CN111849801A - 一种通过梭菌发酵废液回收菌体蛋白的方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通过梭菌发酵废液回收菌体蛋白的方法，包括：将梭菌发酵废液进行预处理，获得预处理梭菌发酵废液；将所述预处理梭菌发酵废液预热，获得预热梭菌发酵废液；获得碱液；将所述预热梭菌发酵废液与所述碱液混匀，获得含碱菌液；将所述含碱菌液离心，获得蛋白沉淀；将所述蛋白沉淀浓缩干燥，获得蛋白粉。本发明还提供了一种通过梭菌发酵废液回收菌体蛋白的的设备，包括：换热器、预热梭菌发酵废液输送管路、碱液罐、碱液输送管路、混匀离心装置、蛋白沉淀输送管路和浓缩干燥装置。本发明通过在梭菌发酵废液中添加碱液及升温，提高了蛋白粉收率且不影响蛋白粉的粗蛋白、灰分等指标，保证产品品质。

Description

一种通过梭菌发酵废液回收菌体蛋白的方法及设备
技术领域
本发明涉及生物发酵技术领域，特别涉及一种通过梭菌发酵废液回收菌体蛋白的方法及设备。
背景技术
目前，通过微生物发酵法处理钢铁工业尾气、合成气、炼化尾气等含CO/CO2/H2的气体来制备燃料乙醇的工艺，由于其减少了能源消耗，安全高效得到较好的发展。以含CO/CO2/H2的工业尾气为原料发酵法生产醇的工艺是一种全新的发酵工艺，相对传统粮食发酵生产醇的工艺具有“不与人争粮，不与粮争地”的优势，且成本远低于粮食发酵，同时可有效减少钢铁冶金、炼化企业碳排放。在工业尾气发酵生产醇的过程中，在通过蒸馏提取乙醇后的发酵废液中固含物仅为菌体蛋白，应用价值较高，而直接排放则会大幅增加污水负荷。该工艺过程中，最终产物除了原料乙醇外还有在微生物发酵过程中以及发酵完成后产生的大量生命周期结束的细菌，这些生命周期结束的细菌形成了高浓度的蛋白废水，该蛋白废水浓度可高达25～30g/L，若经过回收处理也能够收集较大产量的蛋白粉，具有很好的经济效益，而若是直接排放不仅完成蛋白物质的流失，而且高浓度蛋白水也会对环境造成一定的影响。
本申请人通过工业尾气发酵工艺产生的发酵含菌废液回收菌体蛋白时发现存在以下技术问题：在以梭菌作为发酵菌种，以含有CO、CO2、H2等工业气体为原料的生物发酵过程中，含菌废水提取主要代谢产物，依然含有大量的菌体蛋白，如直接排放，一方面会造成资源浪费，另一方面也会增加后端污水负荷，进而提升生产成本。现有的处理技术一般为含菌废水经过离心机进一步浓缩，随后浓液进入到喷雾干燥装置获得蛋白粉，清液进入后端污水处理装置。但是以梭菌作为发酵菌种为发酵菌液回收菌体蛋白时，采用所述常规方法蛋白粉收率很低。
因此，如何开发一种蛋白粉收率高，适合梭菌发酵废液的的菌体蛋白的回收方法，成为亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明目的是提供一种通过梭菌发酵废液回收菌体蛋白的方法及设备，降低了后续分离过程中蛋白损失，极大地提高了蛋白粉收率且不影响蛋白粉的粗蛋白、灰分等指标，保证产品品质。
为了实现上述目的，本发明提供了一种通过梭菌发酵废液回收菌体蛋白的方法，所述方法包括：
将梭菌发酵废液进行预处理，获得预处理梭菌发酵废液；
将所述预处理梭菌发酵废液预热，获得预热梭菌发酵废液；
获得碱液；
将所述预热梭菌发酵废液与所述碱液混匀，获得含菌碱液；
将所述含菌碱液离心，获得蛋白沉淀；
将所述蛋白沉淀浓缩干燥，获得蛋白粉。
进一步地，所述将梭菌发酵废液进行预处理，获得预处理梭菌发酵废液，包括：
将梭菌发酵废液进行蒸馏提取代谢产物，获得预处理梭菌发酵废液。
进一步地，所述预热梭菌发酵废液的温度为70℃～90℃。
进一步地，所述将所述预处理梭菌发酵废液预热，获得预热梭菌发酵废液，包括：
将所述预处理梭菌发酵废液通入装有热水的换热器，所述预处理梭菌发酵废液经过热交换进行预热，获得预热梭菌发酵废液。
进一步地，所述碱液的pH范围为12～14。
进一步地，所述碱液包括氢氧化钠、氨水、碳酸氢铵、碳酸铵中的一种或多种。
进一步地，所述氢氧化钠的浓度为5mol/L～10mol/L。
进一步地，所述预热梭菌发酵废液与所述碱液的体积比为0.5～1：100。
本发明提供了一种通过梭菌发酵废液回收菌体蛋白的的设备，包括：
换热器、预热梭菌发酵废液输送管路、碱液罐、碱液输送管路、混匀离心装置、蛋白沉淀输送管路和浓缩干燥装置；
所述换热器，用于预热所述预处理梭菌发酵废液获得预热梭菌发酵废液；
所述预热梭菌发酵废液输送管路，用于将所述预热梭菌发酵废液输送至所述混匀离心装置；
所述碱液罐，用于配置和放置碱液；
所述碱液输送管路，用于将所述碱液输送至所述混匀离心装置；
所述混匀离心装置，用于将所述预热梭菌发酵废液与所述碱液混匀，并离心获得蛋白沉淀；
所述蛋白沉淀输送管路，用于将所述蛋白沉淀至所述浓缩干燥装置；
所述浓缩干燥装置，用于将所述蛋白沉淀浓缩干燥，获得蛋白粉；
所述换热器通过所述预热梭菌发酵废液输送管路与所述混匀离心装置相连通；
所述碱液罐通过所述碱液输送管路与所述混匀离心装置相连通；
所述浓缩干燥装置通过所述蛋白沉淀输送管路与所述混匀离心装置的下部相连通。进一步地，所述预热梭菌发酵废液输送管路上设有控制阀C1和流量计F1；
所述碱液输送管路上设有控制阀C2和流量计F2；
所述蛋白沉淀输送管路上设有控制阀C3和流量计F3。
所述的梭菌发酵废液为以梭菌为发酵菌种，以含有工业气体为原料，制备乙醇及其他代谢产物的生物发酵产生的废液。所述的工业气体，包含生物质合成气、钢铁工业尾气、石油炼化尾气、铁合金行业尾气等富含CO、CO2、H2的气体。所述梭菌发酵废液中含有梭菌蛋白及少量代谢产物。所述梭菌是梭菌属，为能形成芽孢、厌氧生长的革兰氏染色阳性大杆菌。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明提供的一种通过梭菌发酵废液回收菌体蛋白的方法及设备，在梭菌发酵废液中适量添加碱液及升温后，利用蛋白遇碱遇热变形的特性，促进蛋白沉淀，降低了后续分离过程中蛋白损失，极大地提高了蛋白粉收率且不影响蛋白粉的粗蛋白、灰分等指标，保证产品品质。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例提供的一种回收菌体蛋白的方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的一种回收菌体蛋白的设备的结构图；
1、换热器；2、预热梭菌发酵废液输送管路；3、碱液罐；4、碱液输送管路；5、混匀离心装置；6、蛋白沉淀输送管路；7、浓缩干燥装置。
具体实施方式
下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。
在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
本发明的技术问题的发现过程：
现有的处理技术一般为含菌废水经过离心机进一步浓缩，随后浓液进入到喷雾干燥装置获得蛋白粉，清液进入后端污水处理装置。但是以梭菌作为发酵菌种为发酵菌液回收菌体蛋白时，采用所述常规方法蛋白粉收率很低。
本发明人经过分析发现：蛋白粉收率很低是因为以梭菌作为发酵菌种为发酵菌液中梭菌的个体小，且在系统停留时间长造成菌种解体，部分蛋白不能通过离心进入到浓液，依然随清液进入到后端污水系统。
因此本发明人采用传统的盐析方法回收菌体蛋白，然而得到的蛋白粉中的粗蛋白、灰分等指标不达标。
因此，本发明实施例提供的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
一方面，本发明实施例提供了一种通过梭菌发酵废液回收菌体蛋白的方法，如图1所示，包括如下步骤：
S1、将梭菌发酵废液进行预处理，获得预处理梭菌发酵废液；
S2、将所述预处理梭菌发酵废液预热，获得预热梭菌发酵废液；
S3、获得碱液；
S4、将所述预热梭菌发酵废液与所述碱液混匀，获得含菌碱液；
S5、将所述含菌碱液离心，获得蛋白沉淀；
S6、将所述蛋白沉淀浓缩干燥，获得蛋白粉。
由上可知，本发明将梭菌发酵废液预热并适量添加碱液后，利用蛋白遇碱遇热变形的特性，促进蛋白沉淀，降低了后续分离过程中蛋白损失，极大地提高了蛋白粉收率且不影响蛋白粉的粗蛋白、灰分等指标，保证产品品质，此方法非常适合梭菌发酵废液的菌体蛋白的回收。
优选地，所述步骤1中预处理包括：将梭菌发酵废液进行蒸馏提取代谢产物，获得预处理梭菌发酵废液。
优选地，所述步骤2中，所述预热梭菌发酵废液的温度为70℃～90℃，若温度过高，则能耗增加；若温度过低，则达不到蛋白变性目的，也就不能实现提高蛋白粉收率的效果。
优选地，所述步骤3中，所述碱液的pH范围为12～14。若所述碱液的pH小于12不能使得梭菌蛋白很好的沉淀，减低蛋白粉的收率；若所述碱液的pH大于14会影响蛋白粉的灰分指标。
所述碱液包括氢氧化钠、氨水、碳酸氢铵、碳酸铵中的一种或多种。所述氢氧化钠的浓度为5mol/L～10mol/L。该浓度便于pH的调节。
优选地，所述步骤4中，所述预热梭菌发酵废液与所述碱液的体积比为0.5～1：100。若所述比例大于1：100，则增加碱液量较多，残留在蛋白粉内，影响蛋白粉的灰分指标；若所述比例小于0.5：100，则达不到对蛋白变性的目的，也就不能沉淀，减低蛋白粉的收率。
另一方面，本发明实施例还提供的一种通过梭菌发酵废液回收菌体蛋白的设备如图2所示，包括：换热器1、预热梭菌发酵废液输送管路2、碱液罐3、碱液输送管路4、混匀离心装置5、蛋白沉淀输送管路6和浓缩干燥装置7；
所述换热器1，用于预热预处理梭菌发酵废液获得预热梭菌发酵废液；所述换热器1通过所述预热梭菌发酵废液输送管路2与所述混匀离心装置5相连通；
所述预热梭菌发酵废液输送管路2，用于将所述预热梭菌发酵废液输送至所述混匀离心装置；
所述碱液罐3，用于配置和放置碱液；所述碱液罐3通过所述碱液输送管路4与所述混匀离心装置5相连通；
所述碱液输送管路4，用于将所述碱液输送至所述混匀离心装置；
所述混匀离心装置5，用于将所述预热梭菌发酵废液与所述碱液混匀，并离心获得蛋白沉淀；
所述蛋白沉淀输送管路6，用于将所述蛋白沉淀至所述浓缩干燥装置；
所述浓缩干燥装置7，用于将所述蛋白沉淀浓缩干燥，获得蛋白粉；所述浓缩干燥装置7通过所述蛋白沉淀输送管路6与所述混匀离心装置5的下部相连通。
本发明实施例提供的一种通过梭菌发酵废液回收菌体蛋白的设备，预处理梭菌发酵废液经过换热器1换热获得预热梭菌发酵废液，所述预热梭菌发酵废液通过所述预热梭菌发酵废液输送管路2进入到混匀离心装置5，同时，碱液罐3内的碱液通过碱液输送管路4输送至混匀离心装置5，在混匀离心装置5内充分搅拌、混合，从下端出料口获得蛋白沉淀，经过蛋白沉淀输送管路6输送到浓缩干燥装置7，获得蛋白粉。
本发明通过设置碱液添加及调温装置，在进行离心前，添加适量的碱液和温度的提升，促进蛋白变性，降低分离难度，可以明显降低分离清液的蛋白固含量，降低污水负荷的同时提高干燥后的蛋白粉产量。
优选地，所述预热梭菌发酵废液输送管路上设有控制阀C1和流量计F1；所述碱液输送管路上设有控制阀C2、流量计F2和输送泵P1；所述蛋白沉淀输送管路上设有控制阀C3、流量计F3和输送泵P2。这样有利于对各输送管路的的流量进行控制，控制液位恒定。
优选地，碱液与预热梭菌发酵废液自混匀离心装置5的顶部加入，这样有利于延长混合时间；
优选地，所述换热器1为列管式换热器，预处理梭菌发酵废液与热水进行换热。
优选地，所述碱液罐3的顶部设有碱液加入口，内部设有搅拌装置。
优选的，所述混匀离心装置5为带有搅拌装置的缓冲罐，促进碱液与含菌废液的充分接触。
优选的，所述浓缩干燥装置7包括浓缩单元和干燥单元，所述浓缩单元一般为卧螺、碟式离心机，所述干燥单元一般为旋转闪蒸干燥、流化床干燥等气流式干燥机。
下面将结合实施例、对比例及实验数据对本申请的一种通过梭菌发酵废液回收菌体蛋白的方法及设备进行详细说明。
实施例1
将梭菌发酵废液进行蒸馏提取代谢产物，去除掉工业气体，获得预处理梭菌发酵废液；将所述预处理梭菌发酵废液预热至80℃，获得预热梭菌发酵废液；
在碱液罐3内配置浓度为5mol/L，pH为13.5的NaOH溶液；
将所述预热梭菌发酵废液通过所述预热梭菌发酵废液输送管路2进入到混匀离心装置5；
所述NaOH溶液通过碱液输送管路4输送至混匀离心装置5；
在混匀离心装置5内充分搅拌、混合下，从下端出料口获得蛋白沉淀；所述预热梭菌发酵废液与所述碱液的体积比为0.7：100；
所述蛋白沉淀经过蛋白沉淀输送管路6输送到浓缩干燥装置7，获得蛋白粉。
实施例2
将梭菌发酵废液进行蒸馏提取代谢产物，去除掉工业气体，获得预处理梭菌发酵废液；将所述预处理梭菌发酵废液预热至75℃，获得预热梭菌发酵废液；
在碱液罐3内配置浓度为8mol/L，pH为13.8的NaOH溶液；
将所述预热梭菌发酵废液通过所述预热梭菌发酵废液输送管路2进入到混匀离心装置5；
所述NaOH溶液通过碱液输送管路4输送至混匀离心装置5
在混匀离心装置5内充分搅拌、混合下，从下端出料口获得蛋白沉淀；所述预热梭菌发酵废液与所述碱液的体积比为0.5：100；
所述蛋白沉淀经过蛋白沉淀输送管路6输送到浓缩干燥装置7，获得蛋白粉。
实施例3
将梭菌发酵废液进行蒸馏提取代谢产物，去除掉工业气体，获得预处理梭菌发酵废液；将所述预处理梭菌发酵废液预热至60℃，获得预热梭菌发酵废液；
在碱液罐3内配置浓度为3mol/L，pH为13的NaOH溶液；
将所述预热梭菌发酵废液通过所述预热梭菌发酵废液输送管路2进入到混匀离心装置5；
所述NaOH溶液通过碱液输送管路4输送至混匀离心装置5；
在混匀离心装置5内充分搅拌、混合下，从下端出料口获得蛋白沉淀；所述预热梭菌发酵废液与所述碱液的体积比为1：100；
所述蛋白沉淀经过蛋白沉淀输送管路6输送到浓缩干燥装置7，获得蛋白粉。
对比例1
该对比例中预处理梭菌发酵废液不经预热直接进入到混匀离心装置5，其余步骤均同实施例1。
对比例2
该对比例中预处理梭菌发酵废液的预热温度为60℃，其余步骤均同实施例1。
对比例3
该对比例中预处理梭菌发酵废液除不加碱液，即不将碱液输送至混匀离心装置5，其余步骤均同实施例1。
对比例4
该对比例中碱液的pH为11，其余步骤均同实施例1。
对比例5
该对比例中碱液的pH为15，其余步骤均同实施例1。
对比例6
该对比例中预热梭菌发酵废液与碱液的体积比为0.2：100，其余步骤均同实施例1。
对比例7
该对比例中预热梭菌发酵废液与碱液的体积比为1.5：100，其余步骤均同实施例1。
对比例8
该对比例为将菌体蛋白经离心浓缩及干燥后制得蛋白粉。
对比例9
该对比例直接将预处理梭菌发酵废液经过盐析后，浓缩干燥获得的蛋白粉。
试验例1
计算各实施例与对比例获得蛋白粉的收率，并测定蛋白粉的粗蛋白、灰分等指标，如表1所示。
表1
Figure BDA0002534156970000081
由表1的数据可知：
对比例1中，不进行预热，蛋白粉的收率只有80％。
对比例2中，预热温度为60℃，低于本发明的70℃～90℃的范围，蛋白粉的收率只有72％。
对比例3中，不加碱液，蛋白粉的收率只有76％。
对比例4中，碱液pH为11，低于碱液的pH范围12～14，蛋白粉的收率只有81％。
对比例5中，碱液pH为15，高于碱液的pH范围12～14，蛋白粉的灰分指标为7.1％，不达标。
对比例6中，预热梭菌发酵废液与碱液的体积比为0.2：100，蛋白粉的收率只有78％。
对比例7中，预热梭菌发酵废液与碱液的体积比为1.5：100，蛋白粉的灰分指标为7.3％，不达标。
对比例8中，采用常规的离心浓缩方法，蛋白粉的收率仅为80％。
对比例9中，采用盐析的方法，蛋白粉的收率仅为75％，蛋白粉的灰分指标为7.3％，不达标。
实施例1-3中，蛋白粉的收率达到88％～92％，且不影响蛋白粉的粗蛋白、灰分等指标，保证产品品质。
综上可知，本发明提供的一种通过梭菌发酵废液回收菌体蛋白的方法及设备，降低了后续分离过程中蛋白损失，极大地提高了蛋白粉收率且不影响蛋白粉的粗蛋白、灰分等指标，保证产品品质。
最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种通过梭菌发酵废液回收菌体蛋白的方法，其特征在于，所述方法包括：
将梭菌发酵废液进行预处理，获得预处理梭菌发酵废液；
将所述预处理梭菌发酵废液预热，获得预热梭菌发酵废液；
获得碱液；
将所述预热梭菌发酵废液与所述碱液混匀，获得含菌碱液；
将所述含菌碱液离心，获得蛋白沉淀；
将所述蛋白沉淀浓缩干燥，获得蛋白粉。
2.根据权利要求1所述的一种通过梭菌发酵废液回收菌体蛋白的方法，其特征在于，所述将梭菌发酵废液进行预处理，获得预处理梭菌发酵废液，包括：
将梭菌发酵废液进行蒸馏提取代谢产物，获得预处理梭菌发酵废液。
3.根据权利要求1所述的一种通过梭菌发酵废液回收菌体蛋白的方法，其特征在于，所述预热梭菌发酵废液的温度范围为70℃～90℃。
4.根据权利要求1所述的一种通过梭菌发酵废液回收菌体蛋白的方法，其特征在于，所述将所述预处理梭菌发酵废液预热，获得预热梭菌发酵废液，包括：
将所述预处理梭菌发酵废液通入装有热水的换热器，所述预处理梭菌发酵废液经过热交换进行预热，获得预热梭菌发酵废液。
5.根据权利要求1所述的一种通过梭菌发酵废液回收菌体蛋白的方法，其特征在于，所述碱液的pH范围为12～14。
6.根据权利要求1所述的一种通过梭菌发酵废液回收菌体蛋白的方法，其特征在于，所述碱液包括氢氧化钠、氨水、碳酸氢铵、碳酸铵中的一种或多种。
7.根据权利要求5所述的一种通过梭菌发酵废液回收菌体蛋白的方法，其特征在于，所述氢氧化钠的浓度为5mol/L～10mol/L。
8.根据权利要求1所述的一种通过梭菌发酵废液回收菌体蛋白的方法，其特征在于，所述所述碱液与预热梭菌发酵废液的体积比为0.5～1：100。
9.一种通过梭菌发酵废液回收菌体蛋白的设备，其特征在于，包括：换热器、预热梭菌发酵废液输送管路、碱液罐、碱液输送管路、混匀离心装置、蛋白沉淀输送管路和浓缩干燥装置；
所述换热器，用于预热所述预处理梭菌发酵废液获得预热梭菌发酵废液；
所述预热梭菌发酵废液输送管路，用于将所述预热梭菌发酵废液输送至所述混匀离心装置；
所述碱液罐，用于配置和放置碱液；
所述碱液输送管路，用于将所述碱液输送至所述混匀离心装置；
所述混匀离心装置，用于将所述预热梭菌发酵废液与所述碱液混匀，并离心获得蛋白沉淀；
所述蛋白沉淀输送管路，用于将所述蛋白沉淀至所述浓缩干燥装置；
所述浓缩干燥装置，用于将所述蛋白沉淀浓缩干燥，获得蛋白粉；
所述换热器通过所述预热梭菌发酵废液输送管路与所述混匀离心装置相连通；
所述碱液罐通过所述碱液输送管路与所述混匀离心装置相连通；
所述浓缩干燥装置通过所述蛋白沉淀输送管路与所述混匀离心装置的下部相连通。
10.根据权利要求9所述的通过梭菌发酵废液回收菌体蛋白的设备，其特征在于，
所述预热梭菌发酵废液输送管路上设有控制阀C1和流量计F1；
所述碱液输送管路上设有控制阀C2、流量计F2和输送泵P1；
所述蛋白沉淀输送管路上设有控制阀C3、流量计F3和输送泵P2。
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