CN108949841A - 一种利用好氧消化出水生产柠檬酸的方法 - Google Patents

一种利用好氧消化出水生产柠檬酸的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种好氧消化出水来生产柠檬酸的方法，属于柠檬酸发酵工业技术领域。本发明的技术方案包含以下步骤：柠檬酸发酵废水经过厌氧消化、好氧消化、固液分离、阳离子交换树脂等步骤处理，处理后的好氧消化可作为柠檬酸发酵的生产用水，再经液化、发酵和提取等常规生产工艺获得发酵产品，提取废液进入下一批次的循环。本发明的优点是好氧消化出水可无限循环回用，不仅消除了好氧废水的污染，还节约了大量宝贵的水资源降，低了生产成本，提高了经济效益和环境效益。

Description

一种利用好氧消化出水生产柠檬酸的方法
技术领域
本发明涉及一种利用好氧消化出水生产柠檬酸的方法，属于柠檬酸发酵工业技术领域。
背景技术
柠檬酸是一种重要的有机酸，广泛应用在食品、医药、化工、环保等领域，我国柠檬酸产量达到120万吨，占世界总产量的65％以上，随着柠檬酸应用领域的不断扩大，预计今后仍将以4％的速度递增，其发展速度和规模受人瞩目。在传统淀粉质原料发酵生产柠檬酸工艺中，淀粉质原料经粉碎后、添加新鲜水进行调浆、蒸煮液化，然后接种黑曲酶发酵，平均每吨柠檬酸要排放7.5～15吨废水，该废液CODCr高达15000～25000mg/L，这些不仅对环境造成严重的污染，还导致大量的淡水资源浪费。因此如何有效地处理柠檬酸发酵所产生的高浓度有机废水，已成为制约柠檬酸行业健康发展的瓶颈。
目前，我国柠檬酸废水主要采用“厌氧消化+好氧消化”生物处理方式：即柠檬酸废水先经过厌氧消化将高浓度有机物转化为沼气，再经过曝气等好氧消化处理；该方法存在的主要问题是好氧消化出水CODCr仍在300～600mg/L，仍未能达到国家排放标准，还需进一步深度处理，从而增加处理成本，并造成水资源的浪费。同时，我国也是水资源严重缺乏的国家之一，在长三角等经济发达地区，政府不仅限制生物发酵企业的废水排放总量，对用水总量也已开始出台相关的限制政策。因此，对于国内柠檬酸发酵企业，如何降低新鲜水的消耗与减排有着同样重要的意义。
专利申请(CN102690003A)提出了双膜法深度处理柠檬酸废水的装置及方法，该方法是将好氧消化出水先后经过絮凝、超滤、反渗透处理，反渗透出水回用于生产中。但好氧消化、絮凝以及高压操作的反渗透等均使操作成本高，得水率低等因素，限制了该法在生产中的应用。专利申请(CN102747111A)提出了一种以好氧出水来生产柠檬酸的工艺，该工艺是将好氧消化出水直接作为工艺配料水生产柠檬酸，经过研究发现在好氧出水中不仅含有较高的电导率，且一些阳离子抑制柠檬酸发酵，造成柠檬酸产量的下降，因此该方法也无法真正得到应用。
发明内容
为了克服上述不足之处，本发提出一种好氧消化液经过资源化方法处理后生产柠檬酸的方法，该方法可实现减少好氧出水的污染以及深度处理费用，同时节约淡水资源的消耗，提高经济效益。
本发明提供了一种柠檬酸的环形生产方法，即：柠檬酸生产过程中的好氧消化液经过阳离子交换树脂处理后作为生产用水，所述生产用水的Na+≤300mg/L、K+≤350mg/L、Mg2+≤60mg/L；所述好氧消化液为柠檬酸发酵液经过提取、厌氧消化和好氧消化之后得到的。
在本发明的一种实施方式中，所述好氧消化液的COD为100～600mg/L
在本发明的一种实施方式中，所述阳离子交换树脂为强酸型阳离子交换树脂，处理方式为动态吸附，进样速度为每小时1～36倍树脂床体积，进样温度为15～50℃。
在本发明的一种实施方式中，所述强酸型阳离子交换树脂为氢型阳离子交换树脂、732型阳离子交换树脂和D001大孔阳离子交换树脂中的一种或几种。
在本发明的一种实施方式中，所述方法包括以下步骤：柠檬酸发酵、柠檬酸废液提取、厌氧消化、好氧消化、阳离子交换处理、原料配料液化、进入新一轮柠檬酸发酵。
在本发明的一种实施方式中，所述提取工艺为钙盐法、氢钙法或色谱法中的任一种。
在本发明的一种实施方式中，所述方法具体包括以下步骤：
步骤101：柠檬酸发酵液经过固液分离、提取工艺得到柠檬酸发酵废液和粗产品；
步骤102：步骤101产生的柠檬酸发酵废液进入沼气发酵过程，发酵产生沼气和厌氧消化液；
步骤103：步骤102产生的厌氧消化液直接进行好氧消化处理；
步骤104：好氧消化液经过固液分离得到滤液；
步骤105：步骤104所产生的滤液经过阳离子树脂处理，获得好氧消化出水；
步骤106：将淀粉质原料与经过步骤105所产生的好氧消化出水混合拌料，然后进行液化过程，好氧消化出水不足部分可采用去离子水或其它工艺用水补充；
步骤107：经过步骤106拌料液化后的部分液化液或整个液化液进行固液分离手段分离得到的清液；
步骤108：经过步骤106所产生的液化液和步骤107所产生的清液进行柠檬酸发酵；
将步骤108产生的发酵液再回到上述步骤101，构成一个循环；其中，
将步骤108产生的发酵液再回到上述步骤101，构成一个循环；其中，当步骤103得到好氧消化液的浊度小于50NTU时，省略步骤104，直接进入步骤105；当淀粉质原料非单一玉米时，可省略步骤107。
在本发明的一种实施方式中，所述固液分离的方式为离心分离、板框过滤、絮凝过滤、微滤膜、超滤膜中的一种或多种方式串联组合。
在本发明的一种实施方式中，步骤102所述的沼气发酵为任一种沼气发酵过程，发酵方式及工艺条件不限。
在本发明的一种实施方式中，优选沼气发酵方式为：单级中温厌氧发酵，温度32～42℃，水力停留时间1-5天。
在本发明的一种实施方式中，步骤102所述的好氧消化处理的方式及工艺条件不限。
在本发明的一种实施方式中，优选好氧消化处理的条件为：温度20～35℃，溶解氧1～10mg/L。
在本发明的一种实施方式中，所述加酶液化后的部分液化液或整个液化液进行固液分离手段分离得到的清液后进入发酵过程，其中，此步骤可以根据实际需要选择是否执行。
在本发明的一种实施方式中，所述液化处理是指将拌好的混合物料经过pH调节、加酶、升温和维持一定时间等常规液化操作方法，采用其它的液化方法不影响本发明的实施。
在本发明的一种实施方式中，所述淀粉质原料与好氧出水混合时料水质量体积比Kg/L为1：2.5～5(w/v)。
在本发明的一种实施方式中，所述淀粉质原料指薯类、玉米、稻谷、小麦中的一种或两种以上。
在本发明的一种实施方式中，当淀粉质原料为单一玉米时，加酶液化后的部分液化液或整个液化液进行固液分离手段分离得到的清液的操作不可省略。
本发明取得的有益技术效果：
1、本发明中好氧消化出水循环回用对柠檬酸发酵水平无影响，其发酵产品浓度与去离子水发酵产品浓度相当，真正实现好氧消化出水循环回用目的；
2、本发明中好氧消化出水来生产柠檬酸的工艺，不仅实现减少好氧废水的污染，还节约淡水资源的消耗，每吨柠檬酸的生产成本降低20.8元，从而提高经济效益和环保效益。
附图说明
图1为本发明利用好氧消化出水来生产柠檬酸的方法的流程示意图。
具体实施方式
检测Na+、K+、Mg2+含量的方法：采用国标法，即火焰原子吸收光谱法进行测定。
COD含量测定方法：采用国标法，即重铬酸钾法进行测定。
下面本发明将结合附图1，以实施例的形式对本发明技术方案作进一步描述：
实施例1
步骤101：柠檬酸发酵液经过分离菌体和残渣后，采用氢钙法提取工艺得到柠檬酸发酵废液和粗产品，柠檬酸发酵废液总COD为16500mg/L；
步骤102：柠檬酸发酵废液经过中温厌氧消化(UASB反应器中)，维持温度在35℃，水力停留时间(HRT)2d，pH在7.0～7.2，得到厌氧消化液，厌氧消化液的COD为1200mg/L；
步骤103：将步骤102所产生的厌氧消化液进行好氧消化处理，维持温度在25℃，溶解氧为2mg/L，好氧消化液的COD为550mg/L，Na+＝478mg/L、K+＝501mg/L、Mg2+＝97mg/L；
步骤104：好氧消化液经过板框过滤得到污泥和滤液；
步骤105：步骤104的滤液进入732型阳离子树脂床，维持温度在30℃，进料速度为每小时25倍树脂床体积，得到好氧消化出水，好氧消化出水水质为：Na+＝187mg/L、K+＝235mg/L、Mg2+＝36mg/L；
步骤106：取400g木薯粉和100g玉米粉，加入步骤105产生的好氧消化出水1750mL，先调节pH至5.8，加入20000U/mL的高温α-淀粉酶1.1mL，搅拌均匀后加热，经过液化并获得液化液；
步骤108：步骤106产生的液化液经过灭菌、降温、接种，恒温发酵65小时，发酵结束后柠檬酸浓度为16.5％(w/v，Kg/L，下同)，与采用去离子水发酵的柠檬酸浓度16.3％(w/v)相当；
将步骤108中的发酵液再回到上述步骤101中处理；再依次按上述步骤进行下去，循环12批，柠檬酸发酵水平正常，可见本实施例构建了以好氧消化出水来生产柠檬酸的工艺。
实施例2
步骤101：柠檬酸发酵液经过分离菌体和残渣后，采用钙盐法提取工艺得到柠檬酸发酵废液和粗产品，柠檬酸发酵废液总COD为19000mg/L；
步骤102：柠檬酸发酵废液经过中温厌氧消化(UASB反应器中)，维持温度在37℃，水力停留时间(HRT)4d，pH在6.9～7.1，并得到厌氧消化液，厌氧消化液的COD为890mg/L；
步骤103：将步骤202所产生的厌氧消化液进入好氧消化处理，维持温度在32℃，溶解氧为4mg/L，好氧消化液的COD为360mg/L，出水浊度35NTU，Na+＝462mg/L、K+＝481mg/L、Mg2+＝83mg/L；
步骤105：步骤103的滤液进入氢型强酸型阳离子树脂床，维持温度在35℃，进料速度为每小时10倍树脂床体积，得到好氧消化出水，好氧消化出水水质为：Na+＝140mg/L、K+＝180mg/L、Mg2+＝25mg/L；
步骤106：取400g大米粉和100g玉米粉，加入步骤105产生的好氧消化出水2000mL，先调节pH至5.6，加入20000U/mL的高温α-淀粉酶1.1mL，搅拌均匀后加热，经过液化并获得液化液；
步骤108：步骤106产生的液化液经过灭菌、降温、接种，恒温发酵68小时，发酵结束后柠檬酸浓度为14.6％(w/v)，与采用去离子水发酵的柠檬酸浓度为14.5％(w/v)相当；
将步骤108中的发酵液再回到上述步骤101中处理；再依次按上述步骤进行下去，循环15批，柠檬酸发酵水平正常，因此构建了以好氧消化出水来生产柠檬酸的工艺。
实施例3
步骤101：柠檬酸发酵液经过分离菌体和残渣后，采用色谱法提取工艺得到柠檬酸发酵废液和粗产品，柠檬酸发酵废液总COD为21000mg/L；
步骤102：柠檬酸发酵废液经过中温厌氧消化(UASB反应器中)，维持温度在38.5℃，水力停留时间(HRT)3d，pH在7.0～7.3，并得到厌氧消化液，厌氧消化液的COD为970mg/L；
步骤103：将步骤202所产生的厌氧消化液进入好氧消化处理，维持温度在35℃，溶解氧为6mg/L，好氧消化液的COD为480mg/L，Na+＝512mg/L、K+＝498mg/L、Mg2+＝91mg/L；
步骤104：将步骤103产生的好氧消化液经过超滤膜处理，并获得滤清液；
步骤105：步骤104的滤清液进入D001大孔阳离子交换树脂，维持温度在44℃，进料速度为每小时5倍树脂床体积，得到好氧消化出水，好氧消化出水水质为：Na+＝116mg/L、K+＝145mg/L、Mg2+＝18mg/L；
步骤106：取500g玉米粉，加入步骤105产生的好氧消化出水2200mL，先调节pH至6.0，加入20000U/mL的高温α-淀粉酶1.1mL，搅拌均匀后加热，经过液化并获得液化液；
步骤107：取出30％(体积分数)的液化液经过离心分离得到清液；
步骤108：步骤106所产生的70％未经过离心的液化液与步骤107的产生的清液混合，然后经过灭菌、降温、接种，恒温发酵62小时，发酵结束后柠檬酸浓度为14.1％(w/v)，与采用去离子水发酵的柠檬酸浓度为14.0％(w/v)相当；
将步骤108中的发酵液再回到上述步骤101中处理；再依次按上述步骤进行下去，循环10批，柠檬酸发酵水平正常，因此构建了以好氧消化出水来生产柠檬酸的工艺。
对比例1：阳离子交换树脂的选择
此对比例选用的阳离子交换树脂为D113，其余操作步骤与实施例1相同，处理后的好氧消化出水水质为：Na+＝223mg/L、K+＝395mg/L、Mg2+＝78mg/L；将经过D113处理后的的好样出水用于柠檬酸发酵，发酵结束后柠檬酸浓度为13.9％(w/v)，与采用去离子水发酵的柠檬酸浓度为16.3％(w/v)相比，发酵浓度下降明显。
对比例2：阳离子交换树脂的进料速度
对比例步骤105的进料速度为40倍树脂床体积，其余操作步骤与与实施例1相同，处理后的好氧消化出水水质为：Na+＝331mg/L、K+＝310mg/L、Mg2+＝35mg/L；将得到的好样出水用于柠檬酸发酵，发酵结束后柠檬酸浓度为14.6％(w/v)，与采用去离子水发酵的柠檬酸浓度为16.3％(w/v)相比，发酵浓度下降明显。
对比例3：阳离子交换树脂的进料温度
对比例步骤105的进料温度为10℃，其余操作步骤与与实施例1相同，经过处理后的好氧消化出水水质为：Na+＝326mg/L、K+＝387mg/L、Mg2+＝69mg/L；将得到的好样出水用于柠檬酸发酵，发酵结束后柠檬酸浓度为14.2％(w/v)，与采用去离子水发酵的柠檬酸浓度为16.3％(w/v)相比，发酵浓度下降明显。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种柠檬酸的环形生产方法，其特征在于，柠檬酸生产过程中的好氧消化液经过阳离子交换树脂处理后作为生产用水，所述生产用水的Na+≤300mg/L、K+≤350mg/L、Mg2+≤60mg/L；所述好氧消化液为柠檬酸发酵液经过提取、厌氧消化和好氧消化处理之后得到的。
2.根据权利要求1所述的一种柠檬酸的环形生产方法，其特征在于，所述好氧消化液的COD为100～600mg/L。
3.根据权利要求1或2所述的一种柠檬酸的环形生产方法，其特征在于，所述阳离子交换树脂为强酸型阳离子交换树脂，处理方式为动态吸附，进样速度为每小时1～36倍树脂床体积，进样温度为15～50℃。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种柠檬酸的环形生产方法，其特征在于，所述强酸型阳离子交换树脂为氢型阳离子交换树脂、732型阳离子交换树脂和D001大孔强酸型阳离子交换树脂中的一种或几种。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种柠檬酸的环形生产方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：柠檬酸发酵、柠檬酸废液提取、厌氧消化、好氧消化、阳离子交换处理、原料配料液化、进入新一轮柠檬酸发酵。
6.根据权利要求1-5任一所述的一种柠檬酸的环形生产方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：
步骤101：柠檬酸发酵液经过固液分离、提取工艺得到柠檬酸发酵废液和粗产品；
步骤102：步骤101产生的柠檬酸发酵废液进入沼气发酵过程，发酵产生沼气和厌氧消化液；
步骤103：步骤102产生的厌氧消化液直接进行好氧消化处理；
步骤104：好氧消化液经过固液分离得到滤液；
步骤105：步骤104所产生的滤液经过阳离子树脂处理，获得好氧消化出水；
步骤106：将淀粉质原料与经过步骤105所产生的好氧消化出水混合拌料，然后进行液化过程，好氧消化出水不足部分可采用去离子水或其它工艺用水补充；
步骤107：经过步骤106拌料液化后的部分液化液或整个液化液进行固液分离手段分离得到清液；
步骤108：经过步骤106所产生的液化液和步骤107所产生的清液进行柠檬酸发酵；
将步骤108产生的发酵液再回到上述步骤101，构成一个循环；其中，当步骤103得到好氧消化液的浊度小于50NTU时，省略步骤104，直接进入步骤105；当淀粉质原料非单一玉米时，可省略步骤107。
7.根据权利要求6所述的一种柠檬酸的环形生产方法，其特征在于，所述固液分离的方式为离心分离、板框过滤、絮凝过滤、微滤膜、超滤膜中的一种或多种方式串联组合；所述提取工艺为钙盐法、氢钙法、色谱法的任一种。
8.根据权利要求6或7所述的一种柠檬酸的环形生产方法，其特征在于，所述淀粉质原料与好氧出水混合时料水质量体积比Kg/L为1：(2.5～5)。
9.根据权利要求6-8任一所述的一种柠檬酸的环形生产方法，其特征在于，所述淀粉质原料指薯类、玉米、稻谷、小麦中的一种或两种以上。
10.根据权利要求6-9任一所述的一种柠檬酸的环形生产方法，其特征在于，所述沼气发酵方式为：单级中温厌氧发酵，温度32～42℃，水力停留时间1-5天。
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