CN109053930A - 一种制备甲壳素及联产有机钙肥的工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水产品加工废弃物综合利用技术领域,具体涉及一种制备甲壳素及联产有机钙肥的工艺。本发明主要是将虾、蟹壳原料进行粉碎后,依次通过有机酸脱钙、酶法脱蛋白以及无机酸脱钙后,进行固液分离,得到甲壳素以及有机钙肥。本发明得到的甲壳素灰分低、更容易制备壳聚糖及壳寡糖;而且可以同时得到富含有机酸钙、钾、蛋白质、氨态氮等成分的液体肥料,工艺简单易实施、无废水产生,同时过程副产物得到充分利用,避免了二次污染,环保意义重大,经济效益显著,具有工业化应用价值。
Description
技术领域
本发明属于水产品加工废弃物综合利用技术领域,具体涉及一种制备甲壳素及联产有机钙肥的工艺。
背景技术
甲壳素,又名甲壳质、几丁质,是N-乙酰-2-氨基-2-脱氧-D-葡萄糖以β-1,4糖苷键连接而成的高分子化合物。它广泛存在于海洋生物虾蟹的外壳中,也存在于海藻、真菌酵母等低等生物的细胞壁中。甲壳素可用于制备壳聚糖、壳寡糖等产品,它们在医药、食品、农业、化工、环保等领域具有重要的应用价值。目前甲壳素生产主要以虾、蟹壳为原料,通过酸法脱钙、碱法脱蛋白、脱色等工序获得甲壳素成品,生产一吨甲壳素产生300-700吨废水。由于废水中含有大量的蛋白质、酸、碱、钙、钠、钾等,处理难度极大,出水不能达标排放,而且每吨废水的处理成本高达500-1500元。许多生产厂家没有办法处理此类废水,面临关停的困境。
目前,甲壳素行业的废水治理存在两个方面的问题,一是传统的废水处理技术,把废水当成一种没有利用价值的“垃圾”来处理,废水中含有的多种成分白白被浪费掉,废水处理难度极大且产生新的废弃物;二是尽管国内外有一些关于甲壳素废水减量化、资源化利用的研究,但这些方法仍然存在废水处理工艺复杂、成本居高不下、甲壳素产品灰分高,难以满足甲壳素下游产业的发展需要等问题。
发明内容
针对现有甲壳素制备技术生产成本高、废水处理工艺复杂、甲壳素产品质量较差,难以满足甲壳素下游产业的发展需要等问题,本发明提出了一种制备甲壳素及联产有机钙肥的工艺。本发明工艺简单、操作方便,成本低,获得的甲壳素灰分低,同时甲壳素制备过程中的副产物可以得到充分利用。
本发明主要是将虾、蟹壳原料进行粉碎后,依次通过有机酸脱钙、酶法脱蛋白以及无机酸脱钙后,进行固液分离,得到甲壳素以及有机钙肥。
其具体步骤为:
(1)原料预处理:将去肉虾或蟹壳粉碎成颗粒或碎片,作为甲壳素原料;
(2)有机酸脱钙:将甲壳素原料加入有机酸溶液中,30℃-65℃搅拌反应0.5-3h,得物料I;
(3)酶法脱蛋白:将含有酸性蛋白酶的混合酶加入物料I中,30℃-65℃反应12-72h,得物料II;
(4)无机酸脱钙:向物料II中加入无机酸,20℃-60℃反应4-48h,反应完毕,氨水调节料液pH值至4.0-6.0,得物料III;
(5)将物料III进行固液分离,得固体物料和液体物料;
(6)将固体物料水洗至洗液电导率≤1000μs/cm,然后利用室外阳光照射脱色,烘干,得甲壳素;
(7)将步骤(5)的液体物料与步骤(6)产生洗液合并、浓缩,得到液态有机钙肥。
本发明通过对虾、蟹壳原料进行粉碎,可以有效提高料液比,减少液体中水分含量,降低后续浓缩成本,同时几十倍提高原料与液相的接触面积,提高反应速度和生产效率。所述甲壳素原料的粒度为0.3-20mm。
本发明首先将甲壳素原料进行有机酸脱钙,将CaCO3转化为更容易利用的有机酸钙,所述有机酸选自甲酸或乙酸或丁酸或乳酸或氨基酸或葡萄糖酸或柠檬酸或山梨酸或苹果酸或其混合物;所述有机酸溶液中有机酸的质量百分比为5.0%~30%;有机酸溶液的重量为甲壳素原料重量的3-10倍。
有机酸脱钙后,采用酶法脱蛋白。通过蛋白酶将大部分蛋白质水解成多肽或氨基酸,氨基酸与部分钙离子螯合形成氨基酸钙,易于被植物吸收利用。所述混合酶由酸性蛋白酶、半纤维素酶组成,酶活力>50000U/g;按重量百分比计:酸性蛋白酶:60%-85%,半纤维素酶:15%-40%。所述混合酶的加入量为甲壳素原料的0.1%-5.0%.
蛋白酶作用是水解壳中的蛋白质,但不彻底,后来发现半纤维素同时加入后能够提高蛋白去除率。混合酶的加入量太低,蛋白去除不彻底,影响甲壳素品质,混合酶的加入量太高的话成本较高。
由于单靠有机酸脱钙不能将甲壳素中灰分降至2%以下,灰分高的甲壳素应用范围非常有限。因此,本申请又采用了无机酸脱钙。所述无机酸为盐酸或硝酸,无机酸的加入量为甲壳素原料重量的0.2-2.0倍。有机酸脱钙和无机酸脱钙的顺序不可以颠倒。由于壳结构的致密性,有机酸的渗透能力差,能将壳外层的钙盐去除。加入无机酸后,进一步将壳颗粒内部的钙盐去除。如果不采用有机酸脱钙,直接用无机酸脱钙,虽然可以将甲壳素中灰分降低,但这样得到的液体肥含有大量氯化铵,钙呈游离状态,容易被土壤固定,不容易被植物吸收,副产物价值较低。而且有机酸可去除60%以上的钙,形成有机酸钙,具有一定的抑制土壤病原菌作用,而且作物的利用率较高。
无机酸脱钙后采用氨水调节是提高料液pH值,满足肥料要求,不加氨水的话,料液pH在1左右,无法作为肥料使用。所述氨水质量分数为15-25%。
电导率高代表已经溶解的钙质没有充分从甲壳素中去除,会导致甲壳素成品中灰分偏高,电导率越低越好,因此将固体物料水洗至洗液电导率≤1000μs/cm。
阳光照射脱色就是直接在外面晾晒脱色,该方法不会产生废水。其他的方式如氧化脱色需要用到双氧水等氧化剂,会产生大量废水。所述室外阳光照射脱色时间为12-60h。
所述烘干条件为105℃保持2-6h。
采用本发明最终得到的甲壳素产品灰分≤2.0%,水分≤10.0%,产品呈浅黄色至白色。
将步骤(5)的液体物料与步骤(6)产生洗液合并、浓缩。所述浓缩方式为减压浓缩。最终得到的液态有机钙肥含固量40%-60%,其中钙含量15%-20%,有机物含量15%-30%,总氮含量1.3%-6.0%。
与现有技术相比,本发明工艺得到的甲壳素灰分低、更容易制备壳聚糖及壳寡糖;而且可以同时得到富含有机酸钙、钾、蛋白质、氨态氮等成分的液体肥料。本发明将虾、蟹壳原料粉碎后依次通过有机酸脱钙、酶法脱蛋白以及无机酸脱钙后,室外阳光照射脱色,进行固液分离,得到甲壳素以及有机钙肥,工艺简单易实施、无废水产生,同时过程副产物得到充分利用,避免了二次污染,环保意义重大,经济效益显著,具有工业化应用价值。
具体实施方式
实施例1
一种制备甲壳素及联产有机钙肥的工艺,其具体步骤为:
(1)原料预处理:将去肉蟹壳粉碎至粒度0.3-1.0mm,称取100g粉碎蟹壳作为甲壳素原料;
(2)有机酸脱钙:将甲壳素原料加入300mL浓度5%的柠檬酸溶液中,30℃搅拌反应3h,得物料I;
(3)酶法脱蛋白:将4g固体酸性蛋白酶和1g半纤维素酶加入物料I中,60℃反应12h,得物料II;
(4)无机酸脱钙:向物料II中加入质量分数69%的浓硝酸29g,60℃反应48h,反应完毕,以15%氨水调节料液pH值至4.0,得物料III;
(5)将物料III采用离心方式进行固液分离,得固体物料和液体物料;
(6)将固体物料水洗至洗液电导率≤1000μs/cm,然后固体物料平铺后(厚度0.5-1.0cm)利用室外阳光照射12h脱色,105℃处理2h,得甲壳素;经检测甲壳素灰分1.2%,水分4.1%,产品呈浅黄色至白色;
(7)将步骤(5)的液体物料与步骤(6)产生洗液合并、浓缩,得到液态有机钙肥。最终得到的液态有机钙肥含固量40%,其中钙含量15%,有机物含量21%,总氮含量2.0%。
实施例2
一种制备甲壳素及联产有机钙肥的工艺,其具体步骤为:
(1)原料预处理:将去肉蟹壳粉碎至粒度3.0-6.0mm,称取100g粉碎蟹壳作为甲壳素原料;
(2)有机酸脱钙:将甲壳素原料加入600mL浓度30%的乳酸溶液中,65℃搅拌反应0.5h,得物料I;
(3)酶法脱蛋白:将3g固体酸性蛋白酶和2g半纤维素酶加入物料I中,60℃反应24h,得物料II;
(4)无机酸脱钙:向物料II中加入质量分数36%浓盐酸278g,50℃反应4h,反应完毕,以25%氨水调节料液pH值至6.0,得物料III;
(5)将物料III采用离心方式进行固液分离,得固体物料和液体物料;
(6)将固体物料水洗至洗液电导率≤1000μs/cm,然后固体物料平铺后(厚度0.5-1.0cm)利用室外阳光照射60h脱色,105℃处理6h,得甲壳素;经检测甲壳素灰分0.9%,水分3.7%,产品呈浅黄色至白色;
(7)将步骤(5)的液体物料与步骤(6)产生洗液合并、浓缩,得到液态有机钙肥。最终得到的液态有机钙肥含固量42%,其中钙含量18%,有机物含量15%,总氮含量6.0%。
实施例3
一种制备甲壳素及联产有机钙肥的工艺,其具体步骤为:
(1)原料预处理:将去肉蟹壳粉碎至粒度10-20mm,称取100g粉碎蟹壳作为甲壳素原料;
(2)有机酸脱钙:将甲壳素原料加入1000mL浓度5%的乙酸溶液中,30℃搅拌反应2h,得物料I;
(3)酶法脱蛋白:将0.08g固体酸性蛋白酶和0.02g半纤维素酶加入物料I中,60℃反应72h,得物料II;
(4)无机酸脱钙:向物料II中加入质量分数36%盐酸139g,50℃反应48h,反应完毕,以25%氨水调节料液pH值至5.0,得物料III;
(5)将物料III采用离心方式进行固液分离,得固体物料和液体物料;
(6)将固体物料水洗至洗液电导率≤1000μs/cm,然后固体物料平铺后(厚度0.5-1.0cm)利用室外阳光照射24h脱色,105℃处理4h,得甲壳素;经检测甲壳素灰分0.8%,水分2.5%,产品呈浅黄色至白色;
(7)将步骤(5)的液体物料与步骤(6)产生洗液合并、浓缩,得到液态有机钙肥。最终得到的液态有机钙肥含固量60%,其中钙含量16%,有机物含量24%,总氮含量3.7%。
实施例4
一种制备甲壳素及联产有机钙肥的工艺,其具体步骤为:
(1)原料预处理:将去肉蟹壳粉碎至粒度10-15mm,称取100g粉碎蟹壳作为甲壳素原料;
(2)有机酸脱钙:将甲壳素原料加入400L浓度20%的柠檬酸溶液中,45℃搅拌反应2h,得物料I;
(3)酶法脱蛋白:将3g固体酸性蛋白酶和1g半纤维素酶加入物料I中,50℃反应24h,得物料II;
(4)无机酸脱钙:向物料II中加入质量分数69%硝酸58g,50℃反应36h,反应完毕,以20%氨水调节料液pH值至4.5,得物料III;
(5)将物料III采用离心方式进行固液分离,得固体物料和液体物料;
(6)将固体物料水洗至洗液电导率≤1000μs/cm,然后固体物料平铺后(厚度0.5-1.0cm)利用室外阳光照射30h脱色,105℃处理3h,得甲壳素;经检测甲壳素灰分1.1%,水分2.3%,产品呈浅黄色至白色;
(7)将步骤(5)的液体物料与步骤(6)产生洗液合并、三效降膜蒸发器浓缩至含固45%,得到液态有机钙肥。其中钙含量16%,有机物含量17%,总氮含量2.8%。
以本发明获得的甲壳素为原料制备壳聚糖,壳聚糖产品的指标(检测方法参照GB29941-2013)如下:
Claims (10)
1.一种制备甲壳素及联产有机钙肥的工艺,其特征在于,该工艺将虾、蟹壳原料粉碎,依次通过有机酸脱钙、酶法脱蛋白以及无机酸脱钙后,进行固液分离,得到甲壳素以及有机钙肥。
2.根据权利要求1所述的一种制备甲壳素及联产有机钙肥的工艺,其特征在于,其具体步骤为:
(1)原料预处理:将去肉虾或蟹壳粉碎成颗粒或碎片,作为甲壳素原料;
(2)有机酸脱钙:将甲壳素原料加入有机酸溶液中,30℃-65℃搅拌反应0.5-3h,得物料I;
(3)酶法脱蛋白:将含有酸性蛋白酶的混合酶加入物料I中,30℃-65℃反应12-72h,得物料II;
(4)无机酸脱钙:向物料II中加入无机酸,20℃-60℃反应4-48h,反应完毕,氨水调节料液pH值至4.0-6.0,得物料III;
(5)将物料III进行固液分离,得固体物料和液体物料;
(6)将固体物料水洗至洗液电导率≤1000μs/cm,然后利用室外阳光照射脱色,烘干,得甲壳素;
(7)将步骤(5)的液体物料与步骤(6)产生洗液合并、浓缩,得到液态有机钙肥。
3.根据权利要求2所述的一种制备甲壳素及联产有机钙肥的工艺,其特征在于,步骤(1)中所述甲壳素原料的粒度为0.3-20mm。
4.根据权利要求2所述的一种制备甲壳素及联产有机钙肥的工艺,其特征在于,步骤(2)中所述有机酸选自甲酸或乙酸或丁酸或乳酸或氨基酸或葡萄糖酸或柠檬酸或山梨酸或苹果酸或其混合物;所述有机酸溶液中有机酸的质量百分比为5.0%~30%;有机酸溶液的重量为甲壳素原料重量的3-10倍。
5.根据权利要求2所述的一种制备甲壳素及联产有机钙肥的工艺,其特征在于:步骤(3)中所述混合酶由酸性蛋白酶和半纤维素酶组成,酶活力>50000U/g;按重量百分比计:酸性蛋白酶:60%-85%,半纤维素酶:15%-40%。
6.根据权利要求2所述的一种制备甲壳素及联产有机钙肥的工艺,其特征在于:步骤(3)中所述混合酶的加入量为甲壳素原料的0.1%-5.0%。
7.根据权利要求2所述的一种制备甲壳素及联产有机钙肥的工艺,其特征在于:步骤(4)中所述无机酸为盐酸或硝酸,无机酸的加入量为甲壳素原料重量的0.2-2.0倍。
8.根据权利要求2所述的一种制备甲壳素及联产有机钙肥的工艺,其特征在于:步骤(4)中所述氨水质量分数为15-25%。
9.根据权利要求2所述的一种制备甲壳素及联产有机钙肥的工艺,其特征在于:步骤(6)中所述室外阳光照射脱色时间为12-60h。
10.根据权利要求2所述的一种制备甲壳素及联产有机钙肥的工艺,其特征在于:步骤(6)中所述烘干条件为105℃保持2-6h。
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