碟片離心機(jī)在D-核糖發(fā)酵液預(yù)處理中的應(yīng)用研究
行業(yè)動(dòng)態(tài)
D-核糖是一種重要的五碳單糖，分子式為C5H10O5，常溫下為白色結(jié)晶性粉末，其口感具有清涼的甜味，可溶于水，不溶于醇，易吸收空氣中的水分。D-核糖是核糖核酸（RNA）的重要組成物質(zhì)，具有重要的生理功能及廣闊的應(yīng)用前景。D-核糖作為生物體內(nèi)存在于所有細(xì)胞中的天然成分，與腺苷酸的形成和三磷酸腺苷（ATP）的再生有密切關(guān)系，顯著改善心臟缺血，提升心臟功能，增強(qiáng)肌體能量，緩解肌肉酸痛，是生命代謝基本的能量來源之一。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，D-核糖的制備方法隨之也發(fā)生改變。目前，微生物發(fā)酵法生產(chǎn)D-核糖已取代化學(xué)合成法制備D-核糖，成為工業(yè)生產(chǎn)的主要方法。該方法原材料來源廣泛、成本低廉，又避免了化學(xué)合成法的環(huán)境污染。但是D-核糖發(fā)酵液中含有大量的菌體、蛋白質(zhì)以及色素等小分子雜質(zhì)，使其的后續(xù)提取工序相對復(fù)雜。目前國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)常用的提取工藝主要包括菌體分離、發(fā)酵液脫色、離子交換、樹脂吸附分離和濃縮結(jié)晶等步驟。在菌體分離工序，一般采用板框壓濾機(jī)對D-核糖發(fā)酵液進(jìn)行預(yù)處理，處理效果不甚理想，后續(xù)超濾負(fù)荷大，膜片更換頻繁，生產(chǎn)成本高。本文以碟式離心機(jī)對D-核糖發(fā)酵液進(jìn)行預(yù)處理，對菌體及雜蛋白的除去取得了較為理想的效果，得到了澄清透明的濾液并且體積小，殘留的渣漿體積更小，且處理量大，濾速高，有利于D-核糖的分離提取。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1 實(shí)驗(yàn)原料及設(shè)備
D-核糖發(fā)酵液；
工業(yè)級硫酸；
722紫外可見分光光度計(jì)；
試劑乙醇；
碟片分離機(jī)；
pH計(jì)。
1.2 實(shí)驗(yàn)原理
在D-核糖發(fā)酵液凈化處理工序中，固液分離是必不可少的重要環(huán)節(jié)，且采用合適的設(shè)備對原發(fā)酵液進(jìn)行預(yù)處理，可以大大減輕后續(xù)工藝設(shè)備的損耗，提高后續(xù)設(shè)備的使用壽命及利用率。碟片離心機(jī)專業(yè)用于二相分離和三相分離，其工作原理：被分離的物料輸入該機(jī)的心臟部分即轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部，在強(qiáng)大的離心力的作用下，物料（混合液）經(jīng)過一組碟片束的間隔中，以碟片中性孔為分界面，比重較大的液體（重相）沿碟片壁向中性孔外運(yùn)動(dòng)，其中重渣積聚在沉渣區(qū)，重相則流向大向心泵處。比重較小的液體（輕相）沿碟片壁向內(nèi)向上運(yùn)動(dòng)，匯聚至小向心泵處，輕重相分別由小向心泵和大向心泵輸出。
1.3 實(shí)驗(yàn)方法
D-核糖發(fā)酵液經(jīng)過初步酸化后利用碟片離心機(jī)進(jìn)行濾液分離，控制碟片離心機(jī)進(jìn)口壓力0.2～0.4MPa，出口壓力0.2～0.3MPa根據(jù)排渣周期選擇中間時(shí)間段取樣，取每小時(shí)的混合樣檢測透光度。
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1 設(shè)備參數(shù)的影響
對于碟片離心機(jī)來說，分離因數(shù)是離心機(jī)分離能力的主要技術(shù)指標(biāo)，分離因數(shù)越大，物料所受的沉降力越大，分離效果越好。因此，對固體顆粒小液體粘度大和難分離的懸浮液或乳濁液，要采用分離因數(shù)大的碟式離心機(jī)分離。提高轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速或增大轉(zhuǎn)鼓的直徑，均可增大分離因數(shù)，但增加轉(zhuǎn)鼓的直徑要涉及一系列配件的尺寸，所以采用提高轉(zhuǎn)速的辦法更為合理，改變轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速，從而改變分離因數(shù)，分別取澄清液檢測，結(jié)果如下表所示：
轉(zhuǎn)速（r/min） | 透光度 | 蛋白透光度 |
6600 | 88.7 | 34.9 |
4800 | 54.3 | 21.5 |
3200 | 23.6 | 9.8 |
由上表可知，碟片離心機(jī)的轉(zhuǎn)速越大，分離效果越好，濾液的透光度及雜質(zhì)含量較少，在考慮到機(jī)器自身性能較優(yōu)的基礎(chǔ)上，選擇穩(wěn)定運(yùn)行的轉(zhuǎn)速6600r/min作為中試參數(shù)。
2.2 設(shè)備處理量的影響
碟片離心機(jī)的進(jìn)料量對其的分離效果有著顯著的影響，過大的進(jìn)料量會(huì)使分離效果下降，主要原因是粒子在轉(zhuǎn)筒中的沉降時(shí)間不夠，所以，要想達(dá)到較好的分離效果，固相粒子沉降到轉(zhuǎn)鼓壁上時(shí)間必須小于顆粒在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)停留時(shí)間即必須保證待分離漿液在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的有效停留時(shí)間，使得固體顆粒有足夠的時(shí)間沉降出來。調(diào)節(jié)進(jìn)料量，澄清液和渣液的流量相應(yīng)改變，待運(yùn)行穩(wěn)定后，分別取澄清液，進(jìn)行檢測，結(jié)果如下表所示：
處理量（m3/h） | 透光度 | 蛋白透光度 |
3.2 | 60.1 | 23.2 |
2.6 | 87.6 | 29.8 |
2.0 | 89.1 | 35.2 |
通過上述數(shù)據(jù)可知，進(jìn)料量對碟片離心機(jī)分離效果影響較大，進(jìn)料量越小即生產(chǎn)能力越小，分離效果越好?？紤]分離效果且結(jié)合工藝要求、生產(chǎn)的處理量等多方面因素，根據(jù)物料的不同，結(jié)合工作效率，選取處理量為2.6m3/h，既滿足工藝參數(shù)需求又盡可能的提高產(chǎn)量。
2.3 D-核糖發(fā)酵液酸化的影響
原料的性質(zhì)和品質(zhì)也在一定程度上影響碟片離心機(jī)的分離效果，如固液兩相的密度及密度差、固體顆粒大小、物料黏度等密切相關(guān)。通常，溶液溫度越高，粘度越低，細(xì)小的粒子越容易沉降。經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)D-核糖發(fā)酵液pH，在碟片離心機(jī)分離過程中，發(fā)酵液中的菌體和蛋白質(zhì)，能有效形成較大的絮凝物而快速沉降，并且酸化過程能提高發(fā)酵液的溫度，在相同的操作參數(shù)分離效果更佳，具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見下表所示：
酸化pH | 透光度 | 蛋白透光度 |
5.6 | 59.6 | 21.8 |
4.5 | 76.2 | 26.7 |
3.7 | 88.3 | 33.4 |
從上述數(shù)據(jù)可知，D-核糖發(fā)酵液酸化后可顯著提高濾液的透光度，結(jié)合生產(chǎn)成本及工藝參數(shù)，選擇D-核糖發(fā)酵液酸化范圍為3.7±0.2。
2.4 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果
結(jié)合單個(gè)影響因素的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，初步按照設(shè)定參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果顯示與預(yù)期相符，達(dá)到了比較滿意的結(jié)果。在此基礎(chǔ)之上，采用碟式離心機(jī)分離D-核糖酸化液，中試采用半手動(dòng)方式進(jìn)行多批次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表所示：
批次 | 透光度 | 蛋白透光度 |
1 | 85.2 | 29.3 |
2 | 88.1 | 32.6 |
3 | 86.9 | 30.5 |
4 | 86.3 | 31.2 |
5 | 88.4 | 34.9 |
6 | 87.5 | 34.1 |
7 | 86.2 | 32.2 |
8 | 88.9 | 34.6 |
9 | 87.3 | 33.5 |
通過多次重復(fù)性試驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)性和重復(fù)性良好，實(shí)驗(yàn)證明，采用碟片離心機(jī)對于D-核糖發(fā)酵液進(jìn)行預(yù)處理應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中效果良好。
3 結(jié)論
（1）在D-核糖發(fā)酵液的后續(xù)提取工序中，采用碟片離心機(jī)對于D-核糖發(fā)酵液進(jìn)行預(yù)處理，處理效果快速、有效，減少了濾渣的排放。
（2）D-核糖發(fā)酵液經(jīng)碟片離心機(jī)預(yù)處理后，對于后續(xù)工序如：膜過濾、離交分離、色譜分離等，可以顯著降低對于膜片、樹脂、活性炭的污染，明顯提高了其利用率，對于降低D-核糖生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量有著積極重要的意義。
