CN102276378A - 一种发酵液的处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种发酵液的处理方法，该发酵液中含有微生物和可溶于水且沸点高于水的发酵产品，所述发酵产品部分或全部位于所述微生物中；所述方法包括：在不使所述发酵产品沸腾或热分解的闪蒸条件下，将所述发酵液进行闪蒸，得到含有所述发酵产品的闪蒸残留的液体。本发明提供的方法显著地提高了发酵产品的收率。
Description
技术领域
本发明涉及发酵领域，具体地，涉及一种发酵液的处理方法。
背景技术
发酵是指利用培养的微生物把底物转化为各种代谢产物，从而制备发酵产品的过程，它广泛应用于制备食品添加剂、药品等各种化工原料，例如柠檬酸、鸟苷酸、肌苷酸、谷氨酸、赖氨酸等。
具体来说，发酵产品的制备至少涉及制备发酵液的发酵过程和从发酵液中分离发酵产品的分离过程。其中，在进行分离过程之前，需要对发酵液进行处理以灭活其中大部或全部的微生物，得到灭活后的发酵液。
现有的处理发酵液的方法通常包括：在常压下将发酵液加热至60-90℃，得到灭活后的发酵液。
实验证明，现有的处理发酵液的方法得到的灭活后的发酵液，在过滤以后，滤清液中发酵产品的收率较低。
发明内容
为了克服现有的处理发酵液的方法得到的灭活后的发酵液，在过滤以后，滤清液中发酵产品的收率较低的缺陷，本发明提供了一种发酵产品收率较高的处理发酵液的方法。
本发明的发明人发现，在常压下将发酵液加热至60-90℃，并不能彻底地将所述发酵液中的微生物的细胞结构完全破坏，因此位于所述微生物中的发酵产品并不能得到充分地释放；然而，如果将发酵液进行闪蒸的操作，就能较为彻底地破坏微生物细胞，从而较为充分地释放所述发酵产品。
本发明提供了一种发酵液的处理方法，该发酵液中含有微生物和可溶于水且沸点高于水的发酵产品，所述发酵产品部分或全部位于所述微生物中；所述方法包括：在不使所述发酵产品沸腾或热分解的闪蒸条件下，将所述发酵液进行闪蒸，得到含有所述发酵产品的闪蒸残留的液体。
以柠檬酸发酵液为例，实验证明，本发明提供的处理发酵液的方法得到的灭活后的发酵液，在过滤以后，滤清液中发酵产品的收率达到97-99.9重量％，而现有的处理发酵液的方法得到的灭活后的发酵液，在过滤以后，滤清液中发酵产品的收率仅为90-95重量％。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明提供了一种发酵液的处理方法，该发酵液中含有微生物和可溶于水且沸点高于水的发酵产品，所述发酵产品部分或全部位于所述微生物中；所述方法包括：在不使所述发酵产品沸腾或热分解的闪蒸条件下，将所述发酵液进行闪蒸，得到含有所述发酵产品的闪蒸残留的液体。
其中，所述发酵液是指将发酵用的微生物接种到发酵原液中并经过发酵过程后得到液体。经过发酵过程，发酵用的微生物可以将发酵原液中的底物转化为发酵产品。所述发酵液可以包括所述微生物和所述微生物以外的培养基。所述发酵产品部分或全部位于所述微生物中，具体地，可以位于所述微生物的细胞内，更具体地，可以位于所述微生物的细胞内基质和/或细胞器中。所述细胞器可以为线粒体。例如，可以将黑曲霉接种至含有淀粉的发酵原液中，经过本领域已知的柠檬酸发酵条件下的发酵过程，即可得到包括黑曲霉和黑曲霉以外的培养基的发酵液。该发酵液中，作为发酵产品的柠檬酸中，一部分位于黑曲霉以外的培养基中，另外一部分位于黑曲霉中，即位于黑曲霉菌丝体中，具体地，位于黑曲霉的细胞内基质和线粒体中。
其中，所述发酵产品可以为柠檬酸、鸟苷酸、肌苷酸、谷氨酸和赖氨酸中的至少一种，优选为柠檬酸。
其中，为了保证所述发酵产品的分离效率，所述闪蒸条件下，所述发酵产品不应当发生明显地沸腾，也不应当发生明显地分解。例如，当以柠檬酸作为发酵产品时，由于柠檬酸的熔点为153℃且在175℃以上会热分解，因此，所述闪蒸条件中的温度不宜高于150℃。
本发明中，闪蒸是指比较高压的饱和水进入比较低压的容器中后由于压力的突然降低使这些饱和水部分沸腾变成水蒸气的过程。本发明正是利用了闪蒸中压力的突然降低以及沸腾的过程，来达到破坏细胞结构以释放发酵产物的目的。
此外，通过闪蒸的过程，还能够起到浓缩所述发酵液的作用。
根据本发明提供的方法，其中，所述闪蒸可以在蒸发器中进行。所述蒸发器可以为单效降膜式蒸发器。
其中，优选情况下，所述闪蒸条件包括：进料温度为65-120℃，进一步优选为70-100℃，更进一步优选为75-90℃。达到所述进料温度的发酵液的压力可以为常压或常压以上。
其中，优选情况下，所述闪蒸条件包括蒸发器内的压力为5-60kPa，进一步优选为10-50kPa。即进料的发酵液的压力与蒸发器内的压力的差值的下限值的范围为41-96kPa，优选为51-91kPa。
根据本发明提供的方法，其中，优选情况下，所述方法还包括：在进行所述闪蒸前，在1-20s内，进一步优选在2-8s内，将所述发酵液从不高于55℃的温度加热至达到所述进料温度。在该优选情况下，由于加热的速度的较快，可以提高处理后的所述发酵液的过滤性能，具体地，可以明显地降低处理后的发酵液的质量比阻，加快过滤装置的处理速度。
根据本发明提供的方法，其中，优选情况下，所述不高于55℃的温度可以为45-55℃。在该优选情况下，能够更方便地将所述发酵液在较短的时间内加热至所述进料温度。
根据本发明提供的方法，其中，优选情况下，达到所述进料温度的发酵液在进行所述闪蒸前所经历的时间至多为15s。在该优选情况下，由于发酵液在所述进料温度下经历的时间较短，可以进一步提高处理后的所述发酵液的过滤性能，具体地，可以明显地降低处理后的发酵液的质量比阻，加快过滤装置的处理速度。
根据本发明提供的方法，其中，将所述发酵液的温度从不高于55℃的范围加热至达到所述进料温度的方法可以包括：将温度不高于55℃的所述发酵液与温度高于所述进料温度的蒸汽进行热交换；热交换的条件使得混合后的物料的温度达到所述进料温度。
根据本发明提供的方法，其中，优选情况下，将所述发酵液的温度从不高于55℃的范围加热至达到所述进料温度的方法包括：将温度不高于55℃的所述发酵液与温度高于所述进料温度的蒸汽混合；所述混合的条件使得混合后的物料的温度达到所述进料温度；并在所述混合后维持2-8s。在该优选情况下，可以进一步提高处理后的所述发酵液的过滤性能，具体地，可以明显地降低处理后的发酵液的质量比阻，加快过滤装置的处理速度；此外，还能节省加热的能耗。
其中，所述混合的条件可以包括：所述蒸汽的温度为158-171℃，压力为0.6-0.8MPa。
其中，相对于每吨所述发酵液，所述蒸汽的用量可以为0.06-0.2吨。
所述闪蒸残留的液体即可以作为经过本发明提供的方法处理后的发酵液。
根据本发明所述的方法，其中，优选情况下，所述方法还包括：将所述闪蒸残留的液体在60-80℃下，进一步优选68-72℃下，保温10-20分钟，得到保温后的物料。在该优选情况下，可以显著地降低处理后的所述发酵液的粘度，从而进一步提高处理后的所述发酵液的过滤性能，具体地，可以明显地降低处理后的发酵液的质量比阻，加快过滤装置的处理速度。
所述保温后的物料即可以作为经过本发明提供的方法处理后的发酵液。
该处理后的发酵液的粘度明显降低，过滤阻力也明显降低；因而过滤效率显著提高，并且最终得到的滤饼(即湿固体)中发酵产品的残留量也明显降低；同时得到的滤液更纯净，透光率更高。因此，根据本发明提供的方法处理的发酵液更有利于发酵产品的进一步提取。
根据本发明提供的方法，其中，所述发酵产品可以为柠檬酸。本发明的方法特别适用于柠檬酸发酵液的处理。
根据本发明提供的方法中特别优选的一种实施方式，其中，该方法包括如下步骤：
(1)将柠檬酸发酵液预热至45-55℃；
(2)将预热至45-55℃的柠檬酸发酵液与温度为158-171℃，压力为0.6-0.8MPa的蒸气混合，以使混合后的物料的温度达到75-90℃，并且在75-90℃的温度下保持2-8s；
(3)将在75-90℃的温度下保持2-8s后的混合后的物料经蒸发器的进料口通入蒸发器中进行闪蒸；所述蒸发器内的压力为10-50kPa；
(4)收集所述蒸发器中闪蒸残留的液体；并且将所述闪蒸残留的液体在68-72℃下保温10-20分钟；得到保温后的物料。
在上述特别优选实施方式中，所述保温后的物料即可以作为使用本发明的方法处理后的柠檬酸发酵液。
该处理后的柠檬酸发酵液的粘度明显降低，过滤阻力也明显降低；因而过滤效率显著提高，并且最终得到的滤饼(即湿固体)中柠檬酸的残留量也明显降低；同时得到的柠檬酸滤液更纯净，透光率更高，例如，柠檬酸含量为100g/L柠檬酸滤液的浊度可以从10-12NTU降低到5-8NTU。
因此，根据本发明提供的方法处理的发酵液特别有利于柠檬酸的进一步提取。
以上描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
以下，通过实施例对本发明进行进一步地详细说明。
制备实施例1
本制备实施例用于说明柠檬酸发酵液的来源。
在室温25℃下，将粉碎后的玉米(40目)与水按照重量比1∶2.8的比例调浆，按40单位淀粉酶/克粉碎产物的量添加淀粉酶(诺维信公司，α-淀粉酶)。快速升温至92℃，维持120分钟后(pH＝5.5)利用压滤机过滤得到滤液。将90重量份的上述滤液、0.1重量份的硝酸铵、0.05重量份的磷酸二氢钾、0.005重量份的硫酸镁和10重量份的水混合，得到发酵原液。将黑曲霉菌种加入到上述发酵原液中，并在发酵罐中进行发酵，接种量为：每克发酵原液1.0×105个菌落形成单位，在32℃、0.8体积：体积·分钟的通气的条件下培养65小时，发酵结束，得到柠檬酸发酵液。
取10mL上述柠檬酸发酵液，在8000×g的离心速度下离心15分钟，得到第一上清液和菌丝体沉淀。将全部菌丝体沉淀在10mL的乙腈水溶液(乙腈与水的体积比为1∶1)中研磨匀浆，并在室温下震荡15分钟后在8000×g的离心速度下离心15分钟，得到第二上清液。将全部的第一上清液和第二上清液在60℃下真空干燥，分别得到第一干粉和第二干粉。将全部上述第一干粉和第二干粉分别配制为5ml的水溶液。按照文献(魏屹等，高效液相色谱法测定乌梅中柠檬酸的含量，《中华中西医杂志》，2006年第7卷，2228-2230页)中所述的高效液相色谱法，分别测得第一干粉中柠檬酸的含量为1.3g，第二干粉中柠檬酸的含量为0.2g。上述分析结果证实，上述柠檬酸发酵液中，柠檬酸的总含量为150g/L，其中，13.3重量％的柠檬酸位于菌丝体沉淀中。
实施例1
本实施例用于说明本发明提供的发酵液的处理方法。
将制备实施例1得到的柠檬酸发酵液通过换热器加热到50℃左右；得到预热后的柠檬酸发酵液。
将预热后的柠檬酸发酵液与压力为0.7MPa左右，温度为165℃左右的蒸汽经过混合阀直接混合。预热后的柠檬酸发酵液的通入流速为110吨/小时左右，蒸汽的通入流速为13吨/小时左右。混合后的物料的温度即为83℃左右，将混合后的物料在83℃的温度下保持6s后，立即以常压进入蒸发器中进行闪蒸。
所述蒸发器为降膜式蒸发器，所述蒸发器中的绝压为30kPa。收集所述蒸发器中闪蒸残留的液体；并且将所述闪蒸残留的液体在保温罐中，在70℃下保温15分钟；得到保温后的物料。该保温后的物料即为使用本发明的方法处理后的发酵液。
将上述处理后的发酵液用蒸馏水稀释至柠檬酸含量为100g/L(该含量以处理后的发酵液中柠檬酸的总含量计算)，根据文献(俞俊棠等，新编生物工艺学(下册)，化学工业出版社，2003年出版，19页)中的方法，测得柠檬酸含量为100g/L的上述处理后的发酵液的质量比阻为2×1013m/kg。
将柠檬酸含量为100g/L的上述处理后的发酵液用板框压滤机压滤得到滤液，按照与制备实施例1中相同的方法，测得该滤液中的柠檬酸的含量为99.85g/L，按照GB/T5750.4-2006中的散射法，测得浊度为6.5NTU。
实施例2
本实施例用于说明本发明提供的发酵液的处理方法。
将制备实施例1得到的柠檬酸发酵液通过换热器加热到50℃左右；得到预热后的柠檬酸发酵液。
将预热后的柠檬酸发酵液与压力为0.7Mpa左右，温度为165℃左右的蒸汽经过列管式换热器进行热交换。预热后的柠檬酸发酵液的通入流速为110吨/小时左右，蒸汽的通入流速为15吨/小时左右。预热后的柠檬酸发酵液在所述列管式换热器中经过8s后温度达到83℃左右，然后立即以常压进入与实施例1中相同的蒸发器中，以与实施例1相同的闪蒸条件进行闪蒸。
收集所述蒸发器中闪蒸残留的液体；并且以实施例1相同的保温条件将上述闪蒸残留的液体进行保温；得到保温后的物料。该保温后的物料即为使用本发明的方法处理后的发酵液。
将上述处理后的发酵液用蒸馏水稀释至柠檬酸含量为100g/L(该含量以处理后的发酵液中柠檬酸的总含量计算)，按照与实施例1中的相同方法，测得柠檬酸含量为100g/L的上述处理后的发酵液的质量比阻为2.5×1013m/kg。
将柠檬酸含量为100g/L的上述处理后的发酵液用板框压滤机压滤得到滤液，按照与制备实施例1中相同的方法，测得该滤液中的柠檬酸的含量为99.75g/L，按照实施例1中相同的方法，测得浊度为6.5NTU。
实施例3
本实施例用于说明本发明提供的发酵液的处理方法。
采用与实施例1相同的方法处理制备例1得到的柠檬酸发酵液，得到处理后的发酵液，所不同的是：将混合后的物料在83℃的温度下保持30s后，立即以常压进入蒸发器中进行闪蒸。
将上述处理后的发酵液用蒸馏水稀释至柠檬酸含量为100g/L(该含量以处理后的发酵液中柠檬酸的总含量计算)，按照与实施例1中的相同方法，测得柠檬酸含量为100g/L的上述处理后的发酵液的质量比阻为5×1013m/kg。
将柠檬酸含量为100g/L的上述处理后的发酵液用板框压滤机压滤得到滤液，按照与制备实施例1中相同的方法，测得该滤液中的柠檬酸的含量为99.35g/L，按照实施例1中相同的方法，测得浊度为7NTU。
实施例4
本实施例用于说明本发明提供的发酵液的处理方法。
采用与实施例2相同的方法处理制备例1得到的柠檬酸发酵液，得到处理后的发酵液，所不同的是：降低蒸汽的通入速率，以使预热后的柠檬酸发酵液在所述列管式换热器中经过60s后温度达到83℃左右。
将上述处理后的发酵液用蒸馏水稀释至柠檬酸含量为100g/L(该含量以处理后的发酵液中柠檬酸的总含量计算)，按照与实施例1中的相同方法，测得柠檬酸含量为100g/L的上述处理后的发酵液的质量比阻为1×1012m/kg。
将柠檬酸含量为100g/L的上述处理后的发酵液用板框压滤机压滤得到滤液，按照与制备实施例1中相同的方法，测得该滤液中的柠檬酸的含量为99.31g/L，按照实施例1中相同的方法，测得浊度为7NTU。
实施例5
本实施例用于说明本发明提供的发酵液的处理方法。
采用与实施例1相同的方法处理制备例1得到的柠檬酸发酵液，得到处理后的发酵液，所不同的是：收集所述蒸发器中闪蒸残留的液体，不经过保温的步骤，将所述闪蒸残留的液体作为处理后的发酵液。
将上述处理后的发酵液用蒸馏水稀释至柠檬酸含量为100g/L(该含量以处理后的发酵液中柠檬酸的总含量计算)，按照与实施例1中的相同方法，测得柠檬酸含量为100g/L的上述处理后的发酵液的质量比阻为5×1012m/kg。
将柠檬酸含量为100g/L的上述处理后的发酵液用板框压滤机压滤得到滤液，按照与制备实施例1中相同的方法，测得该滤液中的柠檬酸的含量为99.15g/L，按照实施例1中相同的方法，测得浊度为8NTU。
对比例1
本对比例用于说明现有的发酵液的处理方法。
将制备例1得到的柠檬酸发酵液加热至83℃左右并维持30分钟，即得到处理后的发酵液。
将上述处理后的发酵液用蒸馏水稀释至柠檬酸含量为100g/L(该含量以处理后的发酵液中柠檬酸的总含量计算)，按照与实施例1中的相同方法，测得柠檬酸含量为100g/L的上述处理后的发酵液的质量比阻为5×1011m/kg。
将柠檬酸含量为100g/L的上述处理后的发酵液用板框压滤机压滤得到滤液，按照与制备实施例1中相同的方法，测得该滤液中的柠檬酸的含量为94.65g/L，按照实施例1中相同的方法，测得浊度为10NTU。
从上述实施例和对比例的效果可以看出，本发明提供的发酵液的处理方法显著地提高了发酵产品的收率。
并且，在优选使用蒸汽混合的方式将将所述发酵液的温度从不高于55℃的范围加热至达到所述进料温度的情况下，节省了蒸汽的用量，进一步降低了处理后的发酵液的质量比阻。
并且，在优选达到所述进料温度的发酵液在进行所述闪蒸前所经历的时间至多为15s的情况下，进一步降低了处理后的发酵液的质量比阻。
并且，当优选在进行所述闪蒸前，在1-20s内将所述发酵液从不高于55℃的温度加热至达到所述进料温度时，进一步降低了处理后的发酵液的质量比阻。
并且，在优选将所述闪蒸残留的液体在60-80℃下保温10-20分钟的情况下，进一步降低了处理后的发酵液的质量比阻。
Claims (10)
1.一种发酵液的处理方法，该发酵液中含有微生物和可溶于水且沸点高于水的发酵产品，所述发酵产品部分或全部位于所述微生物中；所述方法包括：在不使所述发酵产品沸腾或热分解的闪蒸条件下，将所述发酵液进行闪蒸，得到含有所述发酵产品的闪蒸残留的液体。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述发酵产品为柠檬酸、鸟苷酸、肌苷酸、谷氨酸和赖氨酸中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述闪蒸在蒸发器中进行，所述闪蒸条件包括：进料温度为65-120℃，蒸发器内的压力为5-60kPa。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述闪蒸条件包括：进料温度为75-90℃，蒸发器内的压力为10-50kPa。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述方法还包括：在进行所述闪蒸前，在1-20s内，将所述发酵液从不高于55℃的温度加热至达到所述进料温度。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述不高于55℃的温度为45-55℃。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，达到所述进料温度的发酵液在进行所述闪蒸前所经历的时间至多为15s。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其中，将所述发酵液的温度从不高于55℃的范围加热至达到所述进料温度的方法包括：将温度不高于55℃的所述发酵液与温度高于所述进料温度的蒸汽混合；所述混合的条件使得混合后的物料的温度达到所述进料温度；并在所述混合后维持2-8s。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述混合的条件包括：所述蒸汽的温度为158-171℃，压力为0.6-0.8MPa，相对于每吨所述发酵液，所述蒸汽的用量为0.06-0.2吨。
10.根据权利要求1、2、4、6、7和9中任意一项所述的方法，其中，所述方法还包括：将所述闪蒸残留的液体在60-80℃下保温10-20分钟，得到保温后的物料。
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