CN114807271A - 一种发酵法制备槐糖脂的方法及槐糖脂在反渗透膜用药剂中的应用 - Google Patents

一种发酵法制备槐糖脂的方法及槐糖脂在反渗透膜用药剂中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种采用自制带支管挡板锥形瓶、以廉价氮源替代价格昂贵的酵母粉实现发酵制备槐糖脂的发酵提取工艺技术，以及槐糖脂作为反渗透膜用药剂的应用。本发明原料价格低廉，槐糖脂提取步骤简单，而且生产周期短，产率高，有效降低了槐糖脂的生产成本；所制备槐糖脂作为反渗透膜用药剂可以有效阻滞有机物和金属离子在反渗透膜上的沉积，抑制微生物生长对膜的污染，同时对反渗透膜污染物清洗效果显著，同时具有毒性低且环境友好的特点，作为反渗透膜用药剂具有很好的应用前景。

Description

一种发酵法制备槐糖脂的方法及槐糖脂在反渗透膜用药剂中 的应用
技术领域
本发明涉及一种发酵法制备槐糖脂的方法与应用，尤其涉及槐糖脂作为反渗透膜用药剂的应用。
研究背景
反渗透是一项膜分离技术，它能去除溶液中分子量很小的有机物和无机物。由于具有设备投资省、分离效果好、能耗低等优点，在市政给水、污水、海水淡化、中水回用、化工和石化等领域，迅速发展成为水处理方面的主导技术。然而，在反渗透系统运行过程中，膜污染是制约该技术应用的瓶颈之一，常规的反渗透膜用药剂多为化学合成药剂，大量的化学药剂的使用，会对环境造成二次污染。因此，迫切需要开发一种易于生物降解环境友好的反渗透膜用药剂。
槐糖脂是一种由酵母菌合成的生物表面活性剂，从结构上分为内酯型和酸型，其中内酯型槐糖脂在槐糖脂发酵产物中占主要部分。与传统的化学合成表面活性剂相比，槐糖脂生物表面活性剂不仅具有增溶、乳化、润湿、降低表面张力等作用，而且具有无毒、可生物降解、对环境友好等特性，在减缓反渗透运行过程中膜污染及在膜污染后提高清洗效率方面将具有很大的应用潜力。
目前，限制槐糖脂生物表面活性剂广泛应用的主要因素是生产成本过高，因此，筛选高产菌株、使用廉价易得发酵原料、优化发酵条件及采用较优的提取和纯化工艺等方法，是降低其生产成本的有效途径。槐糖脂发酵生产时，发酵碳源和氮源是主要的生产原材料，因此减少碳源和氮源成本可以有效降低槐糖脂的价格。Solaiman等(Biotechnol.Lett.,2007,29(9):1341-1347)发酵培养假丝酵母菌 (C.bombicola)时，尝试采用大豆糖浆、豆油、牛肉油脂及亚麻籽油等廉价碳源为替代碳源，使槐糖脂生产成本得到降低。此外也有使用废糖蜜和餐厨废弃油脂发酵生产槐糖脂的方法(CN201310590289.2)。然而，目前关于降低槐糖脂生产成本主要集中在降低发酵碳源的成本，关于氮源的研究较少。本发明研究人员发现，氮源是影响槐糖脂产量主要因素。因此，采用合适的氮源可以有效降低槐糖脂的生产成本。此外，在发酵培养实验中，控制发酵培养条件和优化槐糖脂提取工艺，也可以有效提高槐糖脂产量，降低槐糖脂生产成本。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种低成本、生产环境友好的槐糖脂发酵制备方法，以及槐糖脂在反渗透膜用药剂中的应用。槐糖脂可以有效减缓反渗透膜运行过程中的膜污染速率，延长膜的清洗周期，并提高反渗透膜污染清洗效率。
本发明是通过以下技术方案实现的，槐糖脂的制备步骤如下：
(1)菌种活化
将菌种假丝酵母菌(C.bombicola)ATCC 22214从保藏菌种的斜面培养基上刮取适量菌苔，接入已灭菌的种子培养基中，在温度25～32℃、转速150～250rpm 下活化24～48h，然后将得到的液体按2％～8％(体积比V/V)的接种量，再接入新的已灭菌的种子培养基中，在25～32℃、150～250rpm下培养24h～48h，形成菌悬液；所述的种子培养基中，各组分的浓度为葡萄糖100g/L，酵母粉10g/L，尿素 1g/L，pH值调至6.0。
(2)发酵培养
将步骤(1)中制得的菌悬液按2％～8％(V/V)的比例，接种到盛有已灭菌的发酵培养液的带支管挡板锥形瓶中(形状如图1所示)，置于摇床中，在25～32℃、 150～250rpm下培养120～168h；所述的发酵培养液中，各组分浓度为：葡萄糖 60～100g/L，油酸60～100g/L，作为氮源的酶解豆粕或酶解花生粕6～10g/L，尿素 0.5～2g/L；所述的油酸是以分批补料形式，分别在培养的8h和32h时，分两批添加入所述的带支管挡板锥形瓶中。盛发酵培养液的带支管挡板锥形瓶底部有3 个内凹进结构，且下端侧边带有支管，所述的支管上设置有旋塞芯，方便底部液体产品排出。
(3)槐糖脂的提取
在发酵培养过程中，随着在菌体生长进入稳定期，槐糖脂生成后由于密度大于培养液，静置培养液后会沉于培养液底部，随着槐糖脂不断的积累，在发酵培养过程的中后期到发酵结束，从挡板锥形瓶下端支管处排出产生的槐糖脂，得到槐糖脂粗品，槐糖脂粗品用少量乙酸乙酯溶解后重结晶得到槐糖脂纯品。同时对于发酵上清液采用滤膜进行过滤得到槐糖脂饱和液。
发酵制备的槐糖脂作为反渗透膜用药剂的应用：(1)用于反渗透膜运行过程中减缓膜污染速率，在有有机物、金属离子、微生物对反渗透膜污染过程中，向反渗透膜系统中添加由发酵法培养生成的槐糖脂，保持槐糖脂浓度为 1mg/L～20mg/L；(2)在反渗透膜污染的清洗中的应用，在发酵法制备的槐糖脂纯品和槐糖脂饱和液中可以加入山梨糖醇聚醚油酸酯、甘露糖赤藓糖醇脂的一种或两种，槐糖脂与山梨糖醇聚醚油酸酯、甘露糖赤藓糖醇脂或者后两者的混合物的质量比为1：0.1～5，该复配物总浓度为50mg/L～500mg/L，作为反渗透膜污堵物的清洗用药剂。
本发明的有益效果：
1、本发明采用廉价氮源酶解豆粕或酶解花生粕，替代酵母粉发酵生产槐糖脂的工艺技术，大大降低了槐糖脂生产成本。
2、本发明在发酵培养过程中采用研制的带支管挡板锥形瓶，可提高发酵液在摇动过程中与内凹结构之间的撞击，加剧液体搅拌，增加发酵液溶氧量，促进菌体的生长，大大缩短槐糖脂的发酵周期；在发酵培养过程的中后期从挡板锥形瓶下端支管处排出产生的槐糖脂，使发酵液的粘度降低，使传质更加充分和有效，同时减少了对反应的抑制作用，进而提高了槐糖脂的形成速率。从挡板锥形瓶下端支管处排出产生的槐糖脂简化了槐糖脂的分离提取步骤，大大降低了槐糖脂提取分离的能耗。
3、采用本发明制备的槐糖脂具有葡萄糖基和长链疏水羧基，具有易于生物降解环境友好型的特点，对有机物具有增溶作用，对金属离子具有络合作用，用于反渗透膜运行过程中，不仅可以阻滞有机物和金属离子在膜上的沉积而造成膜的污堵，还可以抑制微生物的生长，阻滞微生物粘泥在反渗透膜上的附着，减缓污染物对反渗透膜的污染；采用本发明制备的槐糖脂与山梨糖醇聚醚油酸酯、甘露糖赤藓糖醇脂复配后，用于反渗透膜污染的清洗，对膜污染物具有很好的去除效果，可降低化学清洗剂的用量，减少清洗剂的使用对环境产生的二次污染。
附图说明
附图1为本发明的带支管挡板锥形瓶的主视图
附图2为本发明的带支管挡板锥形瓶的仰视图
图中：内凹进结构-1，支管-2，旋塞芯-3。
具体实施方式
以下通过具体实施例详细说明本发明的实施过程和产生的有益效果，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明首先对假丝酵母菌(C.bombicola)ATCC 22214按照发明技术方案进行槐糖脂的制备，得到槐糖脂成品及槐糖脂饱和溶液，然后用于反渗透膜用药剂的使用，阻滞有机物和金属离子在膜上的沉积，抑制微生物生长，减缓污染物对反渗透膜的污染，延长反渗透膜的清洗周期；同时山梨糖醇聚醚油酸酯、甘露糖赤藓糖醇脂的一种或两种复配后用于反渗透膜污染的清洗，增强清洗剂对膜污染物的清洗能力。
实施例1
(1)菌种活化
将菌种假丝酵母菌(C.bombicola)ATCC 22214从保藏菌种的斜面培养基上刮取一环菌苔接入100ml已灭菌的种子培养基(种子培养基中各组分浓度为：葡萄糖100g/L，酵母粉10g/L，尿素1g/L，同时用NaOH将pH值调至6.0)中，在30℃，200rpm下活化24h；然后按5％(V/V)的接种量取5ml活化的菌液再接入100ml新的已灭菌的种子培养基中，在30℃，200rpm下培养48h，形成菌悬液。
(2)发酵培养
将步骤(1)中的菌悬液按5％(V/V)的比例取5ml，接种到盛有已灭菌的 100ml发酵培养液的250ml带支管挡板锥形瓶中，置于摇床在30℃，200rpm下培养120h；发酵培养液的各组分组成为：葡萄糖80g/L，油酸60g/L，酶解花生粕6g/L(以相同量的酵母粉作对照)，尿素1.0g/L；其中，油酸以分批补料形式添加，分别在发酵培养过程的8h和32h时各添加一半的量。
(3)槐糖脂的提取
从发酵培养过程的中后期到发酵结束，从挡板锥形瓶下端支管处排出产生的槐糖脂，得到槐糖脂粗品，槐糖脂粗品用少量乙酸乙酯溶解后重结晶得到槐糖脂纯品；同时对于发酵上清液采用滤膜进行过滤得到槐糖脂饱和液，用正己烷清洗后，采用等体积乙酸乙酯萃取，旋蒸后得到上清液中槐糖脂含量，得总槐糖脂产量为82.9g/L，与对照组槐糖脂产量相当。
实施例2
(1)菌种活化
将菌种假丝酵母菌(C.bombicola)ATCC 22214从保藏菌种的斜面培养基上刮取一环菌苔接入100ml已灭菌的种子培养基(种子培养基中各组分浓度为：葡萄糖100g/L，酵母粉10g/L，尿素1g/L，用NaOH将pH值调至6.0)中，在30℃、200rpm下活化24h，然后按5％(V/V)的接种量接入100ml新的已灭菌的种子培养基中，在30℃、200rpm下培养48h，形成菌悬液。
(2)发酵培养
将步骤(1)中的菌悬液按5％(V/V)的比例接种到盛有已灭菌的100ml发酵培养液的250ml带支管挡板锥形瓶中，置于摇床在30℃、200rpm下培养120h；发酵培养液的各组分组成为：葡萄糖100g/L，油酸90g/L，酶解豆粕10g/L(以相同量的酵母粉作对照)，尿素2.0g/L；其中，油酸以分批补料形式添加，分别在培养的12h和48h各添加一半。
(3)槐糖脂的提取
从发酵培养过程的中后期到发酵结束，从挡板锥形瓶下端支管处排出产生的槐糖脂，得到槐糖脂粗品，槐糖脂粗品用少量乙酸乙酯溶解后重结晶得到槐糖脂纯品；同时对于发酵上清液采用滤膜进行过滤得到槐糖脂饱和液，用正己烷清洗后，采用等体积乙酸乙酯萃取，旋蒸后得到上清液中槐糖脂含量，得总槐糖脂产量为102.7g/L，与对照组槐糖脂产量相当。
实施例3
将实施例1制备的槐糖脂纯品或者过滤的槐糖脂饱和液按照槐糖脂8mg/L 浓度应用于反渗透膜运行过程中，反渗透系统进水中含有牛血清蛋白15mg/L， NaCl1000mg/L，不加金属离子Ca2+和加Ca2+(Ca2+浓度为40mg/L)两种水质条件下，考察槐糖脂对有机物和金属盐在反渗透膜上污染过程的影响，同时以不加槐糖脂的处理为空白对照。
反渗透膜系统采用低压卷式反渗透膜，购于陶氏化学公司的富耐CR100膜，膜面积为37m2，在反渗透压力容器进水端安装进水阀门和进水压力表，在反渗透膜浓水端安装浓水阀门，压力表和流量计。在反渗透膜压力容器产水端安装小量程流量计，可以准确记录产水流量变化。原水箱和反渗透压力容器之间安装低压泵和高压泵，通过调节反渗透膜压力容器进口阀，调节反渗透膜的进水流量和压力，通过调节浓水流量阀，调节反渗透膜的掺水回收率，原水的水温由换热器进行控温。
启动反渗透系统，使系统温度在25℃，初始产水流量为1.5m3/h，浓水流量为8.5m3/h，运行72h，记录下产水流量，温度，原水电导，产水电导，实验结果如表1所示。可以看出，在不加Ca2+水质条件下，向进水污染溶液加入槐糖脂运行72h后，膜产水流量下降7.33％，膜脱盐率下降0.05％，而相同条件下不加槐糖脂溶液对应的膜产水流量下降16.67％，膜脱盐率下降0.29％。通过结果分析可以看出槐糖脂对有机物具有明显的减缓作用，可以有效阻滞有机物对反渗透膜的污染；在加入Ca2+水质条件下，向进水污染溶液加入槐糖脂运行72h后，膜产水流量下降8.67％，膜脱盐率下降0.04％，而相同条件下不加槐糖脂溶液对应的膜产水流量下降21.33％，膜脱盐率下降0.67％。通过结果分析可以看出槐糖脂对有机物和金属盐具有明显的阻滞作用，可以通过架桥作用将有机物和金属盐稳定于水中不在反渗透膜上沉积，有效阻滞有机物和金属盐对反渗透膜的污染。
表1不同水质条件下实施例1产品对反渗透膜运行过程中产水性能的影响
Figure BDA0003630112790000061
实施例4
将实施例1制备的槐糖脂纯品或者过滤的槐糖脂饱和液按照槐糖脂质量浓度10mg/L用量应用于中水回用反渗透运行过程，反渗透膜为陶氏耐污染膜 BW30-400/34，反渗透进水为中水，以添加常规杀菌剂异噻唑啉酮和不加药剂的空白为对照，实验结果如表2所示。结果显示向进水中加入槐糖脂运行72h后，膜产水流量下降8.67％，膜脱盐率下降0.05％，相同运行条件加入杀菌剂异噻唑啉酮的对照对应膜产水流量下降17.33％，膜脱盐率下降0.11％，不加药剂的空白对照对应的膜产水流量下降26.00％，膜脱盐率下降0.82％。通过结果分析可以看出本发明制备槐糖脂用于反渗透系统运行过程不仅可以阻滞有机物和金属盐对反渗透膜的污染，而且兼具抑菌杀菌作用，可以减缓溶液中其他污染物如有机物，金属盐，微生物粘泥对反渗透膜的污染，延长反渗透膜清洗周期。
表2不同添加剂对反渗透膜运行过程中产水性能的影响
Figure BDA0003630112790000071
实施例5
将实施例2制备的槐糖脂纯品或者槐糖脂饱和液与山梨糖醇聚醚油酸酯、甘露糖赤藓糖醇脂复配，槐糖脂与山梨糖醇聚醚油酸酯、甘露糖赤藓糖醇脂的质量比为1：1：1，该复配物总浓度为150mg/L，加入到厂商提供的反渗透膜清洗剂中，并以不加本发明的反渗透膜清洗剂为对照，对天津某钢厂反渗透膜(陶氏耐污染膜BW30-400/34)进行离线清洗，得到清洗结果见表3，可见，较单一使用膜生产厂家提供的清洗剂，反渗透膜清洗过程中加入了本发明制备的清洗剂后，清洗后反渗透系统压差迅速降低，反渗透系统脱盐率明显提高。
表3单支反渗透膜清洗前后运行参数对照
Figure BDA0003630112790000072
实施例6
将实施例1制备的槐糖脂纯品或者过滤的槐糖脂饱和发酵液与山梨糖醇聚醚油酸酯、甘露糖赤藓糖醇脂复配，槐糖脂与山梨糖醇聚醚油酸酯、甘露糖赤藓糖醇脂质量比均为1：0.5：0.5，该复配物总浓度为200mg/L，加入到厂商提供的反渗透膜清洗剂中，并以不加本发明的反渗透膜清洗剂为对照，对安阳某化工厂一套污堵的140t/h中水回用反渗透膜系统(陶氏耐污染膜BW30-400/34)进行在线清洗，结果见表4。从表4结果来看，本发明所述的反渗透膜清洗剂对于中水回用严重污染的反渗透膜进行在线清洗时，清洗性能较单一使用膜生产厂家提供的清洗剂有非常显著的优势，不仅能够快速高效地去除无机沉淀、金属胶体、有机物及微生物等污堵物，降低膜进水浓水之间的压差，提高反渗透膜的产水通量，而且脱盐率和回收率均得到有效的提高。采用该发明制备的清洗剂可有效提高清洗剂对反渗透膜的清洗效率，延长膜使用寿命，因此，可以通过使用本发明清洗剂，降低常清洗剂的用量，进而有效降低采用常规化学清洗剂可能带来的二次污染问题。
表4反渗透膜清洗前后运行参数对照
Figure BDA0003630112790000081

Claims (6)

1.一种发酵法制备槐糖脂的方法，其特征在于制备步骤如下：
(1)从保藏假丝酵母菌(C.bombicola)ATCC 22214的斜面培养基上刮取适量菌苔，接入已灭菌的种子培养基中，在温度25～32℃、转速150～250rpm下活化24h～48h；然后将得到的液体按体积比2～8％的接种量，接入新的已灭菌的种子培养基中，在温度25～32℃、转速150～250rpm下培养24h～48h，形成菌悬液；所述的种子培养基中，含有的组分为葡萄糖、酵母粉及尿素；
(2)将步骤(1)中制得的菌悬液按体积比2～8％的比例，接种到盛有已灭菌的发酵培养液的带支管挡板锥形瓶中，置于摇床中，在温度25～32℃、转速150～250rpm下培养120～168h；所述的发酵培养液中，含有的组分为葡萄糖、油酸、尿素、酶解豆粕或者酶解花生粕；
(3)从发酵培养过程的中后期到发酵结束，从所述的带支管挡板锥形瓶下端支管处排出产生的槐糖脂，得到槐糖脂粗品，槐糖脂粗品用少量乙酸乙酯溶解后重结晶得到槐糖脂纯品；
(4)对于发酵上清液采用滤膜进行过滤得到槐糖脂饱和液。
2.如权利要求1所述的一种发酵法制备槐糖脂的方法，其特征在于：步骤(1)所述的种子培养基中，各组分的浓度为葡萄糖100g/L，酵母粉10g/L，尿素1g/L，pH值为6.0。
3.如权利要求1所述的一种发酵法制备槐糖脂的方法，其特征在于：步骤(2)所述的发酵培养液中，各组分浓度为：葡萄糖60～100g/L，油酸60～100g/L，酶解豆粕或者酶解花生粕6～10g/L，尿素0.5～2g/L；其中，所述的油酸是以分批补料形式，分别在步骤(2)培养的8h和32h时，分两批添加入所述的带支管挡板锥形瓶中。
4.如权利要求1所述的一种发酵法制备槐糖脂的方法，其特征在于：步骤(2)所述的带支管挡板锥形瓶的底部有3个凹进结构(1)，且下端侧边带有支管(2)，所述的支管上设置有旋塞芯(3)，方便底部液体产品排出。
5.一种槐糖脂在反渗透膜用药剂中的应用，其特征在于：将槐糖脂加入反渗透膜系统运行过程中，并保持槐糖脂浓度为1mg/L～20mg/L。
6.一种槐糖脂在反渗透膜用药剂中的应用，其特征在于：将槐糖脂与山梨糖醇聚醚油酸酯、甘露糖赤藓糖醇脂的一种或两种进行复配，槐糖脂与山梨糖醇聚醚油酸酯、甘露糖赤藓糖醇脂或者后两者的混合物的质量比为1：0.1～5，所述的复配物溶液总浓度为50mg/L～500mg/L，作为反渗透膜污堵物的清洗用药剂。
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