電滲析法轉(zhuǎn)化乳酸鈉發(fā)酵液的研究

電滲析法轉(zhuǎn)化乳酸鈉發(fā)酵液的研究

磷酸（la）是一種天然脂肪酸，廣泛應(yīng)用于食品、制藥、化工、環(huán)境保護等領(lǐng)域。特別是以L-乳酸作為前體生產(chǎn)的聚乳酸(PLA),由于其良好的使用性能和可降解的環(huán)境效應(yīng)正備受關(guān)注。目前,國內(nèi)外普遍采用微生物發(fā)酵法來生產(chǎn)乳酸。但L-乳酸發(fā)酵產(chǎn)物通常以乳酸鈣形式生成,需要硫酸酸化后提取,這不僅增加了L-乳酸生產(chǎn)成本,產(chǎn)生的大量硫酸鈣會污染環(huán)境,同時鈣鹽法提取的L-乳酸耐熱性不夠,難以滿足聚合物工業(yè)等行業(yè)的要求。因此,開發(fā)新的提取工藝對于乳酸生產(chǎn)具有非常重要的意義。雙極膜電滲析技術(shù)作為一種新興的膜分離技術(shù),已廣泛應(yīng)用于有機酸分離提取。它可以在不引入酸的條件下,將有機酸鹽轉(zhuǎn)化為有機酸,并回收利用堿溶液,能夠降低化工原料生產(chǎn)過程能耗,減少環(huán)境污染。因此將其應(yīng)用于L-乳酸的分離提取以取代現(xiàn)行的發(fā)酵液濃縮、乳酸鈣結(jié)晶和乳酸鈣酸解3道工序,有利于提高L-乳酸的生產(chǎn)效益,具有顯著的工業(yè)應(yīng)用價值和環(huán)境效應(yīng)。而且,雙極膜電滲析可以與發(fā)酵耦聯(lián),形成一種新型原位分離技術(shù)即電滲析發(fā)酵來生產(chǎn)L-乳酸,已成為國內(nèi)外研究熱點。本實驗以去除菌絲體后的L-乳酸鈉發(fā)酵液為分離體系,對雙極膜電滲析直接提取L-乳酸的工藝進行優(yōu)化。為進一步降低L-乳酸的生產(chǎn)成本,本實驗還考察雙極膜電滲析后的殘液回到發(fā)酵罐中循環(huán)使用,得到的堿液用于調(diào)節(jié)發(fā)酵罐pH的可行性。1材料和方法1.1電滲析薄膜材質(zhì)本實驗采用三室型雙極膜電滲析裝置將發(fā)酵液中的L-乳酸鈉轉(zhuǎn)化為L-乳酸,原理見參考文獻,示意圖如圖1所示。電滲析器由北京市三元八達科技開發(fā)有限公司提供,主要由膜堆,流量計,輸液泵、貯液罐、直流電源、組裝框架等組成。其中電滲析隔板尺寸為100mm×300mm,陽極為鈦涂釕材質(zhì),陰極為不銹鋼材質(zhì)。膜堆由6個單元組成,陰、陽離子交換膜為北京市環(huán)宇利達環(huán)保設(shè)備有限責(zé)任公司提供,型號分別為JAM-1陰膜、JCM-1陽膜,雙極性膜為德國fumasepFBM雙極性膜。1.2實驗方法1.2.1培養(yǎng)基和l-乳酸鈉質(zhì)量濃度固定化米根霉RL6041在3.7L鼓泡式發(fā)酵罐中制得,Na2CO3為中和劑,L-乳酸鈉質(zhì)量濃度為20～100g/L。發(fā)酵培養(yǎng)基(g/L):葡萄糖140,(NH4)2SO43,KH2PO40.3,MgSO4·7H2O0.75,ZnSO4·7H2O0.2。發(fā)酵液經(jīng)超濾去除游離菌絲。1.2.2循環(huán)液的制備鹽室中裝有L-乳酸鈉發(fā)酵液,酸室和堿室初始溶液均為蒸餾水,極室采用陰陽兩極室聯(lián)通,用電導(dǎo)為5000～10000μs/cm的NaOH溶液作為循環(huán)液,實驗過程中酸堿鹽室的流速保持一致,陰陽兩極室的流速保持一致。實驗采用間歇式操作,循環(huán)15min后開始在恒壓狀態(tài)下進行轉(zhuǎn)化。最佳操作電壓、流速分別由實驗確定。在操作過程中,每隔5min記錄電流電壓值,每隔1h測量酸堿鹽室的體積、電導(dǎo)率和pH,并取樣進行L-乳酸鈉、L-乳酸和NaOH的定量分析。1.3電流效率和nb電導(dǎo)率、pH分別由上海精密科學(xué)儀器有限公司的雷磁DDS-307電導(dǎo)率儀和雷磁pHS-25型pH計測定。用酸堿滴定法測定NaOH和L-乳酸質(zhì)量濃度,生物傳感分析儀測定L-乳酸鈉質(zhì)量濃度。實驗過程中的參數(shù)如下:能耗EC=∑UiΙiΔt3600c(ΗL)V(ΗL)Μ(ΗL)(1)能耗EC=∑UiIiΔt3600c(HL)V(HL)M(HL)(1)式中EC單位為kW·h/kg。電滲析過程的能耗指生產(chǎn)1kg的L-乳酸所需要的電能,它直接決定其經(jīng)濟可行性。電流效率ηΙ=96500c(Η)V(ΗL)Ν∑ΙiΔt(2)電流效率ηI=96500c(H)V(HL)N∑IiΔt(2)電流效率是電滲析器的主要指標(biāo),它表示電滲析過程中電流的利用效率,即轉(zhuǎn)化1molL-乳酸所需的實際電量與理論電量的比值。轉(zhuǎn)化率RC=c(ΗL)V(ΗL)Μ(ΗL)m(L-0)×100%(3)損失率RL=c(L-堿)V(L-堿)Μ(L-堿)m(L-0)×100%(4)轉(zhuǎn)化率RC=c(HL)V(HL)M(HL)m(L?0)×100%(3)損失率RL=c(L?堿)V(L?堿)M(L?堿)m(L?0)×100%(4)轉(zhuǎn)化率是指酸室中生成的乳酸(HL)占鹽室初始L-的比例;損失率是指滲透到堿室中的L-占鹽室初始L-的比例。因電滲析結(jié)束時會殘留少量的乳酸鈉,故本實驗中轉(zhuǎn)化率和損失率之和小于1。在式(1)～(4)中:c(HL)和V(HL)指酸室中的L-乳酸濃度(mol/L)和體積(L);c(L-堿)和V(L-堿)指堿室中的L-乳酸根濃度(mol/L)和體積(L);m(L-0)指鹽室初始乳酸根L-的質(zhì)量;M(HL)和M(L-)指乳酸和乳酸根的相對分子質(zhì)量;N指膜對數(shù),本實驗中為6;Ui和Ii指Δt時間間隔內(nèi)(本實驗中為5min)的電壓值(V)、電流值(A)。2結(jié)果與討論2.1不同電壓下膜的精神特性當(dāng)鹽室L-乳酸鈉質(zhì)量濃度為75.37g/L、三室的流速為30L/h時,考察體系電壓分別為10.0、12.5、15.0、18.5和20.0V對電滲析過程的影響。其電流-電壓曲線如圖2所示,能耗與電流效率隨電壓的變化如圖3所示。由圖2可知:不同電壓下的電流曲線均存在快速上升期、穩(wěn)流期、下降期和電流很小的平流期,且電壓越大,穩(wěn)流期越短,電流最大值越大。初始電流急劇上升時期為膜傳質(zhì)過程達到穩(wěn)定操作的時間,水向雙極膜內(nèi)中間層溶解擴散,達到穩(wěn)定平衡,陰、陽膜表面附近形成L-和Na+擴散的濃度邊界層。因初始的酸堿室均為水溶液,整個體系電阻比較大。隨著實驗的進行,鹽室中L-乳酸鈉逐漸轉(zhuǎn)化為L-乳酸和NaOH,鹽室的離子濃度下降,酸堿室的離子濃度升高,電導(dǎo)率變大,且體系溶液的溫度升高,導(dǎo)致電流很快達到最大值。隨著實驗的進一步進行,鹽室中的離子濃度下降到一定程度,而酸室中的乳酸為弱電解質(zhì),致使體系總電阻上升,而體系的總體溫度已經(jīng)趨于平衡,所以電流下降,直至電流很小的穩(wěn)流期。由圖3可知,隨著電壓的增加,電流的最大值增加,處理時間也相應(yīng)地縮短。電壓的升高加大了離子遷移動力,時間的縮短也在一定程度上抑制了濃差擴散和水滲透等現(xiàn)象,所以電流效率提高。但電壓的升高也導(dǎo)致了體系溫度的升高,熱損失加大,能耗隨著電壓的增加由0.64kW·h/kg升高到1.41kW·h/kg。例如,當(dāng)電壓為20.0V時,體系的溫度可達38℃,而本實驗中的膜在高于40℃時會變形,影響膜的壽命。同時能耗高不利于工業(yè)應(yīng)用。轉(zhuǎn)化率隨著時間的延長而升高,在上述不同電壓下的轉(zhuǎn)化率都大于95%,損失率小于3%。因此綜合考慮能耗、電流效率、轉(zhuǎn)化率和損失率,選用15V為操作電壓比較合適。2.2流速對電流效率的影響在操作電壓、溶液濃度基本恒定條件下,改變酸堿鹽室流量,分別為20、30、40、50、60L/h,考察對轉(zhuǎn)化過程的影響。圖4和圖5反映了電流效率、能耗、轉(zhuǎn)化率、損失率隨流速的變化關(guān)系。由圖4和圖5可知,流速的增加使湍流程度加劇,溶液在膜兩側(cè)的湍動和接觸充分,膜表面的滯流層變薄、電阻減小,因而電流效率增加、能耗減小。流量低時,料液在電滲析器中停留的時間長,離子的傳遞比較充分,因而轉(zhuǎn)化率高,損失率小。相反,高流量雖然可以獲得較大的電流密度,但料液停留的時間太短,離子遷移不夠充分,因而轉(zhuǎn)化率低,損失率大。因此對流速的選擇,在達到一定轉(zhuǎn)化率要求的前提下,應(yīng)盡量選擇流速較小的范圍,以保證乳酸根離子的損失控制在可接受的范圍內(nèi)。根據(jù)本實驗結(jié)果,選擇流速為40L/h,此時能耗為0.76kW·h/kg,電流效率達83.6%,轉(zhuǎn)化率和損失率分別為95.9%和2.94%。2.3l-乳酸鈉質(zhì)量濃度在操作電壓為15V、流量為40L/h的情況下,分別測定不同的初始L-乳酸鈉質(zhì)量濃度27.27、38.19、56.28、96.24g/L對過程性能的影響,結(jié)果如圖6所示。由圖6可知:隨著初始L-乳酸鈉質(zhì)量濃度的增大,轉(zhuǎn)化率、損失率和耗電量均增加,電流效率呈現(xiàn)先增后減的趨勢。鹽室中初始L-乳酸鈉的質(zhì)量濃度升高,由乳酸根L-濃度差造成的離子推動力增大,乳酸根L-由鹽室分別向酸堿室擴散,所以轉(zhuǎn)化率和損失率增加,電流效率增大。但濃度增加到一定程度,膜兩側(cè)溶液濃度升高,膜滲透壓增大,水的濃差擴散也加大,難以擴散進入雙極膜內(nèi),從而降低了雙極膜水解離速度,導(dǎo)致電流效率有所下降。同時初始L-乳酸鈉濃度越高,處理時間越長,導(dǎo)致能耗也隨之增加。由于雙極膜電滲析的一個主要應(yīng)用是和發(fā)酵耦聯(lián)形成原位分離技術(shù),即電滲析發(fā)酵。因此,具體的L-乳酸鈉質(zhì)量濃度還應(yīng)根據(jù)具體實驗來選擇。2.4雙極膜電滲析對l-乳酸鈉質(zhì)量濃度的影響重復(fù)分批方式是提高酸室中的L-乳酸濃度的一種有效方式,即在一批處理完后,倒掉鹽室的電滲析廢液,補入新的料液,而保留酸室中的L-乳酸溶液,繼續(xù)下一批分離過程。采用穩(wěn)壓方式(15V),在40L/h下,用2L的100.25g/LL-乳酸鈉發(fā)酵液作為鹽室的分離體系,用雙極膜電滲析進行重復(fù)分批方式處理,以制備高濃度的L-乳酸,結(jié)果見圖7。由圖7可知:在三輪雙極膜電滲析處理過程中,L-乳酸鈉濃度變化趨勢相似,說明膜的性能保持良好。酸室中L-乳酸質(zhì)量濃度不斷升高,最后達到144.31g/L。此外,堿室中的乳酸根離子濃度也在一直上升,說明隨著時間的延長,損失率在不斷地增加。經(jīng)過連續(xù)16h的操作,整個過程的轉(zhuǎn)化率為81.22%,能耗為0.81kW·h/kg,電流效率為91.8%,損失率為1.5%。因此與文獻相比,本研究具有操作簡便、能耗低轉(zhuǎn)化率高的優(yōu)點。此外,在用雙極膜電滲析處理乳酸鈉的過程中,發(fā)現(xiàn)堿室的體積基本不變,而酸室體積增加,鹽室體積減少。這是由水遷移造成的,主要來自2個方面:1)水與L-、Na+形成水合離子而遷移,即水的電滲透;2)水由于滲透壓作用而發(fā)生遷移。酸室體積的增加降低了L-乳酸的質(zhì)量濃度,也增加了后續(xù)的濃縮成本,不利于工業(yè)應(yīng)用。因此,要采取措施減少水遷移現(xiàn)象,如提高膜的性能,增加酸室的流量以減少水由于滲透壓作用向酸室遷移等。2.5培養(yǎng)基的發(fā)酵雙極膜電滲析提取L-乳酸后的發(fā)酵液殘液中含有一些殘?zhí)?、蛋白質(zhì)、色素、離子等,可以將其重復(fù)利用,用于固定化米根霉發(fā)酵生產(chǎn)L-乳酸。圖8對比了固定化米根霉利用普通發(fā)酵培養(yǎng)基以及在電滲析殘留液中補加葡萄糖后的培養(yǎng)基的發(fā)酵過程。由圖8可以看出,和正常發(fā)酵培養(yǎng)基的發(fā)酵過程相比,雖然利用補糖后的電滲析后殘液的發(fā)酵時間延長了10h,產(chǎn)酸量為96.24g/L(低于正常水平的104.26g/L),轉(zhuǎn)化率為70.5%,略低于正常的74.4%,但這種方法是可行性的,不僅可以減少廢水的排放,降低生產(chǎn)L-乳酸的成本,而且為后期的固定化發(fā)酵與雙極膜電滲析分離耦聯(lián)生產(chǎn)L-乳酸(即電滲析發(fā)酵)提供了可能性。3乳酸鈉發(fā)酵液電滲析處理效果本實驗采用三室雙極膜電滲析從L-乳酸鈉發(fā)酵液制取L-乳酸,同時回收NaOH溶液。綜合考察轉(zhuǎn)化過程中的能耗、電流效率、轉(zhuǎn)化率和損失率,流速為40L/h,電壓為15V的操作工藝較優(yōu)。在該條件下對2L的100.25g/L乳酸鈉發(fā)酵液進行分批重復(fù)電滲析處理,整個過程的轉(zhuǎn)化率為81.22%,損失率為1.5%,能耗為0.81