苏氨酸生产中末次母液再利用探讨

(长春大成实业集团有限公司，吉林 长春 130062)

近年来，随着循环经济管理模式的发展，企业不断探讨可持续循环利用，最大限度利用资源、保护环境，提高产品附加值和企业竞争力，使经济效益和生态环境实现共赢[1]，而从母液中回收苏氨酸具有很大的经济价值。合理的利用母液进行工艺回用，是体现苏氨酸生产工艺先进合理的必然[2]，其中母液的处理是精制收率的关键，主要是由于其特殊的理化指标，在生产后期提取、精制过程中，苏氨酸生产跟谷氨酸和赖氨酸生产有很大差别。氨基酸生产中普遍采用生物发酵法，菌体留存于发酵液中，成为发酵废母液有机污染源的一部分。菌体蛋白含有丰富的蛋白质，与其他营养物质的氨基酸提取工艺和废母液成分均不同[3]，其废母液中含有大量的菌体、氨基酸、糖类。苏氨酸生产过程中大部分是以玉米浆及糖蜜作为发酵氮源，由于玉米浆含有丰富的氨基酸、还原糖、磷、微量元素和生长素等营养物质[4]，通过苏氨酸转化菌进行发酵，发酵液经陶瓷膜设备过滤，将其中的菌体蛋白等杂质去除，但是陶瓷膜过滤处理截留菌体蛋白只占发酵液体积的20%左右[5]，过滤后上清液再经浓缩结晶、离心分离、干燥、筛分和包装等工艺操作，生产出苏氨酸成品，此过程中将产生大量的废母液，其成分包括苏氨酸、杂质氨基酸、蛋白质、残糖和无机盐，将其卖给饲料添加剂厂，会降低母液的价值；直接排放到环境中，则会造成极大的浪费和污染[6]，如何合理处置这些废母液是一个难题。

笔者以苏氨酸末次母液为研究对象,对末次母液进行硫酸水解处理,使末次母液中的二糖或多糖水解成可利用的单糖，然后再回收苏氨酸,旨在提供一种高效、经济的末次母液中苏氨酸分离回收方法,同时也为其工业化应用提供参考依据。

1 苏氨酸母液的处理

苏氨酸母液的处理问题，一直是国内外关注的热点。国内部分企业采取污水处理后排放的方法，高浓度的有机废水处理费用高，周期长，对环境影响较大。采用母液制造化肥，或利用再提取工艺处理母液，缺点是环境污染严重，成本高，质量不稳定。离子交换柱法，进行处理后再提取，具有收率较高，脱色、脱糖效果明显等优点，但是其设备昂贵、运行费用较高、用于大规模生产时效益低。少数企业采取膜分离技术和分离营养物质、无机盐等方法来处理母液。膜分离技术具有操作方便设备简单和节能环保等优点；但由于膜材料生产技术的局限性和技术流程，膜在压力下，不可避免地会被栓患，容易被污染，会断丝，必须定期反洗、清洁、检查，后期运营成本很高[7]。多数企业采用多效蒸发喷雾干燥生产固体有机复混肥技术处理。废水在达标后排放，这是一条处理发酵母液切实可行的途径。采用色谱分离技术回收苏氨酸母液可以有效地将色素、无机盐、糖与苏氨酸分开，提高苏氨酸回收率，降低生产损失[8]，但是没有大规模应用于生产，操作不稳定。最近，又有人通过实验改变电渗析操作条件,如脱盐溶液流量、电渗析电流密度等,探究氨基酸发酵母液电渗析脱盐的最佳条件,为工业废水的处理提供可行方法[9]。

通过使用硫酸调pH值，经加热水解将苏氨酸母液内多糖转化为单糖，水解后母液回投至发酵罐再利用，提高糖使用率，为生物方法改善母液浓度提供理论依据。采用水解降低母液糖浓度后处理母液，可直接降低残糖含量，提高成品收率。此方法可降低生产成本、降低能耗及减少污染物的排放，保护环境。设计采用再水解技术处理苏氨酸母液。硫酸按适当pH值加入苏氨酸母液中，在一定温度及作用时间后，将母液中发酵过程剩余的残糖(其主要成分为无还原性的多糖)转化为具有还原性的单糖及二塘。母液中的苏氨酸没有变化，此时的母液称为水解母液。

2 材料与方法

2.1 实验药品

标准氨基酸溶液；醋酸缓冲液；醋酸钠溶液；茚三酮显色液；乙二醇甲醚溶液；乙醇；苏氨酸发酵液，松原大成生化科技开发有限公司。

2.2 实验器材

100，500 mL容量瓶、1，10 mL吸量管、25，50 mL酸式滴定管，天津市天科玻璃仪器制造有限公司(天玻)；150，500 mL广口三角瓶、100,500 mL烧杯、10，25，100 mL量筒，成都晶花玻璃仪器有限责任公司 (晶花)；100 mL薄层色谱展开缸，上海信谊仪器厂；pH电极0-14，上海仪电科学仪器股份有限公司。

2.3 实验设备

磁力加热搅拌器CJJ-781，上海仪电科学仪器股份有限公司；快速混匀器SK-1，常州市金坛区环宇科学仪器厂；茂福炉M-2.8-10，上海仪电科学仪器股份有限公司；精密酸度计pHX-3C 0-14pH，上海康路仪器设备有限公司；分析天平TG328A，上海奕宇有限公司；水分快速测定仪SH10A，泰州市宜信得仪器仪表有限公司；分光光度计WFJ-1，宁波市镇海三爱仪器厂；电热恒温水浴锅二列四孔HH-S21-N14，上海康路仪器设备有限公司；电热蒸溜水器WSZ226-77，宁波市镇海三爱仪器厂；离心机LD5-2A，上海信谊仪器厂。

2.4 检测方法

比色法，其中糖的检测方法为斐林试剂法。

3 结果与分析

3.1 水解pH值对母液水解效果的影响

取300 mL第三批次母液，各取100 mL用硫酸调pH至2.5，3.0，3.5，4.0，4.5，于90 ℃水浴加热2 h，取样检测各参数，苏氨酸末次母液水解不同pH确定试验对比分析如表1所示。

表1 苏氨酸末次母液水解不同pH值确定试验对比分析Table 1 Comparative analysis of determination of different pH values for hydrolysis of final mother liquor of threonine

由表1可知：苏氨酸末次母液分别在pH 2.5，3.0，3.5，4.0，4.5水解时，pH 3.5苏氨酸末次母液水解效果较好，还原糖质量浓度最高。

3.2 水解温度对母液水解效果的影响

取300 mL第三批次母液，各取100 mL用硫酸调pH值至3.5，分别80，85，90，95，100 ℃水浴加热2 h。苏氨酸末次母液水解不同温度下确定试验对比分析如表2所示。

由表2可知：苏氨酸末次母液分别在80，85，85，90，95，100 ℃水解时,90 ℃苏氨酸末次母液水解效果较好，还原糖质量浓度最高。

表2 苏氨酸末次母液水解不同温度下确定试验对比分析Table 2 Comparative analysis of determination tests at different temperatures for hydrolysis of the final mother liquor of threonine

3.3 水解时间的确定

取300 mL第三批次母液，各取100 mL用硫酸调pH值至3.5，90 ℃水浴，分别加热1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 h进行实验，苏氨酸末次母液水解时间段确定试验对比分析如表3所示。

表3 苏氨酸末次母液水解时间段确定试验对比分析Table 3 Comparative analysis of the determination test of the hydrolysis period ofthe last mother liquor of threonine

由表3可知：苏氨酸末次母液分别在1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 h进行实验90 ℃水解，在2.0 h时苏氨酸末次母液水解效果较好，还原糖质量浓度最高。

3.4 重复性试验

在pH 3.5，90 ℃，水解时间2 h的优化的水解条件下进行实验，苏氨酸末次母液水解情况如表4所示。

表4 苏氨酸末次母液水解pH 3.5，90 ℃，水解时间2 h试验分析Table 4 pH 3.5,90 ℃, 2 h hydrolysis time of the final mother liquor of threonine

由表4可知：在最佳pH 3.5和最适温度90 ℃条件下，还原糖、总糖、苏氨酸的质量浓度和氨氮质量分数、干物质量分数、黏度的实验结果满足实验工艺要求。

3.5 水解母液的再利用研究

取第三批按V(苏氨酸末次母液)∶V(发酵液)=1∶9投料，培养3 h后检测还原糖、总糖、苏氨酸的质量浓度和氨氮质量分数、干物质量分数、pH、黏度实验结果如表5所示。

表5 V(苏氨酸末次母液)∶V(发酵液)=1∶9混合发酵液培养3 h后检测分析Table 5 Detection and analysis of the final thonine mother liquor and fermentation broth 1∶9 mixed fermentation broth after culture for 3 h

由表5可知：经过水解作用的母液中还原糖能被利用。此实验方法具有一定可行性，在大规模生产中具有相当优势，且有一定利润空间。

4 结 论

利用高温水解，将苏氨酸末次母液多糖中的二糖或多糖等不能被菌种利用的、没有还原性的糖转化为具有还原性的单糖，降低糖含量，使其能够被再次利用。通过设计最佳水解工艺条件，实验确定了适宜pH、温度、时间等水解条件，为发酵行业母液处理提供了全新的思路。正常苏氨酸生产收率为88%，而使用酸法水解苏氨酸末次母液，苏氨酸回收率可达到98.6%，提高了10.6%。按年产3 万吨苏氨酸计算，可创造直接经济效益2 544 万元。