CN102533884A - 一种清洁生产谷氨酸、γ-聚谷氨酸及有机肥料的方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种清洁生产谷氨酸、γ-聚谷氨酸及有机肥料的方法，具体涉及一种采用微生物发酵法先后制备谷氨酸、γ-聚谷氨酸以及一种具有保水保湿功能有机缓释肥料的方法。本发明利用谷氨酸等电废液生产γ-聚谷氨酸，谷氨酸提取率虽然仅有70％-80％，但同时得到更高附加值的γ-聚谷氨酸、大量菌体蛋白以及一种保水保湿有机缓释肥料，谷氨酸提取母液经过简单调整即可作为γ-聚谷氨酸生产的培养基，省去了离交工艺，减少了谷氨酸提取过程中的废水排放量，基本实现零排放，降低了氨基酸生产企业对于环境污染的压力，达到清洁生产的目的。

Description

一种清洁生产谷氨酸、γ-聚谷氨酸及有机肥料的方法
技术领域
本发明属氨基酸生产技术领域，具体涉及一种采用微生物发酵法先后制备谷氨酸、γ-聚谷氨酸及获得一种具有保水保湿功能有机缓释肥料的方法。
背景技术
国内的谷氨酸发酵存在着产酸低、能耗高、污染较严重等问题，通常采用等电-离交工艺回收谷氨酸，该工艺虽然可以弥补单一等电法提取谷氨酸收率低的问题，但是离交带来的副作用很大，据统计，仅仅提取高流液中的谷氨酸，吨谷氨酸硫酸消耗将近1.2吨，液氨0.6吨，远远高于发酵液中谷氨酸的提取消耗，吨谷氨酸产生的离交废水高达12m3，另外高流液在不断的循环过程中，发酵液中的菌体蛋白、金属离子，硫酸根等杂质也不断的富集，使等电结晶析出的α-谷氨酸质量差，纯度较低，离交回收母液中的谷氨酸，总的经济效益提高很少，特别从环保的角度来看，离交不是最好的回收工艺。目前国内绝大多数企业以生化-物化方式进行末端废水处理，是将谷氨酸或味精废水等高浓度有机废水，当成“废水”处理，先污染再治理，其后果投资大，占地广，运行费用高而经济效益低，常成为企业的沉重负担，在技术上和经济上不合理，其实质上一种资源未得到合理的利用的处理过程。
发明内容
本发明解决的技术问题：提供一种清洁生产谷氨酸、γ-聚谷氨酸及有机肥料的方法，使谷氨酸等电提取废水变废为宝，生产出具有更高附加值的γ-聚谷氨酸产品以及有机肥料，实现企业产品多元化，并且整个生产过程基本无有机废水排放，减轻氨基酸生产企业污水处理负担，降低生产成本，大大提高了企业竞争能力。
本发明的设计思路：γ-聚谷氨酸(γ-Polyglutamic acid，即γ-PGA)是通过微生物发酵合成的一种全天然、水溶性、可生物降解的新型生物高分子聚合物。由于其具有强吸水性、高保水性、人体适应性等优良特性，在医药、化妆品、食品、轻工、农业、园艺等各方面都有广泛的应用，如可作为药物载体、粘合剂、缓释剂、保湿剂、增稠剂、苦味掩盖剂、防冻剂、生物絮凝剂、重金属和放射性金属离子鳌合剂、高吸水材料、肥料增效剂等。
目前国内大多数生产厂家采用生物素亚适量法生产谷氨酸，谷氨酸一次等电母液中含有残糖0.5％，总糖1.0％，有机酸0.8％，铵离子0.6％-0.8％，还含有核酸和核苷酸类物质、腺嘌呤化合物、尿嘧啶化合物，残留的消泡剂和其它培养基杂质，残留的阴离子：SO4 2-、Cl-、PO4 3-，残留的阳离子：K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Mn2+、Fe2+等。另外谷氨酸一次等电收率约为78-80％，等电母液中约含2-3％的谷氨酸，这些物质未能被谷氨酸棒状杆菌利用，或者是属于谷氨酸发酵过程中的副产物，但这些物质大多能被谷氨酸依赖型的枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)利用生产γ-聚谷氨酸，该等电母液经过补加碳源、氮源及生长因子后适当调整离子浓度即能成为枯草芽孢杆菌优良的培养基进行γ-聚谷氨酸的生产。γ-聚谷氨酸提取废液经喷浆造粒也可制成含有γ-聚谷氨酸的有机肥料。
本发明采用的技术方案：一种清洁生产谷氨酸、γ-聚谷氨酸及有机肥料的方法，包括下述步骤：
1、一种清洁生产谷氨酸、γ-聚谷氨酸及有机肥料的方法，包括下述步骤：
1)将谷氨酸发酵液通过微滤膜过滤除去谷氨酸发酵液中的菌体及杂蛋白后，得到微滤透析液和菌体蛋白，将微滤透析液通过超滤膜过滤得到超滤透析液和浓缩液，将浓缩液和菌体及杂蛋白混合后烘干做为菌体蛋白饲料；
2)采用工业盐酸调整步骤1中超滤透析液的pH值至3.0-3.2，调整过程中缓慢搅拌，然后进入常温等电降温装置中结晶，再经离心、分离得到谷氨酸晶体和等电母液，等电母液中谷氨酸的含量约为2％-3％；
3)采用工业碱调整步骤2中等电母液的pH值到6.8，同时快速测定等电母液中的各组分含量，根据测定结果计算调整等电母液中的各组分含量配制成γ-聚谷氨酸的发酵培养基，所述发酵培养基的主要成分重量比为：葡萄糖3-6％，酵母膏2-5％，谷氨酸3-5％，NH4Cl 0.1-1％，CaCl2 0.01-0.1％，K2HPO40.1-1％，MgSO4 0.01-0.1％，MnCl2 0.001-0.01％，然后将发酵培养基升温至110℃-130℃灭菌，得到无菌发酵培养基；
4)将枯草芽孢杆菌种子液按无菌发酵培养基量的2-20％接入步骤3中的无菌发酵培养基中进行微生物发酵，获得γ-聚谷氨酸发酵液；
5)将步骤4中的γ-聚谷氨酸发酵液升温到80℃-120℃灭菌，然后将灭菌后的γ-聚谷氨酸发酵液稀释1-5倍，采用微滤膜过滤除去γ-聚谷氨酸发酵液中的菌体及杂蛋白后，得到微滤透析液和菌体蛋白，菌体蛋白经烘干后作为菌体蛋白饲料；将微滤透析液通过超滤膜得到超滤透析液和浓缩液；
6)向步骤5中的浓缩液中加入2-6倍的99％工业乙醇沉淀浓缩液得到γ-聚谷氨酸沉淀和上清液，将沉淀收集后冷冻干燥得到成品γ-聚谷氨酸；
7)将步骤6中的上清液泵入蒸馏塔，通过减压蒸馏的方式回收得到工业乙醇和蒸馏废液，将蒸馏废液和步骤6中的超滤透析液作为肥料原液；
8)将步骤7中的肥料原液采用蒸发器浓缩，将肥料原液浓缩到25-36婆美度后，进行喷浆造粒，造粒温度50-60℃，制得有机肥料，造粒尾气经除湿除臭后排入大气。
上述步骤1中所述的微滤膜为陶瓷膜，截留分子量为2000-50000MW，孔径大小为0.1-10μm，所述的超滤膜为聚偏氟乙烯、聚醚砜、聚丙烯、聚乙烯、聚砜、聚丙稀腈及聚氯乙稀中的一种，其截留分子量为500-5000MW，孔径大小为10-100nm，其中，微滤温度和超滤温度均为20-60℃，微滤时料液进口压力和出口压力的差值为0.1-0.4Mpa。
上述步骤3中采用生物传感仪法测定谷氨酸和残糖的含量，原子吸收法测定金属离子的含量，氨氮离子测定仪测定NH4 +的含量，分光光度法测定PO4 3-。
上述步骤5中采用的微滤膜为陶瓷膜，截留分子量为2000-50000MW，孔径大小为0.1-10μm；超滤膜为聚偏氟乙烯、聚醚砜、聚丙烯、聚乙烯、聚砜、聚丙稀腈或聚氯乙稀中的一种，其截留分子量为5000-50000MW，孔径在10-100nm；其中微滤温度和超滤温度均为20-60℃，微滤时料液进口压力和出口压力的差值为0.1-0.4Mpa。
本发明与现有技术相比的优点：
1、本发明的谷氨酸提取率虽然仅有70％-80％，但同时可得到具有更高附加值的产品γ-聚谷氨酸、大量菌体蛋白以及一种保水保湿有机缓释肥料，实现企业产品多元化，提高企业竞争力，增加企业经济效益；
2、谷氨酸提取母液经过简单调整即可作为γ-聚谷氨酸生产的发酵培养基，省去了离子交换工艺，变谷氨酸提取废液为宝，降低了企业生产成本；
3、减少了谷氨酸提取过程中的废水排放量，基本实现零排放，降低了氨基酸生产企业环境保护的压力，达到清洁生产的目的。
附图说明
图1为本发明生产工艺流程图。
具体实施方式
参照附图1的生产工艺流程，描述本实发明的实施例。
将60L谷氨酸发酵液通过微滤膜过滤除去谷氨酸发酵液中的菌体及其它杂蛋白后，得到120L微滤透析液和菌体蛋白，将120L微滤透析液通过超滤膜过滤得到超滤透析液30L和浓缩液，将浓缩液和菌体蛋白混合后经烘干后得到1.18kg优质菌体蛋白饲料，其中，微滤温度和超滤温度均为20-60℃，微滤时料液进口压力和出口压力的差值为0.1-0.4Mpa；上述的微滤膜为陶瓷膜，截留分子量为2000-50000MW，孔径大小为0.1-10μm，微滤温度为20-60℃；上述的超滤膜材料为聚偏氟乙烯(PVDF)、聚醚砜(PES)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚砜(PS)、聚丙稀腈(PAN)或聚氯乙稀(PVC)中的一种，截留分子量为500-5000MW，孔径大小为10-100nm。用浓度为31％的工业盐酸调整超滤透析液的pH值至3.0-3.2，调整过程中缓慢搅拌促溶，然后进入常温等电降温装置中结晶，再经离心、分离得到7.2kg谷氨酸晶体和等电母液，采用工业碱，优选30％氢氧化钠液碱，调整等电母液的pH值到6.8，同时快速测定母液中的各组分含量为葡萄糖：0.4％，谷氨酸2.7％，NH4 +0.5％，PO4 3+0.07％，其他未检出。根据测定结果，添加适量葡萄糖、酵母膏、氯化钙、磷酸二钾等辅料，调整等电母液中的各组分含量到以下范围所需量：葡萄糖：4％，酵母膏3％，谷氨酸3.5％，NH4Cl0.5％，CaCl20.1％，K2HPO40.8％，MgSO40.05％，MnCl20.003％，得到42Lγ-聚谷氨酸发酵培养基，然后将发酵培养基升温至110℃-130℃灭菌，得到无菌发酵培养基；将枯草芽孢杆菌种子液按无菌发酵培养基量的15％接入无菌发酵培养基中进行微生物发酵，获得50Lγ-聚谷氨酸发酵液；将发酵液升温到80℃-120℃灭菌，稀释5倍后通过微滤膜过滤除去发酵液中的菌体，得到250L微滤透析液和菌体蛋白，菌体蛋白经烘干后得到1kg优质菌体蛋白饲料，上述的微滤膜为陶瓷膜，截留分子量为2000-50000MW，孔径大小为0.1-10μm，微滤温度为20-60℃，微滤时料液进口压力和出口压力的差值为0.1-0.4Mpa。将微滤透析液通过超滤膜得到超滤透析液和50L浓缩液，所述超滤膜为PE、PP、或PES中的一种，截留分子量为5000-50000MW，孔径在10-100nm，其中超滤温度为20-60℃，超滤时料液进口压力和出口压力的差值为0.2-0.4Mpa。向浓缩液中加入浓度为99％的工业乙醇200L，沉淀浓缩液得到γ-聚谷氨酸和沉淀上清液，将沉淀收集后冷冻干燥得到4.5kgγ-聚谷氨酸成品。将沉淀上清液泵入酒精蒸馏塔，通过减压蒸馏的方式回收得到工业乙醇和蒸馏废液，将蒸馏废液与超滤透析液作为肥料原液，采用四效降膜蒸发器浓缩到25-36婆美度后，进行喷浆造粒，造粒温度50-60℃，得到有机肥料，造粒尾气通过生物处理-等离子净化耦联处理装置除湿除臭后排入大气。
上述实施例，只是本发明的较佳实施例，并非用来限制本发明实施范围，故凡以本发明权利要求所述内容所做的等效变化，均应包括在本发明权利要求范围之内。

Claims (4)

1.一种清洁生产谷氨酸、γ-聚谷氨酸及有机肥料的方法，其特征在于包括下述步骤：
1)将谷氨酸发酵液通过微滤膜过滤除去谷氨酸发酵液中的菌体及杂蛋白后，得到微滤透析液和菌体蛋白，将微滤透析液通过超滤膜过滤得到超滤透析液和浓缩液，将浓缩液和菌体及杂蛋白混合后烘干做为菌体蛋白饲料；
2)采用工业盐酸调整步骤1中超滤透析液的pH值至3.0-3.2，调整过程中缓慢搅拌，然后进入常温等电降温装置中结晶，再经离心、分离得到谷氨酸晶体和等电母液，等电母液中谷氨酸的含量约为2％-3％；
3)采用工业碱调整步骤2中等电母液的pH值到6.8，同时快速测定等电母液中的各组分含量，根据测定结果计算调整等电母液中的各组分含量配制成γ-聚谷氨酸的发酵培养基，所述发酵培养基的主要成分重量比为：葡萄糖3-6％，酵母膏2-5％，谷氨酸3-5％，NH4Cl 0.1-1％，CaCl20.01-0.1％，K2HPO40.1-1％，MgSO40.01-0.1％，MnCl20.001-0.01％，然后将发酵培养基升温至110℃-130℃灭菌，得到无菌发酵培养基；
4)将枯草芽孢杆菌种子液按无菌发酵培养基量的2-20％接入步骤3中的无菌发酵培养基中进行微生物发酵，获得γ-聚谷氨酸发酵液；
5)将步骤4中的γ-聚谷氨酸发酵液升温到80℃-120℃灭菌，然后将灭菌后的γ-聚谷氨酸发酵液稀释1-5倍，采用微滤膜过滤除去γ-聚谷氨酸发酵液中的菌体及杂蛋白后，得到微滤透析液和菌体蛋白，菌体蛋白经烘干后作为菌体蛋白饲料；将微滤透析液通过超滤膜得到超滤透析液和浓缩液；
6)向步骤5中的浓缩液中加入2-6倍的99％工业乙醇沉淀浓缩液得到γ-聚谷氨酸沉淀和上清液，将沉淀收集后冷冻干燥得到成品γ-聚谷氨酸；
7)将步骤6中的上清液泵入蒸馏塔，通过减压蒸馏的方式回收得到工业乙醇和蒸馏废液，将蒸馏废液和步骤6中的超滤透析液作为肥料原液；
8)将步骤7中的肥料原液采用蒸发器浓缩，将肥料原液浓缩到25-36婆美度后，进行喷浆造粒，造粒温度50-60℃，制得有机肥料，造粒尾气经除湿除臭后排入大气。
2.根据权利要求1所述的清洁生产谷氨酸、γ-聚谷氨酸及有机肥料的方法，其特征在于：上述步骤1中所述的微滤膜为陶瓷膜，截留分子量为2000-50000MW，孔径大小为0.1-10μm，所述的超滤膜为聚偏氟乙烯、聚醚砜、聚丙烯、聚乙烯、聚砜、聚丙稀腈及聚氯乙稀中的一种，其截留分子量为500-5000MW，孔径大小为10-100nm，其中，微滤温度和超滤温度均为20-60℃，微滤时料液进口压力和出口压力的差值为0.1-0.4Mpa。
3.根据权利要求1所述的清洁生产谷氨酸、γ-聚谷氨酸及有机肥料的方法，其特征在于：上述步骤3中采用生物传感仪法测定谷氨酸和残糖的含量，原子吸收法测定金属离子的含量，氨氮离子测定仪测定NH4 +的含量，分光光度法测定PO4 3-。
4.根据权利要求1所述的清洁生产谷氨酸、γ-聚谷氨酸及有机肥料的方法，其特征在于：上述步骤5中采用的微滤膜为陶瓷膜，截留分子量为2000-50000MW，孔径大小为0.1-10μm；超滤膜为聚偏氟乙烯、聚醚砜、聚丙烯、聚乙烯、聚砜、聚丙稀腈或聚氯乙稀中的一种，其截留分子量为5000-50000MW，孔径在10-100nm；其中微滤温度和超滤温度均为20-60℃，微滤时料液进口压力和出口压力的差值为0.1-0.4Mpa。
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