CN102701507B

CN102701507B - 一种处理谷氨酸高浓度废水的方法

Info

Publication number: CN102701507B
Application number: CN 201210211385
Authority: CN
Inventors: 郇月伟; 唐永强; 冯珍泉; 胡俊礼; 郭永波; 张红静
Original assignee: Hulunbuir Northeast Fufeng Biotechnology Co Ltd
Current assignee: Hulunbuir Northeast Fufeng Biotechnology Co Ltd
Priority date: 2012-06-26
Filing date: 2012-06-26
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2032-06-26
Also published as: CN102701507A

Abstract

本发明提出一种处理谷氨酸高浓度废水的方法，具体为利用复合酶酶解发酵废弃菌体及利用双极性膜电渗析处理其它废液的方法。本发明过程不仅解决了对谷氨酸高浓度废水中有效成分分离的问题，能够使谷氨酸发酵残糖得到充分的利用，而且能效高，废水排放量少，污染低；此外，电渗析技术具有操作简单、无污染、使用寿命长久等优点，不仅减低企业投资成本，而且节能减排，有一举多得之功效。

Description

一种处理谷氨酸高浓度废水的方法

技术领域

本发明属于谷氨酸生产技术领域，涉及一种处理谷氨酸高浓度废水的方法，具体为利用复合酶酶解发酵废弃菌体及利用双极性膜电渗析处理其它废液的方法。

背景技术

随着经济的飞速发展和技术的不断进步，我国已经成为味精的生产和消费大国，但是味精生产过程中所排放的废水量大，味精发酵液经等电提取谷氨酸后排放的母液具有CODCr高、BOD5高、菌体含量高、硫酸根(改用硫酸调pH前为氯离子)含量高、氨氮含量高及pH值(1.5-3.2)低“五高一低”的特点。是一种治理难度很大的工业废水。由于不能有效地治理味精废水，不少味精厂被列入全国重点污染源单位之列，味精废水的治理已经成为制约味精生产企业发展的重大难题。

通常所说的味精废水是指味精发酵液提取谷氨酸后排放的母液。由于谷氨酸的提取工艺不同，排放的废水水质也有所差别。废水中含有的大量菌体，它是一种单细胞蛋白，含有丰富的蛋白质，对干燥后菌体蛋白的化学成分进行分析发现谷氨酸废弃菌体中蛋白质的含量高达85.8％总氨基酸含量为78.77％，高于目前蛋白酶解物常用的原料豆粕、酵母等。其氨基酸种类和配比都比较齐全，并且含有丰富的维生素、核酸、多糖等其他营养物质。且谷氨酸发酵过程中所加入糖类物质与谷氨酸一起经过发酵后会生成低聚异麦芽糖。谷氨酸发酵产生高浓度废水经过超滤膜过滤后进行双极性膜电渗析进行脱盐处理，脱盐后的废水可用于制取肥料，得到的脱盐后的清液含有大量的低聚异麦芽糖。这些有用物质白白排放，每年造成约10多亿元人民币的损失。因此，根据味精废水的特点，必须采取切实有效的措施，对其进行综合治理。

据报道，每生产1t味精，大约要排出10-15t提取谷氨酸后的母液，全国每年要排放1000万t这种高浓度有机废水。不仅严重污染了自然环境，而且制约了味精行业的发展。虽然味精生产企业、科研机构及有关的大专院校都对治理进行了大量的研究。但是，目前国内外都还没有成熟的成套技术应用于生产实践。主要的问题是一次性投资过大，或者日常运行费用过高，多数味精厂无法承受，不得不长期维持超标排放的现状。

因此，研究一种***的对谷氨酸发酵废液的利用方法，以减少废水污染、变废为宝，是本领域亟需解决的技术问题。

发明内容

发明人经过一系列研究开发了一种谷氨酸生产废水的的利用方法，该方法采用了发酵液等电前通过碟片分离机分离发酵液中的菌体蛋白，将上述菌体蛋白浆液加入适量复合酶制剂使菌体蛋白酶解。该酶解液经高速碟片粉机分离去除细胞壁，所得澄清酶解液经低温浓缩后制成酶解菌体蛋白膏；另外，提取过程中产生的废水经过超滤膜过滤除去杂质后进行双极性膜电渗析进行除盐分离，所产生的废水用作生产肥料，清液通过多效板式蒸发器进行浓缩后经过两次阴、阳离子交换膜进一步除盐后得到清液，将清液浓缩得到功能性低聚糖。本发明过程不仅解决了对谷氨酸高浓度废水中有效成分分离的问题，能够使谷氨酸发酵菌体蛋白、残糖得到充分的利用，而且能效高，废水排放量少，污染低，电渗析技术具有操作简单、无污染、使用寿命长久等优点，不仅减低企业投资成本，而且节能减排，有一举多得之功效。

上述酶解菌体蛋白膏由于富含大量人体及动物所必需氨基酸，可以其作为复合氨基酸原料，并适当添加部分赖氨酸、苏氨酸、蛋氨酸等饲料氨基酸制成复合氨基酸饲料预混剂，大幅度降低该产品成本；双极性膜电渗析进行脱盐处理，脱盐率为98％左右，脱盐后的废水更适于生产肥料，且盐分基本脱除干净，能够提高低聚糖的品质，变废为宝，实现商业利用价值。

为实现上述目的，本发明一种谷氨酸废水的处理方法，其具体操作步骤为：

1)离心分离：谷氨酸发酵菌液利用高速碟片分离机将发酵液中的谷氨酸料液和菌体蛋白进行分离，高速碟片机分离菌体的转速为4000～5000r/min，

(2)菌体蛋白处理：将步骤(1)的菌体蛋白加入到搅拌反应器，并加入适量温水调匀，调整固含量8％，调整酶解反应温度55℃，加少许硫酸调整pH6.5，分别加入溶菌酶10kg/m³，酸性蛋白酶25kg/m³以及β-葡聚糖酶5kg/m³，缓慢搅拌，酶解时间为6h获得酶解液，然后采用碟片分离机离心去除细胞壁，收集上清液，所得上清液经三效板式蒸发器低温蒸发后，得到膏状物，其干基含量＞65％，将上述膏状物直接包装制成酶解菌体蛋白膏；

(3)谷氨酸料液处理：将步骤(1)分离的谷氨酸料液通过浓缩、等电沉降提取谷氨酸，产生的废水经过超滤膜过滤后将杂质和清液进行分离，将分离得到的清液通过双极性膜电渗析进行脱盐除杂处理，得到的脱盐清液通过多效板式蒸发器浓缩至1.2-1.3g/cm²，浓缩液经过阴、阳离子交换柱两级过柱循环后得到过柱清液，蒸发浓缩生产低聚异麦芽糖；其中双极性膜电渗析参数为：电极和膜的间距为0.5cm，膜间距为10cm，单膜面积为500cm²，电压恒定为50V，操作温度为26℃，操作时间为40-60min；双极性电渗析器采用钛镀铂金电极板，为盐/酸二室式。

本发明首先使用高速碟片分离机将发酵液中的谷氨酸料液和菌体蛋白进行分离，去除发酵菌体，高速碟片机分离菌体的转速为4000～5000r/min，通过以上条件，高效便捷地将谷氨酸料液和菌体蛋白分离，该使用高速碟片分离机为申请人首创，碟片式分离机是沉降式离心机中的一种，用于分离难分离的物料，其对菌体蛋白的提取率达到97％以上，较之现有技术中的膜过滤技术具有成本低，操作便捷的优点，更适于大规模工业化生产。

本申请无需加入絮凝剂等化学试剂，避免了絮凝剂单体存在的饲料安全隐患，所得菌体蛋白容易酶解，提高了产品质量，此方法工艺简单，可广泛用于谷氨酸及其它氨基酸发酵菌体蛋白的提取。

本发明人通过创造性劳动及多因子实验对酶解反应的酶解体系、添加量、PH、温度等进行大量实验，得出最佳的酶解反应参数体系，从大量酶解蛋白酶中确定最佳复合酶组合为溶菌酶、酸性蛋白酶、β-葡聚糖酶，且确定了其最佳添加比例，该组合酶酶解反应条件温和，酶解液营养保持完整，更能协作互应，提高反应效率及转化率；

酶反应结果随PH值的改变而发生显著的变化，每个酶促反应均存每一酶促反应均存在一个最适宜作用pH值，在低于最适pH值时，蛋白质酶解率随pH值的增大而增大，当达到最适pH值后，随pH值的增大，酶解率反而下降。本发明确定复合酶的最佳酶解PH为6.5；酶量的增大会提高酶对底物的作用能力，由此可引起酶解率的提高，当酶加量增大到一定数值时，蛋白质分子对酶的需求量达到饱和，酶不再是提高蛋白质酶解率的限制性因素，所以酶解率随着酶加量的增大变得平缓，进一步增大，其酶解率反而下降，本研究确定最佳复合酶添加量为5-7％；酶促反应对温度也极为敏感，在保持酶活力的情况下，蛋白质酶解率随温度升高而升高，达最高峰后，继续升高温度，酶活力开始减小，酶解速度迅速下降，蛋白质酶解率随之下降。本研究确定最佳反应温度为55℃；

本发明与常规对谷氨酸高浓废水的处理工艺相比较，不仅谷氨酸发酵糖得到充分提取，在降低污水处理的同时减少了低聚糖生产成本，对谷氨酸发酵糖的提取率达到85％以上，双极膜电渗析与阴阳离子柱层析对盐的洗脱率达到95％以上，达到了节能减排、降低投资和增加企业效益双收益的效果。本发明过程不仅解决了对谷氨酸高浓度废水中有效成分分离的问题，能够使谷氨酸发酵残糖得到充分的利用，而且能效高，废水排放量少，污染低，电渗析技术具有操作简单、无污染、使用寿命长久等优点。本新型工艺的发明不仅减低企业投资成本，而且节能减排，有一举多得之功效。

其制备的蛋白膏可直接包装制成市售酵母膏替代产品，所得酶解蛋白膏作为氮源替代市售酵母粉，进行苏氨酸发酵试验，连续5罐平均发酵参数分别为：用酶解蛋白膏作为氮源的发酵液产酸13％，发酵周期28h，发酵糖酸转化率68％。用市售酵母粉作为氮源的发酵液产酸14％，发酵周期28h，发酵糖酸转化率67％。通过上述比较本发明所制产品用于苏氨酸发酵完全可替代市售酵母粉产品，从而大幅度降低苏氨酸发酵成本。通过高效液相色谱分析上述低聚异麦芽糖组分发现，低聚异麦芽糖占92％左右，麦芽糖为5％左右，其余为其它微量糖份；低聚异麦芽糖含量较高，适合一般市场需求。

本发明整个工艺过程操作简便，生产成本较低，经济效益显著，十分适合于工业化生产。

具体实施方式

实施例1

(1)谷氨酸发酵菌液利用高速碟片分离机将发酵液中的谷氨酸料液和菌体蛋白进行分离，高速碟片机分离菌体的转速为4000～5000r/min，

(2)将上述菌体蛋白加入搅拌反应器，并加入适量温水调匀，调整固含量8％，调整酶解反应温度55℃，加少许硫酸调整pH6.5，分别加入溶菌酶10kg/m3，酸性蛋白酶25kg/m3，β-葡聚糖酶5kg/m3，缓慢搅拌，酶解时间为6h，用氨基酸分析仪测定酶解液各类氨基酸含量。对上述酶解液采用碟片分离机分离去除细胞壁，所得上清液经三效板式蒸发器低温蒸发，所述蒸发器一效进料温度78℃，末效出料温度43℃，所得膏状物直接装桶制成酶解蛋白膏；

(3)将分离的谷氨酸料液浓缩、等电沉降等常规操作提取谷氨酸，产生的废水经过超滤膜过滤后将杂质和清液进行分离，将分离得到的清液进行双极性膜电渗析进行脱盐除杂处理，得到的脱盐清液通过多效板式蒸发器浓缩至1.2-1.3g/cm²，浓缩液经过阴、阳离子交换柱两级过柱循环后得到过柱清液，蒸发浓缩生产低聚异麦芽糖；其中双极性膜电渗析参数为：电极和膜的间距为0.5cm，膜间距为10cm，单膜面积为500cm²，电压恒定为50V，操作温度为26℃，操作时间为40-60min；双极性电渗析器采用钛镀铂金电极板，为盐/酸二室式。

实施例2

用实施例1所得酶解蛋白膏作为氮源替代市售酵母粉，进行苏氨酸发酵试验，连续5罐平均发酵参数分别为：

用实施例1制备的酶解蛋白膏作为氮源的发酵液产酸13％，发酵周期28h，发酵糖酸转化率68％。

用市售酵母粉作为氮源的发酵液产酸14％，发酵周期28h，发酵糖酸转化率67％。

通过上述比较本发明所制产品用于苏氨酸发酵完全可替代市售酵母粉产品，从而大幅度降低苏氨酸发酵成本。

通过高效液相色谱分析上述低聚异麦芽糖组分发现，低聚异麦芽糖占92.3％，麦芽糖为5.1％左右，其余为其它微量糖份；低聚异麦芽糖含量较高，适合一般市场需求。

实施例3

将实施例1制备的酶解蛋白膏经通过喷浆造粒流化床干燥，得到的成品包装制成酶解菌体蛋白粉(喷浆造粒流化床热风温度＜150℃)，替代标准YPD培养基中的酵母粉，其余成分不变，在相同条件下培养酿酒酵母和毕赤酵母，通过比较细胞的生长情况评价产品的培养效果。

利用比浊法测定OD₆₀₀表征细胞的生长情况，表明以本产品可以替代市售酵母粉产品，并取得预期的效果。

以呼伦贝尔东北阜丰生物科技有限公司年产20万吨谷氨酸生产车间为例，对采用本发明后与传统工艺相比的成本分析如下：

通过絮凝提取的菌体蛋白售价2200元/吨，每年销售菌体蛋白36000吨，絮凝剂及干燥成本约900万元，销售收入7920万元，将上述菌体在等电前分离后，可制成酶解蛋白粉25000吨/年，目前市售酵母粉单价22000元/吨，因此可实现销售收入55000万元，每吨蛋白粉消耗酶制剂及加工干燥成本2000元，因此每年可新增收益43000万元。

低聚异麦芽糖单价为24,000元/吨，以年产20万吨谷氨酸污水处理所产生的低聚异麦芽糖量为标准，每年生产10,000～16,000吨低聚异麦芽糖，其生产利润为1.4亿元左右，除去电耗汽耗的及设备的投入，每年生产净利润为8000万元左右。采用此新工艺处理谷氨酸高浓度水不仅在节约了成本，而且减少了污水排放量，经过计算，东北阜丰公司采用此工艺，污水处理成本节约110万元左右。

本发明和常规工艺相比，产品质量稳定可靠，生产成本大幅度降低，对于味精生产企业来讲，不但能够减少环境污染，减少污水处理费用，同时对资源进行充分利用，达到了节能减耗的目的，必将产生客观的社会效益和经济效益。

Claims

1.一种谷氨酸废水的处理方法，其具体操作步骤为：

(1)离心分离：利用高速碟片分离机将谷氨酸发酵液中的谷氨酸料液和菌体蛋白进行分离，高速碟片机分离菌体的转速为4000～5000r/min；

(3)谷氨酸料液处理：将步骤(1)分离的谷氨酸料液通过浓缩、等电沉降提取谷氨酸，产生的废水经过超滤膜过滤后将杂质和清液进行分离，将分离得到的清液通过双极性膜电渗析进行脱盐除杂处理，得到的脱盐清液通过多效板式蒸发器浓缩至1.2-1.3g/cm²，浓缩液经过阴、阳离子交换柱得到过柱清液，蒸发浓缩生产低聚异麦芽糖；其中双极性膜电渗析参数为：电极和膜的间距为0.5cm，膜间距为10cm，单膜面积为500cm²，电压恒定为50V，操作温度为26℃，操作时间为40-60min；双极性电渗析器采用钛镀铂金电极板，为盐/酸二室式。