CN111423252A - 一种鼠李糖脂发酵液的综合处理方法 - Google Patents

一种鼠李糖脂发酵液的综合处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种鼠李糖脂发酵液的综合处理方法。该方法包括以下步骤:向鼠李糖脂发酵液中加入尼龙酸,调节pH值至低于等电点,使固体析出;过滤,得滤饼a和滤液a,滤饼a中加入乙醇,得到鼠李糖脂悬浊液;过滤,得到滤饼b和滤液b,滤液b减压浓缩,得纯化后的鼠李糖脂;滤饼b干燥,粉碎,得有机氮肥;滤液a加入甘油,液体分层,上层有机相得增塑剂聚尼龙酸羟基丙二醇酯,下层水相得鼠李糖脂发酵培养液。该方法通过三步分离即可以大于92%的收率得到纯度大于95%的鼠李糖脂,分离路线简单;同时将废渣和废水转化为尼龙酸羟基丙二醇酯增塑剂、有机氮肥和鼠李糖脂发酵培养液,降低了生产成本和减少了三废排放,有利于其广泛应用。

Description

一种鼠李糖脂发酵液的综合处理方法
技术领域
本发明属于发酵工程领域,具体涉及一种鼠李糖脂发酵液的综合处理方法。
背景技术
鼠李糖脂,主要由铜绿假单胞菌在一定的环境下代谢生成,其具有良好的表面活性及界面活性,可以广泛地应用于石化、环境、医药、食品以及农业等领域;具有无毒、可以生物降解的优点,是一种研究时间最长、效果最好、应用技术最为成熟的生物表面活性剂。
鼠李糖脂发酵液中除鼠李糖脂外还含有发酵菌体、蛋白质、无机盐等杂质,一般经过离心除菌、酸沉得到鼠李糖脂粗产品,再经过萃取、膜分离、柱层析等才能得到鼠李糖脂高纯品,因此鼠李糖脂高纯品的分离流程长、分离难度大。而且发酵法每生产1吨鼠李糖脂就会产生1-1.5吨废渣和8-10吨废水,鼠李糖脂废渣主要含发酵菌体、蛋白质、无机盐和少量的鼠李糖脂,酸性废水中含有无机酸、少量鼠李糖脂、蛋白质、无机盐等,且pH在2-3。生化废水的通常处理方法为高效微生物处理,降解有机物,使其COD降低至可排放标准之后外排,废渣用厌氧污泥发酵生产沼气,沼气经过脱硫脱氮后使用。大量的鼠李糖脂菌渣和酸性废水及有机溶剂处理难度大,处理成本高。鼠李糖脂在生产过程中,三废的处理成本占其制造成本的1/3以上,三废处理成本过高是造成鼠李糖脂价格高的重要原因,而高的造价也成为制约鼠李糖脂大规模应用的主要原因。
因此,以较低的成本规模化生产高纯度、低杂质含量的商品化鼠李糖脂是其广泛应用的前提,而如何有效利用鼠李糖脂生产过程中产生的发酵三废、变废为宝是降低生产成本的关键。
为了解决上述问题,中国专利文献CN101845468A公开了:鼠李糖脂分离采用中空纤维膜过滤除菌,再经过酸沉淀收集粗产品的分离工艺;然而该方法采用的分离设备造价高,分离过程中产生大量酸洗废水,同时得到的产品纯度低。中国专利文献CN1916155B公开了:用味精发酵废水为原料,灰色链霉菌或乳黄色细菌为菌种进行二次发酵生产生物农药的方法,对生化废水进行了二次利用,但该方法相当于增加了另一套发酵工艺,增加了成本,发酵7-10天,延长了三废的处理时间。中国专利文献CN104311337B公开了:利用谷氨酸发酵废水生产液体肥料的方法,然而该方法需要经过超滤、纳滤、中和、脱色、结晶等工艺,整个方法流程复杂,生产成本高。
因此,迫切需要开发一种鼠李糖脂发酵液的综合处理方法,通过该方法不仅能够生产高纯度的鼠李糖脂,同时能够有效利用生产过程中产生的发酵三废、实现再生利用和变废为宝。
发明内容
本发明要解决的是现有技术中鼠李糖脂发酵液分离难度大、分离工艺复杂、三废处理成本高、处理难度大、从而导致鼠李糖脂生产成本高的问题,本发明的目的是提供一种鼠李糖脂发酵液的综合处理方法,通过该方法不仅能够生产高纯度的鼠李糖脂,同时能够有效利用生产过程中产生的发酵三废、实现再生利用和变废为宝,从而降低鼠李糖脂的生产成本和减少三废排放。
本发明是通过以下技术方案来实现的:
本发明提供一种鼠李糖脂发酵液的综合处理方法,包括以下步骤:
(1)向鼠李糖脂发酵液中加入尼龙酸,调节pH值至低于鼠李糖脂的等电点(例如调节pH值至略低于鼠李糖脂的等电点,例如比等电点低0.05-0.2),使固体析出;
(2)过滤,得滤饼a和滤液a,向所述滤饼a中加入乙醇,优选为无水乙醇,使鼠李糖脂充分溶解,得到鼠李糖脂悬浊液;滤饼a包括或主要组成为鼠李糖脂和变性菌体蛋白,加入无水乙醇后不溶解的是变性菌体蛋白;
(3)将所述鼠李糖脂悬浊液过滤,得到滤饼b和滤液b,将所述滤液b减压浓缩,得到纯化后的鼠李糖脂;收率大于92%;
(4)将所述滤饼b干燥,优选为高温干燥脱溶剂,粉碎,得到有机氮肥;
(5)向所述滤液a中加入甘油,优选为工业甘油,升温至100-150℃,优选为115-125℃,例如120℃进行反应(例如0.5-2h,优选为1-1.5h),然后降温(例如降温至室温或环境温度)以使液体分层,上层有机相得到增塑剂聚尼龙酸羟基丙二醇酯,下层水相得到鼠李糖脂发酵培养液;水相富含N、P、K、Na等无机盐和甘油碳源。
本发明鼠李糖脂发酵液以铜绿假单胞菌为工程菌,以甘油和大豆油为混合碳源发酵得到,主要含有以下成分:发酵菌体8-10wt%,鼠李糖脂5-13wt%,蛋白质0.4-1wt%,无机盐合计0.5-1wt%(主要包括硫酸钠,硫酸镁,氯化钙,氯化钠,氯化镁等)。
优选地,尼龙酸是环己烷氧化制备己二酸副产母液分离得到的混合C4-C6的二元脂肪酸,可以为市售品尼龙酸。
进一步地,上述综合处理方法中,所述步骤(1)中,当所述鼠李糖脂发酵液中鼠李糖脂的含量为5-8wt%时,等电点为3.7-4.0;当所述鼠李糖脂发酵液中鼠李糖脂的含量为8-11wt%,等电点为2.9-3.6;当所述鼠李糖脂发酵液中鼠李糖脂的含量大于12wt%时,等电点在2.8以下。
优选地,上述综合处理方法中,所述步骤(1)中,所述市售品尼龙酸中尼龙酸的含量不低于95wt%,优选为不低于99wt%。
优选地,上述综合处理方法中,所述步骤(2)中,向滤饼a中加入滤饼a质量的2-10倍,优选3-5倍的乙醇。
优选地,上述综合处理方法中,所述步骤(2)中,在20-35℃,优选30-35℃下30-60分钟,优选40-50分钟,使鼠李糖脂充分溶解。
优选地,上述综合处理方法中,所述步骤(2)中,用1-10μm优选2-5μm(例如5μm)孔径滤膜的正压过滤器过滤。
优选地,上述综合处理方法中,所述步骤(3)中,所述减压浓缩的具体条件为:真空度50-200Pa,温度55-65℃。
优选地,上述综合处理方法中,所述步骤(3)中,用1-10μm优选2-5μm(例如2μm)孔径滤膜的正压过滤器过滤。
优选地,上述综合处理方法中,所述步骤(4)中,所述干燥的具体条件为90-120℃下干燥2-4小时。
优选地,上述综合处理方法中,所述步骤(4)中,粉碎至50-200目,优选80-200目。
优选地,上述综合处理方法中,所述步骤(5)中,向所述滤液a中加入滤液a质量的1/10~1/5的工业甘油;和/或,所述步骤(5)中,所述工业甘油中甘油的含量不低于99wt%。
优选地,上述综合处理方法中,所述步骤(3)中,所述纯化后的鼠李糖脂中,鼠李糖脂的含量大于95wt%。
本发明的技术方案具有如下优点:
(1)本发明鼠李糖脂发酵液的综合处理方法,通过三步分离步骤,即可以大于92%的收率制备得到纯度大于95%的鼠李糖脂,分离工艺路线简单,易于实现规模化生产,鼠李糖脂的收率高、纯度高,降低了鼠李糖脂的生产成本;
(2)本发明鼠李糖脂发酵液的综合处理方法,同时将生产过程中产生的鼠李糖脂菌渣和废水通过简单的反应工艺直接转化为尼龙酸羟基丙二醇酯增塑剂、有机氮肥和富含无机盐及碳源的鼠李糖脂发酵培养液,转化工艺简单、无复杂转化设备、不使用有毒有害溶剂,生产过程绿色环保、无三废排放,有效利用了发酵三废,实现了再生利用和变废为宝,增加了产品种类,提高了产品附加值,从而降低了鼠李糖脂的生产成本和减少了三废排放,能够以较低的成本规模化生产高纯度、低杂质含量的鼠李糖脂,有利于其大规模广泛应用。
具体实施方式
本发明以下实施例和对比例中,所使用的分离设备如下:正浩1L正压过滤器,上海湘仪高速冷冻离心机TGL-16M,上海禾气玻璃反应釜50L,日本理化旋转蒸发仪N-1100D-W,天冠制样粉碎机GJ-1000,英鹏防爆烘箱BYP070GX-4D,中科瑞阳2-5μm有机相及水相滤膜。
所用试剂、来源和纯度如下:尼龙酸,购自辽阳天华化工,工业级(其中尼龙酸的纯度大于95%);无水乙醇,购自科密欧,分析纯;工业甘油,购自印尼春金,纯度99.5%。鼠李糖脂发酵液以铜绿假单胞菌为工程菌,以甘油和大豆油为混合碳源发酵得到。
鼠李糖脂含量检测方法为硫酸-蒽酮法,具体操作方法如下:
1)配制蒽酮溶液:取0.2g蒽酮溶于100mL体积分数为80%硫酸中,避光待用,现用现配,不可存放。
2)取0.5mL待测样品于10-15mL具塞刻度试管中,将其置于冰水浴充分冷却,保持冰水浴加入2mL蒽酮溶液,快速混匀(尽量减少反应),然后沸水浴10min,取出放入冰水浴中冷却至室温,620nm测吸光度。
3)鼠李糖标曲:称取0.1g鼠李糖定容到250mL容量瓶,配置成400mg/L鼠李糖母液,然后按比例稀释得到不同浓度的标样,见下表:
母液(mL) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
纯水(mL) 0.5 1.8 1.6 1.4 1.2 1
终浓度(mg/L) 0 40 80 120 160 200
利用蒽酮法测定吸光值,绘制标准曲线。
y=ax+b
其中,y为鼠李糖含量,x为吸光度。
最终鼠李糖脂含量的计算公式为:
鼠李糖脂含量=反应液中鼠李糖的含量×稀释倍数×3.4。
实施例1
本实施例鼠李糖脂发酵液的综合处理方法,包括以下步骤:
(1)向5L鼠李糖脂发酵液(固含量约为8%,经测定鼠李糖脂含量为105g/L,等电点为2.95)中加入230g尼龙酸调节pH值至2.9,使固体析出;
(2)使用5μm孔径滤膜的正压过滤器过滤,得1.8kg滤饼a和3.43kg滤液a,向滤饼a中加入无水乙醇3.6kg,35℃下搅拌60分钟,使鼠李糖脂充分溶解,得到鼠李糖脂悬浊液;
(3)将鼠李糖脂悬浊液用2μm孔径滤膜的正压过滤器,过滤,得滤饼b和4.7kg滤液b,将滤液b在真空度50Pa和温度55℃的条件下减压浓缩(旋转蒸干),直到无液滴滴下,得到510g褐色粘稠固体,即纯化后的鼠李糖脂,纯度95.4%,收率92.7%;
(4)将滤饼b在120℃下干燥4小时脱溶剂,得到160g干燥固体,用粉碎机粉碎为200目大小的均匀颗粒,得到有机氮肥;
(5)向3.43kg滤液a中加入0.68kg工业甘油,转入玻璃反应釜,升温至120℃,反应1h,然后降温至室温,液体转入分液漏斗,液体分层,上层有机相得到增塑剂聚尼龙酸羟基丙二醇酯(经检测分子量为3000),下层水相得到鼠李糖脂发酵培养液。
实施例2
本实施例鼠李糖脂发酵液的综合处理方法,包括以下步骤:
(1)向10L鼠李糖脂发酵液(固含量约为10%,经测定鼠李糖脂含量为75g/L,等电点为3.75)中加入320g尼龙酸调节pH值至3.7,使固体析出;
(2)使用5μm孔径滤膜的正压过滤器过滤,得2.5kg滤饼a和10.5kg滤液a,向滤饼a中加入无水乙醇25kg,20℃下搅拌30分钟,使鼠李糖脂充分溶解,得到鼠李糖脂悬浊液;
(3)将鼠李糖脂悬浊液用2μm孔径滤膜的正压过滤器过滤,得滤饼b和26kg滤液b,将滤液b在真空度200Pa和温度65℃的条件下减压浓缩(旋转蒸干),直到无液滴滴下,得到褐色粘稠固体750g,即纯化后的鼠李糖脂,纯度96.1%,收率96.1%;
(4)将滤饼b在90℃下干燥2小时脱溶剂,得到520g干燥固体,用粉碎机粉碎为200目大小的均匀颗粒,得到有机氮肥;
(5)向10.5kg滤液a中加入1.1kg工业甘油,转入玻璃反应釜,升温至120℃,反应1.5h,然后降温至室温,液体转入分液漏斗,液体分层,上层有机相得到增塑剂聚尼龙酸羟基丙二醇酯(经检测分子量为4000),下层水相得到鼠李糖脂发酵培养液。
实施例3
本实施例鼠李糖脂发酵液的综合处理方法,包括以下步骤:
(1)向8L鼠李糖脂发酵液(固含量约为10%,经测定鼠李糖脂含量为125g/L,等电点为2.75)中,加入511g尼龙酸调节pH值至2.7,使固体析出;
(2)使用5μm孔径滤膜的正压过滤器过滤,得2.8kg滤饼a和5.7kg滤液a,向滤饼a中加入无水乙醇14kg,30℃下搅拌40分钟,使鼠李糖脂充分溶解,得到鼠李糖脂悬浊液;
(3)将鼠李糖脂悬浊液用2μm孔径滤膜的正压过滤器过滤,得滤饼b和16kg滤液b,将滤液b在真空度100Pa和温度60℃的条件下减压浓缩(旋转蒸干),直到无液滴滴下,得到1015g褐色粘稠固体,即纯化后的鼠李糖脂,纯度95.2%,收率96.6%;
(4)将滤饼b在110℃下干燥3小时脱溶剂,得到400g干燥固体,用粉碎机粉碎为200目大小的均匀颗粒,得到有机氮肥;
(5)向5.7kg滤液a中加入0.8kg工业甘油,转入玻璃反应釜,升温至120℃,反应1h,然后降温至室温,液体转入分液漏斗,液体分层,上层有机相得到增塑剂聚尼龙酸羟基丙二醇酯(经检测分子量为3500),下层水相得到鼠李糖脂发酵培养液。
对比例
本对比例鼠李糖脂发酵液的常规分离方式及三废常规处理工艺,包括以下步骤:
鼠李糖脂发酵液10L,固含量约为8%,鼠李糖脂含量为95g/L,离心分离菌体和清液,离心条件为分离因数8000,停留时间3分钟,得到固体约2L,固含量80%。菌体进行高温脱水,然后送入焚烧炉进行焚烧处理。
鼠李糖脂上清液加入85%磷酸调节pH值为2.5,然后静置8小时,离心分离固体,离心条件为分离因数3000,停留时间1分钟,得到固体3250g,其余为上清液。上清液加入氢氧化钾固体直到反应液pH值为7,检测COD约为15000,加水稀释至其COD不高于500,得到115公斤待处理废液,委托市政污水处理厂进行处理,得到的固体为鼠李糖脂粗产品。鼠李糖脂粗产品中加入7000g乙酸乙酯萃取,分离有机相和水相,有机相蒸干溶剂,得到纯化后的鼠李糖脂905g,纯度75%,全程的分离收率为71%。
显然,上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例,而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种鼠李糖脂发酵液的综合处理方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)向鼠李糖脂发酵液中加入尼龙酸,调节pH值至低于鼠李糖脂的等电点,使固体析出;
(2)过滤,得滤饼a和滤液a,向所述滤饼a中加入乙醇,优选为无水乙醇,使鼠李糖脂充分溶解,得到鼠李糖脂悬浊液;
(3)将所述鼠李糖脂悬浊液过滤,得到滤饼b和滤液b,将所述滤液b减压浓缩,得到纯化后的鼠李糖脂;
(4)将所述滤饼b干燥,优选为高温干燥脱溶剂,粉碎,得到有机氮肥;
(5)向所述滤液a中加入甘油,优选为工业甘油,升温至100-150℃,优选为115-125℃,例如120℃进行反应(例如0.5-2h,优选为1-1.5h),然后降温(例如降温至室温或环境温度)以使液体分层,上层有机相得到增塑剂聚尼龙酸羟基丙二醇酯,下层水相得到鼠李糖脂发酵培养液。
2.根据权利要求1所述的综合处理方法,其特征在于,所述步骤(1)中,当所述鼠李糖脂发酵液中鼠李糖脂的含量为5-8wt%时,等电点为3.6-4.0;当所述鼠李糖脂发酵液中鼠李糖脂的含量为8-11wt%,等电点为2.9-3.6;当所述鼠李糖脂发酵液中鼠李糖脂的含量大于11wt%时,等电点在2.9以下。
3.根据权利要求1或2所述的综合处理方法,其特征在于,所述步骤(1)中,所述尼龙酸中尼龙酸的含量不低于95wt%,优选为不低于99wt%。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的综合处理方法,其特征在于,所述步骤(2)中,向滤饼a中加入滤饼a质量的2-10倍,优选3-5倍的乙醇。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的综合处理方法,其特征在于,所述步骤(2)中,在20-35℃,优选30-35℃下30-60分钟,优选40-50分钟,使鼠李糖脂充分溶解。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的综合处理方法,其特征在于,所述步骤(3)中,所述减压浓缩的具体条件为:真空度50-200Pa,温度55-65℃。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的综合处理方法,其特征在于,所述步骤(4)中,所述干燥的具体条件为90-120℃下干燥2-4小时。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的综合处理方法,其特征在于,所述步骤(4)中,粉碎至50-200目,优选80-200目。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的综合处理方法,其特征在于,所述步骤(5)中,向所述滤液a中加入滤液a质量的1/10~1/5的工业甘油;和/或,所述步骤(5)中,所述工业甘油中甘油的含量不低于99wt%。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的综合处理方法,其特征在于,所述步骤(3)中,所述纯化后的鼠李糖脂中,鼠李糖脂的含量大于95wt%。
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