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钢铁工业尾气发酵乙醇醪液菌体探究

摘要:钢铁工业尾气发酵制乙醇项目以钢铁工业尾气中的CO为碳源,氨水为氮源,添加营养盐经发酵生产乙醇,发酵液经蒸馏除乙醇后还含有较多的菌体蛋白,可用于研究开发蛋白饲料。文章通过研究温度、pH、絮凝剂等对菌体蛋白凝聚的影响,综合应用碟片离心机分离浓缩和板框压滤脱水及采用低温干燥技术进行制备菌体蛋白。发酵醪液调pH至5.5,升温至98℃使菌体变性沉降,经连续排渣碟片机浓缩后,添加絮凝剂絮凝,随后进入板框压滤机进行脱水,压滤机滤饼经封闭式低温滤饼干燥机干燥、粉碎后制备得到菌体蛋白粉。菌体蛋白干粉经检测,粗蛋白含量≥80%、粗灰分≤7%、水分≤12%,可用于研究开发高蛋白菌体饲料。

关键词:钢铁工业尾气;乙醇梭菌;菌体蛋白;一氧化碳(CO);醪液

0引言

随着世界人口增长与现代工业的发展,人类对能源的需求日益增加。开发新能源,实现低碳减排,是世界各国共同关注的热点问题[1]。石油和煤炭是目前工业生产上全球公认的两大重要资源,是衡量国家经济发展程度的基础和标准。但是石油炼制、煤炭焦化、钢铁冶炼等工业生产过程中产生大量富含CO和CO2等成分的尾气,排放到大气中导致环境负担加剧。另一方面,一碳气体如:CO2、CO等,又是重要的碳资源[2]。乙醇梭菌是一种严格厌氧菌,可以利用CO作为唯一的碳源和能源,也能利用H2/CO2及一些简单的碳水化合物,它的代谢产物主要是乙酸和乙醇[1]。乙醇梭菌已通过中国科学院微生物研究所和中国工业微生物菌种保藏管理中心鉴定,经微生物药敏试验,菌种毒力试验,毒素及致病因子检测,毒素基因、抗生素基因及致病基因分析证实乙醇梭菌菌种安全无毒。经过河北首朗新能源科技有限公司(简称“河北首朗”)多年的研究和转化,成功利用钢铁工业尾气中的CO作为碳源,以氨水作为氮源,同时添加营养盐类物质进行生物发酵制备燃料乙醇;在全球范围内,首次将其应用于工业化生产。发酵醪液经蒸馏除乙醇后,还含有丰富的蛋白质,如果直接排放,不仅增加污水处理负荷,一定程度上造成浪费及环境污染。对干燥后菌体的成分进行分析,发现蛋白含量高达82.9%总氨基酸含量为77.2%,富含18种氨基酸,配比较为理想,并且含有丰富的维生素、核酸和多糖等其他营养物质。菌体蛋白常用的回收方法有:絮凝沉淀法分离、高速离心分离和超滤法分离等[3]。不同于传统乙醇发酵行业,钢铁工业尾气发酵制乙醇工艺,采用连续发酵技术,运行时间长,易造成已经死亡的菌体滞留在发酵系统内部,提高后续分离难度。因此有必要通过研究发酵醪液中菌体蛋白的物料特性、乙醇梭菌蛋白分离浓缩及干燥技术,从而开发钢铁工业尾气发酵制乙醇醪液菌体蛋白制备生产工艺。

1材料与方法

1.1试验材料

原料:河北首朗蒸馏去乙醇后的发酵醪液,温度约60℃,pH4.0~4.5。药品:硫酸、氢氧化钠、醋酸(分析纯),天津市凯通化学试剂有限公司;壳聚糖絮凝剂(分析纯,脱乙酰度>86%),上海阿拉丁试剂。

1.2方法

1.2.1菌体浓度检测方法。发酵醪液、碟片离心清液、碟片离心浓液、板框滤液,通过检测波长565nm下液体的OD值来测量菌体浓度,菌体浓度=((OD-0.04135)/1.11)×稀释倍数单位g/L。板框压滤蛋白菌渣滤饼及烘干后的菌体蛋白,采用快速水分分析仪进行水分检测。1.2.2絮凝剂母液配置方法。用生产水配置1%浓度的醋酸溶液,缓慢添加壳聚糖絮凝剂,至壳聚糖浓度为2‰,即壳聚糖絮凝剂母液,待用;絮凝剂母液使用量按照发酵醪液的体积进行计算。1.2.3温度和pH对菌体蛋白沉降的影响实验方法。温度能引起蛋白变性沉淀,来料发酵醪液温度约60℃,自然沉降性能差,温度加热至121℃时,菌体蛋白才开始变性沉降。一般来说,蛋白质所带净电荷越多溶解度越大,净电荷越少溶解度越小,在蛋白质等电点时蛋白质溶解度最小[4]。用硫酸或氢氧化钠水溶液,分别调发酵醪液pH至3.5、4.0、4.5、5.0、5.56.0,然后加热观察菌体蛋白沉降现象,记录蛋白发生沉淀时的温度。1.2.4絮凝剂及pH对菌体蛋白凝聚的影响实验方法。蛋白质表面由于带有电荷和水膜,在水溶液中可形成稳定的胶体。如果在蛋白质溶液中加入适量某种盐的溶液(絮凝剂),就会破坏蛋白质的水化膜或中和其表面的电荷,造成胶体溶液的不稳定而发生沉降,这种作用在蛋白质的等电点时尤为显著[5]。同时,絮凝剂的浓度对沉降效果也会产生影响[4]。考虑到回收后的蛋白质的用途,选用壳聚糖作为絮凝剂。发酵醪液用硫酸或氢氧化钠水溶液,分别调pH至3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0,用注射器缓慢滴加絮凝剂母液,边滴加边缓慢搅拌,观察絮凝情况及记录絮凝剂母液使用量。1.2.5分离脱水实验方法。乙醇梭菌培养过程中发酵液黏度大,菌体颗粒小,平均0.5×3.2μm[6]。微细粒物料悬浮液的固液分离是化工、冶金及许多加工业中的重要作业。这些悬浮液的共同特点是固体颗粒粒度细(一般小于10μm、沉降速度慢、浆体黏度大、可滤性差等。在这些条件下,一般需要很大的分离面积及相当高的过滤压力,常规的脱水设备(脱水筛、离心过滤机、真空过滤机等)通常不能满足脱水要求,目前过滤微细粒物料的有效设备是压滤机[7]。另外,碟片分离机是沉降式离心机的一种,用于分离难分离的物料(如黏性液体与细小固体颗粒组成的悬浮液或密度相近的液体组成的乳浊液)。因此,本文重点研究板框压滤机和碟片分离机对发酵醪液分离浓缩脱水效果。根据温度、pH及絮凝剂实验效果,发酵醪液进行温度及pH调整,选择性添加絮凝剂,分别进入板框压滤机或碟片分离机进行脱水,观察设备运行稳定性、处理流量及清液情况。由于碟片分离机及板框压滤机脱水后,物料特性差别,重点研究将碟片分离机与板框压滤机,两种脱水方式,进行结合使用。1.2.6干燥工艺研究方法。如果采用高温烘干设备进行干燥,能耗高,易产生粉尘或废气,影响周边环境;同时由于高温干燥,产品颜色深,灰分高,严重影响产品质量。封闭式低温滤饼干燥机,整机设厢体为封闭式,环境整洁、运行安全,节省能源、成本低、效率高[8]。因此,本研究优选低温干燥设备进行干燥测试。

2结果

2.1温度和pH对菌体蛋白沉降的影响

发酵醪液调pH至目标值,然后加热观察菌体蛋白沉降现象;如表1所示,pH≤5.5时,发酵醪液pH值高,对应的蛋白出现变性沉淀的温度降低。

2.2絮凝剂及pH对菌体蛋白凝聚的影响

发酵醪液调至目标pH值后,边搅拌边添加絮凝剂母液;如表2所示,发酵醪液pH值对絮凝剂的絮凝效果影响较大,pH值高,絮凝物大,絮凝剂添加量小;pH5.5~6.0时絮凝效果最好,絮凝剂添加量最少。

2.3分离脱水结果与分析

2.3.1板框压滤脱水。发酵醪液含菌体碎片多、黏度大,发酵醪液未经处理直接通过板框实验发现,滤布立即被堵塞,无法正常进行压滤实验。发酵醪液调pH至5.5后,加热至98℃,然后按照醪液的体积添加2%的絮凝剂母液后进行板框压滤,过滤效果较好,滤液清澈。2.3.2碟片分离浓缩。实验采用连续排渣外喷嘴碟片机,醪液直接经碟片离心浓缩,清液固含量6.5g/L,清液中还含有较多的菌体蛋白,直接外排将增加污水负荷及造成蛋白浪费。发酵醪液调pH至5.5,加热至98℃使菌体变性沉降后,进行碟片离心浓缩,体积浓缩约5.4倍;离心清液固含量仅0.3g/L,可以满足直接排放污水的要求。2.3.3碟片浓缩+板框脱水。河北首朗发酵醪液调pH至5.5,加热至98℃,经碟片分离机浓缩后,体积浓缩约5.4倍;按50m3/h计算,浓缩液剩余体积浓缩至约9.3m3/h;碟片浓缩液固含量81.2g/L,含有较多的水分,直接进行干燥,干燥成本较高,且设备投资成本大。在碟片离心机浓缩液的基础上,添加浓液体积2%的絮凝剂母液后,混合搅拌,进入板框压滤机进行压滤脱水。压滤后得到固体菌体蛋白渣滤饼,含水分约49.8%;滤液固含量约0.2g/L,满足直接排放污水的要求。

2.4蛋白干燥

经板框压滤脱水后的菌体蛋白渣滤饼含水约49.8%,约1.5t/h,选用低温干燥设备进行滤饼干燥。通过实验验证,采用封闭式低温滤饼干燥机干燥运行温度控制70~80℃,蒸发1t水约消耗蒸汽1.2~1.5t,干燥能耗低,且无异味排放。滤饼干燥后呈不规则颗粒状,粉碎后为乙醇梭菌菌体蛋白粉,经检测:粗蛋白≥80%、粗灰分≤7%、水分≤12%。3结语根据钢铁工业尾气制乙醇发酵醪液的特性,通过研究温度及pH对菌体蛋白凝聚的影响,发酵醪液首先用氢氧化钠溶液调pH至5.5,然后升温至98℃,使菌体蛋白变性沉降;随后经连续排渣喷嘴离心机浓缩至固含量81.2g/L,继续添加2%浓缩液体积的絮凝剂母液后混合均匀,进入板框压滤机进行压滤脱水。板框压滤产生的滤饼含水率约49.8%,经封闭式低温滤饼干燥机干燥、粉碎后制备得到乙醇梭菌菌体蛋白粉:粗蛋白≥80%、粗灰分≤7%、水分≤12%。

作者:蔺兴法 邹方起 莫志朋 宋庆坤 佟淑环 李重阳 单位:河北首朗新能源科技有限公司 北京首朗生物科技有限公司 北京首钢朗泽新能源科技有限公司 河北省工业尾气发酵制乙醇技术创新中心

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