流化床造粒干燥技術(shù)在氨基酸行業(yè)中的應(yīng)用

趙強(qiáng)強(qiáng)，朱光偉

(山東奧諾能源科技股份有限公司，山東 濟(jì)南 250101)

近些年，我國(guó)生物發(fā)酵產(chǎn)業(yè)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，總體保持平穩(wěn)發(fā)展態(tài)勢(shì)。目前我國(guó)生物發(fā)酵產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品總量居世界第一位，成為名副其實(shí)的發(fā)酵大國(guó)[1-2]，但受一些共性技術(shù)、工藝和設(shè)備的制約，影響產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心技術(shù)與國(guó)外仍有一定差距。在國(guó)內(nèi)外錯(cuò)綜復(fù)雜的經(jīng)濟(jì)形勢(shì)下，隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和環(huán)保政策的升級(jí)，生產(chǎn)設(shè)備及生產(chǎn)工藝必須進(jìn)行升級(jí)改造。流化床干燥設(shè)備及技術(shù)的應(yīng)用可以促進(jìn)生物發(fā)酵產(chǎn)品的低耗、穩(wěn)定、連續(xù)規(guī)模化生產(chǎn)，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)廢水廢氣的回收和資源化利用，實(shí)現(xiàn)無(wú)污染排放，達(dá)到綠色生產(chǎn)的目的。

流化床干燥造粒技術(shù)在化工、肥料行業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用，其核心主機(jī)設(shè)備是流化床干燥造粒機(jī)，由若干進(jìn)風(fēng)室、具有特殊設(shè)計(jì)的分風(fēng)板結(jié)機(jī)構(gòu)、干燥/造粒室、分離室、排風(fēng)機(jī)構(gòu)組成，輔機(jī)系統(tǒng)由送風(fēng)系統(tǒng)、除塵裝置、換熱裝置、輸送裝置、過(guò)濾裝置等組成，具有工藝流程簡(jiǎn)單、設(shè)備占地面積小、產(chǎn)量大、產(chǎn)品粒度均勻一致等特點(diǎn)。

流化床工業(yè)化應(yīng)用最早出現(xiàn)在20世紀(jì)初的德國(guó)，后來(lái)日本、韓國(guó)、美國(guó)、荷蘭等國(guó)的知名企業(yè)和科研院所為流化床的工業(yè)化應(yīng)用進(jìn)行了大量探索和研究，尤其是日本，成功地將流化床干燥造粒技術(shù)應(yīng)用于化工、肥料行業(yè)。自20世紀(jì)90年代末，我國(guó)也開(kāi)始自主研制流化床干燥機(jī)，進(jìn)入21世紀(jì)后，國(guó)內(nèi)企業(yè)也開(kāi)始探索流化床干燥技術(shù)在氨基酸領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 在精制氨基酸工藝中的應(yīng)用

在氨基酸工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程中，提取與精制是氨基酸濃縮和純化的過(guò)程。經(jīng)過(guò)溫度調(diào)節(jié)、pH調(diào)節(jié)、過(guò)濾、離心等預(yù)處理后的發(fā)酵液上清液中氨基酸質(zhì)量濃度較低，需要進(jìn)行一系列操作從清液中分離出氨基酸產(chǎn)物，但這些操作只是著重于氨基酸濃縮，產(chǎn)物純度不高，統(tǒng)稱(chēng)為提取。為了提高產(chǎn)物純度，需要再次采用分離純化技術(shù)除去雜質(zhì)，統(tǒng)稱(chēng)為精制。常用的精制操作有蒸發(fā)濃縮、沉淀、離子交換、過(guò)濾、離心、電滲析、吸附、結(jié)晶、干燥等[3]，精制后得到的產(chǎn)品多是粉末狀或接近粉末狀。

主機(jī)采用帶有內(nèi)置換熱器的流化床干燥/冷卻機(jī)。濕物料經(jīng)過(guò)振動(dòng)給料機(jī)送入流化床的加料口，通過(guò)布料器將濕物料分散地灑落到流化床進(jìn)料端的流化料層上表面，物料在流化床內(nèi)由熱風(fēng)及內(nèi)置換熱器干燥，徹底干燥后進(jìn)入冷卻室，初步冷卻后排出流化床，通過(guò)提升機(jī)進(jìn)入分級(jí)篩，分級(jí)篩上的粗顆粒物料進(jìn)入溶解罐，溶解后泵回前道工序再結(jié)晶，分級(jí)篩下的粒徑合格的物料進(jìn)入冷卻機(jī)進(jìn)行深度冷卻后排出，作為終產(chǎn)品通過(guò)提升機(jī)送入成品料倉(cāng)。

被流化床尾氣夾帶出來(lái)的大部分細(xì)顆粒被旋風(fēng)分離器收集起來(lái)返回流化床，從旋風(fēng)分離器排出的流化床前段的尾氣進(jìn)入布袋除塵器進(jìn)行除塵，布袋除塵器收集的細(xì)粉不宜作為成品，因此這部分細(xì)粉進(jìn)入溶粉罐溶解后返回前道工序進(jìn)行再次結(jié)晶。以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98.5%的賴(lài)氨酸為例，其連續(xù)流化床干燥流程見(jiàn)圖1。

圖1 精制氨基酸連續(xù)流化床干燥流程示意圖Fig.1 Process of continuous fluidized bed drying system used in refined amino acids

內(nèi)加熱流化床干燥系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保，操作簡(jiǎn)單方便，自動(dòng)化程度高，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)，采用流化床干燥技術(shù)得到的精制氨基酸產(chǎn)品晶型完好，水分均勻，品質(zhì)高。

目前流化床干燥技術(shù)已在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98.5%的賴(lài)氨酸、98.5%的蘇氨酸、L-丙氨酸和己二酸等氨基酸生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。

2 在低質(zhì)量分?jǐn)?shù)氨基酸生產(chǎn)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的氨基酸生產(chǎn)工藝采用精制工藝單一生產(chǎn)高純氨基酸，發(fā)酵后的處理工序繁瑣，產(chǎn)生大量中間廢棄物，處理難度和成本很高，大大增加了氨基酸的生產(chǎn)成本和環(huán)保壓力，制約了氨基酸行業(yè)的發(fā)展。對(duì)于大多數(shù)的飼料級(jí)氨基酸來(lái)說(shuō)，通常沒(méi)必要進(jìn)行高濃度提純，可以將粗發(fā)酵液直接干燥制得低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氨基酸產(chǎn)品,此類(lèi)產(chǎn)品成分中除含有氨基酸外還含有一部分菌體蛋白，例如，大型連續(xù)流化床造粒干燥技術(shù)在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%的賴(lài)氨酸硫酸鹽生產(chǎn)中的成熟運(yùn)用，使得傳統(tǒng)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98.5%的賴(lài)氨酸鹽酸鹽生產(chǎn)工藝中存在的上述問(wèn)題得到了系統(tǒng)、徹底的解決。

流化床造粒系統(tǒng)主要工藝：產(chǎn)品的噴霧、造粒與干燥過(guò)程在造粒床中完成。料漿霧化成細(xì)小液滴，噴涂在處于流化狀態(tài)的固體顆粒表面，顆粒通過(guò)涂層和團(tuán)聚作用逐漸長(zhǎng)大，顆粒中的水分被熱空氣和內(nèi)置加熱器加熱蒸發(fā)，最后形成干燥的顆粒，通過(guò)底部出料閥排出。低質(zhì)量分?jǐn)?shù)氨基酸連續(xù)流化床干燥流程見(jiàn)圖2。

圖2 低質(zhì)量分?jǐn)?shù)氨基酸連續(xù)流化床干燥流程示意圖Fig.2 Process of continuous fluidized bed drying system used in low content amino acids

粒徑大于合格尺寸的物料通過(guò)外置的破碎機(jī)破碎后，與振動(dòng)篩下的粒徑小于合格尺寸的物料一起返回造粒床，一方面實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品顆粒直徑的控制，另一方面為造粒床的連續(xù)噴霧造粒提供晶種。造粒床排出的尾氣先通過(guò)旋風(fēng)分離器進(jìn)行預(yù)除塵，細(xì)顆粒被重新收集并返回造粒床，物料返回的路徑正好使細(xì)顆粒進(jìn)入流化床料層靠近噴嘴的部位，為造粒提供晶種。成品顆粒通過(guò)提升機(jī)進(jìn)入冷卻裝置，冷卻到合適的溫度后再由提升系統(tǒng)提升至料倉(cāng)中，等待包裝。

流化床造粒系統(tǒng)生產(chǎn)賴(lài)氨酸的兩種工藝[4]：

1) 單一生產(chǎn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%的賴(lài)氨酸工藝路線：粗發(fā)酵液經(jīng)硫酸處理進(jìn)行濃縮后，進(jìn)入流化床造粒系統(tǒng)完成造粒、干燥，生產(chǎn)過(guò)程中沒(méi)有任何高濃度有機(jī)廢液產(chǎn)生，既實(shí)現(xiàn)了清潔生產(chǎn)，還可以節(jié)省鹽酸、樹(shù)脂等輔料消耗，有效降低生產(chǎn)成本，同時(shí)提高了發(fā)酵產(chǎn)物利用率，全面保留營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，其生產(chǎn)工藝流程如圖3所示。

圖3 單一生產(chǎn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%的賴(lài)氨酸工藝路線Fig.3 Process diagram of 65% lysine production

2) 生產(chǎn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98.5%的賴(lài)氨酸企業(yè)的工藝路線：把質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%的賴(lài)氨酸硫酸鹽和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98.5%的賴(lài)氨酸鹽酸鹽工藝相結(jié)合，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98.5%的賴(lài)氨酸鹽酸鹽工序中產(chǎn)生的膜濃相、母液與粗發(fā)酵液混合，一起濃縮、造粒、干燥，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%的賴(lài)氨酸硫酸鹽顆粒產(chǎn)品，既降低了廢水排放量，又減少了原材料消耗，實(shí)現(xiàn)了賴(lài)氨酸生產(chǎn)過(guò)程中高濃有機(jī)廢水的近零排放，達(dá)到了清潔生產(chǎn)的目的，其生產(chǎn)工藝流程如圖4所示。

圖4 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%的賴(lài)氨酸與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98.5%的賴(lài)氨酸聯(lián)產(chǎn)工藝路線Fig.4 Process diagram of continuous fluidized bed drying system used in 65% lysine and 98.5% lysine co-production

目前流化床造粒干燥技術(shù)已在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%、70%和75%的賴(lài)氨酸，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%和25%的色氨酸和賴(lài)氨酸螯合鹽等氨基酸產(chǎn)品生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。

3 在菌體蛋白資源化回收中的應(yīng)用

氨基酸發(fā)酵液中往往含有大量的菌體蛋白[5-6]，在氨基酸精制過(guò)程中一般采用絮凝、過(guò)濾、離心等方法將菌體蛋白除去，這部分菌體蛋白就成了廢渣廢液，對(duì)環(huán)境造成污染，但是將這部分廢液廢渣干燥后其蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以達(dá)到70%以上，是非常好的飼料添加劑。

對(duì)于高純氨基酸生產(chǎn)企業(yè)，還可以將高純氨基酸工序中產(chǎn)生的膜濃相(即菌體蛋白)或者按照一定比例調(diào)配后的膜濃相與母液混合液，直接通過(guò)連續(xù)流化床造粒干燥機(jī)制得顆粒產(chǎn)品，作為蛋白飼料產(chǎn)品銷(xiāo)售，實(shí)現(xiàn)發(fā)酵廢液的資源化回收利用，其生產(chǎn)工藝流程如圖5所示。

圖5 菌體蛋白連續(xù)流化床造粒系統(tǒng)流程示意圖Fig.5 Process diagram of continuous fluidized bed drying system used in bacterial protein

目前流化床干燥技術(shù)在味精菌體蛋白[7]、色氨酸菌體蛋白(單產(chǎn)及高純色氨酸聯(lián)產(chǎn))[8]、蘇氨酸菌體蛋白等氨基酸菌體蛋白產(chǎn)品生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。

4 在氨基酸發(fā)酵母液資源化回收中的應(yīng)用

氨基酸發(fā)酵液提取產(chǎn)物以及菌體后所得廢液(稱(chēng)為發(fā)酵母液)往往含有較豐富的氮素、陽(yáng)離子、有機(jī)質(zhì)、各種氨基酸，是良好的飼料添加劑和有機(jī)肥料。但是由于其成分復(fù)雜，采用傳統(tǒng)干燥方式難以干燥，現(xiàn)大多采用高溫碳化的方式進(jìn)行處理，這種干燥方式會(huì)產(chǎn)生大量的高溫廢氣，而且其處理成本很高，給生產(chǎn)企業(yè)帶來(lái)沉重的負(fù)擔(dān)，隨著環(huán)保政策的日益嚴(yán)格，發(fā)酵母液急需新的處理方式。流化床造粒干燥系統(tǒng)由于其低溫連續(xù)、適應(yīng)性寬的特點(diǎn)，成為解決此項(xiàng)難題的首選。

目前，大型流化床造粒系統(tǒng)創(chuàng)新性地應(yīng)用于亮氨酸母液資源化處理中，取得了良好的效果，在其他氨基酸母液處理中的應(yīng)用也已取得突破性進(jìn)展。不同氨基酸母液所含的成分不同，干燥特性往往差異很大，此項(xiàng)難題的攻克還需生產(chǎn)企業(yè)與設(shè)備廠家緊密配合。

5 結(jié) 論

流化床造粒干燥技術(shù)將噴霧干燥、流化床干燥、造粒干燥合為一體，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝、設(shè)備，增加了收率，提高了效率，減少了設(shè)備投資，為氨基酸生產(chǎn)企業(yè)調(diào)整生產(chǎn)結(jié)構(gòu)、節(jié)能減排、綠色生產(chǎn)、實(shí)現(xiàn)廢水零排放提供新的途徑，其推廣應(yīng)用將促進(jìn)氨基酸行業(yè)的快速發(fā)展。