鋼鐵工業(yè)尾氣發(fā)酵乙醇醪液菌體蛋白的制備工藝

藺興法，鄒方起，莫志朋，宋慶坤，佟淑環(huán)，李重陽

(1.河北首朗新能源科技有限公司，河北 唐山 063200；2.北京首朗生物科技有限公司，北京 100000；3.北京首鋼朗澤新能源科技有限公司，北京 100000；4.河北省工業(yè)尾氣發(fā)酵制乙醇技術(shù)創(chuàng)新中心(籌)，河北 唐山 063200)

0 引言

隨著世界人口增長與現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，人類對能源的需求日益增加。開發(fā)新能源，實現(xiàn)低碳減排，是世界各國共同關(guān)注的熱點問題[1]。石油和煤炭是目前工業(yè)生產(chǎn)上全球公認(rèn)的兩大重要資源，是衡量國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度的基礎(chǔ)和標(biāo)準(zhǔn)。但是石油煉制、煤炭焦化、鋼鐵冶煉等工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量富含CO和CO2等成分的尾氣，排放到大氣中導(dǎo)致環(huán)境負(fù)擔(dān)加劇。另一方面，一碳?xì)怏w如：CO2、CO等，又是重要的碳資源[2]。

乙醇梭菌是一種嚴(yán)格厭氧菌，可以利用CO作為唯一的碳源和能源，也能利用H2/CO2及一些簡單的碳水化合物，它的代謝產(chǎn)物主要是乙酸和乙醇[1]。乙醇梭菌已通過中國科學(xué)院微生物研究所和中國工業(yè)微生物菌種保藏管理中心鑒定，經(jīng)微生物藥敏試驗，菌種毒力試驗，毒素及致病因子檢測，毒素基因、抗生素基因及致病基因分析證實乙醇梭菌菌種安全無毒。

經(jīng)過河北首朗新能源科技有限公司(簡稱“河北首朗”)多年的研究和轉(zhuǎn)化，成功利用鋼鐵工業(yè)尾氣中的CO作為碳源，以氨水作為氮源，同時添加營養(yǎng)鹽類物質(zhì)進(jìn)行生物發(fā)酵制備燃料乙醇；在全球范圍內(nèi)，首次將其應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)。發(fā)酵醪液經(jīng)蒸餾除乙醇后，還含有豐富的蛋白質(zhì)，如果直接排放，不僅增加污水處理負(fù)荷，一定程度上造成浪費(fèi)及環(huán)境污染。對干燥后菌體的成分進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)蛋白含量高達(dá)82.9%，總氨基酸含量為77.2%，富含18種氨基酸，配比較為理想，并且含有豐富的維生素、核酸和多糖等其他營養(yǎng)物質(zhì)。菌體蛋白常用的回收方法有：絮凝沉淀法分離、高速離心分離和超濾法分離等[3]。不同于傳統(tǒng)乙醇發(fā)酵行業(yè)，鋼鐵工業(yè)尾氣發(fā)酵制乙醇工藝，采用連續(xù)發(fā)酵技術(shù)，運(yùn)行時間長，易造成已經(jīng)死亡的菌體滯留在發(fā)酵系統(tǒng)內(nèi)部，提高后續(xù)分離難度。因此有必要通過研究發(fā)酵醪液中菌體蛋白的物料特性、乙醇梭菌蛋白分離濃縮及干燥技術(shù)，從而開發(fā)鋼鐵工業(yè)尾氣發(fā)酵制乙醇醪液菌體蛋白制備生產(chǎn)工藝。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

原料：河北首朗蒸餾去乙醇后的發(fā)酵醪液，溫度約60 ℃，pH 4.0～4.5。藥品：硫酸、氫氧化鈉、醋酸(分析純)，天津市凱通化學(xué)試劑有限公司；殼聚糖絮凝劑(分析純，脫乙酰度＞86%)，上海阿拉丁試劑。

1.2 方法

1.2.1 菌體濃度檢測方法

發(fā)酵醪液、碟片離心清液、碟片離心濃液、板框濾液，通過檢測波長565 nm下液體的OD 值來測量菌體濃度，菌體濃度=((OD-0.04135)/1.11)×稀釋倍數(shù)，單位g/L。板框壓濾蛋白菌渣濾餅及烘干后的菌體蛋白，采用快速水分分析儀進(jìn)行水分檢測。

1.2.2 絮凝劑母液配置方法

用生產(chǎn)水配置1%濃度的醋酸溶液，緩慢添加殼聚糖絮凝劑，至殼聚糖濃度為2‰，即殼聚糖絮凝劑母液，待用；絮凝劑母液使用量按照發(fā)酵醪液的體積進(jìn)行計算。

1.2.3 溫度和pH對菌體蛋白沉降的影響實驗方法

溫度能引起蛋白變性沉淀，來料發(fā)酵醪液溫度約60 ℃，自然沉降性能差，溫度加熱至121 ℃時，菌體蛋白才開始變性沉降。一般來說，蛋白質(zhì)所帶凈電荷越多溶解度越大，凈電荷越少溶解度越小，在蛋白質(zhì)等電點時蛋白質(zhì)溶解度最小[4]。用硫酸或氫氧化鈉水溶液，分別調(diào)發(fā)酵醪液pH至3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0，然后加熱觀察菌體蛋白沉降現(xiàn)象，記錄蛋白發(fā)生沉淀時的溫度。

1.2.4 絮凝劑及pH對菌體蛋白凝聚的影響實驗方法

蛋白質(zhì)表面由于帶有電荷和水膜，在水溶液中可形成穩(wěn)定的膠體。如果在蛋白質(zhì)溶液中加入適量某種鹽的溶液(絮凝劑)，就會破壞蛋白質(zhì)的水化膜或中和其表面的電荷，造成膠體溶液的不穩(wěn)定而發(fā)生沉降，這種作用在蛋白質(zhì)的等電點時尤為顯著[5]。同時，絮凝劑的濃度對沉降效果也會產(chǎn)生影響[4]。考慮到回收后的蛋白質(zhì)的用途，選用殼聚糖作為絮凝劑。

發(fā)酵醪液用硫酸或氫氧化鈉水溶液，分別調(diào)pH至3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0，用注射器緩慢滴加絮凝劑母液，邊滴加邊緩慢攪拌，觀察絮凝情況及記錄絮凝劑母液使用量。

1.2.5 分離脫水實驗方法

乙醇梭菌培養(yǎng)過程中發(fā)酵液黏度大，菌體顆粒小，平均0.5×3.2 μm[6]。微細(xì)粒物料懸浮液的固液分離是化工、冶金及許多加工業(yè)中的重要作業(yè)。這些懸浮液的共同特點是固體顆粒粒度細(xì)(一般小于10 μm、沉降速度慢、漿體黏度大、可濾性差等。在這些條件下，一般需要很大的分離面積及相當(dāng)高的過濾壓力，常規(guī)的脫水設(shè)備(脫水篩、離心過濾機(jī)、真空過濾機(jī)等)通常不能滿足脫水要求，目前過濾微細(xì)粒物料的有效設(shè)備是壓濾機(jī)[7]。另外，碟片分離機(jī)是沉降式離心機(jī)的一種，用于分離難分離的物料(如黏性液體與細(xì)小固體顆粒組成的懸浮液或密度相近的液體組成的乳濁液)。因此，本文重點研究板框壓濾機(jī)和碟片分離機(jī)對發(fā)酵醪液分離濃縮脫水效果。根據(jù)溫度、pH及絮凝劑實驗效果，發(fā)酵醪液進(jìn)行溫度及pH調(diào)整，選擇性添加絮凝劑，分別進(jìn)入板框壓濾機(jī)或碟片分離機(jī)進(jìn)行脫水，觀察設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性、處理流量及清液情況。由于碟片分離機(jī)及板框壓濾機(jī)脫水后，物料特性差別，重點研究將碟片分離機(jī)與板框壓濾機(jī)，兩種脫水方式，進(jìn)行結(jié)合使用。

1.2.6 干燥工藝研究方法

如果采用高溫烘干設(shè)備進(jìn)行干燥，能耗高，易產(chǎn)生粉塵或廢氣，影響周邊環(huán)境；同時由于高溫干燥，產(chǎn)品顏色深，灰分高，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。封閉式低溫濾餅干燥機(jī)，整機(jī)設(shè)廂體為封閉式，環(huán)境整潔、運(yùn)行安全，節(jié)省能源、成本低、效率高[8]。因此，本研究優(yōu)選低溫干燥設(shè)備進(jìn)行干燥測試。

2 結(jié)果

2.1 溫度和pH對菌體蛋白沉降的影響

發(fā)酵醪液調(diào)pH至目標(biāo)值，然后加熱觀察菌體蛋白沉降現(xiàn)象；如表1所示，pH≤5.5時，發(fā)酵醪液pH值高，對應(yīng)的蛋白出現(xiàn)變性沉淀的溫度降低。

表1 溫度和pH對菌體蛋白沉降的影響

2.2 絮凝劑及pH對菌體蛋白凝聚的影響

發(fā)酵醪液調(diào)至目標(biāo)pH值后，邊攪拌邊添加絮凝劑母液；如表2所示，發(fā)酵醪液pH值對絮凝劑的絮凝效果影響較大，pH值高，絮凝物大，絮凝劑添加量??；pH 5.5～6.0時絮凝效果最好，絮凝劑添加量最少。

表2 pH對絮凝效果的影響

2.3 分離脫水結(jié)果與分析

2.3.1 板框壓濾脫水

發(fā)酵醪液含菌體碎片多、黏度大，發(fā)酵醪液未經(jīng)處理直接通過板框?qū)嶒灠l(fā)現(xiàn)，濾布立即被堵塞，無法正常進(jìn)行壓濾實驗。發(fā)酵醪液調(diào)pH至5.5后，加熱至98 ℃，然后按照醪液的體積添加2%的絮凝劑母液后進(jìn)行板框壓濾，過濾效果較好，濾液清澈。

2.3.2 碟片分離濃縮

實驗采用連續(xù)排渣外噴嘴碟片機(jī)，醪液直接經(jīng)碟片離心濃縮，清液固含量6.5 g/L，清液中還含有較多的菌體蛋白，直接外排將增加污水負(fù)荷及造成蛋白浪費(fèi)。發(fā)酵醪液調(diào)pH至5.5，加熱至98 ℃使菌體變性沉降后，進(jìn)行碟片離心濃縮，體積濃縮約5.4倍；離心清液固含量僅0.3 g/L，可以滿足直接排放污水的要求。

2.3.3 碟片濃縮+板框脫水

河北首朗發(fā)酵醪液調(diào)pH至5.5，加熱至98 ℃，經(jīng)碟片分離機(jī)濃縮后，體積濃縮約5.4倍；按50 m3/h計算，濃縮液剩余體積濃縮至約9.3 m3/h；碟片濃縮液固含量81.2 g/L，含有較多的水分，直接進(jìn)行干燥，干燥成本較高，且設(shè)備投資成本大。

在碟片離心機(jī)濃縮液的基礎(chǔ)上，添加濃液體積2%的絮凝劑母液后，混合攪拌，進(jìn)入板框壓濾機(jī)進(jìn)行壓濾脫水。壓濾后得到固體菌體蛋白渣濾餅，含水分約49.8%；濾液固含量約0.2 g/L，滿足直接排放污水的要求。

2.4 蛋白干燥

經(jīng)板框壓濾脫水后的菌體蛋白渣濾餅含水約49.8%，約1.5 t/h，選用低溫干燥設(shè)備進(jìn)行濾餅干燥。通過實驗驗證，采用封閉式低溫濾餅干燥機(jī)干燥運(yùn)行溫度控制70～80 ℃，蒸發(fā)1 t水約消耗蒸汽1.2～1.5 t，干燥能耗低，且無異味排放。濾餅干燥后呈不規(guī)則顆粒狀，粉碎后為乙醇梭菌菌體蛋白粉，經(jīng)檢測：粗蛋白≥80%、粗灰分≤7%、水分≤12%。

3 結(jié)語

根據(jù)鋼鐵工業(yè)尾氣制乙醇發(fā)酵醪液的特性，通過研究溫度及pH對菌體蛋白凝聚的影響，發(fā)酵醪液首先用氫氧化鈉溶液調(diào)pH至5.5，然后升溫至98 ℃，使菌體蛋白變性沉降；隨后經(jīng)連續(xù)排渣噴嘴離心機(jī)濃縮至固含量81.2 g/L，繼續(xù)添加2%濃縮液體積的絮凝劑母液后混合均勻，進(jìn)入板框壓濾機(jī)進(jìn)行壓濾脫水。板框壓濾產(chǎn)生的濾餅含水率約49.8%，經(jīng)封閉式低溫濾餅干燥機(jī)干燥、粉碎后制備得到乙醇梭菌菌體蛋白粉：粗蛋白≥80%、粗灰分≤7%、水分≤12%。