CN105154333A - 一种从发酵废液中富集菌体的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种从发酵废液中富集菌体的方法及其装置，其包括如下步骤：将菌体浓度为5～15g/升发酵废液加热至55～80℃，加热后的发酵废液进行自然沉降分离，得到清液和悬浊液，悬浊液再进行旋液分离，进一步浓缩成稠密的悬浊液；最后，将稠密的悬浊液进行压滤分离，得到湿润的块状菌体饼，该块状菌体饼的菌体含量为25～40wt％。本发明利用菌体蛋白加热后易沉降的特性以及旋液分离进一步富集密度较大的菌体，并结合压滤分离方法处理稠密的悬浊液，对菌体分级浓缩富集，具有降低能耗、装备和工艺流程简单的优点。

Description

一种从发酵废液中富集菌体的方法及其装置

技术领域

本发明涉及微生物菌体分离领域，具体涉及一种从发酵废液中富集菌体的方法及其装置。

背景技术

近年来新兴的含碳气体微生物发酵法生产乙醇等化工品的技术，其发酵工艺特点是发酵液中乙醇浓度低。传统粮食发酵法的发酵液中乙醇浓度约12～13％，发酵后的发酵液中不溶性颗粒有菌体、发酵未利用完的蛋白渣和淀粉颗粒、泥沙杂质等，不溶性颗粒总计约40g/升发酵液。含碳气体微生物发酵法的发酵液中乙醇浓度仅4～5％，其发酵液特点是发酵液中的不溶性颗粒仅为菌体，而且菌体尺寸小、浓度低(发酵液中菌体浓度约5～15g/升发酵液)。

含碳气体微生物发酵法的发酵液首先经过精馏分离出乙醇产品，精馏塔底部的发酵废液中含有微量的菌体，目前的工艺设计中还未涉及对这种发酵废液中的菌体进行分离利用。但针对这种菌体的化学分析表明，菌体蛋白含量非常高，可以作为一种高附加值的副产品分离出来，用作动物饲料或者植物氨基酸肥料。

常用来分离微生物发酵废液中菌体的方法有板框压滤分离、膜分离和高速离心分离。板框压滤分离方法往往需要加入絮凝剂等化学药品，对于需要将菌体作为产品的发酵技术而言，絮凝剂的加入会影响产品质量甚至得不到预期的产品；对于微生物菌体而言，板框压滤分离的缺陷是随着过滤进行，很快就出现堵塞现象，而且由于微生物菌体蛋白的弹性特点，且没有刚性颗粒等助滤剂来增加滤饼刚性，如果增大过滤推动力反而使得原本极细微的过滤通道被菌体蛋白挤压得更小，因此出现越压越堵塞的情况。此外，对于菌体浓度低的含碳气体微生物发酵液，如果前端没有初步脱水浓缩富集工艺，直接采用板框压滤分离，装置规模将会非常庞大。

膜分离技术适合低浓度菌体的初步浓缩脱水，但是膜分离存在一次投资大的缺点，而且需要定期清洗膜来维持较高的过滤通量，同样的道理，含碳气体微生物发酵液中的菌体分离，膜分离装置也会非常庞大。

高速离心分离的缺陷是投资高，耗能也很高，对于菌体浓度低的大批量发酵废液，将约占发酵废液重量95％的水在离心机中高速旋转，需要消耗大量电能。

因此，对于含碳气体微生物发酵废液中低浓度菌体的富集，必须结合发酵工艺和发酵液的特点，尤其是针对菌体的特性，分段设计，不同含水量的发酵液采用不同的分离方法进行，才能做到合理经济地分离出菌体蛋白副产品，进一步提高整个含碳气体微生物发酵法生产乙醇等化工品的工艺价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种从发酵废液中富集菌体的方法及其装置，从菌体浓度低的微生物发酵废液中初步脱水浓缩富集菌体，最终得到菌体含量为25～40wt％的菌体块，具有能耗低、工艺过程简单的优点。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种从发酵废液中富集菌体的方法，从低浓度菌体的发酵废液中脱水浓缩富集菌体，其包括如下步骤：

将发酵废液加热至55～80℃，加热后的发酵废液进行自然沉降分离，得到清液和悬浊液，对悬浊液再进行旋液分离，进一步浓缩成稠密的悬浊液；最后，将稠密的悬浊液进行压滤分离，得到湿润的块状菌体饼，压出液送入污水处理***；

其中，所述发酵废液中菌体浓度为5-15g/升发酵废液；自然沉降分离后得到的清液、旋液分离后得到的清液返回到发酵废液中重新分离或输送到污水处理***。

进一步，所述自然沉降分离的沉降时间为1～10分钟。

又，所述自然沉降分离后得到的悬浊液中菌体质量浓度为16～48g/升悬浊液。

所述离心分离后得到的稠密的悬浊液中菌体质量浓度为50～152g/kg稠密的悬浊液。

再，所述压滤分离后得到湿润的块状菌体中含水量为60～75wt％，菌体含量为25～40wt％。

本发明所述的从发酵废液中富集菌体的装置，其包括，加热器，其上设置废液进口、废液出口，所述加热器的废液进口通过管道连接发酵废液源；静置罐，其上部分别开设物料进口、清液出口及位于底部的悬浊液出口；所述静置罐的物料进口通过管道连接所述加热器的废液出口，该物料进口管道中设有第一流量调节阀；所述静置罐的清液出口通过管道连接清液处理***，该清液出口管道中设有第一在线浊度分析仪和第二流量调节阀；旋液分离器，为一倒锥形筒体结构，其筒体内壁上设有螺旋通道；所述旋液分离器侧壁上设有悬浊液进口，该悬浊液进口与螺旋通道的上端口连通；所述旋液分离器的悬浊液进口通过管道与静置罐的悬浊液出口连接，该悬浊液进口管道中设有第三流量调节阀；所述旋液分离器的底部设有悬浊液出口，该悬浊液出口通过管道连通悬浊液处理***；所述旋液分离器上部的侧壁上设有清液出口，所述旋液分离器的清液出口通过管道连接清液处理***，该清液出口管道中设有第二在线浊度分析仪和第四流量调节阀；控制器，所述第一～第四流量调节阀，第一、第二在线浊度分析仪分别电性连接该控制器。

进一步，还包括第一抽出泵，其设置于静置罐的清液出口管道中、且位于第二流量调节阀出口侧。

又，本发明还包括第二抽出泵，其设置于旋液分离器的清液出口管道中、且位于第四流量调节阀出口侧。

更进一步，本发明还包括第三抽出泵，其设置于旋液分离器的悬浊液进口管道中，且位于第三流量调节阀进口侧。

又，本发明还包括第四抽出泵，其设置于旋液分离器的悬浊液出口管道中。

再，所述控制器包括第一、第二控制器，所述第一、第二流量调节阀、第一在线浊度分析仪分别电性连接所述第一控制器；所述第三、第四流量调节阀、第二在线浊度分析仪分别电性连接所述第二控制器。

优选的，所述静置罐内设置一搅拌机。

本发明通过自然沉降分离、旋液分离和压滤分离三种不同的工艺手段串联集成，将菌体浓度为5～15g/升发酵废液的发酵废液脱水，得到菌体含量为25～40wt％的菌体块，其中，加热、自然沉降分离、旋液分离通过所述从发酵废液中富集菌体的装置实现，该装置使用时，微生物菌体浓度低的发酵废液通过加热器加热后，进入静置罐进行自然沉降分离，得到清液和悬浊液，清液由静置罐的清液出口输送到清液处理***，悬浊液进入旋液分离器进行旋液离心分离，再次得到清液和菌体浓度较高的稠密的悬浊液，清液由旋液分离器的清液出口输送到清液处理***，稠密的悬浊液进入悬浊液处理***进一步进行压滤分离及后续处理。

本发明在菌体分离前先将发酵废液加热到55～80℃，使菌体蛋白变性，从肉眼不可见状态到呈絮状聚集态，并利用55～80℃温度下变性蛋白容易沉降分离的特点，经过1～10分钟的自然沉降，除掉大部分水，减轻后序脱水负荷，自然沉降后得到清液和悬浊液：以菌体浓度10g/升发酵废液为例，经过自然沉降，得到的悬浊液中菌体质量浓度为33g/升悬浊液，菌体浓度提高了3.3倍；再对沉降分离后得到的悬浊液进行旋液分离，得到清液和更浓的悬浊液，经过前两级分离后，悬浊液已经变得比较稠密；之后将旋液分离得到的稠密的悬浊液进行压滤分离处理，经过机械挤压得到块状菌体。

本发明针对发酵废液中菌体浓度处于低、中、高三个不同浓度级别时，相应采用自然沉降分离、旋液分离、压滤分离三种不同方法来实现分离，每一种方法都有其独特的优势，最终实现从低菌体浓度的发酵废液中富集获得菌体含量为25～40wt％的块状菌体。

由于现有的含碳气体微生物发酵产乙醇以及其他化学品工艺中产生的发酵废液中菌体的氮氢比过高，若送入下游污水处理***去发酵产沼气，不仅不能得到预期产量的沼气，而且加大了污水处理单元的负荷，增大了运行费用。

而本发明将该发酵废液在进入污水处理***之前将其中的菌体分离出来，可以很好地解决这个问题，并能将富集得到的菌体用来制动物蛋白饲料或者植物需要的氨基酸肥料，进一步提升了整个含碳气体微生物发酵工艺的经济价值。

本发明的有益效果：

本发明根据发酵废液中菌体浓度随着分离处理不断提高的特点，提出了分级浓缩富集的方法，对不同浓度的发酵废液采用不同的分离方法，合理经济地分离出菌体蛋白副产品，进一步提高整个含碳气体微生物发酵法生产乙醇等化工品的工艺价值，具有工艺流程和装置简单、脱水效果明显、无高耗能设备的优点。

附图说明

图1为本发明实施例从发酵废液中富集菌体的装置结构示意图。

图2为本发明实施例中旋液分离器的剖面图示意图。

图3为本发明实施例的工艺流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来对本发明做进一步阐述。

参见图1、图2，本发明的从发酵废液中富集菌体的装置，其包括，加热器1，其上设置废液进口101、废液出口102，所述加热器1的废液进口101通过管道连接发酵废液源100；静置罐2，其上部分别开设物料进口201、清液出口202及位于底部的悬浊液出口203；所述静置罐2的物料进口201通过管道连接所述加热器1的废液出口102，该物料出口管道中设有第一流量调节阀3；所述静置罐2的清液出口202通过管道连接清液处理***200，所述静置罐2的清液出口管道中设有第一在线浊度分析仪4和第二流量调节阀5；旋液分离器6，为一倒锥形筒体结构，其筒体内壁上设有螺旋通道61；所述旋液分离器6侧壁上设有悬浊液进口601，该悬浊液进口601与螺旋通道61的上端口连通；所述旋液分离器6的悬浊液进口601通过管道与静置罐2的悬浊液出口203连接，该悬浊液进口管道中设有第三流量调节阀7；所述旋液分离器6的底部设有悬浊液出口602，该悬浊液出口602通过管道连通悬浊液处理***300；所述旋液分离器6上部的侧壁上设有清液出口603，该清液出口603通过管道连接清液处理***200，所述旋液分离器6的清液出口管道中设有第二在线浊度分析仪8和第四流量调节阀9；控制器，所述第一流量调节阀3、第二流量调节阀5、第三流量调节阀7、第四流量调节阀9，第一在线浊度分析仪4、第二在线浊度分析仪8分别电性连接该控制器。

进一步，还包括，

第一抽出泵10，其设置于静置罐2的清液出口管道中、且位于第二流量调节阀5出口侧。

第二抽出泵11，其设置于旋液分离器6的清液出口管道中、且位于第四流量调节阀9出口侧。

第三抽出泵12，其设置于旋液分离器6的悬浊液进口管道中，且位于第三流量调节阀7进口侧。

第四抽出泵13，其设置于旋液分离器6的悬浊液出口管道中。

又，所述控制器包括第一、第二控制器14、14’，所述第一流量调节阀3、第二流量调节阀5、第一在线浊度分析仪4分别电性连接所述第一控制器14；所述第三流量调节阀7、第四流量调节阀9、第二在线浊度分析仪8分别电性连接所述第二控制器14’。

所述静置罐2内设置一搅拌机15。

本实施例中，微生物菌体浓度低的发酵废液通过加热器1加热后，进入静置罐2进行自然沉降分离，得到清液和悬浊液。流出静置罐2的清液的浊度数据通过第一在线浊度分析仪4实时测量、收集。所述控制器根据第一在线浊度分析仪4的浊度数据来控制第一流量调节阀3和第二流量调节阀5的开度。当进入静置罐2的发酵废液菌体浓度波动导致第一在线浊度分析仪4检测到浊度数据上升或下降，控制器14会处理浊度数据，来给第一流量调节阀3和第二流量调节阀5的执行机构输出不同的开度，调节进入静置罐2的发酵废液流量以及流出静置罐2的清液流量，保持菌体的最大浓缩富集效果，并尽量减少从清液中流出的菌体量。

从静置罐2沉降分离后的悬浊液流入旋液分离器6，该悬浊液顺着螺旋通道61向下流动，在流动过程中，比重大的菌体再次浓缩富集在旋液分液器6的底部中间位置，由第四抽出泵13抽出；比重小的清液将向上流动，通过上部的清液出口603由第二抽出泵11抽出。流出旋液分离器6的清液的浊度数据通过第二在线分析仪表8实时测量、收集。所述第二控制器14’根据第二在线分析仪表8的浊度数据来控制第三流量调节阀7和第四流量调节阀9的开度，调节流入旋液分离器6的发酵废液流量和流出旋液分离器6的清液流量。

第一抽出泵10和第二抽出泵11将清液送至界区外的清液处理***200，清液处理***200将清液处理到满足要求后排放或者回用；第四抽出泵13将旋液分离后的稠密悬浊液送至界区外的悬浊液处理***300，将稠密的悬浊液进行压滤分离进一步深度脱水。

本实施例中，静置罐2内设置搅拌机15，该搅拌机15的作用是避免菌体沉淀过量，过量的沉淀会堵塞静置罐2的悬浊液出口管道，影响第三抽出泵12运行。在整个***正常运行期间，搅拌机15不需要开启。

所述发酵废液参数为：加热发酵废液至55～80℃，pH约6-8，菌体含量5～15g/升发酵废液，可溶性蛋白约1g/升发酵废液，其余为水和其他微量可溶性代谢产物。

实施例

参见图1-图3，在本实施例中，发酵废液中菌体含量为10g/升发酵废液。

将发酵废液经加热器1加热至55～80℃，然后将加热后的发酵废液输送到静置罐2内静置1～10分钟进行自然沉降分离，沉降后得到清液和悬浊液，清液中菌体浓度约为0.2～1g/升清液，悬浊液中菌体浓度为33g/升悬浊液，菌体浓度提高了3.3倍。

将上述自然沉降分离后的悬浊液输送到旋液分离器6内沿着其内的螺旋通道61向下流动，在流动过程中，比重大的菌体再次浓缩富集在旋液分离器6的底部，通过悬浊液出口602排出；比重小的清液将向上流动，通过清液出口603排出。经过旋液分离工艺后，再次脱掉约70％的水份，得到的清液中菌体浓度约1～2g/升清液，悬浊液中菌体浓度升高到107g/kg浓悬浊液。

将旋液分离浓缩后排出的稠密的悬浊液进行压滤，得到块状菌体饼，菌体浓度约250～400g/kg块状菌体。

上述自然沉降分离、旋液分离后得到的清液可以返回到发酵废液中重新分离或输送到污水处理***进行处理。压滤分离得到的压出液送入污水处理***进行处理。

Claims (12)

1.一种从发酵废液中富集菌体的方法，其特征在于，包括如下步骤：

将发酵废液加热至55～80℃，加热后的发酵废液进行自然沉降分离，得到清液和悬浊液；悬浊液再进行旋液分离，得到清液和进一步浓缩成的稠密的悬浊液；最后，将稠密的悬浊液进行压滤分离，得到湿润的块状菌体饼，压出液送入污水处理***；

其中，所述发酵废液中菌体浓度为5～15g/升发酵废液；自然沉降分离后得到的清液、旋液分离后得到的清液添加到发酵废液中重新分离或输送到污水处理***。

2.根据权利要求1所述的从发酵废液中富集菌体的方法，其特征在于，所述自然沉降分离的沉降时间为1～10分钟。

3.根据权利要求1所述的从发酵废液中富集菌体的方法，其特征在于，所述自然沉降分离后得到的悬浊液中菌体质量浓度为16～48g/升悬浊液。

4.根据权利要求1所述的从发酵废液中富集菌体的方法，其特征在于，所述旋液分离后得到的稠密的悬浊液中菌体质量浓度为50～152g/kg稠密的悬浊液。

5.根据权利要求1所述的从发酵废液中富集菌体的方法，其特征在于，所述压滤分离后得到的块状菌体饼中含水量为60～75wt％，菌体含量为25～40wt％。

6.一种从发酵废液中富集菌体的装置，其特征在于，其包括，

加热器，其上设置废液进口、废液出口，所述加热器的废液进口通过管道连接发酵废液源；

静置罐，其上部分别开设物料进口、清液出口及位于底部的悬浊液出口；所述静置罐的物料进口通过管道连接所述加热器的废液出口，该物料进口管道中设有第一流量调节阀；所述静置罐的清液出口通过管道连接清液处理***，该清液出口管道中设有第一在线浊度分析仪和第二流量调节阀；

旋液分离器，为一倒锥形筒体结构，其筒体内壁上设有螺旋通道；所述旋液分离器侧壁上设有悬浊液进口，该悬浊液进口与螺旋通道的上端口连通；所述旋液分离器的悬浊液进口通过管道与静置罐的悬浊液出口连接，该悬浊液进口管道中设有第三流量调节阀；所述旋液分离器的底部设有悬浊液出口，该悬浊液出口通过管道连通悬浊液处理***；所述旋液分离器上部的侧壁上设有清液出口，所述旋液分离器的清液出口通过管道连接清液处理***，该清液出口管道中设有第二在线浊度分析仪和第四流量调节阀；

控制器，所述第一～第四流量调节阀，第一、第二在线浊度分析仪分别电性连接该控制器。

7.根据权利要求6所述的从发酵废液中富集菌体的装置，其特征在于，还包括第一抽出泵，其设置于静置罐的清液出口管道中、且位于第二流量调节阀出口侧。

8.根据权利要求6或7所述的从发酵废液中富集菌体的装置，其特征在于，还包括第二抽出泵，其设置于旋液分离器的清液出口管道中、且位于第四流量调节阀出口侧。

9.根据权利要求6-8任一项所述的从发酵废液中富集菌体的装置，其特征在于，还包括第三抽出泵，其设置于旋液分离器的悬浊液进口管道中，且位于第三流量调节阀进口侧。

10.根据权利要求6-9任一项所述的从发酵废液中富集菌体的装置，其特征在于，还包括第四抽出泵，其设置于旋液分离器的悬浊液出口管道中。

11.根据权利要求6所述的从发酵废液中富集菌体的装置，其特征在于，所述控制器包括第一、第二控制器，所述第一、第二流量调节阀、第一在线浊度分析仪分别电性连接所述第一控制器；所述第三、第四流量调节阀、第二在线浊度分析仪分别电性连接所述第二控制器。

12.根据权利要求6所述的从发酵废液中富集菌体的装置，其特征在于，所述静置罐内设置一搅拌机。