CN103723894A - 一种苏氨酸母液处理新方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种苏氨酸母液处理的新方法，所述方法包括向苏氨酸母液提取过程中获得的苏氨酸母液溶液中添加醇类物质降低其溶解度而析出，其余杂质通过添加复合微生物菌剂使得达到排放标准。本发明生产成本低，苏氨酸提取收率高，废水排放少，经济环保。其具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及生物发酵行业苏氨酸提取工艺领域，具体提供一种苏氨酸母液处理新方法。
背景技术
苏氨酸（Threonine，简写为Thr），学名2-氨基-3-羟基丁酸，属于脂肪族氨基酸，微甜，因结构与苏糖相似而得名，是构成人和动植物蛋白质的一种必需氨基酸，主要用于医药、化学试剂、营养强化剂，可以强化乳制品，具有恢复人体疲劳，促进生长发育的效果。近年来，随着经济的发展，市场对苏氨酸需求持续稳定增长，是需求增长最快的氨基酸品种之一，特别是在化学及生化、食品添加剂、饲料添加剂等方面的用量增长迅速，大有取代色氨酸而成为除赖氨酸、蛋氨酸以外的发展最迅速的第三大氨基酸。
目前，苏氨酸的生产方法主要有发酵法、蛋白质水解法和化学合成法三种，其中微生物发酵法已经成为生产苏氨酸的主流方法。发酵法生产苏氨酸需经过发酵、膜过滤、浓缩结晶、离心分离、干燥、筛分、包装等工艺操作，浓缩液离心分离后将产生大量的苏氨酸母液，其成分包括苏氨酸、杂质氨基酸、蛋白质、残糖、无机盐等物质。
苏氨酸的分离纯化通常采用离子交换法，离子交换树脂加膜过滤提取解决了产品纯度、收率低、污水难处理等问题，也是氨基酸提取常用的一种方法。离子交换法加膜滤提取法是将陶瓷膜除菌后的滤清液下调pH值至2～4.5，用强酸树脂将氨基酸和阳离子吸附，废液排出至污水处理，最后用氨水将吸附的氨基酸洗脱下来，但是洗脱液中的阳离子与氨基酸无法有效的分离，致使苏氨酸的纯度较低。另一方面母液中含有的大量菌体，它是一种单细胞蛋白，含有丰富的蛋白质，对干燥后菌体蛋白的化学成分进行分析发现缬氨酸废弃菌体中蛋白质的含量高达80％以上。其氨基酸种类和配比都比较齐全，并且含有丰富的维生素、核酸、多糖等其他营养物质。这些有用物质白白排放，造成大量的损失。
现有苏氨酸母液的处理方法有：（1）母液直接进入污水处理系统，导致苏氨酸提取总收率不到82%，因此生产成本高。（2）母液通过离交系统除杂后采用浓缩结晶工艺，再次提取苏氨酸，苏氨酸总收率一般在93%左右。该方法液氨、硫酸消耗高，解析液浓度较低，整个生产过程成本较高。（3）采用比较先进的色谱分离方法，其母液苏氨酸回收率能够达到88%，总收率达到94%左右。但是色谱分离一次性投资较大，成本回收期较长；同时该方法需要对原料进行预处理，将消耗大量的无离子水，而且获得的提取液苏氨酸含量低，浓缩又将耗费大量的电、汽，其总生产成本较前两种方法稍低。
本发明介绍了一种苏氨酸母液处理新方法，这对研究开发新的苏氨酸废母液回收利用技术，提高苏氨酸的提取收率，降低污水处理负担，从而增加企业的经济效益，具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是针对传统工艺的不足，提供了一种适用的苏氨酸母液回收的新方法，其大幅降低了成产成本，生产过程操作简便，产品质量稳定可靠。从苏氨酸母液中回收苏氨酸，提高了苏氨酸的提取收率，符合资源综合利用、节能减排的要求，同时减少了废液排放，减轻了污水处理负担，带来了巨大的经济效益和环保效益。为了实现本发明目的，采用如下技术方案：
一种苏氨酸母液处理方法，包括以下步骤：
（1）取苏氨酸母液，维持母液温度在30-50℃，缓慢加入95%以上的乙醇溶液并搅拌，乙醇流加速度控制在每小时加入母液体积的20-50%，乙醇总流加量为母液体积的50-150%；乙醇流加过程中用冷却水对母液进行降温，待温度降至5-20℃后停止搅拌，静置3-8h，得到料液；
（2）将步骤（1）获得的料液进行自然沉降固液分离，获得沉降物与上清液；
（3）对步骤（2）获得的沉降物加水溶解（1倍质量水）后泵入脱色罐进行脱色处理，脱色罐中添加沉降物质量1%的粉状活性炭，控制脱色罐内的温度为45℃，pH在5-6，波美度在10-12，脱色30分钟后，脱色率达到93.7%,然后进入单效结晶系统结晶苏氨酸，从而达到回收苏氨酸的目的。
（4）步骤（2）沉降后的上清液采用蒸馏塔回收母液中的酒精，得到95%的酒精回用于酒精流加系统,产生的釜底料进入污水处理系统，添加复合微生物菌剂深度处理后达标排放。
所述复合微生物菌剂的活性成分包括下列重量份的原料：
红球菌8份，巨大芽孢杆菌7份，脱氮副球菌5份，黄孢原毛平革菌5份；黑曲霉3份，亚硝化菌2份，嗜酸氧化亚铁硫杆菌2份
所述红球菌具体为红球菌（Rhodococcus rhodochrous） ATCC 15906；（参见文献Cloning and Characterization of Benzoate Catabolic Genes in the Gram-Positive Polychlorinated Biphenyl DegraderRhodococcus sp. Strain RHA1，J. Bacteriol. November 2001）；
所述巨大芽孢杆菌具体可为巨大芽孢杆菌（Bacillus megatherium）CGMCC No：2267(CN101215532);
所述脱氮副球菌具体为脱氮副球菌(Paracoccus denitrificans) ATCC13543（参见文献Genes coding for respiratory complexes map on all three chromosomes of the Paracoccus denitrificans genome, Archives of Microbiology，1998）；
所述黄孢原毛平革菌为黄孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium）ATCC 24725（参见文献APPLIED AND ENVIRONMENTAL MICROBIOLOGY, Feb1994, p709-714）
所述黑曲霉具体为黑曲霉（Aspergillus nige）CCTCC No：M206034；(CN1924000)
所述亚硝化菌具体为亚硝化菌（Nitrosomonas europaea）ATCC19718（参见文献Complete Genome Sequence of the Ammonia-Oxidizing Bacterium and Obligate Chemolithoautotroph Nitrosomonas europaea，2003）;
所述嗜酸氧化亚铁硫杆菌为嗜酸氧化亚铁硫杆菌（Acidithiobacillus ferrooxidans）ATCC 53993（可见文献A genomic island provides Acidithiobacillus ferrooxidans ATCC 53993 additional copper resistance: a possible competitive advantage. Appl Microbiol Biotechnol. 2011）；
将以上红球菌，巨大芽孢杆菌，脱氮副球菌，黄孢原毛平革菌；黑曲霉，亚硝化菌，嗜酸氧化亚铁硫杆菌、按照常规培养浓度均控制在2×108个/克，所培养的菌液按照质量比例混合得到液体菌剂；
取上述液体菌剂与载体搅拌混合，优选以硅藻土（40－80目）为载体，按照菌剂：载体为3：1的重量比混合。干燥：将混合好物料进行干燥，干燥温度为20-50℃，干燥后含水量为20-30％；检验、包装：按质量标准检验，成品按重量进行包装，即得固体菌剂。
按每立方米釜底料每次投加微生物制剂30克，每天投加1次，连续投加一周，最后静置3天，将液体排出。
所述的苏氨酸母液其苏氨酸含量应控制在10-20g/dL。
所述的苏氨酸母液醇析所用的醇类物质为95%以上乙醇。
所述的苏氨酸母液醇析过程中，乙醇的添加速度为每小时加入料液体积的20-50%，乙醇的总用量为料液体积的50-150%。
所述的苏氨酸母液醇析后，母液采用蒸馏塔蒸馏回收酒精回用酒精流加系统，其余釜底料进入污水处理系统。
本发明取得的有益效果：
1 使用本方法，苏氨酸母液与乙醇溶液在结晶罐中得以充分混合，溶液产生过饱和状态，从母液中析出苏氨酸晶体。在上述混合溶液结晶过程中，盛装苏氨酸母液和乙醇溶液的结晶罐应维持在特定的温度之下，反应温度、溶液体积以及乙醇溶液的流加速度将影响苏氨酸结晶颗粒的形状、大小等。
上述溶液结晶时，醇类溶剂的使用量也是十分重要的。溶剂用量减少，将削弱溶解度减小作用；另一方面，溶剂用量加大后，生产成本相应增加，同时苏氨酸中杂质含量将会增加，影响苏氨酸继续提纯。
2本发明通过添加醇类物质来减小苏氨酸在溶液中的溶解度，从而析出苏氨酸晶体。与高温浓缩结晶不同，本方法可以在较低温度下减小苏氨酸在母液中的溶解度而回收苏氨酸，极大改善了工人的工作环境。本发明与传统工艺相比，生产成本大幅降低，生产过程操作简便，产品质量稳定可靠。从苏氨酸母液中回收苏氨酸，提高了苏氨酸的提取收率，符合资源综合利用、节能减排的要求，同时减少了废液排放，减轻了污水处理负担，带来了巨大的经济效益和环保效益。
3本发明解决了苏氨酸母液难以利用和治理的缺陷，母液中的苏氨酸成分得到了有效提取。与传统苏氨酸母液的处理工艺相比，回避了上述3种方法的弊端，母液中的苏氨酸回收率得到提高，苏氨酸的总提取收率达到98%以上，避免了为提高苏氨酸的纯度而重复地结晶和离交，其缩短了提取高纯度苏氨酸的时间，经济效益明显。本申请公开了苏氨酸母液提取的一系列完整步骤，其优化了产品结构又规范了生产流程。具有投资低，工艺过程简便，生产成本低，污水排放少等特点，具有显著的经济效益和环保效益。
4本发明的复合菌剂专门针对苏氨酸制备过程的母液，将各种能形成优势菌群的菌种，配制成高效微生物制剂，按一定量投加到废水处理系统中，加速微生物对污染物的降解，以提高系统的生物处理效率，保证系统稳定运行。其含有多种对难降解污染物有优良降解能力的微生物，各菌种之间合理配伍，共生协调，互不拮抗，活性高，生物量大，繁殖快，投加在废水处理系统中，对大分子、难降解物质有良好的降解效果，对传统的氨酸过程排放废水有独特的处理效果。适于苏氨酸废水排放处理，可提高处理水量和处理水质，降低运行费用，促进达标排放。
5 针对脱色处理步骤，设计单因子和多因子重复实验筛选最佳操作参数，研究活性炭添加量、反应温度、ph值等参数对脱色率和氨基酸损失率的影响，最终得出针对乙醇处理的母液，添加沉降物质量1%的粉状活性炭，控制脱色罐内的温度为45℃，pH在5-6，波美度在10-12，脱色30分钟的操作参数最佳，其脱色率达到93.7%，损失率仅为7％。
具体实施方式：
一种苏氨酸母液处理方法，包括以下步骤：
（1）取苏氨酸母液，维持母液温度在30-50℃，缓慢加入95%以上的乙醇溶液并搅拌，乙醇流加速度控制在每小时加入母液体积的50%，乙醇的总流加量与母液体积相同；乙醇流加过程中用冷却水在反应器外部对母液进行降温，待温度降至10℃后停止搅拌，静置4h，得到料液；
（2）将步骤（1）获得的料液进行自然沉降固液分离，获得沉降物与上清液；
（3）对步骤（2）获得的沉降物加水溶解（1倍质量水）后泵入脱色罐进行脱色处理，脱色罐中添加占沉降物质量1%的粉状活性炭，控制脱色罐内的温度为45℃，pH在5-6，波美度在10-12，脱色30分钟后，脱色率达到93.7%，然后进入单效结晶系统结晶苏氨酸，从而达到回收苏氨酸的目的。
（4）步骤（2）沉降后的上清液采用蒸馏塔回收母液中的酒精，得到95%的酒精回用于酒精流加系统,产生的釜底料进入污水处理系统，添加复合微生物菌剂深度处理后达标排放。
所述复合微生物菌剂的活性成分包括下列重量份的原料：
红球菌8份，巨大芽孢杆菌7份，脱氮副球菌5份，黄孢原毛平革菌5份；黑曲霉3份，亚硝化菌2份，嗜酸氧化亚铁硫杆菌2份
所述红球菌具体为红球菌（Rhodococcus rhodochrous） ATCC 15906；（参见文献Cloning and Characterization of Benzoate Catabolic Genes in the Gram-Positive Polychlorinated Biphenyl DegraderRhodococcus sp. Strain RHA1，J. Bacteriol. November 2001）；
所述巨大芽孢杆菌具体可为巨大芽孢杆菌（Bacillus megatherium）CGMCC No：2267(CN101215532);
所述脱氮副球菌具体为脱氮副球菌(Paracoccus denitrificans) ATCC13543（参见文献Genes coding for respiratory complexes map on all three chromosomes of the Paracoccus denitrificans genome, Archives of Microbiology，1998）；
所述黄孢原毛平革菌为黄孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium）ATCC 24725（参见文献APPLIED AND ENVIRONMENTAL MICROBIOLOGY, Feb1994, p709-714）
所述黑曲霉具体为黑曲霉（Aspergillus nige）CCTCC No：M206034；(CN1924000)
所述亚硝化菌具体为亚硝化菌（Nitrosomonas europaea）ATCC19718（参见文献Complete Genome Sequence of the Ammonia-Oxidizing Bacterium and Obligate Chemolithoautotroph Nitrosomonas europaea，2003）;
所述嗜酸氧化亚铁硫杆菌为嗜酸氧化亚铁硫杆菌（Acidithiobacillus ferrooxidans）ATCC 53993（可见文献A genomic island provides Acidithiobacillus ferrooxidans ATCC 53993 additional copper resistance: a possible competitive advantage. Appl Microbiol Biotechnol. 2011）；
将以上红球菌，巨大芽孢杆菌，脱氮副球菌，黄孢原毛平革菌；黑曲霉，亚硝化菌，嗜酸氧化亚铁硫杆菌、按照常规培养浓度均控制在2×108个/克，所培养的菌液按照质量比例混合得到液体菌剂；
取上述液体菌剂与载体搅拌混合，优选以硅藻土（40－80目）为载体，按照菌剂：载体为3：1的重量比混合。干燥：将混合好物料进行干燥，干燥温度为20-50℃，干燥后含水量为20-30％；检验、包装：按质量标准检验，成品按重量进行包装，即得固体菌剂。
按每立方米釜底料每次投加微生物制剂30克，每天投加1次，连续投加一周，最后静置3天，将液体排出。
经过上述处理后的苏氨酸母液结晶收率高，苏氨酸的总提取收率达到了98.5%，且苏氨酸产品的各项指标均符合国家标准。比旋光度 - 26.0°～-29.0°、干燥失重，1.0％（max）
灼烧残渣 0.5%(max)、纯度 98.5%(min)、 重金属 (Pb)10PPM Max 、砷 (AS) 2PPM Max 、
pH 值 5.0-6.5；
取呼伦贝尔东北阜丰苏氨酸发酵车间发酵母液，按照实施例1方法釜底料进入污水处理系统，利用50L水桶作为试验设备并带搅拌，分别取30L，加入两个桶中，调pH为7.0，水温20℃，取样测定COD、氨氮、总氮数据；对照组不添加复合菌剂，实验组添加实施例1中复合菌剂，按每立方米釜底料每次投加微生物制剂30克，每天投加1次，连续投加一周后，取样测定COD、氨氮、总氮数据，实验组经过处理后COD为20 mg/L，NH3-N为3 mg/L。经处理后的废水完全达到排放标准，见表1。
表1
| COD平均去除率 | 氨氮平均去除率 | |
| 对照组 | 7% | 9% |
| 实验组 | 98.5% | 99.3% |
以上列举的仅是本发明的最佳具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种苏氨酸母液处理方法，包括以下步骤：
（1）乙醇流加：取苏氨酸母液，维持母液温度在30-50℃，缓慢加入95%的乙醇溶液并搅拌，乙醇流加速度控制在每小时加入占母液体积的20-50%，乙醇总流加量为母液体积的50-150%，乙醇流加过程中用冷却水进行降温，待温度降至5-20℃后停止搅拌，静置3-8h，得到料液；
（2）将步骤（1）获得的料液进行固液分离，获得沉降物与上清液；
（3）对步骤（2）获得的沉降物加水溶解后泵入脱色罐进行脱色处理，脱色罐中添加占沉降物质量1%的粉状活性炭，控制脱色罐内的温度为45℃左右，pH在5-6，波美度在10-12，脱色30分钟后，进入结晶系统结晶苏氨酸，从而达到回收苏氨酸的目的；
（4）步骤（2）获得的上清液采用蒸馏塔回收母液中的酒精，得到的乙醇回用于乙醇流加系统,产生的釜底料进入污水处理系统，添加复合微生物菌剂深度处理后达标排放；
所述复合微生物菌剂的活性成分包括下列重量份的原料：
红球菌8份，巨大芽孢杆菌7份，脱氮副球菌5份，黄孢原毛平革菌5份；黑曲霉3份，亚硝化菌2份，嗜酸氧化亚铁硫杆菌2份 。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述复合微生物菌剂按照如下方法制备而成：
所述红球菌优选为红球菌（Rhodococcus rhodochrous） ATCC 15906；
所述巨大芽孢杆菌优选为巨大芽孢杆菌（Bacillus megatherium）CGMCC No：2267;
所述脱氮副球菌优选为脱氮副球菌(Paracoccus denitrificans) ATCC13543；
所述黄孢原毛平革菌优选为黄孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium）ATCC 24725；
所述黑曲霉优选为黑曲霉（Aspergillus nige）CCTCC No：M206034；
所述亚硝化菌优选为亚硝化菌（Nitrosomonas europaea）ATCC19718；
所述嗜酸氧化亚铁硫杆菌优选为嗜酸氧化亚铁硫杆菌（Acidithiobacillus ferrooxidans）ATCC53993；
将以上红球菌，巨大芽孢杆菌，脱氮副球菌，黄孢原毛平革菌；黑曲霉，亚硝化菌以及嗜酸氧化亚铁硫杆菌的浓度均控制在2×108个/克，然后按照质量比例混合得到液体菌剂；取液体菌剂与硅藻土按照3：1的重量比混合制备得到复合微生物菌剂。
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