一种节能降耗生产赤藓糖醇的方法与流程

1.本发明涉及生物化学领域，尤其涉及一种节能降耗生产赤藓糖醇的方法。


背景技术：

2.赤藓糖醇(erythritol)，又名原藻醇，属于多元醇家族，广泛存在于水果、蔬菜及各类发酵食品中。因其具有甜味特性，1999年6月被国际食品添加剂委员会批准作为食品甜味剂。随着研究的逐步深入，赤藓糖醇的独特性质被揭开，其应用领域也更加广阔。
3.赤藓糖醇的生产以淀粉为原料有两条工艺途径，即化学法和发酵法。化学法是将淀粉用高碘酸法生成双醛淀粉，再经氢化裂解生成赤藓糖醇和其他衍生物，因此化学法的流程长，成本高，无法与发酵法比拟。发酵法是先将淀粉酶法液化、糖化成葡萄糖，然后采用高渗透性酵母细胞发酵，使葡萄糖转化成赤藓糖醇。其生产流程为：淀粉-液化-糖化-葡萄糖-生产菌株发酵-菌体过滤-净化-浓缩-结晶-分离-干燥，最后得到赤藓糖醇，我国的生产企业以发酵法为主。
4.我国发酵法生产赤藓糖醇多采用解脂假丝酵母，该酵母细胞能在高渗透压环境下推动自身代谢积累赤藓糖醇，解脂假丝酵母生产赤藓糖醇过程具有培养基有机氮源丰富和渗透压高、周期较长、自然ph发酵等特点。
5.目前，赤藓糖醇发酵培养基仍采用高温蒸汽灭菌消毒，灭菌过程存在能源消耗，且高温灭菌过程会导致发酵培养基营养物的破坏。例如，蒸汽灭菌过程会导致葡萄糖部分转变为果糖，而生产酵母细胞具有典型的葡萄糖效应，优先利用葡萄糖，导致果糖易残留在发酵液中，进而影响赤藓糖醇的提纯过程；高温处理后，培养基中的氨基酸和葡萄糖发生羰氨反应，使氨基酸类营养物遭到破坏，赤藓糖醇收率降低。
6.目前，现有的生产工艺中赤藓糖醇发酵液需使用陶瓷膜设备过滤去除酵母细胞。此过程采用高压泵加压，采用错流循环过滤的形式。而过滤过程中形成的高压和剪切力使酵母细胞大量裂解，细胞内的物质溶出，导致过滤后发酵液中蛋白、色素以及离子等杂质增多，对后面的提取纯化工序造成影响。
7.综上可知，现有技术在实际使用上显然存在不便与缺陷，所以有必要加以改进。


技术实现要素：

8.本发明针对现有生产技术存在能源过度消耗的问题，提出一种节能降耗生产赤藓糖醇的方法，能够使生产赤藓糖醇过程中减少高温对营养物的破坏，提高收率，同时降低能耗。
9.为解决上述技术问题，本发明提出一种节能降耗生产赤藓糖醇的方法，包括以下步骤：
10.步骤一，将膜组件与发酵罐使用蒸汽消毒灭菌，灭菌后备用。
11.步骤二，制备发酵培养基，先将所述发酵培养基经过装有0.1~0.5 μm孔径膜芯的膜组件进行过滤除菌，然后再将所述发酵培养基泵入发酵罐中，使用热水或纯水将管道内
残余的培养基推入发酵罐，得到无菌的赤藓糖醇发酵培养基；赤藓糖醇发酵培养基的葡萄糖质量浓度为22~35%；由于赤藓糖醇发酵培养基的葡萄糖浓度高，导致渗透压高；赤藓糖醇发酵培养基为自然ph发酵，发酵过程由ph6左右自然降至ph3左右；利用赤藓糖醇发酵过程抗染菌能力强的特点，采用膜过滤除菌，去除培养基中的杂菌；以上高渗透压和低ph条件下其他微生物很难生长，为采用膜过滤除菌提供了条件。
12.本发明所指的自然ph发酵，是发酵培养基在发酵罐中，只依靠自身的发酵反应将ph为6左右，自然降至ph为3左右，而无需加入任何其他酸碱调节剂。
13.赤藓糖醇发酵培养基中葡萄糖含量较高，致使绝大多数微生物在发酵液中无法正常生长繁殖，且发酵种子液接种量较大，使酵母细胞能够迅速形成优势菌。随着酵母细胞生长，发酵液由ph6左右自然降至ph3左右，在ph3环境下多数微生物无法生长。
14.步骤三，往赤藓糖醇发酵培养基中接入酵母细胞并通入无菌空气进行发酵培养，发酵结束得发酵液。
15.步骤四，所述发酵液移入发酵液储罐中，开启搅拌和冷水，使发酵液降温至15~18℃，关闭搅拌，静置20~24 h，使酵母细胞自然沉降到发酵液储罐底部，使发酵液分为酵母细胞和上清液，所述酵母细胞自发酵液储罐的底部放出，实现酵母细胞和上清液分离；利用赤藓糖醇生产菌株能够静置后沉降的特点，实现清液和酵母细胞的低能耗沉降分离，减少了后期膜分离工序的生产负荷。
16.步骤五，所述上清液经纳滤、吸附去除杂质，得到赤藓糖醇提取液。
17.步骤六，所述赤藓糖醇提取液经浓缩、结晶、烘干得到赤藓糖醇成品。
18.根据本发明的一种节能降耗生产赤藓糖醇的方法，所述步骤一中的蒸汽消毒灭菌操作为：所述膜组件和发酵罐通入蒸汽升温至90~100℃，维持15~30 min。
19.根据本发明的一种节能降耗生产赤藓糖醇的方法，所述步骤二中的制备发酵培养基操作为：所述发酵培养基包含的物料有葡萄糖220~350 g/l、有机氮源8~12 g/l、柠檬酸铵4~7 g/l、磷酸二氢钾2~4 g/l、七水硫酸镁1~1.2 g/l、酵母膏8~10 g/l，使用纯水将所述物料进行溶解，使用氨水将溶解后的物料调节ph值至6~6.5；所述溶解过程采用65~80℃热水；物料溶解25~30 min，无明显不溶物，得到所述发酵培养基。充分溶解的培养基经过装有0.1~0.5 μm孔径膜芯的膜组件过滤除菌泵入发酵罐中，使用热水或纯水将管道内残余的培养基推入发酵罐，得到无菌的赤藓糖醇发酵培养基。
20.根据本发明的一种节能降耗生产赤藓糖醇的方法，所述步骤三中的发酵培养操作为：所述发酵培养基中按照体积占比为12~16%的接种量，接入酵母细胞种子液，温度30~32℃，通入无菌空气，通风比为0.2~0.5 vvm，搅拌200~400 r/min，罐压0.05~0.1 mpa，自然ph发酵，当葡萄糖浓度低于5 g/l时，停止发酵，得到所述发酵液。
21.根据本发明的一种节能降耗生产赤藓糖醇的方法，所述步骤四中，所述发酵液储罐为锥底罐，排出酵母细胞时，给所述发酵液储罐自罐顶通入空气加压，将锥底处酵母细胞压出罐体，得到所述上清液。
22.根据本发明的一种节能降耗生产赤藓糖醇的方法，所述步骤五中的纳滤操作为：所述上清液通过分子量为200~350 da的纳滤膜芯去除部分色素、蛋白等杂质得到赤藓糖醇的透析液，当膜通量降低50~60%时，添加纯水进一步透析，直到浓相中赤藓糖醇含量降至1%以下。
23.根据本发明的一种节能降耗生产赤藓糖醇的方法，所述步骤五中的吸附操作为：所述透析液加入活性炭吸附，活性炭添加量为透析液体积的1~2%，开启搅拌转速为100~200 rpm，温度70~75℃维持1.5~4 h，分光光度计600 nm测定透光率＞85%；活性炭吸附完成后，采用板式过滤机过滤，除去活性炭和其他蛋白类杂质，滤液通过强酸性阳树脂柱和强碱性阴树脂柱去除游离离子，树脂柱高径比5:1至7:1，树脂柱内壁衬防腐层，每小时进料流速为树脂体积的2~5倍，进料温度为40~50℃，处理后的料液电导率＜100 μs/cm，得到所述赤藓糖醇提取液。
24.根据本发明的一种节能降耗生产赤藓糖醇的方法，所述步骤六中的浓缩操作为：所述赤藓糖醇提取液进入浓缩蒸发器，蒸发器控制温度75~85℃，真空度为-0.08 mpa~-0.095 mpa，直至料液的密度浓缩至1.2~1.25 kg/l，得到浓缩液。
25.根据本发明的一种节能降耗生产赤藓糖醇的方法，所述步骤六中的结晶操作为：所述浓缩液进入结晶罐，结晶罐带有搅拌器，并对结晶罐降温，以每小时下降2~5℃的速度降温直至10~15℃，获得晶浆液。
26.根据本发明的一种节能降耗生产赤藓糖醇的方法，所述步骤六中的烘干操作为：所述晶浆液进入离心机分离出湿晶体与母液，所述湿晶体在最终脱水过程中使用纯水洗涤去除晶体表面杂质，分离后的湿晶体含水量＜3%，所述湿晶体进入烘干系统，带走湿晶体中的水分，最终得到水分＜0.2%的赤藓糖醇成品。
27.本发明与现有技术相比存在以下优势：
28.1、利用赤藓糖醇发酵过程抗染菌能力强的特点，采用膜过滤除菌，去除培养基中的杂菌。该技术与现有高温灭菌相比，能够减少高温对营养物的破坏，提高了赤藓糖醇生产收率，同时降低能耗。
29.2、利用赤藓糖醇生产菌株能够静置后沉降的特点，实现清液和酵母细胞的低能耗沉降分离，避免了陶瓷膜过滤导致的多种杂质的释放，且减少了后面的提取纯化工序的负担，降低了能耗，提高了生产收率。
具体实施方式
30.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
31.本发明提供一种节能降耗生产赤藓糖醇的方法，包括以下步骤：
32.步骤一，将膜组件与发酵罐使用蒸汽消毒灭菌，灭菌后备用。
33.步骤二，制备发酵培养基，发酵培养基经过装有0.1~0.5 μm孔径膜芯的膜组件过滤除菌泵入发酵罐中，使用热水或纯水将管道内残余的培养基推入发酵罐，得到无菌的赤藓糖醇发酵培养基。利用赤藓糖醇发酵过程抗染菌能力强的特点，采用膜过滤除菌，去除培养基中的杂菌；所述发酵培养基包含的物料有葡萄糖200~350 g/l、有机氮源8~12 g/l、柠檬酸铵4~7 g/l、磷酸二氢钾2~4 g/l、七水硫酸镁1~1.2 g/l、酵母膏8~10 g/l，使用纯水将所述物料进行溶解，使用氨水将溶解后的物料调节ph值至6~6.5；所述溶解过程采用65~80℃热水，能够加快物料溶解速度；物料溶解20~30 min，无明显不溶物，得到培养基。赤藓糖醇发酵培养基的葡萄糖质量浓度为20~35%，渗透压高，且自然ph发酵，其中葡萄糖含量在20%以上，发酵过程由ph6左右自然降至ph3左右，以上高渗透压和低ph条件下，其他微生物
很难生长，为采用膜过滤除菌提供了条件。通过膜过滤方式除菌消毒，在达到正常的生产无菌要求前提下，不仅减少了蒸汽消耗，节能减排，而且培养基颜色较浅，降低了后续提取工序的生产负荷。同时避免了高温灭菌过程对发酵培养基营养物的破坏，进一步提高了提取生产收率。
34.步骤三，往所述赤藓糖醇发酵培养基中接入酵母细胞并通入无菌空气进行发酵培养，发酵结束得发酵液；所述发酵培养基中按照体积占比12~16%的接种量接入酵母细胞种子液，温度30~32℃，通入无菌空气，通风比为0.2~0.5 vvm，搅拌200~400 r/min，罐压0.05~0.1 mpa，自然ph发酵，当葡萄糖浓度低于5 g/l时，停止发酵，得到发酵液。
35.步骤四，所述发酵液移入发酵液储罐中，开启搅拌和冷水，使发酵液降温至15~18℃，关闭搅拌，静置16~24 h，使酵母细胞自然沉降到发酵液储罐底部，使发酵液分为酵母细胞和上清液，所述酵母细胞自发酵液储罐底放出，实现酵母细胞和上清液分离；所述发酵液储罐为锥底罐，发酵液温度降低至15~18℃，发酵液在罐内静置超过20 h，使酵母细胞完全自然沉降至罐底，取样检测发酵液无肉眼可见悬浮物；排出酵母细胞时，给所述发酵液储罐自罐顶通入空气加压，将锥底处酵母细胞压出罐体。利用赤藓糖醇生产菌株能够静置后沉降的特点，实现清液和酵母细胞的低能耗沉降分离，减少了后期膜分离工序的生产负荷，其有益效果在于能够免去陶瓷膜过滤工艺，减少设备投入成本和膜过滤工艺的能源消耗，并且避免了陶瓷膜过滤导致的多种杂质的释放，减少了后面的提取纯化工序的负担，降低了能耗，提高了生产收率。
36.步骤五，所述上清液经纳滤、吸附去除杂质，得到赤藓糖醇提取液；所述上清液通过分子量为200~350 da的纳滤膜芯去除杂质得到赤藓糖醇透析液，当膜通量降低50~60%时，添加纯水进一步透析，直到浓相中赤藓糖醇含量降至1%以下；透析液加入活性炭吸附色素和其他大分子物质，活性炭添加量为透析液体积的1~5%，开启搅拌转速为100~200 rpm，温度70~75℃维持1.5~4 h，活性炭吸附完成后，采用板式过滤机过滤，除去活性炭和其他蛋白类杂质，滤液通过强酸性阳树脂和强碱性阴树脂去除金属离子，处理后的料液电导率＜100 μs/cm；当树脂处理能力下降时，采用4%~7%的盐酸或氢氧化钠再生处理。
37.步骤六，所述赤藓糖醇提取液经浓缩、结晶、烘干得到赤藓糖醇成品。
38.根据本发明的一种节能降耗生产赤藓糖醇的方法，所述步骤一中的蒸汽消毒灭菌操作为：所述膜组件和发酵罐通入蒸汽升温至90~100℃，维持15~30 min。
39.优选地，步骤五中使用的活性炭为食品级活性炭，过滤设备采用插板式阿玛过滤机，过滤初期通过循环进料在滤板上形成活性炭滤饼，直至滤出液澄清后开始过滤并排放清液；所使用的阿玛过滤机滤板采用不锈钢316l材质滤网；过滤后清液采用分光光度计600 nm测定透光率，清液透光应＞85%；树脂柱高径比5:1至7:1，树脂柱内壁衬防腐层，每小时进料流速为树脂体积的2~5倍，进料温度为40~50℃。
40.根据本发明的一种节能降耗生产赤藓糖醇的方法，所述步骤六中的浓缩操作为：所述赤藓糖醇提取液进入浓缩蒸发器，蒸发器控制温度75~85℃，真空度为-0.08 mpa~-0.095 mpa，直至料液的密度浓缩至1.2~1.25 kg/l，得到浓缩液。
41.根据本发明的一种节能降耗生产赤藓糖醇的方法，所述步骤六中的结晶操作为：所述浓缩液进入结晶罐，结晶罐带有搅拌器，并对结晶罐降温，以每小时下降2~5℃的速度降温直至10~15℃，获得晶浆液。
42.根据本发明的一种节能降耗生产赤藓糖醇的方法，所述步骤六中的烘干操作为：所述晶浆液进入离心机分离出湿晶体与母液，所述湿晶体在最终脱水过程中使用纯水洗涤去除晶体表面杂质，分离后的湿晶体含水量＜3%，所述湿晶体进入烘干系统，带走湿晶体中的水分，最终得到水分＜0.2%的赤藓糖醇成品。
43.实施例1
44.一种节能降耗生产赤藓糖醇的方法，包括以下步骤：
45.步骤一：将膜组件和发酵罐使用蒸汽加热至90
°
c，维持30 min；处理过程中产生的冷凝水应及时从排污管道排出；处理后的膜组件管道和发酵罐保压备用。
46.步骤二：发酵培养基包含葡萄糖220 g/l，有机氮源8 g/l，柠檬酸铵4 g/l，磷酸二氢钾2 g/l，七水硫酸镁1 g/l，酵母膏8 g/l。按照50 m
³
的发酵培养基体积称取各营养物，颗粒状物料使用小型筛机分筛，将分出的大颗粒先粉碎后再进行溶解。使用纯水将物料进行溶解，氨水调节ph值至6，使用搅拌溶解混合均匀。
47.溶解过程采用65℃热水，能够加快物料溶解速度；所使用的培养基成分均为食品级；物料溶解后，应取样观察物料溶解状态，搅拌混匀25 min直至物料澄清，无明显不溶物，得到培养基。
48.将溶解好的培养基经过装有0.1 μm孔径膜芯的膜组件过滤除菌泵入发酵罐中，最后使用热水或纯水将管道内残余的培养基推入发酵罐中，得到无菌的赤藓糖醇发酵培养基；赤藓糖醇发酵培养基的葡萄糖质量浓度为22%。
49.步骤三：按照体积占比12%的接种量接入酵母细胞种子液，温度30℃，通入无菌空气，通风比为0.2 vvm，搅拌200 r/min，罐压0.05 mpa，自然ph发酵，当葡萄糖浓度低于5 g/l时，停止发酵。
50.步骤四：发酵结束后，发酵液移入发酵液储罐中，开启搅拌和冷水，使发酵液降温至15℃，关闭搅拌，静置20 h，使酵母细胞自然沉降到罐底部，自罐锥底放出，取样检测发酵液无肉眼可见悬浮物，实现酵母细胞和清液分离。
51.低温沉降得到的清液通过分子量为200 da的纳滤膜芯去除蛋白等大分子物质，得到赤藓糖醇透析液。当膜通量降低50%时，添加纯水进一步透析，直到浓相中赤藓糖醇含量降至1%以下。
52.步骤五：向纳滤透析液中添加1.5%的活性炭，开启搅拌转速为200 rpm，温度75℃维持4 h。分光光度计600 nm测定透光率＞85%；活性炭吸附完成后，采用板式过滤机过滤，除去活性炭和其他蛋白类杂质。滤液通过强酸性阳树脂柱和强碱性阴树脂柱去除游离离子，树脂柱高径比5:1，树脂柱内壁衬防腐层，每小时进料流速为树脂体积的2倍，进料温度为45℃，处理后的料液电导率＜100 μs/cm，得到赤藓糖醇提取液。
53.步骤六：将赤藓糖醇提取液进入浓缩蒸发器，蒸发器控制温度75℃，真空度为-0.08 mpa，直至料液的密度浓缩至1.2 kg/l，得到浓缩液；浓缩液进入结晶罐，结晶罐带有搅拌器，并对结晶罐降温，以每小时下降2℃的速度降温至10℃，获得晶浆液；晶浆液进入离心机，将晶体与母液分离。晶体在最终脱水过程中使用纯水洗涤晶体，去除晶体表面杂质，分离后的湿晶体含水量＜3%。湿晶体进入烘干系统，带走湿晶体中的水分，最终晶体水分＜0.2%，得到赤藓糖醇成品。
54.值得进一步说明的是：培养基过滤除菌步骤无蒸汽消耗。
55.值得进一步说明的是：发酵液处理步骤中无设备二次投入，无过度蒸汽、电等能源消耗，运行费用极低。并且处理步骤中不加水稀释，也为后续浓缩过程节省能耗。
56.实施例2
57.步骤一：将膜组件和发酵罐使用蒸汽加热至95
°
c，维持20 min；处理过程中产生的冷凝水应及时从排污管道排出；处理后的膜组件管道和发酵罐保压备用。
58.步骤二：发酵培养基包含葡萄糖280 g/l，有机氮源10 g/l，柠檬酸铵5.5 g/l，磷酸二氢钾3 g/l，七水硫酸镁1.2 g/l，酵母膏9 g/l。按照50 m
³
的发酵培养基体积称取各营养物，颗粒状物料使用小型筛机分筛，将分出的大颗粒先粉碎后再进行溶解。使用纯水将物料进行溶解，氨水调节ph值至6，使用搅拌溶解混合均匀。
59.溶解过程采用70℃热水，能够加快物料溶解速度；所使用的培养基成分均为食品级；物料溶解后，应取样观察物料溶解状态，搅拌混匀28 min直至物料澄清，无明显不溶物，得到培养基。
60.将溶解好的培养基经过装有0.2 μm孔径膜芯的膜组件过滤除菌泵入发酵罐中，最后使用热水或纯水将管道内残余的培养基推入发酵罐中，得到无菌的赤藓糖醇发酵培养基；赤藓糖醇发酵培养基的葡萄糖质量浓度为28%。
61.步骤三：按照体积占比14%的接种量接入酵母细胞种子液，温度30℃，通入无菌空气，通风比为0.3 vvm，搅拌300 r/min，罐压0.08 mpa，自然ph发酵，当葡萄糖浓度低于5 g/l时，停止发酵。
62.步骤四：发酵结束后，发酵液移入发酵液储罐中，开启搅拌和冷水，使发酵液降温至16℃，关闭搅拌，静置22 h，使酵母细胞自然沉降到罐底部，自罐锥底放出，取样检测发酵液无肉眼可见悬浮物，实现酵母细胞和清液分离。
63.低温沉降得到的清液通过分子量为250 da的纳滤膜芯去除蛋白等大分子物质，得到赤藓糖醇透析液。当膜通量降低55%时，添加纯水进一步透析，直到浓相中赤藓糖醇含量降至1%以下。
64.步骤五：向纳滤透析液中添加2%的活性炭，开启搅拌转速为150 rpm，温度72℃维持3 h。分光光度计600 nm测定透光率＞85%；活性炭吸附完成后，采用板式过滤机过滤，除去活性炭和其他蛋白类杂质，滤液通过强酸性阳树脂柱和强碱性阴树脂柱去除游离离子，树脂柱高径比7:1，树脂柱内壁衬防腐层，每小时进料流速为树脂体积的3倍，进料温度为50℃，处理后的料液电导率＜100 μs/cm，得到赤藓糖醇提取液。
65.步骤六：将赤藓糖醇提取液进入浓缩蒸发器，蒸发器控制温度80℃，真空度为-0.09 mpa，直至料液的密度浓缩至1.2 kg/l，得到浓缩液；浓缩液进入结晶罐，结晶罐带有搅拌器，并对结晶罐降温，以每小时下降3℃的速度降温至12℃，获得晶浆液；晶浆液进入离心机，将晶体与母液分离。晶体在最终脱水过程中使用纯水洗涤晶体，去除晶体表面杂质，分离后的湿晶体含水量＜3%。湿晶体进入烘干系统，带走湿晶体中的水分，最终晶体水分＜0.2%，得到赤藓糖醇成品。
66.实施例3
67.步骤一：将膜组件和发酵罐使用蒸汽加热至100
°
c，维持15 min；处理过程中产生的冷凝水应及时从排污管道排出；处理后的膜组件管道和发酵罐保压备用。
68.步骤二：发酵培养基包含葡萄糖350 g/l，有机氮源12 g/l，柠檬酸铵7 g/l，磷酸
二氢钾4g/l，七水硫酸镁1.2g/l，酵母膏10g/l。按照50m
³
的发酵培养基体积称取各营养物，颗粒状物料使用小型筛机分筛，将分出的大颗粒先粉碎后再进行溶解。使用纯水将物料进行溶解，氨水调节ph值至6.5，使用搅拌溶解混合均匀。
69.溶解过程采用80℃热水，能够加快物料溶解速度；所使用的培养基成分均为食品级；物料溶解后，应取样观察物料溶解状态，搅拌混匀30min直至物料澄清，无明显不溶物，得到培养基。
70.将溶解好的培养基经过装有0.5μm孔径膜芯的膜组件过滤除菌泵入发酵罐中，最后使用热水或纯水将管道内残余的培养基推入发酵罐中，得到无菌的赤藓糖醇发酵培养基；赤藓糖醇发酵培养基的葡萄糖质量浓度为35%。
71.步骤三：按照16%接种量接入酵母细胞种子液，温度32℃，通入无菌空气，通风比为0.5vvm，搅拌400r/min，罐压0.1mpa，自然ph发酵，当葡萄糖浓度低于5g/l时，停止发酵。
72.步骤四：发酵结束后，发酵液移入发酵液储罐中，开启搅拌和冷水，使发酵液降温至18℃，关闭搅拌，静置24h，使酵母细胞自然沉降到罐底部，自罐锥底放出，取样检测发酵液无肉眼可见悬浮物，实现酵母细胞和清液分离。
73.低温沉降得到的清液通过分子量为350da的纳滤膜芯去除蛋白等大分子物质，得到赤藓糖醇透析液。当膜通量降低60%时，添加纯水进一步透析，直到浓相中赤藓糖醇含量降至1%以下。
74.步骤五：向纳滤透析液中添加1%的活性炭，开启搅拌转速为100rpm，温度70℃维持1.5h。分光光度计600nm测定透光率＞85%；活性炭吸附完成后，采用板式过滤机过滤，除去活性炭和其他蛋白类杂质，滤液通过强酸性阳树脂柱和强碱性阴树脂柱去除游离离子，树脂柱高径比6:1，树脂柱内壁衬防腐层，每小时进料流速为树脂体积的5倍，进料温度为40℃，处理后的料液电导率＜100μs/cm，得到赤藓糖醇提取液。
75.步骤六：将赤藓糖醇提取液进入浓缩蒸发器，蒸发器控制温度85℃，真空度为-0.095mpa，直至料液的密度浓缩至1.25kg/l，得到浓缩液；浓缩液进入结晶罐，结晶罐带有搅拌器，并对结晶罐降温，以每小时下降5℃的速度降温至15℃，获得晶浆液；晶浆液进入离心机，将晶体与母液分离。晶体在最终脱水过程中使用纯水洗涤晶体，去除晶体表面杂质，分离后的湿晶体含水量＜3%。湿晶体进入烘干系统，带走湿晶体中的水分，最终晶体水分＜0.2%，得到赤藓糖醇成品。
76.对比例1在实施例3的基础上，调整相关技术特征
77.步骤一：将发酵罐通入蒸汽121℃灭菌30min，保压备用。
78.步骤二：按照50m
³
的发酵培养基体积称取各营养物，加水溶解使用氨水调节ph至6.5，通过蒸汽升温至121℃以上，维持30min后进入发酵罐中。发酵培养基的葡萄糖质量浓度为30%。
79.步骤三：按照体积占比16%的接种量接入酵母细胞种子液，温度32℃，通入无菌空气，通风比为0.5vvm，搅拌400r/min，罐压0.1mpa，当葡萄糖浓度低于5g/l时，停止发酵。
80.步骤四：发酵结束后，发酵液移入发酵液储罐中，开启搅拌和冷水，使发酵液降温至18℃，关闭搅拌，静置24h，使酵母细胞自然沉降到罐底部，自罐锥底放出，取样检测发酵
液无肉眼可见悬浮物，实现酵母细胞和清液分离。
81.步骤五：得到的清液通过分子量为250da的纳滤膜芯去除蛋白等大分子物质，得到赤藓糖醇透析液。当膜通量降低30%时，添加纯水进一步透析，直到浓相中赤藓糖醇含量降至0.5%以下。向清液中添加上清液体积的3%的活性炭，上清液与活性炭混合后维持温度70℃，并使用机械搅拌，搅拌转速为100rpm，活性炭吸附时间为3h，分光光度计600nm测定透光率＞85%；活性炭吸附完成后，采用板式过滤机过滤，除去活性炭和其他蛋白类杂质，将活性炭处理后的料液升温至45℃，再通过强酸性阳树脂和强碱性阴树脂处理，每小时进料速度为树脂柱内树脂体积的4倍，处理后的料液电导率＜100μs/cm。
82.步骤六：将除盐后的料液进入浓缩蒸发器，蒸发器控制温度85℃，真空度为-0.095mpa，直至料液的密度浓缩至1.25kg/l，得到浓缩液；浓缩液进入结晶罐，结晶罐带有搅拌器，并对结晶罐降温，以每小时下降5℃的速度降温至15℃，获得晶浆液；晶浆液进入离心机，将晶体与母液分离。晶体在最终脱水过程中使用纯水洗涤晶体，去除晶体表面杂质，分离后的湿晶体含水量＜3%。湿晶体进入烘干系统，带走湿晶体中的水分，最终晶体水分＜0.2%，得到赤藓糖醇成品。
83.对比例2在实施例3的基础上，调整相关技术特征
84.步骤一：将发酵罐通入蒸汽95℃灭菌20min，保压备用。
85.步骤二：按照50m
³
的发酵培养基体积称取各营养物，颗粒状物料使用小型筛机分筛，将分出的大颗粒先粉碎后再进行溶解。使用纯水将物料进行溶解，氨水调节ph值至6，使用搅拌溶解混合均匀，充分溶解的培养基经过装有0.2μm孔径膜芯的膜组件过滤除菌泵入发酵罐中，使用热水或纯水将管道内残余的培养基推入发酵罐，得到无菌的赤藓糖醇发酵培养基；赤藓糖醇发酵培养基的葡萄糖质量浓度为35%。
86.步骤三：按照体积占比16%的接种量接入酵母细胞种子液，温度32℃，通入无菌空气，通风比为0.5vvm，搅拌400r/min，罐压0.1mpa，自然ph发酵，当葡萄糖浓度低于5g/l时，停止发酵。
87.步骤四：发酵结束后，将发酵液加热升温至58℃，经过陶瓷膜过滤，当膜通量降低45%时，添加纯水进一步过滤，直到赤藓糖醇酵母细胞浓相中赤藓糖醇的含量降至1%以下，得到去除酵母细胞的上清液。
88.步骤五：陶瓷膜过滤得到的清液通过分子量为250da的纳滤膜芯去除蛋白等大分子物质，得到赤藓糖醇透析液。当膜通量降低30%时，添加纯水进一步透析，直到浓相中赤藓糖醇含量降至0.5%以下。向清液中添加上清液体积的2%的活性炭，上清液与活性炭混合后维持温度70℃，并使用机械搅拌，搅拌转速为100rpm，活性炭吸附时间为3h，分光光度计600nm测定透光率＞85%；活性炭吸附完成后，采用板式过滤机过滤，除去活性炭和其他蛋白类杂质，将活性炭处理后的料液升温至45℃，再通过强酸性阳树脂和强碱性阴树脂处理，每小时进料速度为树脂柱内树脂体积的4倍，处理后的料液电导率＜100μs/cm。
89.步骤六：将除盐后的料液进入浓缩蒸发器，蒸发器控制温度85℃，真空度为-0.095mpa，直至料液的密度浓缩至1.24kg/l，得到浓缩液；浓缩液进入结晶罐，结晶罐带有搅拌器，并对结晶罐降温，以每小时下降5℃的速度降温至15℃，获得晶浆液；晶浆液进入离心机，将晶体与母液分离。晶体在最终脱水过程中使用纯水洗涤晶体，去除晶体表面杂质，分离后的湿晶体含水量＜3%。湿晶体进入烘干系统，带走湿晶体中的水分，最终晶体水分＜
0.2%，得到赤藓糖醇成品。
90.对比例3 在实施例3的基础上，调整相关技术特征
91.步骤一：将发酵罐通入蒸汽121℃灭菌30 min，保压备用。
92.步骤二：按照50m
³
的发酵培养基体积称取各营养物，加水溶解使用氨水调节ph至7.0，通过蒸汽升温至121℃以上，维持30 min后进入发酵罐中；发酵培养基的葡萄糖质量浓度为30%。
93.步骤三：按照体积占比16%的接种量接入酵母细胞种子液，温度32℃，通入无菌空气，通风比为0.5 vvm，搅拌400 r/min，罐压0.1 mpa，自然ph发酵，当葡萄糖浓度低于5 g/l时，停止发酵。
94.步骤四：发酵结束后，将发酵液加热升温至55℃，经过陶瓷膜过滤，当膜通量降低50%时，添加纯水进一步过滤，直到赤藓糖醇酵母细胞浓相中赤藓糖醇的含量降至1%以下，得到去除酵母细胞的上清液。
95.步骤五：陶瓷膜过滤得到的清液通过分子量为250 da的纳滤膜芯去除蛋白等大分子物质，得到赤藓糖醇透析液。当膜通量降低30%时，添加纯水进一步透析，直到浓相中赤藓糖醇含量降至0.5%以下。向清液中添加上清液体积的3.3%的活性炭，上清液与活性炭混合后维持温度70℃，并使用机械搅拌，搅拌转速为100 rpm，活性炭吸附时间为3 h，分光光度计600 nm测定透光率＞85%；活性炭吸附完成后，采用板式过滤机过滤，除去活性炭和其他蛋白类杂质，将活性炭处理后的料液升温至45℃，再通过强酸性阳树脂和强碱性阴树脂处理，每小时进料速度为树脂柱内树脂体积的4倍，处理后的料液电导率＜100 μs/cm。
96.步骤六：将除盐后的料液进入浓缩蒸发器，蒸发器控制温度85℃，真空度为-0.095 mpa，直至料液的密度浓缩至1.23 kg/l，得到所述浓缩液；浓缩液进入结晶罐，结晶罐带有搅拌器，并对结晶罐降温，以每小时下降5℃的速度降温至15℃，获得晶浆液；晶浆液进入离心机，将晶体与母液分离。晶体在最终脱水过程中使用纯水洗涤晶体，去除晶体表面杂质，分离后的湿晶体含水量＜3%。湿晶体进入烘干系统，带走湿晶体中的水分，最终晶体水分＜0.2%，得到赤藓糖醇成品。
97.各实施例及对比例1、2和3的产品检测数据及能耗量见表一。
98.对比例4
99.在实施例3的基础上，步骤二中，发酵培养基经过装有0.05 μm孔径膜芯的膜组件过滤除菌泵入发酵罐中。其他条件均一致。
100.对比例5
101.在实施例3的基础上，步骤二中，发酵培养基经过装有0.6 μm孔径膜芯的膜组件过滤除菌泵入发酵罐中。其他条件均一致。
102.对比例6
103.在实施例3的基础上，赤藓糖醇发酵培养基的葡萄糖质量浓度为16%，其他条件均一致。
104.对比例7
105.在实施例3的基础上，赤藓糖醇发酵培养基的葡萄糖质量浓度为40%，其他条件均一致。
106.对比例8
107.在实施例3的基础上，步骤四中，发酵液降温至12℃，其他条件均一致。
108.对比例9
109.在实施例3的基础上，步骤四中，发酵液降温至20℃，其他条件均一致。
110.对比例4-9的产品检测数据见表二。
111.表一：以上实施例及对比例1、2和3的产品检测数据及能耗量
112.赤藓糖醇含量%收率%消毒消耗蒸汽量t培养基制备消耗蒸汽量t发酵液处理消耗蒸汽量t总蒸汽消耗量t实施例110055.20.80.05—0.85实施例2100.155.40.850.06—0.91实施例399.955.10.80.06—0.86对比例199.945.61.28.2—9.4对比例210046.70.850.050.551.45对比例3100.142.91.280.59.7
113.表二：对比例4-9的产品检测数据
114.赤藓糖醇含量%收率%赤藓糖醇成品获取延长的时间h对比例410055.11.6对比例5100.140.2/对比例699.939.43.5对比例799.955.25对比例810055.02.3对比例9100.152.7/
115.对比例1中，发酵罐消毒和培养基灭菌都是通过高温高压灭菌的方式，使用的蒸汽总量为8 t以上；并且高温高压灭菌过程会导致发酵培养基营养物的破坏，降低了赤藓糖醇收率。
116.对比例2中，发酵液处理步骤，使用陶瓷膜去除酵母细胞，成套设备一次性投入需80万元，并且运行过程中使用电、蒸汽、水等能源消耗；陶瓷膜过滤需加水对发酵液进行稀释，并且在后续浓缩工序中需要去除多余水分，进一步增加了能源消耗；同时陶瓷膜过滤过程中会损失部分赤藓糖醇，导致收率降低。
117.对比例3中，发酵罐消毒和培养基灭菌都是通过高温高压灭菌的方式；发酵液处理步骤，使用陶瓷膜去除酵母细胞；则蒸汽总量8 t以上，赤藓糖醇收率最低，能源消耗最大。
118.由此可见，本发明实施例得到的赤藓糖醇发酵培养基没有经过高温高压灭菌，相较于对比例1和对比例3方法得到的培养基，避免了高温高压对营养物质的破坏，提高了收率，并且减少了蒸汽等能源的使用；本发明实施例的发酵液处理方式无设备二次投入，无过度能源消耗，并且相比对比例2和对比例3的陶瓷膜去除酵母细胞方式，避免了赤藓糖醇随着设备运行过程中的损失，进一步提高了收率。
119.其依据在于赤藓糖醇发酵培养基渗透压高，且自然ph发酵，其中葡萄糖含量在20%以上，发酵过程由ph6左右自然降至ph3左右，以上高渗透压和低ph条件下，其他微生物很难生长，为采用膜过滤除菌提供了条件。
120.通过对比例4和对比例5可以看出，当膜组件的膜芯孔径过小，会导致流量减小，并且容易出现堵塞现象，过滤效率降低，赤藓糖醇成品获取完成时间延长，对于规模化生产企业，每一批次完成时间延长1-2小时，则一个月的产量将降低5-10%左右，对于年产量10万吨
的生产企业，将直接导致经济效益减少5-10%。当膜组件的膜芯孔径过大，会导致细菌通过滤膜，除菌效果不好，发酵培养容易染菌，最终影响赤藓糖醇产品收率。通过膜过滤方式除菌消毒，在达到正常的生产无菌要求前提下，不仅减少了蒸汽消耗，节能减排，而且培养基颜色较浅，降低了后续提取工序的生产负荷。同时避免了高温灭菌过程对发酵培养基营养物的破坏，进一步提高了提取生产收率。例如，蒸汽灭菌过程会导致葡萄糖部分转变为果糖，而生产酵母细胞具有典型的葡萄糖效应，优先利用葡萄糖，导致果糖易残留在发酵液中；且高温处理会使培养基中的氨基酸和葡萄糖发生羰氨反应，致使营养物含量降低，从而影响赤藓糖醇产品收率。
121.通过对比例6、对比例7可以看出，当赤藓糖醇发酵培养基的葡萄糖质量浓度低于20%，则渗透压较低，发酵培养过程中容易染菌，导致赤藓糖醇收率降低；并且葡萄糖浓度较低，相同的发酵强度导致单罐产量降低，生产效率较低。当然，当葡萄糖质量浓度高于35%，则渗透压较高，酵母细胞生长缓慢，发酵周期延长，同样也会降低生产效率，生产成本增高。因此，在保证能够较好的阻止其他微生物生长的前提下，生产企业也需要控制生产成本，使葡萄糖质量浓度在20-35%之间。
122.通过对比例8和对比例9可以看出，当发酵液降温过低，将直接延长赤藓糖醇产品获取的时间，影响生产效率；当发酵液降低的温度高于18℃，则酵母细胞不能完全自然沉降，直接影响后期赤藓糖醇产品收率。本发明利用酵母细胞在低温环境下易出现自然沉降的特点，例如啤酒酵母细胞通过低温冷藏发酵液可实现啤酒酵母细胞的高效率去除，其有益效果在于能够免去陶瓷膜过滤工艺，减少设备投入成本和膜过滤工艺的能源消耗，并且避免了陶瓷膜过滤导致的多种杂质的释放，减少了后面的提取纯化工序的负担，降低了能耗，提高了生产收率。
123.本发明与对比例相比存在以下优势：1、利用赤藓糖醇发酵过程抗染菌能力强的特点，采用膜过滤去除培养基中的杂菌，得到无菌的培养基。该技术与现有高温灭菌相比，能够减少高温对营养物的破坏，提高了赤藓糖醇收率，同时降低能耗；2、利用赤藓糖醇生产菌株能够静置后沉降的特点，实现清液和酵母细胞的低能耗沉降分离，减少了陶瓷膜分离的生产成本及其他提取工序的生产负荷，进一步提高了收率。

技术特征：
1.一种节能降耗生产赤藓糖醇的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，将膜组件与发酵罐使用蒸汽消毒灭菌，灭菌后备用；步骤二，制备发酵培养基，先将所述发酵培养基经过装有0.1~0.5 μm孔径膜芯的膜组件进行过滤除菌，然后再将所述发酵培养基泵入发酵罐中，使用热水或纯水将管道内残余的培养基推入发酵罐，得到无菌的赤藓糖醇发酵培养基；赤藓糖醇发酵培养基的葡萄糖质量浓度为22~35%；步骤三，往所述赤藓糖醇发酵培养基中接入酵母细胞并通入无菌空气进行发酵培养，发酵结束得发酵液；步骤四，所述发酵液移入发酵液储罐中，开启搅拌和冷水，使发酵液降温至15~18℃，关闭搅拌，静置20~24 h，使酵母细胞自然沉降到发酵液储罐底部，使发酵液分为酵母细胞和上清液，所述酵母细胞自发酵液储罐的底部放出，实现酵母细胞和上清液分离；步骤五，所述上清液经纳滤、吸附去除杂质，得到赤藓糖醇提取液；步骤六，所述赤藓糖醇提取液经浓缩、结晶、烘干得到赤藓糖醇成品。2.根据权利要求1所述的一种节能降耗生产赤藓糖醇的方法，其特征在于，所述步骤一中的蒸汽消毒灭菌操作为：所述膜组件和发酵罐通入蒸汽升温至90~100℃，维持15~30 min。3.根据权利要求1所述的一种节能降耗生产赤藓糖醇的方法，其特征在于，所述步骤二中的制备发酵培养基操作为：所述发酵培养基包含的物料有葡萄糖220~350 g/l、有机氮源8~12 g/l、柠檬酸铵4~7 g/l、磷酸二氢钾2~4 g/l、七水硫酸镁1~1.2 g/l、酵母膏8~10 g/l，使用纯水将所述物料进行溶解，使用氨水将溶解后的物料调节ph值至6~6.5；所述溶解过程采用65~80℃热水；物料溶解25~30 min，无明显不溶物，得到所述发酵培养基。4.根据权利要求1所述的一种节能降耗生产赤藓糖醇的方法，其特征在于，所述步骤三中的发酵培养操作为：所述发酵培养基中按照体积占比为12~16%的接种量，接入酵母细胞种子液，温度30~32℃，通入无菌空气，通风比为0.2~0.5 vvm，搅拌200~400 r/min，罐压0.05~0.1 mpa，自然ph发酵，当葡萄糖浓度低于5 g/l时，停止发酵，得到所述发酵液。5.根据权利要求1所述的一种节能降耗生产赤藓糖醇的方法，其特征在于，所述步骤四中，所述发酵液储罐为锥底罐，排出酵母细胞时，给所述发酵液储罐自罐顶通入空气加压，将锥底处酵母细胞压出罐体，得到所述上清液。6.根据权利要求1所述的一种节能降耗生产赤藓糖醇的方法，其特征在于，所述步骤五中的纳滤操作为：所述上清液通过分子量为200~350 da的纳滤膜芯去除部分色素、蛋白等杂质得到赤藓糖醇的透析液，当膜通量降低50~60%时，添加纯水进一步透析，直到浓相中赤藓糖醇含量降至1%以下。7.根据权利要求6所述的一种节能降耗生产赤藓糖醇的方法，其特征在于，所述步骤五中的吸附操作为：所述透析液加入活性炭吸附，活性炭添加量为透析液体积的1~2%，开启搅拌转速为100~200 rpm，温度70~75℃维持1.5~4 h，分光光度计600 nm测定透光率＞85%；活性炭吸附完成后，采用板式过滤机过滤，除去活性炭和其他蛋白类杂质，滤液通过强酸性阳树脂柱和强碱性阴树脂柱去除游离离子，树脂柱高径比5:1至7:1，树脂柱内壁衬防腐层，每小时进料流速为树脂体积的2~5倍，进料温度为40~50℃，处理后的料液电导率＜100 μs/cm，得到所述赤藓糖醇提取液。
8.根据权利要求1所述的一种节能降耗生产赤藓糖醇的方法，其特征在于，所述步骤六中的浓缩操作为：所述赤藓糖醇提取液进入浓缩蒸发器，蒸发器控制温度75~85℃，真空度为-0.08 mpa~-0.095 mpa，直至料液的密度浓缩至1.2~1.25 kg/l，得到浓缩液。9.根据权利要求8所述的一种节能降耗生产赤藓糖醇的方法，其特征在于，所述步骤六中的结晶操作为：所述浓缩液进入结晶罐，结晶罐带有搅拌器，并对结晶罐降温，以每小时下降2~5℃的速度降温直至10~15℃，获得晶浆液。10.根据权利要求9所述的一种节能降耗生产赤藓糖醇的方法，其特征在于，所述步骤六中的烘干操作为：所述晶浆液进入离心机分离出湿晶体与母液，所述湿晶体在最终脱水过程中使用纯水洗涤去除晶体表面杂质，分离后的湿晶体含水量＜3%，所述湿晶体进入烘干系统，带走湿晶体中的水分，最终得到水分＜0.2%的赤藓糖醇成品。

技术总结
本发明提供了一种节能降耗生产赤藓糖醇的方法，属于生物化学领域，包括以下步骤：将膜组件与发酵罐使用蒸汽消毒灭菌；制备发酵培养基，发酵培养基经过装有0.1~0.5μm孔径膜芯的膜组件过滤除菌泵入发酵罐中，得到无菌的赤藓糖醇发酵培养基，其中的葡萄糖质量浓度为22~35%；往赤藓糖醇发酵培养基中接入酵母细胞并通入无菌空气进行发酵培养，发酵结束得发酵液；发酵液移入发酵液储罐中，开启搅拌，使发酵液降温至15~18℃，关闭搅拌，静置20~24 h，实现酵母细胞和上清液分离；上清液经纳滤、吸附、浓缩、结晶、烘干得到赤藓糖醇成品。借此，本发明能够使生产赤藓糖醇过程中减少高温对营养物的破坏，提高了收率，同时降低能耗。同时降低能耗。


技术研发人员：王松江 郭传庄 王建彬 隋松森 蔡超 孙瑞成 李小双 李俊霖 梁炜超
受保护的技术使用者：诸城东晓生物科技有限公司
技术研发日：2023.09.04
技术公布日：2023/10/15