CN103468753A - 一种在黑曲霉发酵生产葡萄糖酸钠过程中的节水方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在黑曲霉发酵生产葡萄糖酸钠过程中的节水方法，步骤是在现有黑曲霉发酵生产葡萄糖酸钠工艺基础上，将发酵液蒸发浓缩工序产生的蒸发冷凝水集中收集，对其实施反渗透处理，处理后产生的净水和浓水分别再利用，实现节水。利用本发明方法可以大大降低黑曲霉发酵生产葡萄糖酸钠过程中的配料新鲜水用量，吨产品减少新鲜水使用量约50%，同时由于蒸发冷凝水经反渗透处理产生的净水温度较高，减少料液升温杀菌过程中的蒸汽消耗约20%，并且减少了生产过程中低浓度污水排放，实现了绿色清洁生产，值得广泛推广实施。

Description

一种在黑曲霉发酵生产葡萄糖酸钠过程中的节水方法

技术领域

本发明涉及一种葡萄糖酸钠生产中的节水方法，尤其涉及一种在黑曲霉发酵生产葡萄糖酸钠过程中的节水方法。属于工业生物技术领域。

背景技术

葡萄糖酸钠又名五羟基己酸钠，分子式：C₆H₁₁O₇Na，分子量：218.14，性状为白色或淡黄色结晶颗粒或粉末。极易溶于水，略溶于酒精，不溶于乙醚。其在建筑缓凝剂、泵送剂、医药、电镀、食品添加剂、食品行业清洗剂、水质稳定剂等领域有着广泛应用。

目前葡萄糖酸钠生产方法主要有生物发酵法、催化氧化法以及均相化学氧化法、电解氧化法等四种方法，而工业生产中主要采用生物发酵法及催化氧化法。

催化氧化法是在葡萄糖溶液加入适量催化剂，恒温条件下通入足量空气，将葡萄糖氧化成葡萄糖酸，同时流加氢氧化钠溶液，将葡萄糖酸转化成葡糖糖酸钠，葡萄糖转化率在95%左右。反应结束后葡萄糖酸钠溶液经过滤回收催化剂，滤液经浓缩、结晶、离心分离、干燥得到葡萄糖酸钠成品。该法优点是工艺简单，反应条件温和，缺点是生产过程中采用的催化剂价格高，葡萄糖残留偏高，结晶收率偏低。

生物发酵生产方法有黑曲霉发酵和细菌发酵，另外还有固定细胞发酵工艺。目前工业生产中普遍采用的是黑曲霉发酵工艺，该工艺已成为葡萄糖酸钠生产的主流生产工艺。使用黑曲霉发酵生产葡萄糖酸钠，具有发酵速度快、发酵过程易于控制、生产过程稳定温和、容易工业放大等特点。

黑曲霉发酵工艺是以葡萄糖为原料并添加少量无机盐加水制成培养料液，料液经加热灭菌后接入黑曲霉菌种进行深层通风发酵，发酵过程中保持适当的温度和溶解氧，并通过流加液体氢氧化钠维持适当的pH。当料液中的葡萄糖完全消耗后结束发酵。发酵结束后，含葡萄糖酸钠的发酵液经过滤除菌丝体、活性炭脱色、蒸发浓缩、结晶、干燥等工序获得葡萄糖酸钠成品。采用黑曲霉发酵生产葡萄糖酸钠，发酵结束后料液中葡萄糖酸钠的浓度约在20-30%（w/v），需要通过蒸发浓缩使料液中葡萄糖酸钠浓度达到70%（w/w）以上之后结晶，离心分离出葡萄糖酸钠产品后剩余的发酵液还要再次蒸发浓缩结晶，直至浓缩分离不出结晶葡萄糖酸钠为止。一般100m³发酵液在浓缩蒸发过程中大约产生80-90m³的高温冷凝水（其中包括加热用蒸汽冷凝水，温度60-65℃），目前，这部分冷凝水，生产企业一般采用直接外排到城市污水管网或用于设备、地面清洗后进入污水处理站进行处理，既增加了水资源和能源（冷凝水带走的热量）的消耗，同时也造成了水资源浪费。

发明内容

针对现有黑曲霉发酵生产葡萄糖酸钠技术中存在的水资源消耗量较大的问题，本发明的目的是提供一种在黑曲霉发酵生产葡萄糖酸钠过程中，可以有效减少吨产品水资源消耗、降低生产成本的节水方法。

本发明所述在黑曲霉发酵生产葡萄糖酸钠过程中的节水方法，步骤是：在现有黑曲霉发酵生产葡萄糖酸钠工艺基础上，将发酵液蒸发浓缩工序产生的蒸发冷凝水集中收集，对其实施反渗透处理，处理后产生的净水（透过水）和浓水分别再利用，实现节水、节能；

其特征在于：所述蒸发冷凝水是指在葡萄糖酸钠生产过程中，发酵液经板框过滤去除菌丝体，料液用活性炭脱色，再经过滤除炭得发酵液清液，然后对其采用多效蒸发器浓缩蒸发过程中产生的蒸发冷凝水，其中含有料液浓缩产生的冷凝水和料液加热用蒸汽产生的冷凝水；所述实施反渗透处理的方法是：将收集的蒸发冷凝水泵送至耐高温反渗透膜系统，在操作压力17-20bar，温度低于70℃的条件下运行，通过反渗透去除冷凝水中含有的少量有机小分子和离子性杂质，并通过调节回流比控制反渗透浓水出水比例为20%～40%（v/v）；所述净水和浓水分别再利用的方法是：反渗透处理产生的净水输送至黑曲霉发酵配料工序或留存于储罐中用于发酵培养基配制，反渗透处理产生的浓水集中收集后用于生产设备的清洗和/或滤布洗涤。

上述在黑曲霉发酵生产葡萄糖酸钠过程中的节水方法：所述耐高温反渗透膜系统的耐高温膜组件优选美国GE公司生产的高温纳滤膜Duratherm STD系列（运行温度≤70，适合比较洁净的热水）。

上述在黑曲霉发酵生产葡萄糖酸钠过程中的节水方法：所述反渗透浓水出水比例优选控制在25%～30%（v/v）。

上述在黑曲霉发酵生产葡萄糖酸钠过程中的节水方法：所述反渗透处理产生的净水与自来水（新鲜水）或纯净水按任意体积比例混合，或独立用于黑曲霉发酵配料工序，即用于发酵培养基配制。

本发明的技术效果是：利用本发明方法可以大大降低黑曲霉发酵生产葡萄糖酸钠中配料工序新鲜水用量，同时由于反渗透处理产生的净水温度较高（60-70℃），进而配制的料液温度比全部采用新鲜水配制的料液平均温度提高约25-35℃，明显减少了发酵培养基料液灭菌过程中的蒸汽消耗，具体测得料液灭菌过程中可减少蒸汽消耗约20-25%。发酵培养试验评价本发明所述反渗透处理产生的净水独立用于发酵工序配料，按照常规方法用于发酵培养，菌体生长、发酵周期及葡萄糖酸钠的产率与全部使用新鲜水配制的料液没有明显的差别。

在黑曲霉发酵生产葡萄糖酸钠过程中，发酵工序配料用水是新鲜水使用量最大的环节，如果能将蒸发冷凝水直接用于配料，不仅节约水质源，同时也减少了料液升温灭菌所使用的蒸汽量。然而，事实上蒸发冷凝水中含有菌体在发酵过程中产生的少量挥发性有机化合物以及在蒸发冷凝过程中设备携带的杂质，若直接用于发酵工序配料配制，会对菌体的生长产生抑制，致使发酵不能进行或速度变慢，发酵周期延长，得不偿失。因而蒸发冷凝水不能直接用于发酵工序配料，故才出现了生产企业直接外排等水资源和能源浪费的局面。本发明的方法成功解决了现有黑曲霉发酵生产葡萄糖酸钠技术中存在的水资源和能源消耗量较大的问题，明显而有效地减少了吨产品水资源和蒸汽消耗、降低了生产成本，具体数据为吨产品减少新鲜水使用量约50%，减少料液灭菌蒸汽消耗约20%，同时减少了生产过程中低浓度污水排放，实现了绿色清洁生产，值得广泛推广实施。

具体实施方式

下文将通过实施例具体阐述本发明的内容，但本发明内容不受以下实施例的限制，应延伸理解为与本发明技术思想雷同的各种实施方式均属于本发明内容的范畴。

实施例1：黑曲霉发酵生产葡萄糖酸钠的生产工艺

用新鲜水配制20～30%（w/v）浓度的葡萄糖溶液，然后按比例加入适量无机盐等营养物质（常规配方），料液经升温灭菌后接种体积分数为5～12%的黑曲霉液体种子，进行常规发酵，发酵过程中流加30-40%浓度的氢氧化钠溶液控制pH为5.5～7.0，当料液中的葡萄糖浓度降至0-1g/L时，结束发酵，获得含有20-30%（w/v）葡萄糖酸钠的发酵液，发酵周期20-30小时。将发酵液经板框过滤除菌，活性炭脱色、再过滤去除活性炭、清液经多效蒸发浓缩（产生大量的冷凝水）、降温结晶、离心分离得到葡萄糖酸钠晶体，晶体干燥后包装，即为市售葡萄糖酸钠成品。

实施例2：将含葡萄糖酸钠发酵液浓缩蒸发，收集蒸发过程中产生的蒸发冷凝水，对其实施反渗透处理

按实施例1所述方法发酵结束后，发酵液经升温灭活菌体，然后板框过滤去除菌丝体，发酵清液加活性炭脱色，板框过滤去除活性炭，脱色后的清液泵送至四效蒸发器进行浓缩，收集蒸发冷凝水即料液浓缩产生的冷凝水（含有加热用蒸汽产生的冷凝水（占总量的1/5）），泵送至美国GE公司生产的耐高温反渗透膜Duratherm STD系统，在操作压力17～20bar、温度低于70℃的条件下进行反渗透处理，通过调节回流比控制浓水出水比例为25-30%（v/v），收集净水（透过水，温度约60-70℃）至储罐暂存备用（用于发酵培养基配制），产生的浓水集中收集后用于生产设备的清洗和/或滤布洗涤。

实施例3新鲜水配料制备黑曲霉发酵生产葡萄糖酸钠的发酵液

按发酵料液配方将适量葡萄糖溶解于新鲜水（自来水，水温20-25℃）中，配制葡萄糖浓度至25-26%，同时加入其他无机盐辅料，料液温度约15-20℃，料液采用常规灭菌方法进行灭菌，降温后，接种葡萄糖酸钠生产菌种，按照常规发酵控制条件进行发酵培养，发酵周期24-27小时。

实施例4反渗透处理产生的净水配料制备黑曲霉发酵生产葡萄糖酸钠的发酵液

按发酵料液配方将适量葡萄糖溶解于蒸发冷凝水经反渗透处理产生的净水（65℃）中，配制葡萄糖浓度至25-26%，同时加入其他无机盐辅料，料液温度约55℃，料液采用常规灭菌方法进行灭菌，降温后，接种葡萄糖酸钠生产菌种，按照常规葡萄糖酸钠发酵控制条件进行发酵培养，发酵周期24-27小时。

实施例5反渗透处理产生的净水与自来水混合液配料制备黑曲霉发酵生产葡萄糖酸钠的发酵液

配料水采用80%（v/v）的蒸发冷凝水经反渗透处理产生的净水和20%（v/v）的自来水，配制葡萄糖浓度至25-26%，同时加入其他无机盐辅料，料液温度约45℃左右，料液采用常规灭菌方法进行灭菌，降温后，接种葡萄糖酸钠生产菌种，按照常规葡萄糖酸钠发酵控制条件进行发酵培养，发酵周期24-27小时。

Claims (4)

1.一种在黑曲霉发酵生产葡萄糖酸钠过程中的节水方法，步骤是在现有黑曲霉发酵生产葡萄糖酸钠工艺基础上，将发酵液蒸发浓缩工序产生的蒸发冷凝水集中收集，对其实施反渗透处理，处理后产生的净水和浓水分别再利用，实现节水；

其特征在于：所述蒸发冷凝水是指在葡萄糖酸钠生产过程中，发酵液经板框过滤去除菌丝体，料液用活性炭脱色，再经过滤除炭得发酵液清液，然后对其采用多效蒸发器浓缩蒸发过程中产生的蒸发冷凝水，其中含有料液浓缩产生的冷凝水和料液加热用蒸汽产生的冷凝水；所述实施反渗透处理的方法是：将收集的蒸发冷凝水泵送至耐高温反渗透膜系统，在操作压力17～20bar、温度低于70℃的条件下运行，通过反渗透去除冷凝水中含有的少量有机小分子和离子性杂质，并通过调节回流比控制反渗透浓水出水比例以v/v计为20%～40%；所述净水和浓水分别再利用的方法是：反渗透处理产生的净水输送至黑曲霉发酵配料工序或留存于储罐中用于发酵培养基配制，反渗透处理产生的浓水集中收集后用于生产设备的清洗和/或滤布洗涤。

2.如权利要求1所述在黑曲霉发酵生产葡萄糖酸钠过程中的节水方法，其特征在于：所述耐高温反渗透膜系统的耐高温膜组件选用美国GE公司生产的高温纳滤膜DurathermSTD系列。

3.如权利要求1所述在黑曲霉发酵生产葡萄糖酸钠过程中的节水方法，其特征在于：所述反渗透浓水出水比例以v/v计控制在25%～30%。

4.如权利要求1所述在黑曲霉发酵生产葡萄糖酸钠过程中的节水方法，其特征在于：所述反渗透处理产生的净水与自来水按任意体积比例混合，或独立用于发酵培养基配制。