，，

(1.呼倫貝爾東北阜豐生物科技有限公司，內蒙古 呼倫貝爾 162650；2.山東阜豐發(fā)酵有限公司，山東 臨沂 276600)

目前，發(fā)酵法生產菌體蛋白飼料被廣泛應用。王雅波等[1]以玉米皮為原材料，采用酵母菌發(fā)酵的方法降解玉米皮中的纖維素類物質，使其充分轉化為高附加值的飼料蛋白；沈維亮等[2]以甘薯淀粉加工廢渣為原料，研究了以釀酒酵母、產朊假絲酵母以及雙菌混合培養(yǎng)生產菌體蛋白的工藝；李洋等[3]對茶粕固態(tài)發(fā)酵生產微生物蛋白飼料的菌種進行篩選試驗，結果表明選用黑曲霉、米曲霉、綠色木霉和產朊假絲酵母組成的混合菌種是茶粕發(fā)酵生產微生物蛋白飼料的最優(yōu)混合菌種。

1 發(fā)酵液成分分析

氨基酸生產中普遍采用微生物發(fā)酵法，菌體留存于發(fā)酵液中，成為發(fā)酵廢母液有機污染物的一部分，菌體蛋白含有豐富的蛋白質和其他營養(yǎng)物質[4]。氨基酸提取工藝不同，廢母液中的成分也不同。廢母液中含有大量的菌體[5]，它是一種單細胞蛋白，有一定的經濟價值。谷氨酸菌體蛋白中粗蛋白質含量高，具有較高的飼用價值[6]。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[7]。提高發(fā)酵液中菌體蛋白的提取率，既可以實現資源的高效利用，增加產品附加值，又可以減輕后續(xù)廢水處理和煙氣治理的壓力，是實現企業(yè)清潔生產的重要環(huán)節(jié)。發(fā)酵液中含有豐富的蛋白質，對干燥后菌體蛋白的化學成分分析發(fā)現谷氨酸廢棄菌體中蛋白質的含量高達85.8%，總氨基酸含量為78.77%，高于目前蛋白酶解物常用的原料[8]。其氨基酸種類比較齊全，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。此外，谷氮酸發(fā)酵過程中所加入的糖類物質與谷氨酸一起經過發(fā)酵后會生成低聚異麥芽糖。

呼倫貝爾東北阜豐生物科技有限公司委托山東省農業(yè)科學院農業(yè)質量標準與檢測技術研究所及SGS檢測公司對一批提取蛋白后的谷氨酸發(fā)酵尾液進行了檢測。結果表明發(fā)酵液中除了含有作為制作肥料的原料所需的氮、磷和鉀等元素外，還含有大量的氨基酸和蛋白質。對18種氨基酸進行檢測，結果顯示：尾液中總氨基酸質量分數在3.00%～3.30%，其中谷氨酸占總氨基酸百分比為60%～63.6%，蘇氨酸占總氨基酸百分比為5.33%～18.18%，丙氨酸占總氨基酸百分比為7%～12.12%，天冬氨酸占總氨基酸百分比為2.33%～3.03%。檢測樣品來源于公司實際生產中的菌體蛋白提取后的發(fā)酵尾液，成份穩(wěn)定。從成份分析可以看出：提取菌體蛋白后的發(fā)酵尾液仍有一定的利用價值，在生產過程中通過改進工藝技術參數，提高菌體蛋白的提取率，實現對發(fā)酵液的更加充分、有效的利用，仍有一定的理論和實踐探索空間。發(fā)酵尾液的檢測結果為蛋白提取工藝提供了一定的理論依據。

2 絮凝沉淀法提取蛋白工藝概述及優(yōu)化

2.1 蛋白提取工藝概述

田曉燕等[9]的實驗研究表明：選取聚丙烯酸鈉作為絮凝劑，絮凝劑質量分數為0.2%時效果較好，發(fā)酵液的溫度在50～60 ℃為最佳。在大規(guī)模生產實踐中，逐漸摸索出一套菌體蛋白提取的工藝技術和相關控制參數。主要控制過程包括化藥操作、蛋白提取和蛋白烘干等。

2.1.1 化藥操作

檢查化藥用水的各項指標，COD控制在10 mg/L以下，pH 6～8，電導率低于20，溫度35～50 ℃。來水指標正常后，先在清水罐內加滿水，然后將清水和聚丙烯酸鈉打到半成品罐，根據現有化藥罐的容積，攪拌并配制絮凝劑。以V(聚丙烯酸鈉)∶V(水)=1∶400配制化藥罐，絮凝劑的配制比例根據料液的蛋白提取難度進行調整，當料液中的蛋白量多、黏度大時，可適當提高絮凝劑配制比例，一般不超過3∶1 000，再通過調整絮凝劑的流加比例，促進蛋白提取，一般絮凝劑與物料的流加體積比例為V(絮凝劑)∶V(物料)=1∶10，如蛋白提取效果不好，流加比例不超過3∶25。配制藥水的水溫為45～55 ℃，但實際水溫偏高，一般控制在60 ℃以下。先在罐內加入滿水，控制溫度，開啟攪拌，加入配制好的絮凝劑，攪拌均勻，化好的溶液應無塊狀絮凝劑。化藥時間從開始加絮凝劑到使用化好的藥液的時間控制在6 h之內。

2.1.2 蛋白提取

提取物料為谷氨酸車間尾液，正常生產時物料的pH為3.0～4.0，pH過高或過低都會影響蛋白的提取收率。調節(jié)來水料液與儲存罐料液的pH為3.0～4.5，pH過高或過低時通過調節(jié)存儲罐里高段濃污和低段濃污調整；同時應檢查用藥量是否過少?？刂迫芩幩疁囟?0～60 ℃，噴射器提取菌體蛋白溫度40～60 ℃，開始提取菌體蛋白。提取蛋白后料液應清澈透明，蛋白上浮狀態(tài)良好。如漂浮效果差，需適當提高溫度。保持板框壓力0.2～0.6 MPa，箱式壓濾機溫度70～90 ℃，隔膜壓濾機溫度40～60 ℃。蛋白上浮不好時應開大空氣閥，檢查提取溫度，溫度過低時及時開大蒸汽閥。濕蛋白水分控制在40%～55%。提取罐運行過程中大部分蛋白會漂浮于罐頂，少量的蛋白沉降于罐底(具體比例可通過實驗獲取)，每8 h打開底閥將罐底部分打入加溫罐與罐頂部分蛋白混合，提取罐中間清液部分通過溢流管流入漂浮槽，清液在漂浮槽內再次沉降，沉降后的清液打入蒸發(fā)器進行濃縮，沉降物料中蛋白質量百分數約為5%～7%，將此物料每8 h打入加溫罐與提取前的蛋白混合，通過箱式板框進行過濾，濾液打入蒸發(fā)器進行濃縮，經檢測蛋白質量百分數為4.0%左右。蛋白提取的工藝流程如圖1所示。

圖1 絮凝沉淀提取菌體蛋白的工藝流程Fig.1 Process of flocculation and precipitation extraction of microbial protein

2.1.3 蛋白烘干

及時觀察并調整機尾溫度在80～130 ℃，機頭溫度在150 ℃以上，控制爐膛溫度在1 100 ℃以下。觀察烘干機的出料情況，按照料的干濕度確定加料速度，保證蛋白粉的含水量在8%～12%之間。

2.2 生產過程中的優(yōu)化途徑

在實際生產中，可以采用二次提取法提取菌體蛋白。實踐表明，濃污的溫度是35 ℃左右，最佳的提取溫度是42 ℃，所以提取過程還需要加溫，然后添加絮凝劑(聚丙烯酸鈉)，利用氣浮法提取，提取后的廢水經二級漂浮槽進行二次提取，然后進入板框壓濾機進行脫水，再利用滾筒烘干機進行烘干。提取效率方面，一次提取效率是90%，二次提取效率為95%～97%，菌體蛋白殘留量為3%～5%，烘干過程中菌體蛋白有時存在焦糊的情況。本工藝還有改進的空間，例如目前蛋白提取用的絮凝劑是聚丙烯酸鈉，成本相對較高，因此可以對絮凝劑的選擇做進一步研究，在提高提取效率的同時降低生產成本。另外，針對二次提取時漂浮槽內部分菌體下沉產生沉淀而較難收集等情況可以根據沉降特性進行工藝設備的優(yōu)化。

此工藝中大分子絮凝劑的引入造成飼料的營養(yǎng)價值大幅度下降，利用價值降低，經濟效益不明顯。近年來，由于菌體回收利用技術的發(fā)展，部分菌體被更好地回收利用。例如劉旭等[10]的研究結果表明谷氨酸發(fā)酵廢菌體經過最佳工藝水解后，其水解液可以用作發(fā)酵產γ-聚谷氨酸的氮源。

3 碟片分離提取蛋白的工藝技術研究

3.1 碟片分離菌體工藝流程

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)。懸浮液由位于轉鼓中心進料管加入轉鼓，當懸浮液流過碟片之間的間隙時，固體顆?；蛞旱卧陔x心機的作用下沉降到碟片上形成沉渣或液層，沉渣沿碟片表面滑動而脫離碟片并積聚在轉鼓內直徑最大的部位，分離后的液體從液口排出轉鼓。碟片的作用是縮短固體顆?；蛞旱蔚某两稻嚯x，擴大轉鼓的沉降面積，轉鼓中由于安裝了碟片而大大提高了分離機的生產能力[11]。碟片分離菌體工藝流程如圖2所示。

圖2 碟片分離提取菌體蛋白的工藝流程Fig.2 Process of separation and extraction of microbial protein by disk

3.2 碟片分離機分離菌體實驗研究及優(yōu)化方向

在選取特定設備參數的前提下，通過小試和中試生產比較了碟片分離與陶瓷膜分離對蘇氨酸發(fā)酵液的蛋白提取效果，結果表明采用碟片分離發(fā)酵液菌體生產成本低、蘇氨酸回收率高[12]。試驗中碟片分離機的工作轉速為4 000～5 000 r/min。取10 m3蘇氨酸發(fā)酵液進行小試，取1 000 m3蘇氨酸發(fā)酵液進行中試，分別測定蘇氨酸含量、發(fā)酵液體積和菌體蛋白濕重，并進入碟片分離機分離。

結果表明，碟片分離機能夠分離蘇氨酸菌體，發(fā)酵液菌體去除率和蘇氨酸回收率大于99%。小試中每分離1 m3蘇氨酸發(fā)酵液耗電量約為4 kWh，中試中每分離1 m3蘇氨酸發(fā)酵液耗電量約為40 kWh。以蘇氨酸碟片分離實驗為研究基礎，采用高速碟片離心機分離谷氨酸發(fā)酵液中的菌體蛋白，確定碟片分離機的工作參數，在保證提取率的前提下降低能耗可以作為該工藝的優(yōu)化方向。

4 結 論

提取發(fā)酵液中菌體蛋白的方法有很多，筆者通過小試、中試和生產實踐，比較了不同方法在菌體蛋白提取過程中的優(yōu)劣特征，優(yōu)化了不同提取技術的工藝技術參數。在我國全面推進生態(tài)文明建設的時代背景下，如何在保證各項生產指標的同時，降低能源消耗，減少污染物排放，是擺在管理人員和科研工作者面前的現實問題。通過不斷的理論研究和實踐檢驗，實現發(fā)酵液菌體蛋白提取設計理論和方法的不斷優(yōu)化是值得期待的。