蘇氨酸生產(chǎn)中末次母液再利用探討

(長春大成實業(yè)集團(tuán)有限公司，吉林 長春 130062)

近年來，隨著循環(huán)經(jīng)濟(jì)管理模式的發(fā)展，企業(yè)不斷探討可持續(xù)循環(huán)利用，最大限度利用資源、保護(hù)環(huán)境，提高產(chǎn)品附加值和企業(yè)競爭力，使經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)環(huán)境實現(xiàn)共贏[1]，而從母液中回收蘇氨酸具有很大的經(jīng)濟(jì)價值。合理的利用母液進(jìn)行工藝回用，是體現(xiàn)蘇氨酸生產(chǎn)工藝先進(jìn)合理的必然[2]，其中母液的處理是精制收率的關(guān)鍵，主要是由于其特殊的理化指標(biāo)，在生產(chǎn)后期提取、精制過程中，蘇氨酸生產(chǎn)跟谷氨酸和賴氨酸生產(chǎn)有很大差別。氨基酸生產(chǎn)中普遍采用生物發(fā)酵法，菌體留存于發(fā)酵液中，成為發(fā)酵廢母液有機(jī)污染源的一部分。菌體蛋白含有豐富的蛋白質(zhì)，與其他營養(yǎng)物質(zhì)的氨基酸提取工藝和廢母液成分均不同[3]，其廢母液中含有大量的菌體、氨基酸、糖類。蘇氨酸生產(chǎn)過程中大部分是以玉米漿及糖蜜作為發(fā)酵氮源，由于玉米漿含有豐富的氨基酸、還原糖、磷、微量元素和生長素等營養(yǎng)物質(zhì)[4]，通過蘇氨酸轉(zhuǎn)化菌進(jìn)行發(fā)酵，發(fā)酵液經(jīng)陶瓷膜設(shè)備過濾，將其中的菌體蛋白等雜質(zhì)去除，但是陶瓷膜過濾處理截留菌體蛋白只占發(fā)酵液體積的20%左右[5]，過濾后上清液再經(jīng)濃縮結(jié)晶、離心分離、干燥、篩分和包裝等工藝操作，生產(chǎn)出蘇氨酸成品，此過程中將產(chǎn)生大量的廢母液，其成分包括蘇氨酸、雜質(zhì)氨基酸、蛋白質(zhì)、殘?zhí)呛蜔o機(jī)鹽，將其賣給飼料添加劑廠，會降低母液的價值；直接排放到環(huán)境中，則會造成極大的浪費和污染[6]，如何合理處置這些廢母液是一個難題。

筆者以蘇氨酸末次母液為研究對象,對末次母液進(jìn)行硫酸水解處理,使末次母液中的二糖或多糖水解成可利用的單糖，然后再回收蘇氨酸,旨在提供一種高效、經(jīng)濟(jì)的末次母液中蘇氨酸分離回收方法,同時也為其工業(yè)化應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 蘇氨酸母液的處理

蘇氨酸母液的處理問題，一直是國內(nèi)外關(guān)注的熱點。國內(nèi)部分企業(yè)采取污水處理后排放的方法，高濃度的有機(jī)廢水處理費用高，周期長，對環(huán)境影響較大。采用母液制造化肥，或利用再提取工藝處理母液，缺點是環(huán)境污染嚴(yán)重，成本高，質(zhì)量不穩(wěn)定。離子交換柱法，進(jìn)行處理后再提取，具有收率較高，脫色、脫糖效果明顯等優(yōu)點，但是其設(shè)備昂貴、運行費用較高、用于大規(guī)模生產(chǎn)時效益低。少數(shù)企業(yè)采取膜分離技術(shù)和分離營養(yǎng)物質(zhì)、無機(jī)鹽等方法來處理母液。膜分離技術(shù)具有操作方便設(shè)備簡單和節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點；但由于膜材料生產(chǎn)技術(shù)的局限性和技術(shù)流程，膜在壓力下，不可避免地會被栓患，容易被污染，會斷絲，必須定期反洗、清潔、檢查，后期運營成本很高[7]。多數(shù)企業(yè)采用多效蒸發(fā)噴霧干燥生產(chǎn)固體有機(jī)復(fù)混肥技術(shù)處理。廢水在達(dá)標(biāo)后排放，這是一條處理發(fā)酵母液切實可行的途徑。采用色譜分離技術(shù)回收蘇氨酸母液可以有效地將色素、無機(jī)鹽、糖與蘇氨酸分開，提高蘇氨酸回收率，降低生產(chǎn)損失[8]，但是沒有大規(guī)模應(yīng)用于生產(chǎn)，操作不穩(wěn)定。最近，又有人通過實驗改變電滲析操作條件,如脫鹽溶液流量、電滲析電流密度等,探究氨基酸發(fā)酵母液電滲析脫鹽的最佳條件,為工業(yè)廢水的處理提供可行方法[9]。

通過使用硫酸調(diào)pH值，經(jīng)加熱水解將蘇氨酸母液內(nèi)多糖轉(zhuǎn)化為單糖，水解后母液回投至發(fā)酵罐再利用，提高糖使用率，為生物方法改善母液濃度提供理論依據(jù)。采用水解降低母液糖濃度后處理母液，可直接降低殘?zhí)呛?，提高成品收率。此方法可降低生產(chǎn)成本、降低能耗及減少污染物的排放，保護(hù)環(huán)境。設(shè)計采用再水解技術(shù)處理蘇氨酸母液。硫酸按適當(dāng)pH值加入蘇氨酸母液中，在一定溫度及作用時間后，將母液中發(fā)酵過程剩余的殘?zhí)?其主要成分為無還原性的多糖)轉(zhuǎn)化為具有還原性的單糖及二塘。母液中的蘇氨酸沒有變化，此時的母液稱為水解母液。

2 材料與方法

2.1 實驗藥品

標(biāo)準(zhǔn)氨基酸溶液；醋酸緩沖液；醋酸鈉溶液；茚三酮顯色液；乙二醇甲醚溶液；乙醇；蘇氨酸發(fā)酵液，松原大成生化科技開發(fā)有限公司。

2.2 實驗器材

100，500 mL容量瓶、1，10 mL吸量管、25，50 mL酸式滴定管，天津市天科玻璃儀器制造有限公司(天玻)；150，500 mL廣口三角瓶、100,500 mL燒杯、10，25，100 mL量筒，成都晶花玻璃儀器有限責(zé)任公司 (晶花)；100 mL薄層色譜展開缸，上海信誼儀器廠；pH電極0-14，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司。

2.3 實驗設(shè)備

磁力加熱攪拌器CJJ-781，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；快速混勻器SK-1，常州市金壇區(qū)環(huán)宇科學(xué)儀器廠；茂福爐M-2.8-10，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；精密酸度計pHX-3C 0-14pH，上?？德穬x器設(shè)備有限公司；分析天平TG328A，上海奕宇有限公司；水分快速測定儀SH10A，泰州市宜信得儀器儀表有限公司；分光光度計WFJ-1，寧波市鎮(zhèn)海三愛儀器廠；電熱恒溫水浴鍋二列四孔HH-S21-N14，上?？德穬x器設(shè)備有限公司；電熱蒸溜水器WSZ226-77，寧波市鎮(zhèn)海三愛儀器廠；離心機(jī)LD5-2A，上海信誼儀器廠。

2.4 檢測方法

比色法，其中糖的檢測方法為斐林試劑法。

3 結(jié)果與分析

3.1 水解pH值對母液水解效果的影響

取300 mL第三批次母液，各取100 mL用硫酸調(diào)pH至2.5，3.0，3.5，4.0，4.5，于90 ℃水浴加熱2 h，取樣檢測各參數(shù)，蘇氨酸末次母液水解不同pH確定試驗對比分析如表1所示。

表1 蘇氨酸末次母液水解不同pH值確定試驗對比分析Table 1 Comparative analysis of determination of different pH values for hydrolysis of final mother liquor of threonine

由表1可知：蘇氨酸末次母液分別在pH 2.5，3.0，3.5，4.0，4.5水解時，pH 3.5蘇氨酸末次母液水解效果較好，還原糖質(zhì)量濃度最高。

3.2 水解溫度對母液水解效果的影響

取300 mL第三批次母液，各取100 mL用硫酸調(diào)pH值至3.5，分別80，85，90，95，100 ℃水浴加熱2 h。蘇氨酸末次母液水解不同溫度下確定試驗對比分析如表2所示。

由表2可知：蘇氨酸末次母液分別在80，85，85，90，95，100 ℃水解時,90 ℃蘇氨酸末次母液水解效果較好，還原糖質(zhì)量濃度最高。

表2 蘇氨酸末次母液水解不同溫度下確定試驗對比分析Table 2 Comparative analysis of determination tests at different temperatures for hydrolysis of the final mother liquor of threonine

3.3 水解時間的確定

取300 mL第三批次母液，各取100 mL用硫酸調(diào)pH值至3.5，90 ℃水浴，分別加熱1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 h進(jìn)行實驗，蘇氨酸末次母液水解時間段確定試驗對比分析如表3所示。

表3 蘇氨酸末次母液水解時間段確定試驗對比分析Table 3 Comparative analysis of the determination test of the hydrolysis period ofthe last mother liquor of threonine

由表3可知：蘇氨酸末次母液分別在1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 h進(jìn)行實驗90 ℃水解，在2.0 h時蘇氨酸末次母液水解效果較好，還原糖質(zhì)量濃度最高。

3.4 重復(fù)性試驗

在pH 3.5，90 ℃，水解時間2 h的優(yōu)化的水解條件下進(jìn)行實驗，蘇氨酸末次母液水解情況如表4所示。

表4 蘇氨酸末次母液水解pH 3.5，90 ℃，水解時間2 h試驗分析Table 4 pH 3.5,90 ℃, 2 h hydrolysis time of the final mother liquor of threonine

由表4可知：在最佳pH 3.5和最適溫度90 ℃條件下，還原糖、總糖、蘇氨酸的質(zhì)量濃度和氨氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、干物質(zhì)量分?jǐn)?shù)、黏度的實驗結(jié)果滿足實驗工藝要求。

3.5 水解母液的再利用研究

取第三批按V(蘇氨酸末次母液)∶V(發(fā)酵液)=1∶9投料，培養(yǎng)3 h后檢測還原糖、總糖、蘇氨酸的質(zhì)量濃度和氨氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、干物質(zhì)量分?jǐn)?shù)、pH、黏度實驗結(jié)果如表5所示。

表5 V(蘇氨酸末次母液)∶V(發(fā)酵液)=1∶9混合發(fā)酵液培養(yǎng)3 h后檢測分析Table 5 Detection and analysis of the final thonine mother liquor and fermentation broth 1∶9 mixed fermentation broth after culture for 3 h

由表5可知：經(jīng)過水解作用的母液中還原糖能被利用。此實驗方法具有一定可行性，在大規(guī)模生產(chǎn)中具有相當(dāng)優(yōu)勢，且有一定利潤空間。

4 結(jié) 論

利用高溫水解，將蘇氨酸末次母液多糖中的二糖或多糖等不能被菌種利用的、沒有還原性的糖轉(zhuǎn)化為具有還原性的單糖，降低糖含量，使其能夠被再次利用。通過設(shè)計最佳水解工藝條件，實驗確定了適宜pH、溫度、時間等水解條件，為發(fā)酵行業(yè)母液處理提供了全新的思路。正常蘇氨酸生產(chǎn)收率為88%，而使用酸法水解蘇氨酸末次母液，蘇氨酸回收率可達(dá)到98.6%，提高了10.6%。按年產(chǎn)3 萬噸蘇氨酸計算，可創(chuàng)造直接經(jīng)濟(jì)效益2 544 萬元。