CN104109697A

CN104109697A - 柠檬酸废水回流发酵生产柠檬酸的方法

Info

Publication number: CN104109697A
Application number: CN201410321671.8A
Authority: CN
Inventors: 石贵阳; 胡志杰; 蒋小东; 孙福新; 金赛; 王宝石; 张�杰; 李赢
Original assignee: YIXING-UNION BIOCHEMICAL Co Ltd; Jiangnan University
Current assignee: Joint limited energy company of Jiangsu China Telecom; Jiangnan University
Priority date: 2014-07-08
Filing date: 2014-07-08
Publication date: 2014-10-22
Anticipated expiration: 2034-07-08
Also published as: CN104109697B

Abstract

柠檬酸废水回流发酵生产柠檬酸的方法：（1）淀粉质原料与柠檬酸废水混合均匀，加入高温α-淀粉酶；（2）将混合液经两次喷射，经碘试合格得到液化混液；再将液化混液经过板框压滤得到液化清液；（3）将液化清液与液化混液混合，加入柠檬酸废水进行补水得到种子培养基，进行菌种的种子培养；（4）将液化清液与液化混液混合，加入柠檬酸废水进行补水得到发酵营养液，进行发酵培养；（5）发酵结束后经固液分离除去菌体，经氢钙法或色谱法提取得到柠檬酸，产生的废水回到步骤（1）和步骤（3）、（4），如此循环。本方法发酵稳定且与原工艺技术水平相当，节约了工艺用水和蒸汽用量，节省了污水处理成本，具有重要的环境效益、经济效益。

Description

柠檬酸废水回流发酵生产柠檬酸的方法

技术领域

本发明涉及发酵工程技术领域，尤其是涉及一种柠檬酸废水不经过任何处理，直接回流发酵生产柠檬酸的方法。

背景技术

柠檬酸因其具有令人愉悦的酸味、入口爽快、无后酸味、安全无毒的特点, 所以广泛应用于食品、医药及化工等领域，已成为当前世界上生成量和消费量最大的食用有机酸。中国是世界上最大的柠檬酸出口国，2012年的产能已经超过l10万吨，大约90%的柠檬酸出口国外，占世界总产量70%左右。柠檬酸生产主要采用液体深层发酵，提取过程中会产生大量的废水，其中含有一些有机酸、糖、蛋白质胶体、矿物质等物质，COD高达350kg/t柠檬酸，浓度高达10000 ~ 15000ppm。这些废水若不经处理或处理不当，不仅造成严重的环境污染，也造成大量水资源的浪费，同时增加了企业生产成本。因此如何有效地处理柠檬酸发酵产生的高浓度有机废水，是柠檬酸行业亟待解决的问题。

现行柠檬酸废水的主要处理方法：厌氧生物法、好氧生物法、厌氧-好氧组合法，它们是利用好氧或者厌氧微生物在适宜的条件下降解污水中的有机物，同时将部分有机物转化为自身细胞成分，从而降低废水的COD。从目前柠檬酸行业废水处理现状来看, 效果并不理想，这些方法一般需要前期预处理，周期较长，且废水治理并不彻底，需要进一步深度处理，才能达到排放标准，处理成本比较高。因此，如何有效实现节能减排，降低成本，是柠檬酸行业健康发展所面临的重大课题。柠檬酸废水若能够直接回用或简单处理后回用，对于解决污水处理难题意义重大。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本申请人提供了一种柠檬酸废水回流发酵生产柠檬酸的方法。本方法发酵稳定且与原工艺技术水平相当，节约了工艺用水和蒸汽用量，节省了污水处理成本，具有重要的环境效益、经济效益。

本发明的技术方案如下：

柠檬酸废水回流发酵生产柠檬酸的方法，包括如下步骤：

（1）淀粉质原料与柠檬酸废水在50~60℃的情况下，在配料罐中按照1:1.5~1:4的比例混合均匀，用氢氧化钙调节混合液的pH至5.8~6.0，然后加入高温α-淀粉酶，其添加量为15~40U/g玉米粉；

（2）将步骤（1）所得混合液进行两步处理：先将混合液经两次喷射，一次喷射温度为97~101℃，二次喷射温度为120~130℃，经碘试为浅棕色即合格，得到液化混液；再将60~80%的液化混液经过板框压滤，得到液化清液；

（3）将步骤（2）所得液化清液与液化混液按1:1.5~1:2.5的比例混合，并加入柠檬酸废水进行补水，使得混合后的液体总糖为10~12%，总氮为0.19~0.40%，得到种子培养基，进行菌种的种子培养；

（4）将步骤（2）所得液化清液与液化混液按3.5:1~5:1的比例混合，并加入柠檬酸废水进行补水，使得混合后的液体总糖为14~17%，总氮为0.05~0.15%，得到发酵营养液，将步骤（3）种子培养所得种子液加入发酵营养液，进行发酵培养；

（5）步骤（4）发酵结束后经固液分离除去菌体，经氢钙法或色谱法提取得到柠檬酸，产生的废水回到步骤（1）和步骤（3）、（4），如此循环。

步骤（1）中所述淀粉质原料包括玉米粉、小麦粉、木薯粉、红薯粉、淀粉、糖蜜、小麦的至少一种。

步骤（1）中所述柠檬酸废水是指氢钙提取法制造柠檬酸时产生的废糖水，或者色谱提取法制造柠檬酸时产生的色谱残液。

步骤（3）中所述菌种为在柠檬酸废水中筛选得到的适应性强、稳定性高的黑曲霉菌种。

本发明有益的技术效果在于：

本发明的目的在于不改变现有主体发酵工艺技术及设备的情况下，通过添加回流循环管路，降低甚至消除高浓度有机废水的生物处理过程，建立一套稳定运行的柠檬酸废水回流发酵生产柠檬酸的方案。

本发明可以使柠檬酸提取过程产生的废水不经过任何处理直接替代生产用水，用于原料调浆液化与配制培养基补水；培养对废水适应性强的菌种，转接发酵；发酵结束，发酵液经固液分离得到发酵清液，氢钙法或色谱法提取柠檬酸，产生的柠檬酸废水继续回流至生产***，如此实现废水的循环利用。

采用本技术柠檬酸废水循环利用40批次，糖酸转化率为95.85%~101.35%，发酵周期在62~72h，发酵稳定且与原工艺技术水平相当。本发明可有效利用废水中的碳、氮源，回流50~60℃的柠檬酸废水可契合投料温度，节约了工艺用水和蒸汽用量，节省了污水处理成本，具有重要的环境效益、经济效益。

附图说明

图1为本发明柠檬酸废水回流发酵生产柠檬酸的工艺技术流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图1，对本发明进行具体描述。下面实施例中的黑曲霉种子的来源是宜兴协联生物化学有限公司生产，由江南大学粮食发酵工艺与技术国家工程实验室生物分离工程研究室进行驯化培养。柠檬酸废水（柠檬酸提取产生的废水，宜兴协联生物化学有限公司提供）液化得到玉米液化液，添加一定量的硫酸铵，配制培养基（总糖5%~9%，总氮0.25%~0.45%），接种黑曲霉种子，经平板分离筛选（35℃，48h），挑选边缘整齐、凸起、较大单菌落，单菌落斜面培养（35℃，5d），摇瓶复筛（35℃，320rpm，培养72h）挑选产酸较高的菌种，然后进一步驯化培养，如此循环重复筛选，获得适应性强的菌种，编号为AT0019。

实施例1

玉米粉200kg，柠檬酸废糖水600kg，在50℃配料罐中混合均匀，加氢氧化钙调节pH至5.8，加入酶活单位为20000U/g的耐高温α-淀粉酶250g。经过二次喷射液化，其中一次喷射温度为97℃，二次喷射温度为130℃，维持罐中维持0.5~1h，碘试为浅棕色即合格，得到液化混液，再将70%的液化混液进入板框压滤得到液化清液。

配制种子培养基和发酵营养液，其中种子培养基是将液化清液与液化混液按1:1.5的比例混合，并加入柠檬酸废水进行补水；发酵营养液是将液化清液与液化混液按3.5:1的比例混合，并加入柠檬酸废水进行补水。

种子培养基初始总糖10.7%，总氮0.24%，黑曲霉种子培养27h，pH 2.05，酸度2.05%；发酵初始总糖16.10%，总氮0.05%，培养温度37℃；发酵结束酸度为16.08%(v/v)，残总糖为2.3%，残还原糖为0.5%，转化率为99.88%，周期67h。发酵液经氢钙法提取柠檬酸，产生柠檬酸废水，再次按照上述步骤重复操作，循环40批次，柠檬酸发酵水平正常。

实施例2

木薯粉100kg，柠檬酸废糖水150kg，在60℃配料罐中混合均匀，加氢氧化钙调pH至5.9，加入酶活单位为20000U/g的耐高温α-淀粉酶125g。经过二次喷射液化，其中一次喷射温度为99℃，二次喷射温度为125℃，在维持罐中维持0.5~1h，碘试为浅棕色合格，得到液化混液，再将60%的液化混液进入板框压滤得到液化清液。

配制种子培养基和发酵营养液，其中种子培养基是将液化清液与液化混液按1:1.5的比例混合，并加入柠檬酸废水进行补水；发酵营养液是将液化清液与液化混液按5.5:1的比例混合，并加入柠檬酸废水进行补水。

种子培养基初始总糖10%，总氮0.2%，黑曲霉种子培养26h，pH 2.06，酸度2.7%；发酵初始总糖为14%，总氮0.08%，培养温度37℃；发酵结束酸度为14.19%(v/v)，残总糖为2.0%，残还原糖为0.5%，转化率为101.35%，周期60h。发酵液经过氢钙法提取柠檬酸，产生柠檬酸废水，再次按照上述步骤重复操作，循环40次，柠檬酸发酵水平正常。

实施例3

玉米粉300kg，木薯粉原料200kg，柠檬酸废糖水2000kg，在55℃配料罐中混合均匀，加氢氧化钙调pH至5.9，加入酶活单位为20000U/g的耐高温α-淀粉酶800g。经过二次喷射液化，其中一次喷射温度为101℃，二次喷射温度为120℃，在维持罐中维持0.5~1h，经碘试为浅棕色合格，得到液化混液，再将80%的液化混液进入板框压滤得到液化清液。

配制种子培养基和发酵营养液，其中种子培养基是将液化清液与液化混液按1:2的比例混合，并加入柠檬酸废水进行补水；发酵营养液是将液化清液与液化混液按5.5:1的比例混合，并加入柠檬酸废水进行补水。

种子初始总糖12%，总氮0.26%，黑曲霉种子培养26h，pH 1.99，酸度2.3%；发酵培养基初始总糖为16.2%，总氮0.11%，培养温度37℃；发酵结束酸度为16.1%(v/v)，残总糖为2.02%，残还原糖为0.51%，转化率为99.38%，周期72h。发酵液经过氢钙法提取柠檬酸，产生柠檬酸废水，再次按照上述步骤重复操作，循环40次，柠檬酸发酵水平正常。

实施例4

红薯粉原料120kg，柠檬酸废糖水320kg，在55℃配料罐中混合均匀，加氢氧化钙调pH至6.0，加入酶活单位为20000U/g的耐高温α-淀粉酶180g，经过二次喷射液化，其中一次喷射温度为97℃，二次喷射温度为125℃，在维持罐中维持0.5~1h，碘试为浅棕色合格，得到液化混液，再将65%的液化混液进入板框压滤得到液化清液。

配制种子培养基和发酵营养液，其中种子培养基是将液化清液与液化混液按1:2的比例混合，并加入柠檬酸废水进行补水；发酵营养液是将液化清液与液化混液按5:1的比例混合，并加入柠檬酸废水进行补水。

种子培养基初始总糖10.8%，总氮0.22%，黑曲霉种子培养26h，pH 2.06，酸度2.7%；发酵初始总糖为16.7%，总氮0.13%，培养温度37℃；发酵结束酸度为16.61%(v/v)，残总糖为2.0%，残还原糖为0.5%，转化率为99.5%，周期69h。发酵液经过氢钙法提取柠檬酸，产生柠檬酸废水，再次按照上述步骤重复操作，循环40次，柠檬酸发酵水平正常。

实施例5

小麦粉210kg，柠檬酸废糖水380kg，在60℃配料罐中混合均匀，加氢氧化钙调pH至5.9，加入酶活单位为20000U/g的耐高温α-淀粉酶290g，经过二次喷射液化，其中一次喷射温度为98℃，二次喷射温度为128℃，在维持罐中维持0.5~1h，碘试为浅棕色合格，得到液化混液，再将75%的液化混液进入板框压滤得到液化清液。

配制种子培养基和发酵营养液，其中种子培养基是将液化清液与液化混液按1:2.5的比例混合，并加入柠檬酸废水进行补水；发酵营养液是将液化清液与液化混液按5:1的比例混合，并加入柠檬酸废水进行补水。

种子培养基初始总糖11%，总氮0.24%，黑曲霉种子培养25h，pH 2.02，酸度2.9%；发酵初始总糖为15.2%，总氮0.15%，培养温度37℃；发酵结束酸度为15.03%(v/v)，残总糖为2.0%，残还原糖为0.5%，转化率为98.9%，周期66h。发酵液经过氢钙法提取柠檬酸，产生柠檬酸废水，再次按照上述步骤重复操作，循环40次，柠檬酸发酵水平正常。

实施例6

玉米粉150kg，色谱残液600kg，在52℃配料罐中混合均匀，加氢氧化钙调节pH至5.8，加入酶活单位为20000U/g的低pH耐高温α-淀粉酶130g，经过二次喷射液化，其中一次喷射温度为100℃，二次喷射温度为122℃，维持罐中维持0.5~1h，碘试为浅棕色合格，得到液化混液，再将70%的液化混液进入板框压滤得到液化清液。

配制种子培养基和发酵营养液，其中种子培养基是将液化清液与液化混液按1:2.5的比例混合，并加入柠檬酸废水进行补水；发酵营养液是将液化清液与液化混液按4.5:1的比例混合，并加入柠檬酸废水进行补水。

种子培养基初始总糖9.7%，总氮0.19%，黑曲霉种子培养26h，pH 2.0，酸度2.15%；发酵初始总糖15.90%，总氮0.10%，培养温度37℃；发酵结束酸度为15.42%(v/v)，残总糖为2.08%，残还原糖为0.5%，转化率为96.14%，周期67h。发酵液经色谱法提取柠檬酸，产生柠檬酸废水，再次按照上述步骤重复操作，循环40批次，柠檬酸发酵水平正常。

实施例7

木薯粉200kg，色谱残液800kg，在60℃配料罐中混合均匀，加氢氧化钙调pH至5.8，加入酶活单位为20000U/g的低pH耐高温α-淀粉酶250g，经过二次喷射液化，其中一次喷射温度为97℃，二次喷射温度为124℃，在维持罐中维持0.5~1h，碘试为浅棕色合格，得到液化混液，再将70%的液化混液进入板框压滤得到液化清液。

配制种子培养基和发酵营养液，其中种子培养基是将液化清液与液化混液按1:1.5的比例混合，并加入柠檬酸废水进行补水；发酵营养液是将液化清液与液化混液按4.5:1的比例混合，并加入柠檬酸废水进行补水。

种子培养基初始总糖10.9%，总氮0.3%，黑曲霉种子培养25h，pH 2.06，酸度2.2%；发酵初始总糖为17%，总氮0.13%，培养温度37℃；发酵结束酸度为16.77%(v/v)，残总糖为2.15%，残还原糖为0.5%，转化率为98.62%，周期71h。发酵液经过色谱法提取柠檬酸，产生柠檬酸废水，再次按照上述步骤重复操作，循环40次，柠檬酸发酵水平正常。

实施例8

玉米粉300kg，木薯粉原料200kg，色谱残液1000kg，在55℃配料罐中混合均匀，加氢氧化钙调pH至5.9，加入酶活单位为20000U/g的低pH耐高温α-淀粉酶800g，经过二次喷射液化，其中一次喷射温度为100℃，二次喷射温度为130℃，在维持罐中维持0.5~1h，经碘试为浅棕色合格，得到液化混液，再将80%的液化混液进入板框压滤得到液化清液。

配制种子培养基和发酵营养液，其中种子培养基是将液化清液与液化混液按1:1.5比例混合，并加入柠檬酸废水进行补水；发酵营养液是将液化清液与液化混液按4:1的比例混合，并加入柠檬酸废水进行补水。

种子初始总糖11%，总氮0.23%，黑曲霉种子培养25h，pH 1.99，酸度2.3%；发酵培养基初始总糖为15.44%，总氮0.11%，培养温度37℃；发酵结束酸度为15.38%(v/v)，残总糖为2.08%，残还原糖为0.5%，转化率为99.64%，周期72h。发酵液经过色谱法提取柠檬酸，产生柠檬酸废水，再次按照上述步骤重复操作，循环40次，柠檬酸发酵水平正常。

实施例9

玉米粉250kg，小麦粉150kg，色谱残液1200kg，在60℃配料罐中混合均匀，加氢氧化钙调pH至5.8，加入酶活单位为20000U/g的低pH耐高温α-淀粉酶250g，经过二次喷射液化，其中一次喷射温度为97℃，二次喷射温度为129℃，在维持罐中维持0.5~1h，碘试为浅棕色合格，得到液化混液，再将60%的液化混液进入板框压滤得到液化清液。

配制种子培养基和发酵营养液，其中种子培养基是将液化清液与液化混液按1:2比例混合，并加入柠檬酸废水进行补水；发酵营养液是将液化清液与液化混液按3.5:1的比例混合，并加入柠檬酸废水进行补水。

种子培养基初始总糖11.2%，总氮0.35%，黑曲霉种子培养24h，pH 2.06，酸度2.3%；发酵初始总糖为15.9%，总氮0.07%，培养温度37℃；发酵结束酸度为15.87%(v/v)，残总糖为2.01%，残还原糖为0.5%，转化率为97.99%，周期63h。发酵液经过色谱法提取柠檬酸，产生柠檬酸废水，再次按照上述步骤重复操作，循环40次，柠檬酸发酵水平正常。

以上所述已详细描述了本发明的实施方案，对本领域技术人员来说很显然可以做很多的改进，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、同等替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims

1.柠檬酸废水回流发酵生产柠檬酸的方法，其特征在于包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的柠檬酸废水回流发酵生产柠檬酸的方法，其特征在于步骤（1）中所述淀粉质原料包括玉米粉、小麦粉、木薯粉、红薯粉、淀粉、糖蜜、小麦的至少一种。

3.根据权利要求1所述的柠檬酸废水回流发酵生产柠檬酸的方法，其特征在于步骤（1）中所述柠檬酸废水是指氢钙提取法制造柠檬酸时产生的废糖水，或者色谱提取法制造柠檬酸时产生的色谱残液。

4.根据权利要求1所述的柠檬酸废水回流发酵生产柠檬酸的方法，其特征在于步骤（3）中所述菌种为在柠檬酸废水中筛选得到的适应性强、稳定性高的黑曲霉菌种。