是采用负压0.08-0.1Mpa，温度低于70℃蒸发去除水分。
5.根据权利要求3所述的综合利用乳酸链球菌素发酵废液的方法，其特征是：所述的纯化是采用阴、阳离子交换树脂，所述的脱色是经活性碳脱色后得到无色的水溶性乳酸盐溶液，所述的浓缩是采用负压0.08-0.1Mpa，温度低于70℃蒸发去除水分。
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