双极膜电渗析法分离发酵液中乳酸及离子迁移规律

双极膜电渗析法分离发酵液中乳酸及离子迁移规律林晗;汪群慧;王丽娟;李岩;陈焕玺【摘要】考察了双极膜电渗析法分离酒糟发酵液中乳酸的影响因素，结果表明：当进料浓度13.5g-L-1，T作电压27V，进料浓度比1.3，流量20L・h-1，电渗析10h,产品罐中的乳酸浓度增加至20.95g・L-1,是电渗析前进料罐中的乳酸浓度的1.6倍，具有显著的浓缩效果。酸根离子迁移规律的研究表明，乳酸根离子的迁移速率明显高于其他酸根离子，且丙酸和乙酸的乳酸分离率相对较低。%Aseriesoffactorswereexaminedintheseparationoflacticacid(HLa)fromleesfermentationbybipolarmembraneelectrodialysis.WhenthefermentationwiththeinitialHLaconcentrationof13.5g-L-1wastreatedbybipolarmembraneelectrodialysisundertheconditionsofvoltage27V,feedingconcentrationratio1.3,andflowrate20L-h-1for10h,HLaconcentrationofdischargingtankwas20.95g-L-1,whichwas1.6timestheinitialconcentration,asignificantconcentratedeffect.Moreover,theanalysisofacidionmigrationshowsthatimmigrationrateoflacticacidionsissignificantlyhigherthanthatofotheracidions.TherelativeseparationefficiencyofHLatopropionateandaceticacidarelower.【期刊名称】《化工学报》【年(卷)，期】2014(000)012【总页数】8页(P4823-4830)【关键词】发酵;动力学;离子迁移;电渗析;乳酸;分离【作者】林晗;汪群慧;王丽娟;李岩;陈焕玺【作者单位】北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083;北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083;工业典型污染物资源化处理北京市重点实验室，北京100083;山西省环境科学研究院，山西太原030027;北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083;北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083【正文语种】中文［中图分类】X92乳酸作为一种重要的工业原料，被广泛应用于食品、医药、日化等行业。尤其是近年来，具有良好生物相容性和生物降解性的聚乳酸作为骨折内固件等被应用于医疗行业，进一步激发了乳酸的市场需求。乳酸主要通过生物发酵法［1-4］和化学合成法生产［5］。我国是酿酒大国，每年的酒糟产量达千万吨［6］。以酒糟为底物进行生物发酵生产乳酸，能够在非高温的条件下获得较高纯度的乳酸［7］，节省能源的同时实现对酒糟废渣的资源化利用［8］，具有较强的市场竞争力和环境效益。生物发酵获得的乳酸发酵液中含有糖类、色度、营养物质和其他有机酸等杂质，常采用钙盐结晶法、萃取法［9］、电渗析法［10-13］、蒸馏法［14］等，对乳酸进行分离提纯。传统的钙盐结晶法，存在流程长，产品回收率低等问题［15］；萃取法提纯乳酸过程中使用的萃取剂通常具有一定的毒性，并且过高的乳酸浓度会直接影响提纯效果；而蒸馏法通常存在能耗过高等问题。电渗析法回收提纯发酵液中乳酸的同时能够达到浓缩的效果，并且产生的碱液能够回用于发酵中的pH调节过程，基本不产生副产物，可避免二次污染。汪群慧等［16］曾使用电渗析法分离回收厨余垃圾发酵液中的乳酸，考察了不同电流密度条件下乳酸浓度、pH、乳酸回收率、电流效率和还原糖扩散率的变化规律。张才华等［17］使用两室型双极膜电渗析法提取乳酸，考察了电流密度、极室溶液浓度和初始浓度对电渗析的影响，结果表明电流密度对电渗析过程影响最大。本文利用双极膜电渗析法分离发酵液中的乳酸，消除后续乳酸提纯及聚合过程中杂质的影响，回收乳酸的同时，产生的碱液回用于酒糟发酵过程。同时探究电渗析过程中酸根离子的迁移规律，有助于寻求减少或避免杂质离子迁移的方法，对于实际生产有一定的指导意义。1.1模拟发酵液及实际发酵液的制备模拟发酵液的制备（g・L-1）:乳酸30,葡萄糖5,MgSO40.5,KH2PO40.3，甲酸0.3，乙酸1.0，丙酸0.2L。按上述成分配制完成后加入氨水调节pH至3.5作为模拟发酵液。实际发酵液的制备：本研究所用发酵液由干酪乳杆菌发酵酒糟所得，先将酒糟（取自北京牛栏山二锅头白酒厂）粉碎，再按1:4的固液比添加水，在12UC下灭菌15min，按2g-L-1的接种量加入干酪乳杆菌（中国工业微生物菌种保藏中心，保藏号20266）。酒糟在35C下培养4d，并用氨水（25%~28%）控制pH为6.0~7.0。发酵液经板框压滤机（滤布孔径约30pm）进行固液分离，再经过斜管-超滤系统进行处理后，得到实验所需的发酵液，其乳酸浓度约为13.5g-L-1o1.2双极膜电渗析装置及方法本研究采用二隔室双极膜电渗析器。如图1所示，将发酵液通入电渗析器，在直流电场作用下，发酵液中的乳酸根离子（La-）透过阴膜，受到双极膜的阳膜的阻挡留在1室，与双极膜阳膜表面产生的H+结合形成乳酸（HLa）。1室（乳酸液）和2室（发酵液）不断循环，达到分离和浓缩乳酸的目的。本研究使用由山东天维膜技术有限公司定制的双极膜电渗析器，如图1所示。该电渗析器分10个单元，每个单元由一张均相阴膜（国产）和一张双极膜（fumasep®FBM,德国FuMA-Tech公司制）组成。每张膜面积为20cmx10cm,有效面积约为实际面积的80%。电渗析器通电前，在进料罐内（连接进料室）注入4L模拟发酵液，产品罐（连接出料室）内注入3L浓度为9g-L-1的稀乳酸溶液。极室使用Na2SO4溶液。各室内溶液通过磁力驱动泵打入膜堆中，待膜堆充满溶液后在膜组件两端加一定电压。电渗析过程中，每隔2h取产品罐和进料罐的试样测定乳酸浓度，并记录电流值和进料罐、产品罐液体的体积。1.3分析方法发酵液中有机酸的测定采用高效液相色谱仪（日本岛津LC-20AT）。乳酸回收率R的计算公式如下其中，乳酸质量=乳酸浓度x溶液体积。当产品罐乳酸浓度不再随时间延长而上升时即认为电渗析过程完成。电流效率n和能耗W分别为乳酸分离效率反映电渗析过程中某一时刻乳酸相对于其他物质的回收率及纯度，其公式［18］为2.1双极膜电渗析工作电压的确定图2所示为进料流量20L・h-1,升压步长2V时不同极水浓度下的电流-电压曲线（电压稳定15s不变即认为系统达到稳态）。从图中可以看出，极室使用0.3mol-L-1和0.5mol-L-1的Na2SO4溶液时，得到的电流-电压曲线均在电压约为12V时存在一个拐点。在此拐点之前，电流-电压曲线的斜率较小，表明电渗析膜堆的电阻较大，而在此拐点之后，电流-电压曲线斜率较大，表明此时电阻变小，即膜堆电压大于12V时，发生了明显的水解离。由文献可知25^双极膜进行水解离所需要的理论电势是0.83V，实际的双极膜电势降接近0.9V［19］。本研究使用的膜堆含有10组膜对单元，因此认为10组膜对总电压降大于9V时，才发生明显的水解离。实验中测得的膜堆电压包括膜对的总电压降和极室压降，因此可以推测出极室的压降约为3V。在进料罐进料乳酸浓度为30g-L-1、进料罐与产品罐的初始乳酸浓度之比为3:1,两室流量均为20L-h-1的条件下，电渗析8h，考察工作电压分别为12、18、21、24、27、30V的乳酸回收率、电流效率以及能耗，结果如图3所示。从图3中可以看出，乳酸回收率随工作电压的升高而升高。当工作电压为27V时，乳酸回收率可达到75%；但当电压超过27V后，乳酸回收率基本保持稳定。而电流效率则随着电压增加先升高后略微降低。相反，能耗随着工作电压的逐步升高先略有减少，当电压超过27V后能耗明显增加。电渗析的传质过程受浓差扩散和电场迁移的双重影响。电场作用随电压升高而加强，乳酸根离子传质速度变大。然而，由于离子交换膜的选择性不是绝对的，电渗析过程中会存在同离子渗漏问题，H+和OH-的渗漏会影响电流效率［20］，而酸根离子的渗漏会影响产品的纯度，因此电流效率和乳酸回收率存在一定限值。当达到这个限值时，电压升高反而会造成电流效率的降低和能耗的升高。综合考虑3个考察因素的变化趋势，选择27V作为工作电压。2.2双极膜电渗析分离乳酸工艺条件的优化分别考察进料/出料浓度比(进料罐与产品罐的初始乳酸浓度之比)、流量、进料体积比(进料罐与产品罐内溶液的初始体积之比)以及时间对双极膜电渗析分离乳酸的影响，以期获得较适宜的工艺条件，结果如图4所示。图4(a)为在工作电压27V，进料罐乳酸初始浓度30g-L-1，进料/出料体积为4L/3L,进料流量20L-h-1的实验条件下，电渗析8h，进料/出料浓度比对乳酸回收率、电流效率、能耗的影响。随着进料/出料浓度比的增加，必然使两室的浓度推动力增大导致离子透过膜的效率增加，乳酸回收率和电流效率随之增大。但进料/出料浓度比过大，更多的水透过阴离子交换膜进入进料室2中，影响乳酸回收率的同时间接增加了能耗，降低电流效率。由实验结果可知，进料/出料浓度比3.3为最佳。图4(b)表示在进料/出料浓度比为3.3、其他条件与图4(a)相同时，改变物料进料流量的电渗析结果。发现随着物料的进料流量增加，溶液的湍流程度增加，使膜表面的滞流层变薄、膜电阻减小，因而乳酸回收率增加，电流效率上升；但当进料流量过大时，物料在反应器中停留时间减小，乳酸根来不及透过膜而导致乳酸回收率减少、电流效率降低。较适宜的进料流量为20L-h-1o图4(60)为工作电压27V，进料罐乳酸初始浓度30g・L-1,进料流量20L-h-1，进料/出料浓度比为3.3，产品罐溶液体积(3L)不变，进料罐内溶液体积分别为4、5、6和7.5L,即进料/出料体积比1.3、1.6、2和2.5时电渗析的结果。其浓缩倍数(产品罐最终乳酸浓度与进料罐初始乳酸浓度之比值)并没随着进料/出料体积比的增加而增加［图4(d)］,且乳酸回收率和平均电流效率呈逐渐下降的趋势，平均能耗持续上升［图4(c)］。这可能是由于进料体积增大，会使大量水渗入出料室，造成出料室乳酸浓度逐渐下降，从而影响其乳酸浓度。因此，选择进料/出料体积比为1.3。在上述适宜条件(进料浓度30g-L-1,T作电压27V，进料浓度比1.3，流量20L-h-1)下进行电渗析，每隔2h取样分析，得到图4(e)。随着电渗析时间的延长，乳酸回收率持续上升，当电渗析进行到10h时，乳酸回收率达到85.37%。继续延长时间，乳酸回收率上升幅度有限，但电流效率明显下降且能耗则显著增加。综上所述，本实验达到较好分离效果的适宜电渗析条件为：进料浓度30g-L-1,工作电压27V，进料/出料浓度比1.3，进料流量20L-h-1,进料/出料体积比1.3、电渗析10h。在该条件下的乳酸回收率可达到85.37%。2.3电渗析过程中酸根离子迁移动力学研究在双极膜电渗析分离乳酸的过程中，在电场的作用下，除了乳酸根离子，杂酸离子(甲酸根、乙酸根等)也不可避免地透过阴离子交换膜从进料室迁移至出料室，这不仅会影响到乳酸的纯度和产量，也会增大单位能耗。本节在2.2节得到的最优条件下，探究实际发酵液在电渗析过程中酸根离子的迁移动力学，检测出料室电导率和pH随时间的变化。由图5可以看出，在电渗析过程的前4h，出料室的电导率上升较快，相应的pH下降较快，结合图6中进料罐中各种酸根离子浓度随电渗析时间的变化情况，这段时间乳酸根离子迁移速率较快，说明相对于其他杂酸根，乳酸根在迁移过程中仍起到主要作用。下面通过反应级数的计算，进一步研究各种酸根离子的迁移动力学。采用半衰期法进行反应级数的计算。对于不同级数的反应，其半衰期与反应物的浓度关系不同。当n=1时，半衰期t1/2与起始浓度无关；当1n壬时，半衰期t1/2与反应物的浓度Ct的关系可表示为根据lnt1/2与lnCt的线性拟合曲线，通过计算得到斜率（1n-）即可得反应级数n。再根据不同反应级数的直线拟合方程，即可计算出各酸根离子的反应速率系数。根据式（4）,计算杂酸根离子相对于乳酸根离子的分离效率。由图6结合表1的数据可以看出，乳酸离子迁移的反应速率明显大于其他有机酸。这是由于在电渗析的过程中，有机酸离子的迁移主要是通过电迁移和浓差扩散两个过程。在电迁移的过程中，乳酸根离子的浓度最大，且其弱酸电离常数较大，因此优先透过离子交换膜；而对于浓差扩散过程，由于进料室中乳酸根离子的初始浓度很高，膜两侧的浓度差较大，因此其浓差扩散的推动力也较大，两者综合结果使乳酸迁移的反应速率系数最大。同时，进料初始浓度高的乳酸，其迁移行为符合一级动力学方程；而进料初始浓度低的丁酸、甲酸和丙酸的迁移行为符合二级动力学方程。乳酸分离效率反映杂酸根离子相对于乳酸根离子的分离效率，分离效率越大，表明被透过阴膜到出料室中的乳酸与被截留在进料室中的其他杂酸分离效果越好。杂酸根离子与乳酸分离效率由高到低的顺序为：甲酸-乳酸（83.71%）＞丁酸-乳酸（81.99%）＞丙酸-乳酸（69.10%）＞乙酸-乳酸（59.31%），这可能是因为丙酸和乳酸分子量最为接近，不利于两者的分离，而进料室乙酸的初始浓度相对较高，有利于乙酸向出料室扩散，因此乙酸相对于乳酸的分离效率较低。2.4双极膜电渗析的浓缩效果在双极膜电渗析提取发酵液中乳酸的过程中，除了产品中乳酸的纯度以外，整个过程中对乳酸的浓缩程度也是重要的参考指标。这直接关系着该技术应用于实际生产中的可行性及生产成本的问题。因此在2.2节工艺条件优化实验中得到的最佳适宜条件下(工作电压27V，进料/出料浓度比1.3，进料流量20L-h-1，进料/出料体积比1.3、电渗析10h),使用电渗析法回收实际发酵液中的乳酸，对产品罐和进料罐中的物料进行了核算，进一步分析双极膜电渗析对乳酸发酵液的浓缩效果。表2所示为在双极膜电渗析分离发酵液中乳酸的最适宜条件即工作电压27V,进料体积比为1.3，进料/出料浓度比为3.3，流量为20L-h-1。电渗析10h后，产品罐和进料罐中乳酸、还原糖浓度及液体体积等的变化的比较。电渗析后产品罐中的乳酸浓度增加至20.95g-L-1,是电渗析前进料罐中的实际发酵液的乳酸浓度(13.5g-L-1)的1.6倍，浓缩效果显著。为了进一步验证纯化效果，进料罐和产品罐试样的液相色谱图如图7所示。乳酸酒糟发酵液经过电渗析分离提纯后，纯度有了明显的提高，杂酸离子基本被去除。双极膜电渗析分离发酵液中的乳酸，相对于传统的钙盐酸解法、结晶法、萃取法等其他方法，减少了原料消耗并降低能耗，同时能够得到高纯度和高回收率的产品，具有显著的工业应用价值和环境效益。采用双极膜电渗析法从酒糟的乳酸发酵液中分离乳酸，其适宜的操作条件为：进料浓度30g-L-1,工作电压27V，进料/出料浓度比3.3，进料流量20L-h-1,进料/出料体积比1.3，电渗析10h。在该条件下的使用模拟发酵液进行电渗析，乳酸回收率可达到85.37%。采用含13.5g-L-1乳酸的实际发酵液，在上述适宜条件下电渗析10h后产品罐中的乳酸浓度达到20.95g-L-1，是电渗析前进料罐中的乳酸浓度(13.5g-L-1)的1.6倍，而产品罐乙酸等杂酸离子均低于2g-L-1,浓缩纯化效果显著。（2）酸根离子动力学研究表明，乳酸根的迁移速率最快，这是电场和浓度扩散双重作用的结果。进料初始浓度高的乳酸，其迁移行为符合一级动力学方程；而进料初始浓度低的丁酸、甲酸和丙酸的迁移行为符合二级动力学方程。（3）乳酸与其他杂酸的分离效率由高到低的顺序为：甲酸-乳酸（83.71%）＞丁酸-乳酸（81.99%）＞丙酸-乳酸（69.10%）＞乙酸-乳酸（59.31%），由于丙酸的分子量最接近于乳酸，而进料罐中乙酸的初始浓度较高，从而导致乳酸-丙酸、乳酸-乙酸的分离效果相对较差。后续可加入离子交换树脂进一步提纯乳酸。综上所述：双极膜电渗析法分离发酵液中的乳酸，相对于传统的钙盐酸解法、结晶法、萃取法等其他方法，可避免二次污染的产生，同时能够得到较高纯度和回收率的乳酸产品，具有较好的应用前景。YeL,ZhouX,HudariMSB,LiZ,WuJC.Highlyefficientproductionofl-lacticacidfromxylosebynewlyisolatedBacilluscoagulansC106[J].BioresourceTechnology,2013,132:38-44OuyangJ,MaR,ZhengZ,CaiC,ZhangM,JiangT.Openfermentativeproductionofl-lacticacidbyBacillussp.strainNL01usinglignocellulosichydrolyzatesaslow-costrawmaterial[J].BioresourceTechnology,2013,135:475-480ShenXueliang（沈雪亮）,XiaLiming（夏黎明）.Synergeticsaccharificationandlacticacidfermentationbycoimmobilizedcellsusingcellulosicmaterials[J].JournalofChemicalIndustryandEngineering（China）（化工学报），2008,59（1）:167-172XuZhong（徐忠）,WangQunhui（汪群慧）,JiangZhaohua（姜兆华）.Enzymatichydrolysisofsoybeanstrawandl-lacticacidfermentation[J].JournalofChemicalIndustryandEngineering（China）（化工学报），2004,55YanZhihui（闫智慧），GaoJing（高静）,ZhouLiya（周丽亚）,ZhaoXueming（赵学明）.Reviewonapplicationandproductiontechnologyoflacticacidbyfermentation[J].JournalofHebeiUniversityofTechnology（河北工业大学学报），2004,33⑶：15-19ShiAnhui（施安辉）.Presentandfutureofenvironmentallyfriendlydistillers'grainsinChina[J].ChinaBrewing（中国酿造），2006（3）:4-7Abdel-RahmanMA,TashiroY,SonomotoK.Recentadvancesinlacticacidproductionbymicrobialfermentationprocesses[J].BiotechnologyAdvances,2013,31（6）:877-902YuanJie（袁颉），QiuShuyi（邱树毅），PengZhengdong（彭正东）.Researchadvanceinthereclamationofdistiller'sgrainsinliquorproductionbysolidfermentation[J].Liquor-MakingScience&Technology（酿酒科技），2012（5）:88-91TonovaK,SvinyarovI,BogdanovMG.Hydrophobic3-alkyl-1-methylimidazoliumsaccharinatesasextractantsforl-lacticacidrecovery[J].SeparationandPurificationTechnology,2014,125:239-246XuZhiyong（徐芝勇）,ZhangJianguo（张建国）.Applicationsofbipolarmembraneelectrodialysisintheproductionoforganicacids[J].MembraneScienceandTechnology（膜科学与技术），2007,27（3）:75-79ChengGuishi（程桂石）,WangQunhui（汪群慧），QiHong（齐虹）,SunXiaohong（孙晓红）,ZhaoYing（赵莹）.EffectsofpHonrecoveryoflacticacidfromkitchengarbagefermentationbrothbyelectrodialysis[J].JournalofChemicalIndustryandEngineering（China）（化工学报），2005,56（11）:2200-2203ChengG,WangQ,SunX,MengH,LiJ.Experimentalstudyonconcentrationofammoniumlactatesolutionfromkitchengarbagefermentationbrothbytwo-compartmentelectrodialysis[J].SeparationandPurificationTechnology,2008,62（1）:205-211WangQ,ChengG,SunX,JinB.Recoveryoflacticacidfromkitchengarbagefermentationbrothbyfour-compartmentconfigurationelectrodialyzer[J].ProcessBiochemistry,2006,41（1）:152-158ZhangMeng（张猛），MaLi（马利）,YangJichu（杨基础）,XuYongmao（徐用懋）.Non-equilibriumstagestaticsimulationoflacticacidpurificationreactivedistillationprocess[J].JournalofChemicalIndustryandEngineering（China）（化工学报），2005,56（6）:1031-1034WuYuqiong（吴宇琼），LiDinghuo（李定或）,WuYuanxin（吴元欣）.Researchprogressine