CN102102112B - 一种发酵液中目标产物提取的预处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明是提供一种发酵液中目标产物提取的预处理方法，它包括筛网过滤、微管束沉降和超滤三个步骤。首先将发酵完成的发酵液经筛网过滤得到悬浊液1，再经微管束沉降分离悬浊液1中沉降速度较大的颗粒物质，得到抽出液2，最后通过超滤除去抽出液2中残留的细小颗粒及大分子物质，得到的清液供后续膜装置分离提取目标产物。在超滤膜前采用微管束沉降代替过滤(包括微滤)、离心和絮凝，有效去除发酵液中的颗粒物质，减少后续膜处理工序中膜的堵塞，从而降低膜的清洗频率，延长膜的使用寿命。该方法成本低廉、操作简单且安全有效，是适宜于大规模工业生产的发酵液预处理方法。

Description

一种发酵液中目标产物提取的预处理方法

技术领域

本发明属于工业微生物发酵工程技术领域，具体涉及一种发酵液中目标产物提取的预处理方法。

背景技术

发酵过程是一个复杂的微生物生长代谢过程，伴随着其代谢过程，将产生多种初级及次级代谢产物，使发酵液成分复杂，如细胞自融产生的细胞碎片及细胞本身，微生物代谢生成的糖、蛋白质类胶体物质，以及培养基中未被完全利用的残余物质，而对于我们需要的目标产物往往只是发酵液成分中的一部分。因此，为了目标产物的提取和纯化，首先需要将发酵液中各种破碎的微生物细胞、糖、蛋白质等胶态以及纤维颗粒物等固态杂质分离去除，寻找节能省耗、适合大规模工业化的发酵液中目标产物提取的预处理工艺是当今工业微生物发酵工程技术领域的关键。

目前，发酵液固液分离主要采用的方法有过滤法、离心分离法、絮凝法等；但传统的过滤法效率低，滤布容易被粘胶状滤饼堵塞，且不能分离发酵液中的可溶性杂质(一些大分子物质等)。离心分离法可得到澄清的发酵液，但应用于实际生产中的投资和运行费用过高，且同样不能分离可溶性杂质。絮凝法是现今研究比较多的一种方法，本发明人曾经提出过一种通过絮凝从发酵液中分离乳酸并对絮凝物综合利用的方法(申请号201010139391.7)。该方法在发酵液的澄清过程中效果确实较佳，但絮凝剂的使用不仅会增加发酵液预处理成本，而且残留在发酵液中的微量絮凝剂也会影响目标产物的纯度。特别是，对于预处理效果要求比较高的电渗析等膜提纯工艺，在进入电渗析前最好经过超滤，以确保电渗析前的水质要求，最大限度的保证目标产物的纯度并避免膜污染。

在超滤前设置微滤单元(包括多微孔管过滤单元)，是防止超滤膜堵塞、减少超滤膜清洗频率的有效方法，但也会带来预处理设备投资费用增高等问题。微孔过滤属于精密过滤，微孔膜的规格目前有十多种，孔径范围为0.1～75μm，操作压力一般在0.7～7kPa。本发明在超滤前采用微管束沉降单元代替微滤单元、快速沉降发酵液中的较大颗粒物。本发明所用微管束与微滤所用多微孔管的区别在于：前者的管壁上没有孔，后者的管壁上有很多微孔；前者的分离原理是倾斜沉降分离，后者是截留分离。

作为发酵工艺中采用的原料，可以归结为三大类：糖蜜类、谷物淀粉类和纤维素类。不同种类的发酵液性质有很大不同，那么提取目标产物时所采用的预处理方法亦不相同，如何根据具体发酵液选择合适的预处理方法是至关重要的。以酒糟、植物秸秆、木材等纤维素类物质为原料发酵得到的发酵液，具有颗粒物体积大、密度大、沉降性能较佳等特点。本发明利用这一特点，提出了一种在不减少目标产物的前提下，将筛网过滤、微管束沉降、超滤组合的发酵液中目标产物提取的预处理方法，可节省管材费用、降低运行所需的操作压力，减少发酵液沉降分离所需的时间，便于反冲洗，弥补了各自工艺的不足，且适用于大量发酵液的预处理。

发明内容

本发明的目的是提供一种适宜大规模工业生产的成本低廉、操作简单且安全有效的发酵液中目标产物提取的预处理方法，从而保证后续电渗析法等膜提纯工序的有效进行。

本发明提供的发酵液中目标产物提取的预处理工艺，主要由以下步骤完成：

步骤1.将发酵完成的发酵液经筛网过滤得到悬浊液1，备用；

步骤2.所述沉降单元通过虹吸或水泵将所述悬浊液1经微管束分离悬浊液中大沉降速度的颗粒物质，得到抽出液2，备用；

步骤3.将上述步骤中得到的抽出液2通过超滤除去残留的细小颗粒及大分子物质，得到的清液通过后续膜分离过程提取目标产物。

所述发酵液为酒糟、秸秆等纤维素类物质经微生物发酵得到的。

上述步骤(1)中，所述筛网为20～200目的陶瓷或不锈钢筛网，用于主要是为了截留发酵液中的固体大颗粒纤维素发酵残渣，同时避免筛网受到可能存在的酸碱性物质的腐蚀。

上述步骤(2)中微管束沉降单元主要是针对发酵液中不能被筛网截留但又沉降性能良好的纤维素类物质发酵残渣。在微管束沉降单元之前设置筛网过滤，是为了避免大颗粒发酵残渣堵塞微管束，降低微管束的反冲洗频率。微管束沉降单元的分离原理可表述为：含有固体颗粒的液体沿着一束只有两端开口的具有一定倾斜角度的微管通道由下向上流动，固体颗粒铅垂沉降在倾斜微管的下侧，并沿管壁滑下得以除去，清液由微管束上端流出。本工艺中采用的微管束沉降单元是由多根管径2～25mm，管长0.4～2m的微管固定为一整体的管束并呈30～75℃倾斜，微管束的下端开口作为入液口，上端通过抽出液管连接集液仓，通过调节出水流量以控制沉降单元出水的水质。流量越小，表面负荷越小，出水的SS浓度越低，且出水中含有的颗粒平均粒径越小，出水水质越好。本发明微管束沉降单元的表面负荷为0.8～24m³/m²·h。微管束下侧管壁沉积滑落下来的高含水率颗粒物可通过泵抽送至发酵槽，充分利用其中的菌体和有机物进行循环发酵。

上述步骤(3)中超滤采用截留分子量为六千～十万道尔顿的中空纤维膜，在压力为0.02～0.1MPa的条件下运行，去除发酵液中的菌体和大分子蛋白等物质，得到澄清的超滤透过液可进入后续的目标产物的提取和纯化过程。

本工艺主要的创新点在于，本工艺特别适用于后续对进水要求比较高的电渗析法等膜法提取目标产物的预处理过程。从纤维素类物质的发酵液中提取目标产物时，在超滤工艺前采用微管束沉降单元代替以往的过滤(包括微滤)、离心和絮凝等工艺，不仅能有效降低悬浊液SS浓度，去除发酵液中的大颗粒物质，降低后续提纯工艺中的膜污染；而且可避免化学药剂的加入，在节约成本的同时保证了目标产物的浓度。此外，本工艺中设备简单，易于控制和维护，且能耗低，更适宜大规模的工业生产。

附图说明

图1为本发明的工艺流程框图。

图2为本发明的装置结构示意图。

图3为本发明的装置的微管束沉降单元的断面示意图。

图4为本发明实施1中的发酵液原液，及不同流量下抽出液中含有的颗粒粒径分布示意图。

图中：

1.发酵液    4.微管束沉降单元

2.搅拌器    5.抽吸泵

3.沉降槽    6.微管

具体实施方式

以下通过实施例对本发明的工艺过程加以说明。

实施例1

将白酒酒糟粉碎，按照在1g粉碎后的酒糟(湿重，含水率60％)中添加2～10ml水配制成发酵原液；而后调节发酵原液的pH值至6.2，将其灭菌后，按照接菌量0.4～2wt％接入干酪乳杆菌(即100g发酵原液加入0.4～2g经离心后得到的干酪乳杆菌菌体质量)，35℃下厌氧发酵48～96h后，制得乳酸发酵液。

发酵液经过100目的筛网后，其SS浓度为SS₀＝3.136g/L。采用10根长度为1.0m、内径为10mm的玻璃沉降管，构成微管束沉降单元；设置微管束的倾斜角度θ＝60°，进行连续抽吸的沉降实验。

通过下式计算某一流量下的表面负荷，不计微管间间隔，计算结果见表一。每根微管在水槽中占有的面积，即等效面积为：

$A=\frac{\mathrm{\π}\·d^2}{\sin \mathrm{\θ}}$

得到表面负荷为：

$w=\frac{q}{A}=0.24\·\frac{q\·\sin \mathrm{\θ}}{\mathrm{\π}\·d^2}$

w——表面负荷，m³/(m²·h)；

q——流量，ml/min；

d——管径，cm；

θ——倾斜角度，°。

采用如图2所示的实验装置，设置一定流量情况下，调查了抽出液的悬浮固体浓度及悬浮液中的颗粒粒径分布情况，并与原液进行对比，如图3所示。颗粒粒径分布采用“Winner2000台式激光粒度分析仪”进行测量。

设定流量为14.8、122.0、354.0mL/min时，其抽出液中的固体悬浮物(SS)浓度和固体颗粒平均粒径(D_av)如表1所示。D₉₀粒径是指出水所含固体颗粒物中占90％数量的颗粒等效直径，即在图3的分布曲线中累积分布为90％时的最大颗粒的等效直径。抽出液D_av和D₉₀的值越低，表明出水中所含固体颗粒的粒径越小，固液分离效果越好。将得到的抽出液通过截留分子量为十万道尔顿的超滤膜，在0.06MPa条件下进行超滤，得到滤过液的蛋白质去除率及乳酸损失率见表1。

由实验结果可知，随着流量的减小，抽出液SS的去除率得到了提高，同时抽出液中固体颗粒的平均粒径及D₉₀亦大幅度地减小了；这样就可以通过设置合理的流量，来改善后续超滤工艺的进液要求，而不需要采用离心或过滤，避免使得工艺成本提高和复杂。此外，经微管束沉降、超滤后的清液中，蛋白质得到了良好的去除，且乳酸含量减小甚微。以微管束沉降流量为122.0mL/min的情况为例，经过微管束沉降后的超滤通量为18.4L/m²·h，是未经过微管束沉降的超滤通量(5.4L/m²·h)的3.41倍。

本发明可根据发酵液量设置多个微管束，并针对不同出水水质要求，调节流量，灵活方便，拆卸或清洗容易。本发明提供的微管束沉降与超滤相结合的预处理方法对于后续电渗析等膜法提取目标产物是有效、简单、经济的。

表1

Claims (6)

1.一种发酵液中目标产物提取的预处理方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1.将发酵完成的发酵液经筛网过滤得到悬浊液1，备用；其中，所述发酵液为酒糟或秸秆经微生物发酵后得到的混合物；

步骤2.沉降单元的微管束的下端开口作为入液口，上端通过抽出液管连接集液仓，通过虹吸或水泵将所述悬浊液1经微管束分离悬浊液中大沉降速度的颗粒物质，得到抽出液2，备用，其中，所述微管束沉降单元是指由多根微管组成的整体的管束，并呈30-75℃倾斜；所述微管管径为2-25mm，管长为0.4-2m；所述微管束沉降单元的表面负荷为0.8-24m³/m²·h；

步骤3.将上述步骤中得到的抽出液2通过超滤除去残留的细小颗粒及大分子物质，得到的清液通过后续膜分离过程提取目标产物。

2.如权利要求1所述的发酵液中目标产物提取的预处理方法，其特征在于，所述步骤1.中的筛网为20-200目的陶瓷筛网或不锈钢筛网。

3.如权利要求1所述的发酵液中目标产物提取的预处理方法，其特征在于，所述步骤2.中微管束下侧管壁沉积滑落下来的高含水率颗粒物通过泵抽送至发酵槽，充分利用其中的菌体和有机物进行循环发酵。

4.如权利要求1所述的发酵液中目标产物提取的预处理方法，其特征在于，所述步骤3.中的超滤采用中空纤维膜，截留分子量为六千-十万道尔顿。

5.如权利要求1所述的发酵液中目标产物提取的预处理方法，其特征在于，所述步骤3.中的超滤压力为0.02MPa-0.1MPa。

6.如权利要求1所述的发酵液中目标产物提取的预处理方法，其特征在于，所述步骤3中的膜分离过程是为渗析分离提纯工艺。

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