CN110042135B - 改进的从温轮胶发酵液中提取温轮胶的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微生物发酵，特别是指一种改进的从温轮胶发酵液中提取温轮胶的方法。它包括将鞘氨醇单胞菌(Shpingomonas sp.)CGMCC No.1561接种至培养液中进行需氧发酵，将发酵结束后的发酵液经过预处理、萃取后提取得到温轮胶；提取过程采用发酵液中加入钙离子、调pH、升温结合手段预处理发酵液，将预处理后的发酵液高温管式萃取等技术手段。本发明解决了现有技术中产品耐盐性、耐高温性、保水性差以及生产成本高等技术问题，具有温轮胶的耐盐性、耐高温性及保水性好，生产成本低且生产安全性高等优点。

Description

改进的从温轮胶发酵液中提取温轮胶的方法
技术领域
本发明涉及微生物发酵，特别是指一种改进的从温轮胶发酵液中提取温轮胶的方法。
背景技术
温轮胶是继黄原胶、结冷胶之后新一代微生物多糖，它由D-葡萄糖、D＝葡萄糖醛酸，L-鼠李糖、L＝甘露糖组成，经过培养基在一定温度及pH值范围内通过有氧发酵制取发酵液，通过有机溶剂乙醇、异丙醇萃取或盐析法制取温轮胶。温轮胶因其具有良好的耐温性、耐盐性、保水性而广泛应用于石油、建材等行业。
由于温轮胶可广泛应用于石油及建材行业，因此对其产品性能存在如下相关要求：一是具有良好的耐盐性，因温轮胶应用于石油行业的钻井、采油、固井，由于地下矿化度高，需要温轮胶具有良好的耐盐性，在盐溶液中依然能保持较高的粘度；在建材行业中由于水泥、砂子中的含盐量高，需要温轮胶在盐中保持粘度不降低。二是具有较好的耐高温性，因温轮胶应用于石油行业，由于地层温度随着深度增加而增加(深度每增加100米温升2-3℃)，需要温轮胶在高温条件下不降解。三是具有良好的保水性，无论温轮胶应用于石油行业的固井还是应用于建材行业，都需要混凝土的保水性好，保水性差且泌水严重是混凝土常见的且难以克服的现象，尤其是现在机制砂的普遍使用导致泌水更严重，造成混凝土强度降低，出现裂缝、耐磨性差、抗腐蚀性及抗冻性差等问题。
公开号为CN1844155A的专利文献中公开了一种温轮胶的制备方法，其中涉及了温轮胶的提取工艺，其主要技术思路是：发酵液预处理时将发酵液升温至60-80℃保温，降至室温后加氯化钙，用盐酸调pH值至3.5-4.5反应30-45分钟至发酵液呈微凝胶状萃取。采用上述方法制备温轮胶存在如下问题：一是提取率低(＜75％)；二是有机溶剂消耗高(不少于400kg/T)；三是发酵液升温处理再降至室温需要冷水或制冷设备降温，生产成本高；四是所制备的温轮胶耐盐性差(1％KCL溶液＜2000cp，0.25％标准自来水＜1000cp，1ppb3rpm读值＜20)；五是所制备的温轮胶耐温性差(95℃耐温3rpm读值＜20，135℃耐温YP值＜25kg/100m2；六是产品保水性差(保水率＜92％)。
发明内容
本发明的目的提供一种改进的从温轮胶发酵液中提取温轮胶的方法，通过对发酵液的后提取工艺进行改进，有效提高提取率，降低有机溶剂消耗并使制备的温轮胶具有良好的耐盐性、耐高温性及保水性等优越产品特性。
本发明的整体技术构思是：
改进的从温轮胶发酵液中提取温轮胶的方法，是将鞘氨醇单胞菌(Shpingomonassp.)CGMCC No.1561接种至培养液中进行需氧发酵，将发酵结束后的发酵液经过预处理、萃取后提取得到温轮胶；其特征在于所述的提取包括如下工艺步骤：
A、发酵液的预处理：在发酵结束后的发酵液中加入占其质量0.3％-1.0％的钙盐，调节pH＝3.5-5.5络合反应0.5-2小时；
B、第一次萃取：将预处理后的发酵液用高温管式萃取法进行第一次萃取，溶剂为质量百分比浓度不低于85％的乙醇或异丙醇，预处理后的发酵液与溶剂的质量比＝1：1-1.5；
C、第二次萃取：将第一次萃取后的物料用高温管式萃取法进行第二次萃取，溶剂为质量百分比浓度65％-75％的乙醇或异丙醇，第一次萃取后的物料与溶剂的质量比＝1:0.5-1，萃取中采用碱液调pH＝7.5-9.0，得到湿纤维状温轮胶。
本发明的具体技术构思还有：
发酵液预处理加入钙盐的主要作用是保证发酵液与钙离子充分络合，使小分子温轮胶不会损失，同时盐析法与有机溶剂沉淀法结合使温轮胶容易萃取。为降低在温轮胶中钙盐的残留，保证其产品性能，优选的技术方案是，所述的步骤A中的钙盐采用可溶性钙盐。
发酵液预处理中调pH值的主要作用是促使蛋白质变性凝结成颗粒与胶体分开，发酵液中的杂质较容易溶解在萃取溶剂中，提高了温轮胶纯度，优选的技术方案是，所述的步骤A中采用无机酸或有机酸调节反应液的pH，其中无机酸选用盐酸、硝酸、硫酸或磷酸中的一种，有机酸选用氯乙酸、柠檬酸或酒石酸中的一种。
更进一步，所述的步骤A中的无机酸的质量百分比浓度为5％-20％，有机酸的质量百分比浓度为10％-30％。
为实现管式萃取中温轮胶的有效析出，进一步保证温轮胶的品质及性能，优选的技术方案是，所述的步骤B中第一次萃取中发酵液流速为6m3/h-7m3/h，溶剂流速为6m3/h-8m3/h。
更进一步，所述的步骤C中第二次萃取中物料流速为7m3/h-8m3/h，溶剂流速为3.5m3/h-8m3/h，碱液采用质量百分比浓度为5％-10％的氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液。
更进一步，所述的步骤C中碱液的流速为0.1m3/h-0.2m3/h。
优选的技术方案是，还包括一步骤D，该步骤的工艺条件如下：
D、将步骤C中的湿纤维状温轮胶经干燥、粉碎、过筛得到温轮胶。
申请人根据《钻井液材料规范》(GB/T5005-2010)、API美国石油学会标准、《砌筑水泥》(GB/T3138-2017)标准要求对温轮胶制定了如下技术指标要求及检测方法：
一、相应指标要求
1、耐盐性
在1％KCL溶液中温轮胶粘度≥2000cp，在标准自来水0.25％粘度≥1000cp，天然海水溶液1ppb3rpm读值≥20。
2、耐温性
140℃耐温YP值≥30kg/100m2，95℃耐温3rpm读值≥20。
3、保水性
保水率≥95％。
二、检测方法
(一)提取率计算
提取率＝实际产量÷(发酵液固含量×发酵液体积)×100％
(二)成品耐盐性检测
1、1％KCL溶液粘度检测
(1)检测仪器：BROOKFIELD粘度计，4号转子，60rpm；
(2)检测条件：样品浓度为1％；溶剂为1％KCL水溶液；
2、0.25％标准自来水粘度检测
(1)检测仪器：BROOKFIELD粘度计，1号转子，3rpm；
(2)检测条件：样品浓度为0.25％；溶剂为标准自来水溶液；
(3)标准自来水配制：准确称取0.1gNaCL、0.011gCaCL2溶解去离子水中，定容至1000ml；
3、1ppb3rpm检测
(1)检测仪器：ZNN-D6型六速旋转粘度计；
(2)检测条件：样品浓度为1ppb；溶剂为4.2％人工海水；
(3)4.2％人工海水配制：准确称取42g海盐溶解于去离子水，定容至1000ml。
(三)耐温性检测
1、95℃耐温检测
(1)检测仪器：ZNN-D6型六速旋转粘度计；水浴锅；
(2)检测条件：样品浓度为0.66％；纯净水；水浴锅设定95℃维持1h；
2、135℃耐温检测：
(1)检测仪器：ZNN-D6型六速旋转粘度计；加热滚子炉；
(2)检测条件：样品浓度为0.86％；无水亚硫酸钠为分析纯，加量0.28％；天然海水；加热滚子炉设定135℃维持24h；
(四)保水率检测
(1)检测仪器：水泥胶砂搅拌机JJ-5型；水泥胶砂流动度测定仪；NJD-3型保水率试模(￠100×25mm)÷(100×25)；
(2)检测条件：按水泥和标准砂总质量的万分之五的温轮胶，水灰比为1：1。
本发明所取得的实质性特点和显著的技术进步在于：
1、本发明通过在发酵液中加入钙离子、调pH、升温结合手段预处理发酵液，一是在发酵液加钙盐，使发酵液与钙离子充分络合，小分子温轮胶不会损失，盐析法与有机溶剂沉淀法结合使温轮胶容易萃取；二是发酵液调pH值，促使蛋白质变性凝结成颗粒与胶体分开，发酵液中的杂质较容易溶解在萃取溶剂中，提高了温轮胶纯度；三是发酵液升温使发酵液杂蛋白质变性凝聚形成较大凝聚物，增加了发酵液孔隙度，有机溶剂容易萃取温轮胶。
2、本发明通过将预处理后的发酵液高温管式萃取，一是发酵液于高温条件下在管道内与溶剂接触，更容易脱水，溶剂在管道不易挥发；二是管式提取物料不受罐式提取搅拌剪切的影响，且提取时间迅速，发酵液在溶剂中浸泡时间短，保证了产品溶解性，萃取物料纤维长短均匀，干燥时间短，在干燥过程中不损伤，有效保证了产品具有良好的耐温性、耐盐性、保水性；三是提高了产品提取率，降低了有机溶剂的消耗，降低了生产成本，提高了生产过程中的安全性。
3、经申请人检测，所制备的温轮胶具有较好的耐盐性(1％KCL溶液≥2000cp，0.25％标准自来水≥1000cp，1ppb3rpm读值≥20)、耐高温性(140℃维持24h YP值≥30kg/100m2；95℃维持1h3rpm读值≥20)及保水性(保水率≥95％，最高达98％)，提取率高(提取率≥85％，最高达91.5％)，有机溶剂消耗少(有机溶剂消耗≤250kg/T)，生产成本大幅度降低(低于3.5万元/T)。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明做进一步描述，但不作为对本发明的限定，本发明的保护范围以权利要求记载的内容为准，任何依据本发明的说明书所做出的等效手段替换，均不脱离本发明的保护范围
实施例1
改进的从温轮胶发酵液中提取温轮胶的方法，是将鞘氨醇单胞菌(Shpingomonassp.)CGMCC No.1561接种至培养液中进行需氧发酵，将发酵结束后的发酵液经过预处理、萃取后提取得到温轮胶；所述的提取包括如下工艺步骤：
A、发酵液的预处理：在发酵结束后的发酵液中加入占其质量0.3％的可溶性钙盐，调节pH＝3.5络合反应0.5小时；
B、第一次萃取：将预处理后的发酵液用高温管式萃取法进行第一次萃取，溶剂为质量百分比浓度不低于85％的乙醇，预处理后的发酵液与溶剂的质量比＝1：1；
C、第二次萃取：将第一次萃取后的物料用高温管式萃取法进行第二次萃取，溶剂为质量百分比浓度65％的乙醇或异丙醇，第一次萃取后的物料与溶剂的质量比＝1:0.5，萃取中采用碱液调pH＝7.5，得到湿纤维状温轮胶。
所述的步骤A中采用无机酸或有机酸调节反应液的pH，其中无机酸选用盐酸、硝酸、硫酸或磷酸中的一种，有机酸选用氯乙酸、柠檬酸或酒石酸中的一种。步骤A中的无机酸的质量百分比浓度为5％，有机酸的质量百分比浓度为10％。
所述的步骤B中第一次萃取中发酵液流速为6m3/h，溶剂流速为6m3/h。
所述的步骤C中第二次萃取中物料流速为7m3/h，溶剂流速为3.5m3/h，碱液采用质量百分比浓度为5％的氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液。
所述的步骤C中碱液的流速为0.1m3/h。
还包括一步骤D，该步骤的工艺条件如下：
D、将步骤C中的湿纤维状温轮胶经干燥、粉碎、过筛得到温轮胶。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于：
所述的提取包括如下工艺步骤：
A、发酵液的预处理：在发酵结束后的发酵液中加入占其质量1.0％的可溶性钙盐，调节pH＝5.5络合反应2小时；
B、第一次萃取：将预处理后的发酵液用高温管式萃取法进行第一次萃取，溶剂为质量百分比浓度不低于85％的乙醇或异丙醇，预处理后的发酵液与溶剂的质量比＝1：1.5；
C、第二次萃取：将第一次萃取后的物料用高温管式萃取法进行第二次萃取，溶剂为质量百分比浓度75％的乙醇或异丙醇，第一次萃取后的物料与溶剂的质量比＝1:1，萃取中采用碱液调pH＝9.0，得到湿纤维状温轮胶。
所述的步骤A中采用无机酸或有机酸调节反应液的pH，其中无机酸选用盐酸、硝酸、硫酸或磷酸中的一种，有机酸选用氯乙酸、柠檬酸或酒石酸中的一种。步骤A中的无机酸的质量百分比浓度为20％，有机酸的质量百分比浓度为30％。
所述的步骤B中第一次萃取中发酵液流速为7m3/h，溶剂流速为8m3/h。
所述的步骤C中第二次萃取中物料流速为8m3/h，溶剂流速为8m3/h，碱液采用质量百分比浓度为10％的氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液。
所述的步骤C中碱液的流速为0.2m3/h。
其余内容与实施例1相同。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于：
所述的提取包括如下工艺步骤：
A、发酵液的预处理：在发酵结束后的发酵液中加入占其质量0.7％的可溶性钙盐，调节pH＝4.5络合反应1小时；
B、第一次萃取：将预处理后的发酵液用高温管式萃取法进行第一次萃取，溶剂为质量百分比浓度不低于85％的乙醇或异丙醇，预处理后的发酵液与溶剂的质量比＝1：1.3；
C、第二次萃取：将第一次萃取后的物料用高温管式萃取法进行第二次萃取，溶剂为质量百分比浓度70％的乙醇或异丙醇，第一次萃取后的物料与溶剂的质量比＝1:0.8，萃取中采用碱液调pH＝8.0，得到湿纤维状温轮胶。
所述的步骤A中采用无机酸或有机酸调节反应液的pH，其中无机酸选用盐酸、硝酸、硫酸或磷酸中的一种，有机酸选用氯乙酸、柠檬酸或酒石酸中的一种。步骤A中的无机酸的质量百分比浓度为12％，有机酸的质量百分比浓度为20％。
所述的步骤B中第一次萃取中发酵液流速为6.5m3/h，溶剂流速为7m3/h。
所述的步骤C中第二次萃取中物料流速为7.5m3/h，溶剂流速为6m3/h，碱液采用质量百分比浓度为7％的氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液。
所述的步骤C中碱液的流速为0.15m3/h。
其余内容与实施例1相同。
实施例4
本实施例与实施例1的区别在于：
所述的提取包括如下工艺步骤：
A、发酵液的预处理：在发酵结束后的发酵液中加入占其质量0.4％的可溶性钙盐，调节pH＝4络合反应0.7小时；
B、第一次萃取：将预处理后的发酵液用高温管式萃取法进行第一次萃取，溶剂为质量百分比浓度不低于85％的乙醇或异丙醇，预处理后的发酵液与溶剂的质量比＝1：1-1.2；
C、第二次萃取：将第一次萃取后的物料用高温管式萃取法进行第二次萃取，溶剂为质量百分比浓度68％的乙醇或异丙醇，第一次萃取后的物料与溶剂的质量比＝1:0.6，萃取中采用碱液调pH＝7.5，得到湿纤维状温轮胶。
所述的步骤A中采用无机酸或有机酸调节反应液的pH，其中无机酸选用盐酸、硝酸、硫酸或磷酸中的一种，有机酸选用氯乙酸、柠檬酸或酒石酸中的一种。无机酸的质量百分比浓度为10％，有机酸的质量百分比浓度为15％。
所述的步骤B中第一次萃取中发酵液流速为6m3/h，溶剂流速为6.5m3/h。
所述的步骤C中第二次萃取中物料流速为7m3/h，溶剂流速为4m3/h，碱液采用质量百分比浓度为6％的氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液。
所述的步骤C中碱液的流速为0.13m3/h。
其余内容与实施例1相同。
实施例5
本实施例与实施例1的区别在于：
所述的提取包括如下工艺步骤：
A、发酵液的预处理：在发酵结束后的发酵液中加入占其质量0.8％的可溶性钙盐，调节pH＝5络合反应1.8小时；
B、第一次萃取：将预处理后的发酵液用高温管式萃取法进行第一次萃取，溶剂为质量百分比浓度不低于85％的乙醇或异丙醇，预处理后的发酵液与溶剂的质量比＝1：1.4；
C、第二次萃取：将第一次萃取后的物料用高温管式萃取法进行第二次萃取，溶剂为质量百分比浓度73％的乙醇或异丙醇，第一次萃取后的物料与溶剂的质量比＝1:0.9，萃取中采用碱液调pH＝8.5，得到湿纤维状温轮胶。
所述的步骤A中采用无机酸或有机酸调节反应液的pH，其中无机酸选用盐酸、硝酸、硫酸或磷酸中的一种，有机酸选用氯乙酸、柠檬酸或酒石酸中的一种。
所述的步骤A中的无机酸的质量百分比浓度为18％，有机酸的质量百分比浓度为25％。
步骤B中第一次萃取中发酵液流速为6.8m3/h，溶剂流速为7.5m3/h。
步骤C中第二次萃取中物料流速为7.7m3/h，溶剂流速为7m3/h，碱液采用质量百分比浓度为9％的氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液。
所述的步骤C中碱液的流速为0.18m3/h。
其余内容与实施例1相同。
申请人对实施例1-5中的提取率及产品性能指标进行了相应测试，结果如下：
1、提取、有机溶剂消耗及生产成本
提取率(％) 有机溶剂消耗(kg/T) 生产成本(万元/T)
实施例1 88.5％ 210kg/T 3.05万元/T
实施例2 90.2％ 230kg/T 3.18万元/T
实施例3 91.5％ 220kg/T 3.21万元/T
实施例4 89.7％ 210kg/T 3.19万元/T
实施例5 90.3％ 205kg/T 3.04万元/T
2、耐盐性检测指标
Figure GDA0003881875980000091
Figure GDA0003881875980000101
3、耐温性检测指标
95℃耐温1h3rpm读值 135℃耐温24hYP值(kg/100m<sup>2</sup>)
实施例1制备的产品 23.5 34kg/100m<sup>2</sup>
实施例2制备的产品 22.5 32kg/100m<sup>2</sup>
实施例3制备的产品 24.0 33kg/100m<sup>2</sup>
实施例4制备的产品 23.5 32kg/100m<sup>2</sup>
实施例5制备的产品 25.0 35kg/100m<sup>2</sup>
4、保水性检测指标
保水率(％) 是否有泌水现象
实施例1制备的产品 96.5％ 无泌水现象
实施例2制备的产品 97.0％ 无泌水现象
实施例3制备的产品 98.0％ 无泌水现象
实施例4制备的产品 97.5％ 无泌水现象
实施例5制备的产品 95.5％ 无泌水现象
由以上检测结果可知，实施例1-5中所制备的温轮胶生产成本及能耗低，产品具有良好的耐高温特性及耐盐性，保水性好，上述性能指标优于现有工艺制备的温轮胶。

Claims (5)

1.改进的从温轮胶发酵液中提取温轮胶的方法，是将鞘氨醇单胞菌(Shpingomonassp.)CGMCC No.1561接种至培养液中进行需氧发酵，将发酵结束后的发酵液经过预处理、萃取后提取得到温轮胶；其特征在于所述的提取包括如下工艺步骤：
A、发酵液的预处理：在发酵结束后的发酵液中加入占其质量0.3％-1.0％的钙盐，调节pH＝3.5-5.5络合反应0.5-2小时，钙盐采用可溶性钙盐；
B、第一次萃取：将预处理后的发酵液用高温管式萃取法进行第一次萃取，溶剂为质量百分比浓度不低于85％的乙醇或异丙醇，预处理后的发酵液与溶剂的质量比＝1：1-1.5，第一次萃取中发酵液流速为6m3/h-7m3/h，溶剂流速为6m3/h-8m3/h；
C、第二次萃取：将第一次萃取后的物料用高温管式萃取法进行第二次萃取，溶剂为质量百分比浓度65％-75％的乙醇或异丙醇，第一次萃取后的物料与溶剂的质量比＝1:0.5-1，萃取中采用碱液调pH＝7.5-9.0，得到湿纤维状温轮胶，第二次萃取中物料流速为7m3/h-8m3/h，溶剂流速为3.5m3/h-8m3/h，碱液采用质量百分比浓度为5％-10％的氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液。
2.根据权利要求1所述的改进的从温轮胶发酵液中提取温轮胶的方法，其特征在于所述的步骤A中采用无机酸或有机酸调节反应液的pH，其中无机酸选用盐酸、硝酸、硫酸或磷酸中的一种，有机酸选用氯乙酸、柠檬酸或酒石酸中的一种。
3.根据权利要求2所述的改进的从温轮胶发酵液中提取温轮胶的方法，其特征在于所述的步骤A中的无机酸的质量百分比浓度为5％-20％，有机酸的质量百分比浓度为10％-30％。
4.根据权利要求1所述的改进的从温轮胶发酵液中提取温轮胶的方法，其特征在于所述的步骤C中碱液的流速为0.1m3/h-0.2m3/h。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的改进的从温轮胶发酵液中提取温轮胶的方法，其特征在于还包括一步骤D，该步骤的工艺条件如下：
D、将步骤C中的湿纤维状温轮胶经干燥、粉碎、过筛得到温轮胶。
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