專利名稱：填充床電滲析用于發(fā)酵廢液中谷氨酸和乳酸分離的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)酵產(chǎn)品分離工藝領(lǐng)域，具體地，本發(fā)明涉及用于發(fā)酵廢液中殘余谷氨酸和乳酸分離的方法，其中填充床電滲析膜堆淡室中填充經(jīng)過篩選的離子交換樹脂用于促進(jìn)谷氨酸和乳酸的選擇性分離。
背景技術(shù)：
谷氨酸發(fā)酵液經(jīng)過冷凍一等電點沉淀提取谷氨酸后的發(fā)酵廢液，還含有豐富的可利用資源，除(NH4)2SO4等無機(jī)鹽外，還含有I. 5 2%的谷氨酸和少量乳酸等有機(jī)成分，如果直接排放將造成嚴(yán)重的資源浪費和環(huán)境污染。探討發(fā)酵廢水中谷氨酸和乳酸的分離提取，對廢液資源化和減小環(huán)境污染具有重要意義。傳統(tǒng)的谷氨酸提取工藝是采用大量的濃硫酸來中和發(fā)酵液中的氨，使發(fā)酵液pH值降至3. 2左右，然后加入晶種，使谷氨酸結(jié)晶、沉降，再用離心機(jī)過濾得到谷氨酸后再精制。由于廢液含有大量硫酸銨，環(huán)保處理難度大。關(guān)于發(fā)酵液中乳酸的提取，多數(shù)企業(yè)采用乳酸鈣結(jié)晶一酸解工藝，乳酸收得率低(在40% — 45%之間)，勞動強(qiáng)度大，環(huán)境污染嚴(yán)重等問題。目前，關(guān)于發(fā)酵液中氨基酸、有機(jī)酸的提取分離研究受到了廣泛關(guān)注，被報道的方法主要有溶劑萃取法、酯化法、電滲析法、離子交換法和樹脂吸附法等，但大多都還未得到實際應(yīng)用。關(guān)于谷氨酸的提取，如杭曉風(fēng)(膜科學(xué)與技術(shù)，2008，28 (2) :63_68)等研究納濾技術(shù)用于分離谷氨酸和鹽混合液，考察了 pH、氯化鈉濃度、膜通量、攪拌速度對納濾膜分離性能的影響，表明NF270對谷氨酸的截留率達(dá)到95.0%，膜的分離選擇性達(dá)到18. 8，可以實現(xiàn)高鹽濃度下谷氨酸溶液的脫鹽；邵文堯(陜西科技大學(xué)學(xué)報，2009，27 (6) :50_53)等驗證了超濾一納濾膜分離技術(shù)用于改進(jìn)谷氨酸提取分離工藝具有可行性；Maki (Journal of Fermentation Technology, 1987,65 (I) :61-70)等研究了米用模擬移動床吸附體系分離谷胱甘肽和谷氨酸，可得到較好的分離效果；Zhang (Separation and Purification Technology, 2007,15 :274-280)等研究了采用電滲析技術(shù)從等電母液中回收谷氨酸，發(fā)現(xiàn)通過改進(jìn)傳統(tǒng)電滲析可以得到較高的谷氨酸回收率和較低能耗；Zhang (Desalination, 2003,154 (I) :17_26)等研究了一種新的透析過濾法從超濾濃液中回收谷氨酸，該技術(shù)與蒸餾和等電結(jié)晶相結(jié)合，谷氨酸的純度和產(chǎn)量可分別提高
9.3%和 3. 35%。關(guān)于發(fā)酵液中乳酸的提取，如黃朝霞(離子交換與吸附，1994，10 (I) :18_25)利用PVP樹脂直接從發(fā)酵液中吸附乳酸，再用熱水進(jìn)行解吸，與現(xiàn)有的乳酸生產(chǎn)工藝相比，具有流程較短、設(shè)備較少、工藝先進(jìn)、回收率較高等特點；胡友慧和黃裕杰(化學(xué)世界，1998，7 :357-360)發(fā)現(xiàn)叔胺型國產(chǎn)D-301樹脂對乳酸的吸附容量小于交聯(lián)型聚乙烯基吡啶樹脂(PVP)，D-301吸附的乳酸比PVP的容易被洗脫；
何姍(天津化工，2009，23 (3) :29_31)考察了弱陰離子樹脂D301G和D311從發(fā)酵液中提取乳酸，獲得了優(yōu)化工藝條件；鄭輝杰(食品科學(xué)，2009，30 (6) :84_88)等選用弱陰離子樹脂D301G和D311從發(fā)酵液中提取乳酸，考察了時間、溫度、發(fā)酵液濃度、轉(zhuǎn)速、PH值、流速和樹脂填充量等的影響，獲得了優(yōu)化操作條件； 魏搏超等(過程工程學(xué)報，2012,12(1) :44_48)研究了一種利用鹽析萃取法分離發(fā)酵液中乳酸的新方法，通過系統(tǒng)考察乳酸在不同鹽析萃取體系中的分配規(guī)律，發(fā)現(xiàn)K2HPO4-甲醇和K2HPO4-乙醇體系適合分離發(fā)酵液中的乳酸，其中乙醇鹽析萃取體系乳酸的分配系數(shù)和回收率分別為3. 23和90. 6%，上相中殘余葡萄糖、菌體和可溶性蛋白大部分得到去除；Hong 等(Biotechnology Techniques, 1999,13 :915-918)研究了米用混合叔氛萃取劑從水溶液中回收L-乳酸，其萃取效率大于90%，且可克服第三相的形成，因此可縮短靜置時間；Vasheghani-Farahani (J Ind Microbiol Biotechnol, 2008, 35 :1229-1233)研究了采用離子交換樹脂從發(fā)酵液中原位分離乳酸，發(fā)現(xiàn)該工藝的產(chǎn)率是與傳統(tǒng)工藝的5倍。有關(guān)從發(fā)酵液中分尚提取谷氨酸的專利也有不少報道，如專利CN101456823公開了一種從發(fā)酵液中分離提取L-谷氨酸的新工藝，其特點是利用濾膜、超濾與濃縮連續(xù)等點法相結(jié)合方法從發(fā)酵液中提取谷氨酸，谷氨酸的提取收率大于95%，純度可達(dá)99%以上，解決現(xiàn)有分離提取方法中產(chǎn)品純度和提取收率低、成本高、廢液污染嚴(yán)重的問題；專利20071008911.9公開了一種谷氨酸提取工藝，主要包括過濾除菌一加熱濃縮一冷卻離心一離子交換等，其中離子交換洗脫液再返回到加熱濃縮步驟，該工藝酸堿消耗量少，谷氨酸回收率大于96%，但能耗較高；專利CN90104576. 4公開了一種應(yīng)用超濾處理谷氨酸發(fā)酵液來去除菌體，清液經(jīng)低溫等電來提取谷氨酸，其回收率可提高5%，縮短制取谷氨酸時間6 - 8小時。專利CN88106847. O公開一種利用銨型樹脂從等電母液回收谷氨酸的新工藝，使回收率達(dá)95%以上，也解決了工藝操作中易出現(xiàn)“結(jié)柱”的問題；專利CN94101444. 4公開了一種流加等電結(jié)晶與離子交換耦合的提取谷氨酸新工藝，谷氨酸工收率達(dá)95%以上；專利CN88103158. A公開一種從含菌體的谷氨酸發(fā)酵液這連續(xù)等電結(jié)提取取谷氨酸的方法，其特征是采用了連續(xù)操作、細(xì)晶消除、系統(tǒng)冷回收、產(chǎn)品中菌體排除技術(shù)所組成。有關(guān)從發(fā)酵液中分離提取乳酸的專利也有不少報道，如專利CN87104858. 2公開了一種乳酸分離提取方法，其工藝包括發(fā)酵液經(jīng)電滲析器、真空濃縮、離子交換柱等，可取代鈣鹽法，乳酸提取率達(dá)85%以上；專利200410041622. 5公開了一種從發(fā)酵液中提取乳酸的工藝方法，其特點是采用顆粒狀活性炭與H-103樹脂柱聯(lián)合脫糖脫色；采用兩次降溫法，通過一次結(jié)晶工藝提取乳酸I丐，提聞了成品的提取率和和純度較聞;專利CN102351686A公開了一種甲醇酯化耦合真空蒸餾法乳酸提取純化生產(chǎn)方法，即通過酸解和過濾、一次濃縮、二次濃縮、酯化并分餾游離水、酯化料液蒸餾乳酸甲酯、水解并蒸餾回收甲醇、再濃縮、雙級短程真空蒸餾等步驟對乳酸進(jìn)行提取純化，可得到質(zhì)量較好的乳酸產(chǎn)品，綜合收率達(dá)到90%以上；專利CN200710062812. 9提供了一種非鈣鹽法自動循環(huán)連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)乳酸的方法，該方法包括調(diào)漿、液化、糖化、配料、滅菌、連續(xù)發(fā)酵、膜過濾、乳酸分離、提純、蒸發(fā)等；該工藝連續(xù)發(fā)酵與超濾和電滲析的耦合凈化提純分離，提高了設(shè)備利用率和發(fā)酵轉(zhuǎn)化率，可適用于有機(jī)酸發(fā)酵的工業(yè)化生產(chǎn)；專利CN200710056251. I公開了一種富集發(fā)酵液中乳酸的方法，即通過選擇雙水相體系來調(diào)節(jié)乳酸和乳酸菌在雙水相體系中的分配，使乳酸分配在富聚合物相，乳酸菌分配在富鹽相，達(dá)到乳酸的富集。該技術(shù)可與乳酸發(fā)酵過程耦合，有益于改造現(xiàn)有的乳酸分離方法。盡管關(guān)于從發(fā)酵液中分離提取谷氨酸、乳酸的研究報道較多，但這些方法大多是直接分別從發(fā)酵液中分離提取谷氨酸或乳酸，難以適用于發(fā)酵廢液中殘余的低濃度谷氨酸和乳酸的分離提取。對于發(fā)酵廢液中殘余谷氨酸和乳酸的分離提取，目前還缺乏有效的分離方法和工藝，迫切需要研制開發(fā)適用于從發(fā)酵廢液中分離提取谷氨酸和乳酸的方法和專用裝置，實現(xiàn)從發(fā)酵廢液中回收有價值成分，促進(jìn)谷氨酸等發(fā)酵廢液的資源化和減小環(huán)境污染。

發(fā)明內(nèi)容
針對發(fā)酵廢液中谷氨酸和乳酸的分離提取還缺乏有效方法的問題，本發(fā)明擬開發(fā)填充床電滲析用于發(fā)酵廢液這兩種組分分離的方法，實現(xiàn)從發(fā)酵廢液中回收有價值成分，促進(jìn)發(fā)酵廢液的資源化和減小環(huán)境污染。本發(fā)明的目的是提供了一種填充床電滲析用于發(fā)酵廢液中谷氨酸和乳酸提取分離的新方法，其特征在于利用填充床電滲析膜堆淡室中填充的離子交換樹脂的選擇性，結(jié)合淡室溶液的PH控制，調(diào)節(jié)發(fā)酵廢液中谷氨酸和乳酸的解離度及其電荷，使待分離的組分在電場作用下優(yōu)先通過“樹脂鏈”發(fā)生傳遞和跨膜遷移，進(jìn)而使發(fā)酵廢液中谷氨酸與乳酸發(fā)生選擇性分離，促進(jìn)發(fā)酵廢液中谷氨酸和乳酸分離新技術(shù)的工程化應(yīng)用。為了實現(xiàn)上述目的提供的用于發(fā)酵廢液中谷氨酸和乳酸選擇性分離的填充床電滲析器包括填充床電滲析膜堆、輸液泵9、流量計10、壓力表11、溫度傳感器12、在線pH計
13、自動加酸和加堿裝置、連接管路和儲液罐；所述填充床電滲析膜堆包括若干交替排列的陰、陽離子交換膜4和淡室、濃室隔板、膜堆兩側(cè)的電極板5、夾緊裝置，共同構(gòu)成電滲析膜堆的淡室I、濃室2和極室3，其中淡室I中填裝選擇性離子交換樹脂；所述儲液罐包括淡水罐6、濃水罐7、極水罐8，分別與膜堆的淡室I、濃室2和極室3串聯(lián)；所述三個輸液泵9的進(jìn)水口端分別與儲液罐中的淡水罐6、濃水罐7、極水罐8相連接，其出水口端分別與膜堆的淡室I、濃室2和極室4連接，用于使不同隔室溶液通過填充床電滲析膜堆在各自管路中循環(huán)，經(jīng)過分批循環(huán)操作使待分離離子不斷優(yōu)先通過離子交換樹脂傳遞并發(fā)生跨膜遷移，從而實現(xiàn)谷氨酸與乳酸的選擇性分離；所述流量計10和壓力表11均位于填充床電滲析膜堆出水端與儲液罐連接的管路中，用于分別監(jiān)測淡室I、濃室2和極室3的流量、壓力及其變化；所述溫度傳感器12位于極水罐8與極室3連接的管路中，用于監(jiān)測極室溶液的溫度變化，控制填充床電滲析裝置在指定的溫度下運(yùn)行；所述在線PH計13位于淡水罐6與膜堆淡室I的連接管路中，用于在線監(jiān)測淡室溶液的PH值；所述自動加酸和加堿裝置包括加酸泵
514、加堿泵15、儲酸罐16和儲堿罐17，加酸泵14和加堿泵15進(jìn)水口端分別與儲酸與儲酸罐16和儲堿罐17連接，出水口端分別與淡水罐6連接；根據(jù)在線pH計13測定值的大小，與預(yù)設(shè)值比較大小，控制加酸泵14或加堿泵15的開啟或關(guān)閉，定量添加酸或堿到淡室罐6中，實現(xiàn)淡室溶液的PH控制，以促進(jìn)發(fā)酵廢液中谷氨酸和乳酸的分離。所述淡室I中填充的離子交換樹脂對谷氨酸或乳酸具有較好選擇性，谷氨酸根或乳酸根通過離子交換樹脂的選擇性交換吸附，并通過“樹脂鏈”發(fā)生傳遞而優(yōu)先發(fā)生跨膜遷移后進(jìn)入濃室2 ;另一種組分則保留在淡室I溶液中，從而實現(xiàn)谷氨酸與乳酸的選擇性分離。所述淡室I的隔板厚度為2_50mm，可根據(jù)單個淡室所需要的填充離子交換樹脂的數(shù)量確定淡室隔板的厚度。所述填充床電滲析器采用的離子交換膜4對發(fā)酵廢液中谷氨酸和乳酸具有選擇透過性，且具有抗有機(jī)物污染性能，能減小發(fā)酵廢液中的有機(jī)組分在離子交換膜表面吸附而造成膜污染。所述填充床電滲析膜堆中可根據(jù)實際需要增加或減少淡室I的數(shù)量，且同時增加或減小膜堆中淡室/濃室隔板的對數(shù)；所述溫度傳感器12用于監(jiān)測極室溶液的溫度變化，控制該填充床電滲析體系在40°C以下運(yùn)行；作為上述方案的一種改進(jìn)，所述的用于發(fā)酵廢液中谷氨酸與乳酸選擇性分離的填充床電滲析器，其特征在于，通過改進(jìn)電滲析膜堆淡室中填充的樹脂類型和填充方式，改善谷氨酸和乳酸兩種組分在填充床的選擇性交換吸附與電遷移規(guī)律，促進(jìn)該體系中谷氨酸與乳酸的分離比例。更具體地I - I)所述的電滲析膜堆淡室樹脂填充，即為了提高谷氨酸和乳酸的選擇性分離效果，膜堆淡室I填充的離子交換樹脂可為單一樹脂或多種樹脂組合，其中多種樹脂組合可橫向或縱向分層填充，或均勻混合填充；I - 2)所述的填充床電滲析膜堆淡室I中的離子交換樹脂填充方式如圖2所示，其中圖2. I為填充單一樹脂、圖2. 2為填充縱向分層樹脂組合、圖2. 3為填充橫向分層樹脂組合、圖2. 4為填充均勻混合樹脂。I - 3)所述的電滲析膜堆淡室I中樹脂的組合與填充，其關(guān)鍵在于篩選合適的離子交換樹脂，并根據(jù)不同樹脂的性質(zhì)差別進(jìn)行優(yōu)化組合與填充，改善谷氨酸和乳酸的分離效果。作為上述技術(shù)方案的又一種改進(jìn)，所述的用于發(fā)酵廢液中谷氨酸與乳酸選擇性分離的填充床電滲析器，其特征在于，配制了淡室溶液的PH值在線監(jiān)測和酸堿調(diào)節(jié)體系，用于在線監(jiān)測填充床電滲析淡室溶液的PH值和控制其酸堿性，調(diào)節(jié)發(fā)酵廢液中谷氨酸和乳酸的解離度、樹脂交換吸附、離子電遷移等，進(jìn)而促進(jìn)填充床電滲析體系中兩種組分的選擇性分離。更具體地2 - I)所述的工業(yè)pH電極13安裝在淡水罐6出水管中，用于監(jiān)測淡室I溶液的pH變化，可進(jìn)行進(jìn)淡水的pH變化范圍在O — 14內(nèi)全程監(jiān)測；2 — 2)所述的自動加酸/加堿裝置，包括工業(yè)pH電極13、信號變送器、加酸泵14、加堿泵15、儲酸罐16和儲堿罐17 ；
2-3)所述的淡室溶液pH在線監(jiān)測與控制，即根據(jù)pH電極13測定值的大小，與預(yù)設(shè)值比較大小，由信號變送器輸出信號，控制加酸泵14或加堿泵15開啟和關(guān)閉，定量添加酸或堿到淡水罐6中，實現(xiàn)淡室溶液的pH控制。所述填充床電滲析器用于發(fā)酵廢液中谷氨酸與乳酸的分離，其特征在于利用填充床電滲析膜堆淡室中填充的離子交換樹脂的選擇性，結(jié)合淡室溶液的PH控制，調(diào)節(jié)發(fā)酵廢液中谷氨酸和乳酸的解離度及其電荷，使待分離的組分在電場作用下優(yōu)先通過“樹脂鏈”發(fā)生傳遞和跨膜遷移，進(jìn)而使發(fā)酵廢液中谷氨酸與乳酸發(fā)生選擇性分離。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于(I)本發(fā)明利用填充床電滲析膜堆淡室中填充的離子交換樹脂的選擇性，結(jié)合淡室溶液的PH控制，并在電場作用下使發(fā)酵廢液中谷氨酸與乳酸在該體系中發(fā)生選擇性遷移分離，促進(jìn)發(fā)酵廢液中谷氨酸和乳酸分離新技術(shù)的工程化應(yīng)用，獲得了發(fā)酵廢液中谷氨酸和乳酸分離的新工藝。(2)與常規(guī)電滲析相比，本發(fā)明的填充床電滲析裝置用于發(fā)酵廢液中谷氨酸鹽(Glu-)和乳酸(Lac-)的分離比率可提高50%以上，同時可克服離子交換法只能分批操作和需要酸堿再生，且產(chǎn)生大量酸堿廢液的問題。(3)本發(fā)明將提出了一種發(fā)酵廢液中谷氨酸與乳酸分離的新方法和裝置，可解決采用常規(guī)電滲析存在二者分離比率低，以及離子交換法需要分批操作和產(chǎn)生大量酸堿廢液等問題，促進(jìn)發(fā)酵廢液中谷氨酸和乳酸分離新技術(shù)的工程化應(yīng)用。(4)本發(fā)明的填充床電滲析裝置作為實驗室研究的通用設(shè)備，用于發(fā)酵液中氨基酸、有機(jī)酸等有機(jī)組分的選擇性分離，所獲得數(shù)據(jù)可用于中試放大和大規(guī)模應(yīng)用的參考依據(jù)。(5)本發(fā)采用填充床電滲析用于發(fā)酵廢液中谷氨酸和乳酸的分離，還可通過篩選合適的離子交換樹脂，用于發(fā)酵廢液中其他氨基酸、有機(jī)酸的選擇性分離。


圖I為本發(fā)明用于發(fā)酵廢液中谷氨酸和乳酸分離的填充床電滲析器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為填充床電滲析膜堆淡室中的樹脂填充方式示意圖。
附圖標(biāo)記
I、淡室2、濃室3、極室
4、離子交換膜5、極板6、淡水罐
7、濃水罐8、極水罐9、輸液泵
10、流量計11、壓力表12、溫度傳感器
13、在線pH計14、加堿泵15、加酸泵
16、儲酸罐17、儲堿罐
具體實施例方式如圖I所示，用于發(fā)酵廢液中谷氨酸與乳酸選擇性分離的填充床電滲析裝置包括填充床電滲析膜堆、輸液泵9、流量計10、壓力表11、溫度傳感器12、在線pH計13、自動加酸/加堿裝置和儲液罐；
所述填充床電滲析膜堆包括若干交替排列的陰、陽離子交換膜4和淡室、濃室隔板、膜堆兩側(cè)的電極板5、夾緊裝置，共同構(gòu)成電滲析膜堆的淡室I、濃室2和極室3，其中淡室I中填裝選擇性離子交換樹脂；所述儲液罐包括淡水罐6、濃水罐7、極水罐8，分別與膜堆的淡室I、濃室2和極室3串聯(lián)；所述輸液泵9進(jìn)水口端與儲液罐連接、出水口端與膜堆連接，用于使不同隔室溶液通過填充床電滲析膜堆在各自管路中循環(huán)；所述流量計10和壓力表11位于膜堆出水端與儲液罐連接的管路中，用于分別監(jiān)測淡室I、濃室2和極室3的流量、壓力及其變化；所述溫度傳感器12位于極水罐8與膜堆極室3連接的管路中，用于監(jiān)測極室3溶液的溫度變化；所述在線pH計13位于淡水罐6與膜堆淡室I的連接管路中，用于在線監(jiān)測填充床電滲析淡室I溶液的PH值；所述自動加酸/加堿裝置包括加酸泵14、加堿泵15、儲酸罐16、儲堿罐17和在線pH計13，該加酸/加堿裝置與淡水罐6連接，用于實現(xiàn)填充床電滲析淡室I溶液的pH控制。如圖2所示，本發(fā)明中填充床電滲析膜堆淡室I中填充的離子交換樹脂可為單一樹脂或多種樹脂組合，其中多種樹脂組合可橫向或縱向分層填充，或均勻混合填充。淡室I中的離子交換樹脂填充方式如圖2所示，其中圖2. I為填充單一樹脂、圖2. 2為填充縱向分層樹脂組合、圖2. 3為填充橫向分層樹脂組合、圖2. 4為填充均勻混合樹脂。電滲析膜堆淡室I中離子交換樹脂的組合與填充，其關(guān)鍵在于篩選合適的離子交換樹脂，并根據(jù)不同離子交換樹脂的性質(zhì)差別進(jìn)行優(yōu)化組合與填充，改善谷氨酸和乳酸的分離效果。本發(fā)明結(jié)合具體的實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。實施例I常規(guī)電滲析用于發(fā)酵廢液中谷氨酸和乳酸的分離首先考察常規(guī)電滲析用于發(fā)酵廢液中谷氨酸和乳酸的分離。采用的常規(guī)電滲析脫鹽膜堆有3張陽膜，2張陰膜交替排列在陰陽極板間，組成了 2個濃室和2個淡室。膜之間的隔板為雙層編織網(wǎng)隔板，每個隔室厚度為O. 9_。陽極板為鈦涂釕材料，陰極板為不銹鋼材料；操作條件:淡室為2g/L L-Iac-和L-glu-混合液，循環(huán)流量為50L/h ;濃室為50mg/LNa2S0-4、極室為O. 1% Na2SO4，循環(huán)流量都為40L/h，每個室的溶液都為500ml，控制溶液初始PH為近中性，即谷氨酸和乳酸都為陰離子。采用恒壓操作，施加電壓5V，通過溫控器控制電滲析在恒溫25 °C下操作。在常規(guī)電滲析中，混合溶液中發(fā)生跨膜遷移的L-Iac-和L-glu_總量都隨著電滲析時間增加而逐漸增加，在實驗結(jié)束時(120min),從淡室遷移到濃室的L-Iac-和L_glu_分別為1.03X10_3mol、0. 16X 10_3mol，其相對分離比例6. 44。結(jié)果表明，在常規(guī)電滲析中乳酸根離子比谷氨酸根更容易發(fā)生跨膜遷移。實施例2填充床電滲析用于發(fā)酵廢液中谷氨酸和乳酸的分離與常規(guī)電滲析相比，填充床電滲析淡室隔板厚約為5mm，中間無編織網(wǎng)，用于填充不同類型的離子交換樹脂，其他組成部分和操作條件與常規(guī)電滲析相同。采用本發(fā)明的填充床電滲析裝置，考察惰性樹脂、離子交換樹脂如201 * 7 (強(qiáng)堿型)、001 * 1.1 (強(qiáng)酸型)、WKlO (弱酸型)、WA30 (弱堿型)等對發(fā)酵廢液中谷氨酸和乳酸分離的影響，其中前兩種來自南開大學(xué)化工廠，后兩種來自日本三菱。填充惰性樹脂時由于惰性樹脂沒有離子交換基團(tuán)，在該電滲析體系中，L-Iac-和L-glu-的跨膜遷移量分別為I. 265X 10_3mol、0. 239X l(T3mol，相對分離比例
5.19。與常規(guī)電滲析相比，填充惰性樹脂的電滲析體系中兩種離子的遷移量與分離比例比較相近，意味著惰性樹脂對離子離子跨膜遷移和分離都沒有促進(jìn)作用。填充離子交換樹脂時結(jié)果表明，填充001 * 1.1 (強(qiáng)酸型)樹脂可明顯促進(jìn)L-Iac-和L-glu-的跨膜遷移，其次是WKlO (弱酸型)、201 * 7 (強(qiáng)堿型)、WA30 (弱堿型)等，這與靜態(tài)吸附實驗中不同類型樹脂對L-Iac-和L-glu-的吸附量大小順序相反。在填充床電滲析體系中，填充001 ~k 1.1 (強(qiáng)酸型)樹脂時L-Iac-和L-glu-的跨膜遷移量分別為2. 559X 10_3mol、0. 305X l(T3mol，相對分離比例8. 39 ；WK10 (弱酸型)樹脂分別為2. 125Xl(r3mol、0. 237Xl(T3mol，相對分離比例8. 97 ;201 * 7 (強(qiáng)堿型)樹脂分別為O. 924 X 10-3mol、0· 088 X ΚΛιοΙ，相對分離比例10. 5 ；WA30 (弱堿型)樹脂分別為I. 294X IO-3Hi0I、0. 263X IO-3Hi0I，相對分離比例4. 92?？梢园l(fā)現(xiàn)，酸性樹脂對有機(jī)離子的跨膜遷移都有明顯的促進(jìn)作用，而且二者的分離比例相對于常規(guī)電滲析體系都有一定的提高，且填充弱酸型WKlO樹脂時離子離子的分離比例略高；強(qiáng)堿型201 * 7樹脂對兩種離子的跨膜遷移都一定的抑制作用，但可以顯著提高L-Iac-和L-glu-的分離比例；弱堿型WKlO樹脂對兩種離子的跨膜遷移作用不明顯，而且降低了兩種離子的分離比例。結(jié)果表明，填充床電滲析體系中淡室填充酸性樹脂對L-lac-、L-glu-選擇遷移量及差值比堿性樹脂明顯，有利于離子通過樹脂發(fā)生遷移，由此表明不同樹脂類型對L-lac-、L-glu-選擇性交換吸附，影響填充床電滲析對兩種組分的選擇性分離。意味著本發(fā)明的填充床電滲析裝置，可適用于從發(fā)酵廢液中回收有機(jī)酸、氨基酸等有價值成分，促進(jìn)發(fā)酵廢液的資源化和減小環(huán)境污染。本發(fā)明未詳細(xì)闡述部分屬于本領(lǐng)域公知技術(shù)。以上所述，僅為本發(fā)明部分具體實施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本領(lǐng)域的人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.填充床電滲析用于發(fā)酵廢液中谷氨酸和乳酸選擇性分離的方法，其特征在于利用填充床電滲析器膜堆淡室中填充的離子交換樹脂的選擇性，結(jié)合淡室溶液的pH控制，使待分離的組分在電場作用下優(yōu)先通過“樹脂鏈”發(fā)生傳遞和跨膜遷移，進(jìn)而使發(fā)酵廢液中谷氨酸與乳酸發(fā)生選擇性分離；所述的填充床電滲析器包括填充床電滲析膜堆、輸液泵(9)、流量計(10)、壓力表(11)、溫度傳感器(12)、在線pH計(13)、自動加酸或加堿裝置、連接管路和儲液罐；所述填充床電滲析膜堆包括若干交替排列的陰、陽離子交換膜(4)和淡室、濃室隔板、膜堆兩側(cè)的電極板(5)、夾緊裝置，共同構(gòu)成電滲析膜堆的淡室(I)、濃室(2)和極室(3)，其中淡室(O中填裝選擇性離子交換樹脂；所述儲液罐包括淡水罐(6)、濃水罐(7)、極水罐(8)，分別與膜堆的淡室(I)、濃室(2)和極室(3)串聯(lián)；所述三個輸液泵(9)的進(jìn)水口端分別與儲液罐中的淡水罐(6 )、濃水罐(7 )、極水罐(8 )相連接，其出水口端分別與膜堆的淡室(I)、濃室(2)和極室(4)連接，用于使不同隔室溶液通過填充床電滲析膜堆在各自管路中循環(huán)，經(jīng)過分批循環(huán)操作使待分離離子不斷優(yōu)先通過離子交換樹脂傳遞并發(fā)生跨膜遷移，從而實現(xiàn)谷氨酸與乳酸的選擇性分離；所述流量計(10)和壓力表(11)均位于填充床電滲析膜堆出水端與儲液罐連接的管路中，用于分別監(jiān)測淡室(I)、濃室(2)和極室(3)的流量、壓力及其變化；所述溫度傳感器(12)位于極水罐(8)與極室(3)連接的管路中，用于監(jiān)測極室溶液的溫度變化，控制填充床電滲析裝置在指定的溫度下運(yùn)行；所述在線pH計(13)位于淡水罐(6)與膜堆淡室(I)的連接管路中，用于在線監(jiān)測淡室溶液的PH值；所述自動加酸和加堿裝置包括加酸泵(14)、加堿泵(15)、儲酸罐(16)和儲堿罐(17)，加酸泵(14)和加堿泵(15)進(jìn)水口端分別與儲酸與儲酸罐(16)和儲堿罐(17)連接，出水口端分別與淡水罐(6)連接；根據(jù)在線pH計(13)測定值的大小，與預(yù)設(shè)值比較大小，控制加酸泵(14)或加堿泵(15)的開啟或關(guān)閉，定量添加酸或堿到淡室罐(6)中，實現(xiàn)淡室溶液的pH控制，以促進(jìn)發(fā)酵廢液中谷氨酸和乳酸的分離。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的填充床電滲析用于發(fā)酵廢液中谷氨酸和乳酸選擇性分離的方法，其特征在于谷氨酸根或乳酸根通過離子交換樹脂的選擇性交換吸附，并通過“樹脂鏈”發(fā)生傳遞而優(yōu)先發(fā)生跨膜遷移后進(jìn)入濃室(2);另一種組分則保留在淡室(I)溶液中，從而實現(xiàn)谷氨酸與乳酸的選擇性分離。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的填充床電滲析用于發(fā)酵廢液中谷氨酸和乳酸選擇性分離的方法，其特征在于所述淡室(I)中填充的離子交換樹脂為單一樹脂或多種樹脂組合，其中多種樹脂組合時可為橫向或縱向分層填充或均勻混合填充。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的填充床電滲析用于發(fā)酵廢液中谷氨酸和乳酸選擇性分離的方法，其特征在于所述填充床電滲析膜堆中能夠根據(jù)實際需要增加或減少淡室(I)的數(shù)量，且同時增加或減小膜堆中淡室/濃室隔板的對數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的填充床電滲析用于發(fā)酵廢液中谷氨酸和乳酸選擇性分離的方法，其特征在于，所述的溫度傳感器(12)用于監(jiān)測極室溶液的溫度變化，控制該填充床電滲析體系在40°C以下運(yùn)行。
全文摘要
填充床電滲析用于發(fā)酵廢液中谷氨酸和乳酸選擇性分離的方法，利用填充床電滲析器中填充床電滲析膜堆的淡室中填充的離子交換樹脂的選擇性，結(jié)合淡室溶液的pH控制，使待分離的組分在電場作用下優(yōu)先通過“樹脂鏈”發(fā)生傳遞和跨膜遷移，進(jìn)而使發(fā)酵廢液中谷氨酸與乳酸發(fā)生選擇性分離；填充床電滲析器包括填充床電滲析膜堆、輸液泵(9)、流量計(10)、壓力表(11)、溫度傳感器(12)、在線pH計(13)、自動加酸或加堿裝置、連接管路和儲液罐。本發(fā)明可解決采用常規(guī)電滲析存在二者分離比率低，以及離子交換法需要分批操作和產(chǎn)生大量酸堿廢液等問題，促進(jìn)發(fā)酵廢液中谷氨酸和乳酸分離新技術(shù)的工程化應(yīng)用。
文檔編號B01D61/46GK102935333SQ20121042119
公開日2013年2月20日 申請日期2012年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月29日
發(fā)明者石紹淵, 曹宏斌, 張曉琴, 王汝南 申請人:中國科學(xué)院過程工程研究所