檸檬酸發(fā)酵清液的絮凝法處理

楊志遠(yuǎn)，張桂軍，王玉琢

（1.長(zhǎng)沙環(huán)境保護(hù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410004；2.張北寶龍燕麥?zhǔn)称酚邢薰荆颖睆埍?076450）

檸檬酸發(fā)酵清液的絮凝法處理

楊志遠(yuǎn)1，張桂軍1，王玉琢2

（1.長(zhǎng)沙環(huán)境保護(hù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410004；2.張北寶龍燕麥?zhǔn)称酚邢薰荆颖睆埍?076450）

為進(jìn)一步研究檸檬酸發(fā)酵清液的預(yù)處理方法，對(duì)絮凝劑的種類、絮凝劑的添加量、絮凝溫度、絮凝攪拌轉(zhuǎn)速、絮凝時(shí)間五個(gè)因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，以絮凝率（RF）為指標(biāo)，得出檸檬酸發(fā)酵清液絮凝的最佳工藝參數(shù)。通過對(duì)幾種絮凝劑的比較，聚丙烯酸鈉絮凝效果優(yōu)于其他絮凝劑。對(duì)于檸檬酸發(fā)酵清液pH在2.0～3.0，溫度45℃條件下，絮凝過程最佳條件為：菌體絮凝最佳的添加量為加入聚丙烯酸鈉0.001%～0.005%；轉(zhuǎn)速控制在260r/min，20min后降低轉(zhuǎn)速至100/min，20min后停止攪拌自然沉降30min。

檸檬酸；發(fā)酵清液；絮凝；預(yù)處理

如何提高檸檬酸及其鈉鹽的質(zhì)量，提高提取過程的收率，是檸檬酸行業(yè)一直追求的目標(biāo)。生產(chǎn)檸檬酸的原料一般采用玉米和木薯，發(fā)酵后醪液中會(huì)含有相當(dāng)數(shù)量的蛋白和菌體碎片，企業(yè)一般采用加熱和添加助濾劑的方法進(jìn)行固液分離，但分離不徹底，蛋白等雜質(zhì)仍以膠體的形式存在于發(fā)酵液中，這些膠體蛋白等雜質(zhì)直接影響后提取過程。

發(fā)酵清液是發(fā)酵液固液分離后的溶液，發(fā)酵液大量菌體等固形物被分離后、溶液組成仍十分復(fù)雜，表現(xiàn)為帶有負(fù)電荷的膠體分散體系，同時(shí)具有親水性和憎水性的膠體特性。含有膠體的發(fā)酵清液在后提取時(shí)，不僅操作困難，而且影響產(chǎn)品的質(zhì)量和收率。絮凝由于具有促進(jìn)顆粒結(jié)合成團(tuán)，提高膠體物質(zhì)聚集的功效，因此采用絮凝技術(shù)可以很好地處理檸檬酸發(fā)酵清液，從而使檸檬酸發(fā)酵液達(dá)到理想狀態(tài)，為后提取工序做好準(zhǔn)備工作。

本實(shí)驗(yàn)力求尋找一種新的預(yù)處理方法，使絮凝技術(shù)成為檸檬酸發(fā)酵清液的深度處理方法，從根本上解決發(fā)酵清液中膠體蛋白對(duì)生產(chǎn)過程的困擾。本文首先研究不同絮凝劑的絮凝效果，并對(duì)其進(jìn)行比較，選出合適的絮凝劑，再對(duì)絮凝劑絮凝過程進(jìn)行條件優(yōu)化，進(jìn)而獲得影響檸檬酸發(fā)酵清液絮凝處理的最佳條件。

1 材料與方法

1.1 樣品

實(shí)驗(yàn)樣品取自湖南洞庭檸檬酸生物工程有限公司發(fā)酵車間的發(fā)酵清液以及本實(shí)驗(yàn)室小型發(fā)酵罐產(chǎn)檸檬酸發(fā)酵液。

1.2 絮凝劑劑

聚合硫酸鋁：分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑開發(fā)中心；

聚合硫酸鐵：分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑開發(fā)中心；

聚丙烯酸鈉：500～5 000萬，任丘市華北化工有限公司；

聚丙烯酰胺：600～1 800萬，天津靜潔凈水劑有限公司；

明膠：本實(shí)驗(yàn)室保存；

殼聚糖：本實(shí)驗(yàn)室保存。

1.3 儀器

（1）電子天平 湖南湘儀分析儀器廠；

（2）PHS—2C數(shù)字酸度計(jì) 上海光學(xué)儀器廠；

（3）UV-2000 型可見分光光度計(jì) 尤尼柯（上海）儀器有限公司；

（4）數(shù)顯恒溫水浴鍋 常州國(guó)華電器有限公司；

（5）80-2B離心機(jī) 上海安亭科學(xué)儀器廠.

2 方法與步驟

2.1 絮凝劑種類的確定

取發(fā)酵清液1 000mL放入2 000mL燒杯中，調(diào)整絮凝溫度45℃，攪拌，慢慢加入事先配制好的絮凝劑，開始時(shí)攪拌轉(zhuǎn)速為260r/min，攪拌20min，降低慢速攪拌速度至100r/min，攪拌25min，絮凝結(jié)束，自然沉降30min。于燒杯內(nèi)水深1/2處取樣測(cè)透光度。

2.2 最佳添加量的確定

同上，取1 000mL檸檬酸發(fā)酵清液，放入2 000mL燒杯中，攪拌，在相同溫度條件下，分別投加不同量聚丙烯酸鈉絮凝劑，開始時(shí)攪拌轉(zhuǎn)速為260r/min，攪拌20min，降低慢速攪拌速度至100r/min，攪拌25min，絮凝結(jié)束，自然沉降30min。于燒杯內(nèi)水深1/2處取樣測(cè)透光度。

2.3 最佳溫度的確定

取1000mL檸檬酸發(fā)酵清液，放入2 000mL燒杯中，攪拌，在不同的溫度條件下，分別投加相同量的絮凝劑，開始時(shí)攪拌轉(zhuǎn)速為260r/min，攪拌20min，降低慢速攪拌速度至100r/min，攪拌25min，絮凝結(jié)束，自然沉降30min。于燒杯內(nèi)水深1/2處取樣測(cè)透光度。

2.4 最佳攪拌速度的確定

取1 000mL檸檬酸發(fā)酵清液，放入2 000mL燒杯中，攪拌，把樣品調(diào)節(jié)到相同的溫度條件下，然后分別投加相同量的絮凝劑聚丙烯酸鈉，在不同的攪拌速度下完成絮凝過程，澄清后于燒杯內(nèi)水深1/2處取樣測(cè)透光度。

2.5 最佳攪拌時(shí)間的確定

取1 000mL檸檬酸發(fā)酵清液，放入2 000mL燒杯中，攪拌，把樣品調(diào)節(jié)到相同的溫度條件下，然后分別投加相同量的絮凝劑聚丙烯酸鈉，在不同的攪拌時(shí)間下完成絮凝過程，澄清后于燒杯內(nèi)水深1/2處取樣測(cè)透光度。

3 分析方法

取絮凝后清液用用紫外分光光度計(jì)以蒸餾水作空白于650nm處測(cè)定吸光度值，算出絮凝率RF值。

RF值定義如下：RF=（OD絮凝前-OD絮凝后）/OD絮凝前×100%

RF值越大，說明絮凝效果越好。

4 結(jié)果與討論

4.1 絮凝劑類型的影響

在本文的實(shí)驗(yàn)中，絮凝劑類型對(duì)檸檬酸發(fā)酵清液絮凝效果的影響最大，因?yàn)椴煌男跄齽┑男跄Ч煌＿x擇有絮凝效果的6種工業(yè)絮凝劑聚合硫酸鋁、聚合硫酸鐵、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸鈉、殼聚糖、明膠進(jìn)行絮凝實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，無機(jī)絮凝劑對(duì)檸檬酸發(fā)酵液沒有絮凝效果。高分子絮凝劑聚丙烯酰胺絮凝效果微弱、殼聚糖、明膠的絮凝效果也很有限，只有聚丙烯酸鈉對(duì)檸檬酸發(fā)酵清液絮凝效果明顯。絮凝實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 六種絮凝劑類型的絮凝效果

4.2 絮凝劑聚丙烯酸鈉加入量的影響

絮凝劑聚丙烯酸鈉的加入量對(duì)絮凝過程很重要，檸檬酸發(fā)酵清液在一定操作條件下存在一個(gè)最佳絮凝劑的加入量。目前，絮凝劑的加入量只能通過實(shí)驗(yàn)方法確定最佳加入量，還不能通過理論推導(dǎo)得到。在本絮凝實(shí)驗(yàn)中，如圖2所示，在一定的pH值和溫度條件下，絮凝率隨絮凝劑用量的增加而增加，達(dá)到峰值后，隨絮凝劑用量的增加而有所降低。當(dāng)絮凝劑聚丙烯酸鈉加入量在10×10-6～50×10-6時(shí)，RF值在一個(gè)比較高的水平上，能夠達(dá)到相對(duì)好的絮凝效果。這與架橋絮凝機(jī)理一致，當(dāng)高分子絮凝劑覆蓋微粒表面的部分接近50%時(shí)，其絮凝作用最佳；當(dāng)絮凝劑過量時(shí)，微粒表面全部被覆蓋，已沒有空余表面吸附起架橋作用的其他絮凝劑，又由于覆蓋的絮凝劑帶有許多親水官能團(tuán)，故反而起分散作用，這時(shí)懸浮液又變?yōu)榉€(wěn)定的分散體系，因此絮凝劑過量反而使絮凝效果下降。

圖2 絮凝劑聚丙烯酸鈉加入量與絮凝率（RF值）的關(guān)系

4.3 絮凝溫度的影響

溫度對(duì)絮凝作用的影響不大。低溫時(shí)，能夠很好地保持絮凝劑的理化性質(zhì)，但溶液粘度較大；升高溫度能增加膠體粒子的動(dòng)能與碰撞的機(jī)會(huì)，對(duì)絮凝有利；但總體上溫度對(duì)絮凝過程的影響不大。從圖3可以看出，隨著升高溫度絮凝率稍有增加，達(dá)到45～50℃時(shí)為最高。但溫度過高，會(huì)影響絮凝劑的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，反而不利于絮凝。

圖3 溫度對(duì)絮凝過程的影響

4.4 攪拌速度的影響

攪拌速度也是絮凝過程的一個(gè)重要指標(biāo)。如圖4所示，隨著攪拌速度的提高，絮凝率RF值逐漸增大，攪拌速度的增加，提高了顆粒之間的碰撞速度，增加了絮凝劑和膠體顆粒的碰撞機(jī)會(huì)，絮凝效果明顯。但攪拌速度過大，會(huì)將成型的絮狀物打散，降低高分子鏈的吸附架橋能力，使絮凝率下降。本實(shí)驗(yàn)過程，較適宜的攪拌速度為250～300r/min。

圖4 攪拌速度的對(duì)絮凝過程的影響

4.5 攪拌時(shí)間的影響

攪拌時(shí)間對(duì)絮凝過程的影響如圖5所示，當(dāng)達(dá)到一定絮凝率時(shí)，隨著絮凝時(shí)間的延長(zhǎng)，絮凝率仍然會(huì)有所升高，但幅度不大。但若攪拌時(shí)間不夠，絮凝劑不能完全發(fā)揮作用，檸檬酸清液中的有效成分不能完全絮凝，達(dá)不到絮凝效果；另一方面攪拌時(shí)間太長(zhǎng)則不太經(jīng)濟(jì)。本實(shí)驗(yàn)攪拌時(shí)間控制在40～50min效果較好。

圖5 攪拌時(shí)間對(duì)絮凝的影響

5 小結(jié)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：有機(jī)大分子絮凝劑的絮凝效果明顯優(yōu)于無機(jī)分子絮凝劑的絮凝效果。重點(diǎn)研究了生物大分子絮凝劑聚丙烯酸鈉絮凝特性，得出了最佳方案：對(duì)于檸檬酸發(fā)酵清液pH在2.0～3.0，溫度45℃條件下，菌體絮凝最佳的添加量為加入聚丙烯酸鈉0.001%～0.005%（10×10-6～50×10-6）；轉(zhuǎn)速控制在260r/min，20min后降低轉(zhuǎn)速至100r/min，20min后停止攪拌自然沉降30min。

The Treatment of Citric Acid Fermentation Liquor by Flocculation Method

Yang Zhi-yuan，Zhang Gui-jun，Wang Yu-zhuo

In order to further study on pretreatment method of citric acid fermentation supernatant，experiments were carried out to study the type and amount of fl occulant，fl occulation temperature，stirring speed，fl occulation time of fi ve factors，with the fl occulating rate（RF）as the index，the optimum process parameters of citric acid fermentation of clear liquid fl occulation.Through the comparison of several kinds of fl occulant，the fl occulation effect of sodium polyacrylate is better than other fl occulant.For the citric acid fermentation supernatant of pH in 2～3，the temperature of 45 DEG C under optimum conditions of fl occulation process was：adding amount of bacteria was the best fl occulation adding polyacrylic acid sodium 0.001%～0.005%；speed control in the 260r/min to 100/ min speed is reduced after 20min，after 20min stirred the natural sedimentation of 30min.

citric acid；fermented serum；fl occulation；pretreatment

O6481

B

1003-6490（2016）07-0105-02

2016-06-28

楊志遠(yuǎn)（1965—），男，湖南省長(zhǎng)沙市，高級(jí)工程師，1991年畢業(yè)于鄭州工學(xué)院（現(xiàn)鄭州大學(xué)），本科，現(xiàn)長(zhǎng)沙環(huán)境保護(hù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師，從事生物化工專業(yè)的教學(xué)與研究工作。