氨基酸发酵液菌体蛋白提取工艺技术探究

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(1.呼伦贝尔东北阜丰生物科技有限公司，内蒙古 呼伦贝尔 162650；2.山东阜丰发酵有限公司，山东 临沂 276600)

目前，发酵法生产菌体蛋白饲料被广泛应用。王雅波等[1]以玉米皮为原材料，采用酵母菌发酵的方法降解玉米皮中的纤维素类物质，使其充分转化为高附加值的饲料蛋白；沈维亮等[2]以甘薯淀粉加工废渣为原料，研究了以酿酒酵母、产朊假丝酵母以及双菌混合培养生产菌体蛋白的工艺；李洋等[3]对茶粕固态发酵生产微生物蛋白饲料的菌种进行筛选试验，结果表明选用黑曲霉、米曲霉、绿色木霉和产朊假丝酵母组成的混合菌种是茶粕发酵生产微生物蛋白饲料的最优混合菌种。

1 发酵液成分分析

氨基酸生产中普遍采用微生物发酵法，菌体留存于发酵液中，成为发酵废母液有机污染物的一部分，菌体蛋白含有丰富的蛋白质和其他营养物质[4]。氨基酸提取工艺不同，废母液中的成分也不同。废母液中含有大量的菌体[5]，它是一种单细胞蛋白，有一定的经济价值。谷氨酸菌体蛋白中粗蛋白质含量高，具有较高的饲用价值[6]。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[7]。提高发酵液中菌体蛋白的提取率，既可以实现资源的高效利用，增加产品附加值，又可以减轻后续废水处理和烟气治理的压力，是实现企业清洁生产的重要环节。发酵液中含有丰富的蛋白质，对干燥后菌体蛋白的化学成分分析发现谷氨酸废弃菌体中蛋白质的含量高达85.8%，总氨基酸含量为78.77%，高于目前蛋白酶解物常用的原料[8]。其氨基酸种类比较齐全，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。此外，谷氮酸发酵过程中所加入的糖类物质与谷氨酸一起经过发酵后会生成低聚异麦芽糖。

呼伦贝尔东北阜丰生物科技有限公司委托山东省农业科学院农业质量标准与检测技术研究所及SGS检测公司对一批提取蛋白后的谷氨酸发酵尾液进行了检测。结果表明发酵液中除了含有作为制作肥料的原料所需的氮、磷和钾等元素外，还含有大量的氨基酸和蛋白质。对18种氨基酸进行检测，结果显示：尾液中总氨基酸质量分数在3.00%～3.30%，其中谷氨酸占总氨基酸百分比为60%～63.6%，苏氨酸占总氨基酸百分比为5.33%～18.18%，丙氨酸占总氨基酸百分比为7%～12.12%，天冬氨酸占总氨基酸百分比为2.33%～3.03%。检测样品来源于公司实际生产中的菌体蛋白提取后的发酵尾液，成份稳定。从成份分析可以看出：提取菌体蛋白后的发酵尾液仍有一定的利用价值，在生产过程中通过改进工艺技术参数，提高菌体蛋白的提取率，实现对发酵液的更加充分、有效的利用，仍有一定的理论和实践探索空间。发酵尾液的检测结果为蛋白提取工艺提供了一定的理论依据。

2 絮凝沉淀法提取蛋白工艺概述及优化

2.1 蛋白提取工艺概述

田晓燕等[9]的实验研究表明：选取聚丙烯酸钠作为絮凝剂，絮凝剂质量分数为0.2%时效果较好，发酵液的温度在50～60 ℃为最佳。在大规模生产实践中，逐渐摸索出一套菌体蛋白提取的工艺技术和相关控制参数。主要控制过程包括化药操作、蛋白提取和蛋白烘干等。

2.1.1 化药操作

检查化药用水的各项指标，COD控制在10 mg/L以下，pH 6～8，电导率低于20，温度35～50 ℃。来水指标正常后，先在清水罐内加满水，然后将清水和聚丙烯酸钠打到半成品罐，根据现有化药罐的容积，搅拌并配制絮凝剂。以V(聚丙烯酸钠)∶V(水)=1∶400配制化药罐，絮凝剂的配制比例根据料液的蛋白提取难度进行调整，当料液中的蛋白量多、黏度大时，可适当提高絮凝剂配制比例，一般不超过3∶1 000，再通过调整絮凝剂的流加比例，促进蛋白提取，一般絮凝剂与物料的流加体积比例为V(絮凝剂)∶V(物料)=1∶10，如蛋白提取效果不好，流加比例不超过3∶25。配制药水的水温为45～55 ℃，但实际水温偏高，一般控制在60 ℃以下。先在罐内加入满水，控制温度，开启搅拌，加入配制好的絮凝剂，搅拌均匀，化好的溶液应无块状絮凝剂。化药时间从开始加絮凝剂到使用化好的药液的时间控制在6 h之内。

2.1.2 蛋白提取

提取物料为谷氨酸车间尾液，正常生产时物料的pH为3.0～4.0，pH过高或过低都会影响蛋白的提取收率。调节来水料液与储存罐料液的pH为3.0～4.5，pH过高或过低时通过调节存储罐里高段浓污和低段浓污调整；同时应检查用药量是否过少。控制溶药水温度40～60 ℃，喷射器提取菌体蛋白温度40～60 ℃，开始提取菌体蛋白。提取蛋白后料液应清澈透明，蛋白上浮状态良好。如漂浮效果差，需适当提高温度。保持板框压力0.2～0.6 MPa，箱式压滤机温度70～90 ℃，隔膜压滤机温度40～60 ℃。蛋白上浮不好时应开大空气阀，检查提取温度，温度过低时及时开大蒸汽阀。湿蛋白水分控制在40%～55%。提取罐运行过程中大部分蛋白会漂浮于罐顶，少量的蛋白沉降于罐底(具体比例可通过实验获取)，每8 h打开底阀将罐底部分打入加温罐与罐顶部分蛋白混合，提取罐中间清液部分通过溢流管流入漂浮槽，清液在漂浮槽内再次沉降，沉降后的清液打入蒸发器进行浓缩，沉降物料中蛋白质量百分数约为5%～7%，将此物料每8 h打入加温罐与提取前的蛋白混合，通过箱式板框进行过滤，滤液打入蒸发器进行浓缩，经检测蛋白质量百分数为4.0%左右。蛋白提取的工艺流程如图1所示。

图1 絮凝沉淀提取菌体蛋白的工艺流程Fig.1 Process of flocculation and precipitation extraction of microbial protein

2.1.3 蛋白烘干

及时观察并调整机尾温度在80～130 ℃，机头温度在150 ℃以上，控制炉膛温度在1 100 ℃以下。观察烘干机的出料情况，按照料的干湿度确定加料速度，保证蛋白粉的含水量在8%～12%之间。

2.2 生产过程中的优化途径

在实际生产中，可以采用二次提取法提取菌体蛋白。实践表明，浓污的温度是35 ℃左右，最佳的提取温度是42 ℃，所以提取过程还需要加温，然后添加絮凝剂(聚丙烯酸钠)，利用气浮法提取，提取后的废水经二级漂浮槽进行二次提取，然后进入板框压滤机进行脱水，再利用滚筒烘干机进行烘干。提取效率方面，一次提取效率是90%，二次提取效率为95%～97%，菌体蛋白残留量为3%～5%，烘干过程中菌体蛋白有时存在焦糊的情况。本工艺还有改进的空间，例如目前蛋白提取用的絮凝剂是聚丙烯酸钠，成本相对较高，因此可以对絮凝剂的选择做进一步研究，在提高提取效率的同时降低生产成本。另外，针对二次提取时漂浮槽内部分菌体下沉产生沉淀而较难收集等情况可以根据沉降特性进行工艺设备的优化。

此工艺中大分子絮凝剂的引入造成饲料的营养价值大幅度下降，利用价值降低，经济效益不明显。近年来，由于菌体回收利用技术的发展，部分菌体被更好地回收利用。例如刘旭等[10]的研究结果表明谷氨酸发酵废菌体经过最佳工艺水解后，其水解液可以用作发酵产γ-聚谷氨酸的氮源。

3 碟片分离提取蛋白的工艺技术研究

3.1 碟片分离菌体工艺流程

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)。悬浮液由位于转鼓中心进料管加入转鼓，当悬浮液流过碟片之间的间隙时，固体颗粒或液滴在离心机的作用下沉降到碟片上形成沉渣或液层，沉渣沿碟片表面滑动而脱离碟片并积聚在转鼓内直径最大的部位，分离后的液体从液口排出转鼓。碟片的作用是缩短固体颗粒或液滴的沉降距离，扩大转鼓的沉降面积，转鼓中由于安装了碟片而大大提高了分离机的生产能力[11]。碟片分离菌体工艺流程如图2所示。

图2 碟片分离提取菌体蛋白的工艺流程Fig.2 Process of separation and extraction of microbial protein by disk

3.2 碟片分离机分离菌体实验研究及优化方向

在选取特定设备参数的前提下，通过小试和中试生产比较了碟片分离与陶瓷膜分离对苏氨酸发酵液的蛋白提取效果，结果表明采用碟片分离发酵液菌体生产成本低、苏氨酸回收率高[12]。试验中碟片分离机的工作转速为4 000～5 000 r/min。取10 m3苏氨酸发酵液进行小试，取1 000 m3苏氨酸发酵液进行中试，分别测定苏氨酸含量、发酵液体积和菌体蛋白湿重，并进入碟片分离机分离。

结果表明，碟片分离机能够分离苏氨酸菌体，发酵液菌体去除率和苏氨酸回收率大于99%。小试中每分离1 m3苏氨酸发酵液耗电量约为4 kWh，中试中每分离1 m3苏氨酸发酵液耗电量约为40 kWh。以苏氨酸碟片分离实验为研究基础，采用高速碟片离心机分离谷氨酸发酵液中的菌体蛋白，确定碟片分离机的工作参数，在保证提取率的前提下降低能耗可以作为该工艺的优化方向。

4 结 论

提取发酵液中菌体蛋白的方法有很多，笔者通过小试、中试和生产实践，比较了不同方法在菌体蛋白提取过程中的优劣特征，优化了不同提取技术的工艺技术参数。在我国全面推进生态文明建设的时代背景下，如何在保证各项生产指标的同时，降低能源消耗，减少污染物排放，是摆在管理人员和科研工作者面前的现实问题。通过不断的理论研究和实践检验，实现发酵液菌体蛋白提取设计理论和方法的不断优化是值得期待的。