鋼鐵工業尾氣發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，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.河北省工業尾氣發酵制乙醇技術創新中心(籌)，河北 唐山 063200)

0 引言

隨著世界人口增長與現代工業的發展，人類對能源的需求日益增加。開發新能源，實現低碳減排，是世界各國共同關注的熱點問題[1]。石油和煤炭是目前工業生產上全球公認的兩大重要資源，是衡量國家經濟發展程度的基礎和標準。但是石油煉制、煤炭焦化、鋼鐵冶煉等工業生產過程中產生大量富含CO和CO2等成分的尾氣，排放到大氣中導致環境負擔加劇。另一方面，一碳氣體如：CO2、CO等，又是重要的碳資源[2]。

乙醇梭菌是一種嚴格厭氧菌，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，它的代謝產物主要是乙酸和乙醇[1]。乙醇梭菌已通過中國科學院微生物研究所和中國工業微生物菌種保藏管理中心鑒定，經微生物藥敏試驗，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”)多年的研究和轉化，成功利用鋼鐵工業尾氣中的CO作為碳源，以氨水作為氮源，同時添加營養鹽類物質進行生物發酵制備燃料乙醇；在全球范圍內，首次將其應用于工業化生產。發酵醪液經蒸餾除乙醇后，還含有豐富的蛋白質，如果直接排放，不僅增加污水處理負荷，一定程度上造成浪費及環境污染。對干燥后菌體的成分進行分析，發現蛋白含量高達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物質。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]。不同于傳統乙醇發酵行業，鋼鐵工業尾氣發酵制乙醇工藝，采用連續發酵技術，運行時間長，易造成已經死亡的菌體滯留在發酵系統內部，提高后續分離難度。因此有必要通過研究發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，從而開發鋼鐵工業尾氣發酵制乙醇醪液菌體蛋白制備生產工藝。

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，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行水分檢測。

1.2.2 絮凝劑母液配置方法

用生產水配置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酵醪液的體積進行計算。

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，在蛋白質等電點時蛋白質溶解度最小[4]。用硫酸或氫氧化鈉水溶液，分別調發酵醪液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象，記錄蛋白發生沉淀時的溫度。

1.2.4 絮凝劑及pH對菌體蛋白凝聚的影響實驗方法

蛋白質表面由于帶有電荷和水膜，在水溶液中可形成穩定的膠體。如果在蛋白質溶液中加入適量某種鹽的溶液(絮凝劑)，就會破壞蛋白質的水化膜或中和其表面的電荷，造成膠體溶液的不穩定而發生沉降，這種作用在蛋白質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生影響[4]。考慮到回收后的蛋白質的用途，選用殼聚糖作為絮凝劑。

發酵醪液用硫酸或氫氧化鈉水溶液，分別調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

乙醇梭菌培養過程中發酵液黏度大，菌體顆粒小，平均0.5×3.2 μm[6]。微細粒物料懸浮液的固液分離是化工、冶金及許多加工業中的重要作業。這些懸浮液的共同特點是固體顆粒粒度細(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高的過濾壓力，常規的脫水設備(脫水篩、離心過濾機、真空過濾機等)通常不能滿足脫水要求，目前過濾微細粒物料的有效設備是壓濾機[7]。另外，碟片分離機是沉降式離心機的一種，用于分離難分離的物料(如黏性液體與細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和碟片分離機對發酵醪液分離濃縮脫水效果。根據溫度、pH及絮凝劑實驗效果，發酵醪液進行溫度及pH調整，選擇性添加絮凝劑，分別進入板框壓濾機或碟片分離機進行脫水，觀察設備運行穩定性、處理流量及清液情況。由于碟片分離機及板框壓濾機脫水后，物料特性差別，重點研究將碟片分離機與板框壓濾機，兩種脫水方式，進行結合使用。

1.2.6 干燥工藝研究方法

如果采用高溫烘干設備進行干燥，能耗高，易產生粉塵或廢氣，影響周邊環境；同時由于高溫干燥，產品顏色深，灰分高，嚴重影響產品質量。封閉式低溫濾餅干燥機，整機設廂體為封閉式，環境整潔、運行安全，節省能源、成本低、效率高[8]。因此，本研究優選低溫干燥設備進行干燥測試。

2 結果

2.1 溫度和pH對菌體蛋白沉降的影響

發酵醪液調pH至目標值，然后加熱觀察菌體蛋白沉降現象；如表1所示，pH≤5.5時，發酵醪液pH值高，對應的蛋白出現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

發酵醪液調至目標pH值后，邊攪拌邊添加絮凝劑母液；如表2所示，發酵醪液pH值對絮凝劑的絮凝效果影響較大，pH值高，絮凝物大，絮凝劑添加量小；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 分離脫水結果與分析

2.3.1 板框壓濾脫水

發酵醪液含菌體碎片多、黏度大，發酵醪液未經處理直接通過板框實驗發現，濾布立即被堵塞，無法正常進行壓濾實驗。發酵醪液調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

實驗采用連續排渣外噴嘴碟片機，醪液直接經碟片離心濃縮，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荷及造成蛋白浪費。發酵醪液調pH至5.5，加熱至98 ℃使菌體變性沉降后，進行碟片離心濃縮，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

河北首朗發酵醪液調pH至5.5，加熱至98 ℃，經碟片分離機濃縮后，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，直接進行干燥，干燥成本較高，且設備投資成本大。

在碟片離心機濃縮液的基礎上，添加濃液體積2%的絮凝劑母液后，混合攪拌，進入板框壓濾機進行壓濾脫水。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，選用低溫干燥設備進行濾餅干燥。通過實驗驗證，采用封閉式低溫濾餅干燥機干燥運行溫度控制70～80 ℃，蒸發1 t水約消耗蒸汽1.2～1.5 t，干燥能耗低，且無異味排放。濾餅干燥后呈不規則顆粒狀，粉碎后為乙醇梭菌菌體蛋白粉，經檢測：粗蛋白≥80%、粗灰分≤7%、水分≤12%。

3 結語

根據鋼鐵工業尾氣制乙醇發酵醪液的特性，通過研究溫度及pH對菌體蛋白凝聚的影響，發酵醪液首先用氫氧化鈉溶液調pH至5.5，然后升溫至98 ℃，使菌體蛋白變性沉降；隨后經連續排渣噴嘴離心機濃縮至固含量81.2 g/L，繼續添加2%濃縮液體積的絮凝劑母液后混合均勻，進入板框壓濾機進行壓濾脫水。板框壓濾產生的濾餅含水率約49.8%，經封閉式低溫濾餅干燥機干燥、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%。