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膜​分​离​技​术​在​L​-​乳​酸​生​产​工​艺​中​的​应​用

2014-06-27 20:12:12 甘肃快3杭州沃腾膜工程有限公司 已读

乳酸(lactic acid)学名为α-羟基丙酸[1,2],从旋光性可分为L-乳酸、D-乳酸、DL-乳酸。乳酸是一种古老而重要的有机酸,乳酸及其衍生物广泛应用于食品、医药、饲料和化工等领域[3-5]。由于人体只能代谢L-乳酸的酶,D-乳酸不能被人体吸收,世界卫生组织提倡使用L-乳酸作为食品添加剂和内服药品,取代目前普遍使用的DL-乳酸[6]。用L-乳酸生产的聚乳酸(PLA),除具有聚苯乙烯相似的光泽度和加工性能外,还可以生物降解,因此具有广阔的发展前景,但降低L-乳酸的生产成本,生产高质量低成本的L-乳酸则是其中的关键。
1  L-乳酸生产的传统工艺
    玉米粉→发酵→中和→板框过滤→酸解→板框过滤→酯化水解→浓缩→成品。
    在传统的工艺中,两次采用了板框过滤进行料液中固液的分离。板框是典型的死端过滤过程,主要是靠在滤布上形成的滤饼层进行过滤,只能部分的去除料液中的不溶性固形物(菌丝体、原材料、变性蛋白等),而对于可溶性的蛋白、色素等大分子物质及部分微小的固体,不能去除。因此,滤液质量差,含有大量的可溶性蛋白等杂质,由于可溶性的蛋白的存在会在后续的工艺产生大量的乳化,给产品的分离纯化带来一定的困难,造成产品质量下降,并且由于板框过滤时一般要加入大量变性剂和助滤剂,造成了滤渣不好处理和运行成本的提高。
2  膜技术在L-乳酸生产中的应用分析
2.1  简介
    膜是具有选择性分离功能的材料。利用膜的选择性分离实现料液的不同组分的分离、纯化、浓缩的过程称作膜分离。它与传统的过滤的不同在于,膜可以在分子范围内进行分离,并且这过程是一种物理过程,不需发生相的变化和添加助剂。膜的孔径一般为微米级,依据其孔径的不同(或称为截留分子量),可将膜分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜,根据材料的不同,可分为无机膜和有机膜,无机膜主要还只有微滤级别的膜,主要是陶瓷膜和金属膜。有机膜是由高分子材料做成的,如醋酸纤维素、芳香族聚酰胺、聚醚砜、聚氟聚合物等。交叉流膜工艺中各种膜的分离与截留性能以膜的孔径和截留分子量来加以区别,图1示意了4种不同的膜分离过程(箭头反射表示该物质无法透过膜面被截留)。
    对于微滤而言,膜的截留特性是以膜的孔径来表征,通常孔径范围在0.1~1μm,能对大直径的菌体、悬浮固体等进行分离。故微滤膜作为一般料液的澄清、预过滤、空气除菌。
    对于超滤而言,膜的截留特性是以对标准有机物的截留分子量来表征,通常截留分子量范围在1000~300 000,能对大分子有机物(如蛋白质、细菌)、胶体、悬浮固体等进行分离。因此超滤膜广泛应用于料液的澄清、大分子有机物的分离纯化、除热源等方面。
    对于纳滤而言,膜的截留特性是以对标准NaCl、MgSO4、CaCl2溶液的截留率来表征,通常截留率范围在60%~90%,相应截留分子量范围在100~1000,故纳滤膜能对小分子有机物等与水、无机盐进行分离,实现脱盐与浓缩的同时进行。
    反渗透的截留对象是所有的离子,仅让水透过膜,对NaCl的载留率在98%以上,出水为无离子水。反渗透法能够去除可溶性的金属盐、有机物、细菌、胶体粒水、发热物质,也即能截留所有的离子,在生产纯净水、软化水、无离子水、产品浓缩、废水处理方面反渗透膜已经应用广泛。
    由于膜分离过程是一种纯物理过程,能够广泛应用于发酵、制药、化工、食品、饮料、水处理工艺过程及环保等领域,并体现了以下特点:分子级别的分离,精密高效,滤液质量好,是普通过滤分离手段难以比拟的;物理过程,无相变,无化学反应;系统惟一的能源耗是电力,能耗低;系统全封闭运行,实现清洁化生产;系统体积小,操作简便安全,可实现自动化控制,扩展性好。
    随着膜技术的不断发展,可以实现现有系统的软件升级,及时优化工艺操作条件,提高生产效益。
    针对不同的料液及工艺处理要求,选择合适的膜工艺,对料液进行有效的分离、过滤澄清、浓缩,降低能耗、提高产品的质量和收率、减少环境污染,从而降低生产成本,促进效益。
2.2  膜技术在L-乳酸生产工艺的结合点
    根据L-乳酸的原有工艺,结合膜过滤的特点,技改后生产工艺为:发酵→中和→板框过滤→超滤膜→酸解→板框过滤→纳滤膜脱色提纯→浓缩→成品。
2.3  应用膜技术的优点
2.3.1   超滤技术工艺的优点
    能够彻底去除蛋白和大分子的色素,使滤液澄清,减轻后续工艺的负担,提高生产效率,从而提高后续工艺的收率,并提升产品的质量。
    采用UF超滤工艺后,发酵液不需添加絮凝剂和助滤剂,降低生产成本。
    UF超滤浓缩液因不含絮凝剂和助滤剂,干燥后可做成饲料,既减少了环境污染又增加了效益。
2.3.2  纳滤技术工艺优点
    纳滤膜可进一步去除料液中的大分子杂质,提高产品质量。
    纳滤膜可以完全透过乳酸分子而大幅度截留还原糖,使得最终产品的还原糖含量降低,提高产品的热稳定性。
3  结  论
    膜分离技术作为近年来新兴的技术,有着传统过滤手段无法比拟的优势。L-乳酸生产中使用膜分离技术后,能提高L-乳酸产品的质量和收率,UF超滤膜取代板框压滤后,可以不用絮凝剂和助滤剂,并且减少生产工序,将超滤膜浓缩的发酵液菌丝渣可做动物饲料,变废为宝,并治理了环境污染,实现了清洁生产,而膜系统本身的运行成本主要是电力和膜元件的更换,消耗费用很低,因此L-乳酸生产工艺应用膜分离技术具有较好的经济效益和良好社会效益,是一项值得推广应用的新技术。

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